基于FAHP的繼電保護設備狀態評價

陳金華，郭曉娟，李明生，李 露，張海峰

(北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070)

繼電保護設備是電力系統中重要的安全保護設備，其安全性和可靠性直接關系到電力系統的安全性和可靠性以及人身安全，因此對繼電保護設備狀態進行評價可以及時掌握繼電保護設備的工作狀態和故障類型，從而為繼電保護設備維修保養和檢修提供科學決策的依據[1-2]。多指標的繼電保護設備狀態綜合評價，一般需要科學地確定指標權重，目前主要采用因子分析法、專家評測法等方法計算權重，單一地采用這些評價方法無法保證評價結果的科學性與整體性。層次分析法[3]適合對較為復雜的系統進行科學評價；模糊綜合評價法[4]適合解決難以量化的評價問題。為提高繼電保護設備狀態評價的精度，本文構建了一套基于保護屏本體、保護回路和保護通道的多層次繼電保護設備狀態評價指標體系，提出了一種基于模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)的繼電保護設備運行狀態評價模型。

1 繼電保護設備狀態評價指標

為實現繼電保護設備狀態的評價，需要建立繼電保護設備狀態評價指標體系。本文在綜合文獻[5]和文獻[6]的繼電保護設備狀態評價指標的基礎上，構建了基于保護屏本體、保護回路和保護通道的多層次繼電保護設備狀態評價指標體系，如圖1所示。

2 模糊層次分析法

由于繼電保護設備狀態評價指標體系中部分指標具有模糊性和不確定性[7]，因此本文將模糊層次分析法應用于繼電保護設備狀態評價。

1)建立繼電保護設備狀態評價指標體系U。

繼電保護設備狀態的評價指標體系為因素集U：

U={U1,U2,…,Ui,…,Uk}

(1)

式中：U為一級因素集；Uk={Ui1,Ui2,…,Uim}(i=1,2,…,k),為二級因素集，且Ui∩Uj=?(i≠j)；k為評價指標數量。

2)構造繼電保護設備狀態不同評價指標的判斷矩陣。

首先運用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)建立繼電保護設備狀態評價層次模型，然后采用標度1-9法確定繼電保護設備狀態不同評價指標的權重[7-8]。

3)一致性檢驗與不同指標權重的確定。

(2)

(3)

圖1 繼電保護設備狀態評價體系

4)建立繼電保護設備狀態的評價等級集。

假設繼電保護設備狀態評價等級集V={V1,V2,…,Vp}，將繼電保護設備狀態分為正常、注意、異常和嚴重4種狀態，此時p=4。

5)繼電保護設備的二級因素集模糊綜合評價。

(4)

(5)

式中：bk(k=1,2,…,p)為繼電保護設備評價等級集中第k個元素的隸屬度。

圖2 基于FAHP的繼電保護設備狀態評價流程圖

3 實驗與結果分析

3.1 數據來源

為了驗證模糊層次分析法進行繼電保護設備運行狀態評價的有效性和可靠性，選擇某電網220 kV變壓器繼電保護設備2018年1月—2019年8月的在線監測數據為研究對象。為了直觀地展示繼電保護設備的運行狀態，本文用橫線、豎線、右斜線和左斜線分別表示繼電保護設備的4個狀態(優良、正常、注意和異常)。繼電保護設備運行狀態評價標準見表1。

表1 繼電保護設備運行狀態評價標準

根據220 kV變壓器繼電保護設備2018年1月—2019年8月共20個月的運行狀態數據，得到運行狀態評價結果如圖3所示，包括評分值和狀態類型。圖3中評價序號1的評價分值為57.19，表示2018年1月該繼電保護設備運行狀態綜合評價得分為57.19，此時繼電保護設備的運行狀態為注意狀態。序號2～20以此類推。

3.2 評價指標

以平均絕對百分比誤差(mean absolute percent error, MAPE)MAPE和希爾不等系數(theil inequality coefficient,TIC)TIC評價繼電保護設備運行狀態評價模型的好壞[11-12]：

(6)

(7)

式中：N為樣本數據量；Xr,Xf分別為繼電保護設備實際狀態的評價分值和評估狀態的評價分值。

3.3 結果分析

以繼電保護設備2018年1月—2019年2月共14個月的運行狀態評分值作為訓練樣本，得到繼電保護設備狀態評估模型，之后運用訓練樣本建立的評估模型預測繼電保護設備2019年3月—2019年8月6個月的繼電保護設備狀態評價分值。運用FAHP、AHP和模糊評價法得到的繼電保護設備狀態評價結果如圖4所示，評價結果對比見表2。

圖4 繼電保護設備運行狀態評價圖

表2 繼電保護設備運行狀態評價結果對比

由圖4可知，與AHP和模糊評價法相比較，繼電保護設備FAHP的評價分值曲線與繼電保護設備實際狀態曲線具有更高的一致性。2018年4月和7月AHP和模糊評價法均出現了誤報，而FAHP僅在2018年4月發生誤報，說明用FAHP進行繼電保護設備運行狀態評價較AHP和模糊評價法具有更高的準確率。由表2可知，FAHP的誤差指標MAPE和TIC分別為4.596 1%和0.023 5，較AHP的6.744 1%和0.036 7以及模糊評價法的8.537 2%和0.045 40分別提高2.148 0%和0.013 2以及3.941 1%和0.021 9。綜上所述，與AHP和模糊評價法相比，采用FAHP進行繼電保護設備狀態評價具有更高的評價準確率，為繼電保護設備運行狀態評價提供了新的方法。

4 結束語

考慮到繼電保護設備狀態評價指標體系中部分指標具有模糊性和不確定性，為提高繼電保護設備狀態評價的精度，本文構建了基于保護屏本體、保護回路和保護通道的多層次繼電保護設備狀態評價指標體系，提出了基于模糊層次分析法的繼電保護設備運行狀態評價模型，并以某電網220 kV變壓器繼電保護設備2018年1月—2019年8月在線監測數據為研究對象，進行了基于FAHP的繼電保護設備狀態實證評價。

運用FAHP對繼電保護設備狀態進行評價，可以避免單獨的層次分析法產生的判斷矩陣不能通過一致性檢驗需反復修改所帶來的繁瑣驗證和計算，可以有效提高繼電保護設備狀態評價的精度，評價結果更加符合繼電保護設備實際狀態，為繼電保護設備狀態評價提供了新的方法。由于評價指標尚存在一定的局限性，模型的適用性不廣，后續將建立有更多評價指標的繼電保護設備狀態評價模型，以提高模型的精度和適用性。