計及人因可靠性的變電站自動化系統失效風險評估

黃宇，蔣猛，張簡煉，廖偉涵，郭創新

計及人因可靠性的變電站自動化系統失效風險評估

黃宇1，蔣猛1，張簡煉2，廖偉涵2，郭創新2

（1．貴陽供電局，貴州省 貴陽市 550002；2．浙江大學電氣工程學院，浙江省 杭州市 310027）

目前對于變電站自動化系統的可靠性研究鮮有涉及人為因素的定量影響，而許多電網事故是由人為失誤引起的，因此提出了一種計及人因可靠性的變電站自動化系統失效風險評估方法。首先根據工作人員所處場景采用層次分析法-成功似然指數法評估人為失效概率以此修正設備故障概率，其次基于IEC-61850的功能分解對自動化系統各種功能的失效風險進行評估，最終融合為系統失效風險，以此描述當前系統可靠性，為調度部門決策提供指導。算例結果表明，人為因素對于系統失效風險有著較大的影響，計及人因可靠性可更為客觀地描述系統風險，為調度操作人員提供風險預警。

變電站自動化系統；智能變電站；人因可靠性

0 引言

智能變電站是智能電網的重要組成部分，因此，保證智能變電站自動化系統(integrated substation automation system，ISAS)的安全對于整個智能電網的安全、可靠、經濟運行有著極為重大的意義[1-5]。許多學者都針對ISAS的可靠性進行了研究。文獻[6]主要從硬件與軟件2方面的可靠性評估出發對SAS的可靠性進行了描述，并提及還應當考慮人為操作的影響。文獻[7]采用故障樹分析方法，從硬件可用性的角度來評估ISAS的可靠性。文獻[8]對國內數十座智能變電站的ISAS進行詳細調研，構建“二網一流”評估平臺、指標、模型，結合專家評判等方法對ISAS的有效度作出評價。

但是上述研究都未就人為因素對ISAS可靠性的影響進行定量分析。電網的安全可靠運行是電力行業甚至社會各界所關心的問題，而大量停電事故記錄表明，人為因素是影響電力系統可靠性的重要方面[9-10]。國內外學者針對人為因素對電力系統運行的影響模式進行了分析，并做出了相應的研究。文獻[11]針對班組行為建立仿真系統，模擬了班組決策的過程。文獻[12]指出操作人員的行為受到多方面的影響，包括組織、管理、規章、工作壓力等。文獻[13]對國內外城市的電網供電可靠性水平、組網模式以及變電站配置進行了詳細對比和分析，并總結了相關經驗。

本文提出了基于層次分析法-成功似然指數法(analytic hierarchy process-success likelihood index method，AHP-SLIM)的人因可靠性評估模型，基于行為影響體系分析計算變電站中的人為失誤概率。并提出基于功能分解的ISAS失效風險評估方法，考慮人為因素計算邏輯節點、邏輯連接等的失效概率，結合功能失效嚴重度計算功能失效風險，最終融合所有功能失效風險以評估ISAS的失效風險，研究結果可為調度部門的決策分析提供依據與指導。

1 人為失誤概率評估

1.1 行為影響體系

隨著人因可靠性分析方法的不斷發展，許多研究者建立了各自的行為影響體系，盡管這些體系各有差異，但基本遵循以下3個原則：

1）體系所面向的分析目標應明確。

2）行為影響因素間互相獨立，避免冗余。

3）行為影響因素應對人員行為有確實的影響，而非隨意捏造。

針對電力系統工作人員的操作環境，結合常規人因可靠性分析理論[14]，建立了相應的行為影響體系。該體系共分為5類一級影響因素，包括：個人因素、組織因素、團隊因素、環境因素以及信息因素。每種一級影響因素下又包含多種二級因素，詳細情況如表1所示。

表1 行為影響體系

每種影響因素代表了電力系統工作人員在工作時可能受到影響的方面，該體系不僅適用于人為失誤根源的定性分析，還可作為各因素對人員行為影響的定量分析的基礎。為了定量分析每種因素的影響程度，一般采用面向專家的問卷調查方法。每類二級因素均按等級劃分為1~10，數字越小說明情況越惡劣。而當評級為10時，說明該因素在防止人為失誤上有著最佳的作用，在個人因素下的二級因素中，知識與經驗的影響程度最高，心理與生理的影響程度相對較低。

