变电站继保设备智能运检能力评价模型与方法

刘世丹，陈桥平,李一泉,刘琨，王育学，江链涛，梁远升，李海锋

(1.广东电网有限责任公司RTDS继电保护仿真重点实验室(广东电网有限责任公司电力调度控制中心)，广东 广州 510600；2.华南理工大学，广东 广州 510641)

继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线，运维检修是确保继电保护装置及回路正确性、可靠性的必要手段[1-3]。当前，运维工作主要依靠人工进站开展，受执行人技能水平、工作效率影响很大，运维质量无法保障。此外，在电网规模不断扩大与智能电网的转型升级的背景下，继电保护运维人员和专业管理人员工作量激增[4-5]。

在保证电网安全稳定运行的同时，对于风险较低、运行状态良好或具备在线状态监测手段的部分变电站或部分间隔逐步试点、推行实施差异化运维策略，是改善继保运维质量与现状的有效措施[6]。广东电网由于受台风气候灾害频发等客观因素的制约，全面升级智能变电站的难度大、周期长；目前正处于智能变电站与常规变电站并存的阶段，同时还有部分存量常规变电站的继保设备老旧；各变电站的智能化程度水平参差不齐，能够实施的运维策略也有所差异。因此，需要构建一个变电站继保设备智能运检能力评价体系，作为实施差异化运维策略的前提和依据。

目前，国内外关于变电站的评价主要集中在继保设备状态评价[7-8]、运行风险评估[9-10]与变电站的智能化程度[11-12]等单个因素评价领域。文献[13]将设备运行维护作为一个重要的指标维度，从而构建了智能变电站成熟度评价体系。文献[14] 从生产运行管理指标和设备状态统计管理指标两方面分析智能站的基本运行管理模式。而对于变电站继保设备智能运检能力评价，需要综合考虑变电站智能化水平、继保设备状态、厂站风险等多个因素，且基于专家决策的定性指标较多，以上研究所建立的评价体系与方法无法适用。随着科学理论不断地创新和实践的深入，综合评价方法越来越多地在电力领域得到运用，主要包括层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)、熵权法、模糊综合评价法[15]、灰色关联分析法[16]等。其中，AHP[17-18]由于将人们的实践经验和直觉等转化为对各因素的定量分析，从而将复杂的决策问题转化为简单的数学问题，具有简单易行、可进行一致性检验等优点，从而得到更为广泛的应用。但AHP具有主观性强的缺点，通过熵权法对AHP得到的权重进行修正，可消除主观性的影响，从而避免单一权重赋值的弊端[19]。

为此，从运维设备技术、需求、效益、继保设备风险状态、厂站风险状态和人员6个维度构建变电站继保设备智能运检能力评价指标体系与数学模型，采取AHP和熵权法确定指标权重，提出一种变电站继保设备智能运检能力评价方法。基于该评价模型与方法对多个典型变电站进行能力评价，通过对评价结果进行分析，发现各变电站的薄弱环节，为差异化智能运维策略的应用提供理论依据和指导工具。

1 变电站继保设备智能运检能力评价指标体系

构建变电站继保设备智能运检能力评价指标体系是综合评价的基础，应能客观、全面、科学地反映变电站实行继保设备智能运维策略的能力。对于继电保护运维策略来说，满足厂站需求、性能完备、经济高效的运维设备技术，数量充足、经验丰富的运维人员，以及状态健康良好、事故风险损失小的继保设备均是推动能力达标的重要因素。综合考虑运维作业、设备和运维人员3个方面的厂站基础条件，经过咨询电力专家及变电站运行、管理、设计人员，通过对比、分析、筛选，建立变电站继保设备智能运检能力评价体系，见表1。

表1 变电站继保设备智能运检能力评价体系Tab.1 Evaluation system of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substation

该评价体系从变电站的运维设备技术、需求、效益、继保设备风险状态、厂站风险状态和人员共6个维度、17个具体指标综合分析变电站继保设备的智能运检能力。

1.1 运维作业因素

运维作业因素包括运维设备技术、厂站运维需求以及运维策略优化可能带来的效益提升3个指标维度。

1.1.1 运维设备技术维度

变电站是否具备数量充足、状态可靠、功能完备的智能运维设备技术，决定变电站所能实施的运维策略智能化水平的上限。为了衡量厂站运维设备技术的智能化水平，需获取包括运维设备性质、运维设备技术覆盖率、运维设备功能配置、运维设备状态、通信通道状态等指标数据。