1.2 AHP-SLIM評估方法

SLIM是一種簡單靈活的概率可靠性分析方法，且融合專家經驗后，可用于評估人為失誤概率。與其他人因可靠性評估方法相比，該方法更為靈活，且可在一定程度上降低主觀判斷帶來的誤差。SLIM認為在特定環境下，人為失誤主要取決于幾種二級因素，這些因素又被稱為決定性因素。SLIM模型給出了利用給定決定性因素來判斷人為失誤概率的方法，包括以下2個步驟[15]：

1）綜合每個決定性因素的權重與價值，利用式(1)計算成功似然指數LI。

式中：為第項決定性因素的重要度權重；v為第項決定性因素的價值；和均為常數。顯然，所有決定性因素的重要程度并不相同，因此本文采用層次分析法對這些因素的權重與價值進行取值，以降低主觀判斷帶來的誤差。

層次分析法通常被用來解決集合了定性與定量分析的復雜問題，具體的步驟如下。

1）征詢本領域專家意見，依據表2對不同的決定性因素進行一一比較，構建判別矩陣如下：

表2 AHP判別矩陣取值說明

2）對矩陣中的各列進行歸一化處理，得到1矩陣。

3）1矩陣各行求和，得到列向量。

4）對列向量進行歸一化處理，即得權重系數向量1。

5）一致性檢驗，若不能通過檢驗，則需對判別矩陣進行修正，直至滿足要求。

綜上所述，AHP-SLIM方法詳細步驟如下，流程如圖1所示。

圖1 AHP-SLIM評估方法流程圖

1）獲取分析場景，依據場景，選定決定性因素集合。

2）采用層次分析法獲得權重系數向量1，并依據專家意見獲得決定性因素對應價值。

3）根據式(1)和(2)計算得到系統人為失誤概率HE。

2 ISAS失效風險評估方法

ISAS的故障失效不僅僅受到單個硬件設備的影響，而應計及多方面因素，包括硬件設備、軟件系統、通信要素以及人為因素等。

2.1 功能分解方法

基于IEC-61850[16]，將ISAS中各類功能(function，F)分解為邏輯節點(logical node，LN)與邏輯連接(logical connection，LC)，而通信信息片(piece of information for communication，PICOM)經由邏輯連接在邏輯節點間傳遞。

對于功能、邏輯節點及邏輯連接的定義為

1）功能F：ISAS所需完成的任務。ISAS可被劃分為若干項基礎功能(如量測功能、過電流保護功能等)。

2）邏輯節點LN：某功能中，進行數據交換的最小組成部分，是對硬件、軟件或人因的抽象。

3）邏輯連接LC：不同邏輯節點間的通信鏈接，且具有方向性。

以距離保護功能為例，對其進行功能分解如圖2所示。

圖2 距離保護功能分解示意

2.2 功能失效概率

對于某操作人員控制的自動化設備D，考慮人為因素后，對其故障率進行修正：

為使分析過程簡便，本文作以下假設：

1）某物理設備中的所有邏輯節點與邏輯連接具有相同的失效概率，與該設備失效概率相一致；

2）功能、邏輯節點及邏輯連接僅存在工作狀態與失效狀態2種狀態；

3）當某邏輯節點或邏輯連接處于失效狀態時，其所屬功能也處于失效狀態；

4）不同功能間的失效事件相互獨立；

5）忽略所有通信時間延遲。

因此，基于以上假設，可得如下結論：

3）對于連接不同設備(1，2)中2個邏輯節點(LN1，LN2)的邏輯連接LC，其失效概率為

依據功能分解原理，可將功能視作一系列邏輯節點與邏輯連接的集合，因此功能F的失效概率為：

式中：LN和LC分別表示本功能中所包含的邏輯節點數與邏輯連接數；和則分別表示第個邏輯節點與第個邏輯連接的失效概率。

2.3 功能失效嚴重度

ISAS的各類功能的有效實現，依賴于邏輯連接中通信信息片傳遞的準確性，因此信息安全要素(包括保密性、完整性和可用性)可用于描述ISAS功能失效的嚴重程度。因此，通信信息片的價值決定了邏輯連接價值，而邏輯連接價值則決定了功能失效嚴重度。

信息安全要素被劃分為9個等級(數字越大，等級越高)。根據文獻[17-18]，邏輯連接價值和功能失效嚴重度應當能區別反映主要影響因素與次要影響因素，因此本文邏輯連接價值與功能失效嚴重度的定義為