a)运维设备性质指标K：主要反映变电站运维设备技术的智能化程度。运维设备性质直接影响运维策略的制订，且运维设备技术指标维度中其余具体指标都是在运维设备性质的基础上进行评分，因此将K作为不同的运维设备性质等级的分级系数。针对智能站与常规站共存的现状，将运维设备性质划分为3个等级：①二级，具备智能录波器和智能运维主站，满足当前远方设备运检能力的最高技术要求，K=1.0；②一级，具备满足在线监测要求的103规约主站与站端检测设备，满足当前远方设备运检的基本技术要求，K=0.6～0.9；③零级，不具备上述设备，不满足远方设备运检的基本要求，K=0～0.5。

b)运维设备技术覆盖率指标U11：主要反映可以通过具备的运维设备技术实现相关运维功能的继保设备比例。

c)运维设备功能配置指标U12：反映变电站运维设备是否配备完备的二次设备状态监测、二次系统可视化、智能定检和不停电传动等功能。

d)运维设备状态指标U13：主要反映运维设备的软、硬件的健康状态，可通过软、硬件设备故障率来评价。

e)通信通道状态指标U14：主要反映变电站的信息开放程度和信息共享程度，可通过通信通行率和主子站通信中断时间等定量指标进行评价。

1.1.2 需求维度

随着电网规模的不断扩大，面对数量与日俱增的二次设备、繁琐复杂的工作流程和费时费力的进站路程，缺员严重的继电保护运维班组承担着更重的工作压力。

a)进站运维难度指标U21：主要反映进站往返路程耗时和交通路况等情况。

b)人员劳动强度指标U22：可通过人均维护设备数量的定量指标来评价。

1.1.3 效益维度

调整设备运检策略带来的效益主要体现在：

a)减少停电损失指标U31：主要针对优化运维策略实施可能造成的设备计划检修、故障消缺停电时间降低与经济损失减少等方面进行评价。

b)节约人力成本指标U32：主要针对优化运维策略实施可能带来的人员工作效率提升、工作量降低、人员需求量减少等方面进行评价。

1.2 设备因素

设备因素包括继保设备风险状态和厂站风险状态2个指标维度。设备状态是风险评估的基础，间接反映着厂站事故发生的风险概率，结合厂站风险事故可能造成的损失程度，可以客观反映变电站的风险管控难度。风险管控难度越大，评价得分应越低，新的运维策略的制订需更加保守。

1.2.1 继保设备风险状态维度

为了综合评价继保设备的风险状态，需获取包括间隔全检情况和继保设备状态在内的具体指标数据。

a)间隔全检情况指标U41：主要反映上一评价周期内变电站的间隔全检开展情况。

b)继保设备状态指标U42：旨在反映继保设备的运行状态及其发生故障的概率，该指标主要对处于非正常运行状态的继保设备数量进行评价。

1.2.2 厂站风险状态维度

为了科学衡量因继保设备的不正确动作而造成的厂站风险事件影响，需获取反映风险事件损失程度的指标数据，包括厂站电压等级、电力安全事件等级、一次设备状态。

a)厂站电压等级指标U51：厂站主保护的电压等级越高，除继电保护设备自身的价值损失之外，故障可能造成一次设备价值损失更加严重，因而风险等级更高。

b)电力安全事件等级指标U52：电力安全事件等级主要对变电站因为继保设备不正确动作所引起最高的电力安全事件等级进行评价。

c)一次设备状态指标U53：主要对上一个评估周期内变电站一次设备发生的故障次数进行评价。

1.3 运维人员因素

为了衡量人员素质水平，需要获取包括智能运维经验水平和学习创新能力的具体指标数据；考虑到部分变电站根据自身发展规划以及对新技术的掌握应用，还应包含智能运维人才储备情况。

a)智能运维经验水平指标U61：通过变电站具备智能运维经验的人员比例进行评价。

b)学习创新能力指标U62：可通过本科及以上文化程度的人员比例这一定量指标来评价。

c)智能运维人才储备情况指标U63：反映变电站的人员培训与储备机制的建设与实施情况。

2 变电站继保设备智能运检能力评价方法

2.1 变电站继保设备智能运检能力评价模型

在评价体系中，运维设备性质指标K作为运维设备技术指标维度总分的分级系数，取值在0～1.0之间，根据运维设备性质等级选取。除了运维设备性质外，其余每项具体指标的评分区间为0～10分，0表示最差，10表示最优。对于定量指标进行量化评分，对于定性指标，采用评议分级打分的评分方法。根据变电站继保设备智能运检能力评价体系，构建设备智能运检能力评价的数学模型

式中：Wi为指标维度Ui的权重；mi为指标维度Ui中的具体指标数量；wij为具体指标Uij的权重；Pij为具体指标Uij的评分；S为变电站继保设备智能运检能力的评价结果。

2.2 指标权重计算

通过对变电站继保设备运维人员、电力专家以及科研工作者进行问卷调查，基于AHP对各指标进行重要性比较，从而建立判断矩阵，将人的主观判断以定量形式表示和处理，并检验判断矩阵的一致性，一致性校验通过后计算得到指标权重。然后通过熵权法对AHP法得到的权重进行修正[19]，从而得到综合指标权重，见表2。

表2 各指标的权重Tab.2 The weight of each index

2.3 变电站继保设备差异化运维策略集合

设备智能运检能力评价除能输出评价总分外，还应能支持决策厂站差异化的设备运检策略，需预先制订与变电站运检能力相匹配的运维策略集合。在运维设备性质分级基础上，制订差异化运维策略集合：

a)对于满足运维设备技术覆盖率高、运维设备状态良好、功能配置完备、厂站风险等级低、人员素质高等要求的变电站，实施站端设备在线运检策略。

b)对于运维设备技术不够完备，但厂站风险较低、继保设备状态良好的变电站，可以适当延长定检周期，简化定检内容，如实施“免三年部检”策略。

c)对于配置条件较差的变电站，不改变原有的“巡视+定检”传统运检策略。

不同等级的运维策略对应的分数区间不同，需要划分分数线。根据各个运维策略的不同要求，将要实施运维策略必须满足的硬性指标要求视为必备条件指标，包括二次设备在线监测功能、通道在线率、继保设备状态等。必备条件对应的指标按其满分计算，其余非必备条件按其指标的期望分数值计算，然后可以得到各个运维策略的评估总分期望值。“在线运检”策略的非必备条件指标评分期望值取8～10分，“免三年部检”取6～8分，“传统运检”取0～6分，代入式(1)，可得不同等级运维设备各个具体策略的期望值，然后以各期望值为参考，选定分值区间，见表3。

表3 差异化运维策略集合Tab.3 Set of differentiated operation and maintenance strategies

最后，根据变电站的运维设备技术等级以及变电站继保设备智能运检能力的评价总分，确定变电站的运维策略。另外，通过雷达图的方式展现各指标维度的评价值，以便发现薄弱环节，指导智能运检能力的提升。

3 算例分析

以某5个具有代表性的变电站为例进行算例分析。其中，A站和B站为智能变电站，配备智能录波器和智能运维主站；C站和D站为常规变电站，配备满足在线监测要求的103规约主站与站端检测设备；E站为不具备相关运维设备技术的常规变电站。针对这些变电站建立继保设备智能运检能力评价指标体系，根据各站的基础数据，由相关运维人员组成专家组评估得出各个具体指标的得分，并根据式(1)求得各站继保设备智能运检能力评估值，并输出运维策略,见表4，各指标维度雷达图如图1所示。

表4 变电站各指标的分值Tab.4 The score of each index of substations

图1 变电站继保设备智能运检能力综合评价雷达图Fig.1 Radar chart of comprehensive evaluation of intelligent operation and maintenance ability of relay protection equipment in substations

由图1可知，5个变电站在需求和效益这2个指标维度的得分都较高，由此可见它们对于实施优化运维策略的迫切程度以及所能带来的预期效益提升较为显著。

A站在各个维度的得分均衡，且达到较高水平，可实施最高等级的运维策略。B站虽然也同为智能站，但其运维设备功能配备不完备，且通信通道的状态较差，使得运维设备技术维度的得分较低，总分明显低于A站，只能实施较低一级的运维策略。该变电站需加强运维设备技术这一薄弱环节。

C站和D站虽然具备在线监测要求的103规约主站与站端检测设备，但是由于运维设备状态较差、覆盖率不高，以及功能配置不完备等，运维设备技术维度的得分较低，且人员素质较低，无法支持在线运检策略。总体而言，C站较D站的运维设备更完善，总分明显高于D站，可实施“免三年部检”的策略。另外D站的继保设备状态较差，存在较大安全隐患，必须实施传统定检策略，确保设备稳定运行，规避故障隐患问题的发生。这2个变电站需加快对运维设备技术的升级改进，加强人员培训、提高人员素质，从而提高智能运检能力。

E站虽然不具备满足要求的运维设备，但其继保设备状态良好，且事故发生导致的可能损失较低，因此可以适当简化定检内容，并延长定检周期，实施“免三年部检”的运维策略。

4 结束语

构建变电站继保设备智能运检能力评价指标体系与数学模型，结合AHP与熵权法确定指标权重，提出一种变电站继保设备智能运检能力评价方法。通过算例分析验证方法的有效性，所构建的评价模型与方法不仅能够反映变电站继保设备智能运检能力的整体情况，为变电站实施差异化运维策略提供选择依据，还能够反映变电站各属性的发展情况，找出运检能力的薄弱环节，为差异化智能运维策略的应用提供理论依据和指导工具。