表3 通信信息片安全要素評級

2.4 ISAS失效風險

依據風險評估的基本概念，功能失效風險應綜合反映功能失效的概率與嚴重度，其定義該風險為

由于不同功能對系統的影響并不一致，因此引入風險轉移權重來代表功能對于ISAS的重要程度，該權重系數可利用層次分析法計算得到。最后，結合該風險轉移權重與功能失效風險即可得到ISAS失效風險：

3 算例分析

本文以T1-1型變電站為例，對其進行ISAS失效風險評估。T1-1型變電站可以劃分為4個間隔，分別為D1Q1，E1Q2，E1Q1及E1Q3，其電氣接線及邏輯節點如圖3所示，主要功能如表4所示。

圖3 T1-1型變電站電氣接線與邏輯節點示意

表4 T1-1型變電站ISAS功能

首先，確定人為失誤的決定性因素(價值)為：知識經驗KE(4)、團隊合作TC(3)、工作環境WC (3)、任務數量TL(8)、時間緊迫度TU(7)及情景認知SP(4)，并征詢意見，構建判別矩陣，見表5。

利用層次分析法計算得到決定性因素的權重系數向量為

表5 判別矩陣A

表6 設備故障率修正

注：MTTF為平均無故障時間；MTTR為平均修復時間。

對各個功能的失效概率、失效嚴重度以及失效風險進行評估，風險轉移權重參考文獻[18]，得到結果如表7所示。依據式(9)可得，本場景下ISAS失效風險為2.4719。若不考慮人為失效概率，則ISAS失效風險為0.7154。可見，人為因素對于ISAS風險影響是可觀的。

表7 功能失效風險統計

令人因環境由惡劣向良好過渡(LI由1增至10)，分別計算系統風險的變化情況，如圖4所示。由圖4可知，隨著人因可靠性逐漸轉好(LI逐漸變大)，系統風險也不斷降低。當人因可靠性達到最佳(LI=10)時，系統風險為0.9375，仍高于未考慮人為因素時的系統風險。說明即使工作人員的各方面條件與所處環境都非常理想時，仍有操作失誤的可能。

因此，本文所提出的計及人因可靠性的ISAS失效風險評估方法能有效表征人為因素對于變電站自動化系統可靠性的定量影響，作為預警標志向工作人員發出警示，為調度決策人員提供風險信息支持。

圖4 ISAS風險受人為因素影響情況

4 結論

提出了一種計及人因可靠性的變電站自動化系統失效風險評估方法，對傳統的ISAS失效風險評估方法做出了改進。得到以下結論：

1）采用AHP-SLIM方法可根據不同人因場景獲取相應的人為失誤概率，且可自由選擇人因決定性因素滿足不同的分析需求。

2）基于功能分解的ISAS失效風險評估方法能將風險細化至每個功能及其所含邏輯節點與邏輯連接，使各項風險有據可循。

3）未計及人為可靠性的傳統風險評估方法無法定量表征人為失誤對系統風險的影響，所提出的方法很好地彌補了這一不足。

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Risk Assessment of Substation Automation System Failure Considering Human Reliability

HUANG Yu1, JIANG Meng1, ZHANG Jianlian2, LIAO Weihan2, GUO Chuangxin2

(1. Guiyang Electric Power Supply Bureau, Guiyang 550002, Guizhou Province, China;2. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

Currently, there are few research on the influence of human reliability upon the reliability of integrated substation automation system (ISAS). This paper proposed a risk assessment method of ISAS considering human reliability. First, according to the operators work condition, estimate the human error probability based on analytic hierarchy process-smart substation automation system to correct the failure probability of physical devices. Then, adopt the function decomposition based method to assess the failure risk of functions. Finally, obtain the failure risk of ISAS by mixing the function risks to characterize the reliability of ISAS and offer guidance to dispatching department. The big impact of human reliability on the ISAS risk is demonstrated in case study, which means considering human reliability is more objective than the traditional method.

substation automation system; smart substation; human reliability

10.12096/j.2096-4528.pgt.19051

國家自然科學基金項目(51537010)。

Project Supported by National Natural Science foundation of China (51537010)

2019-04-14。

黃宇(1987)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統調度，智能變電站等，303767806@qq.com。

黃宇

(責任編輯 辛培裕)