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一、引言
微机保护装置在电力系统中发挥着非常重要的作用,其本身的可靠性如何将对电网的安全经济运行起着至关重要的作用。因此对微机保护可靠性研究一直为人们所关注。
目前用于继电保护可靠性分析中比较成功的方法有马尔科夫模型[1-3]、概率法、故障树等。这些模型虽对继保装置本身的构成进行分析,但作为微机保护的重要组成-软件并没有充分考虑。
对此,本文结合马尔科夫模型和软件模块结构可靠性模型[4],构建出一种适用于数字保护软件可靠性分析的半马尔科夫链模型,并以一种典型实用的微机距离保护为例,对该软件可靠性和灵敏性进行定量分析,为一般研究人员对现有数字保护软件进行可靠性评估;缩短软件开发周期;软件优化提供依据。
二、基于软件模块结构的半马尔科夫模型
结合马尔科夫模型和软件模块结构可靠性模型提出了基于软件模块结构的半马尔科夫模型,首先详细分析软件模块结构,根据其特征对结构进行分类,然后再由结构类型对软件模块结构模型进行修正、求解[5] [6]。
三、算例分析
为了进一步阐述基于软件模块结构的半马尔柯夫模型,这里采用软件结构较为复杂、典型的220KV及以上电压等级输电线路的微机距离保护软件[7](其采样率为20点/周)为算例进行分析。考虑到当系统运行工况变化时,数据流经过的模块会发生变化,为了更能体现该距离保护软件的可靠性,算例取其故障处理运行状态,根据文献[7]所给保护原理框图分析,以保护启动后保护判别时间是否达到160 为分界,建立两个运行剖面,并考虑最大设置情况,认为装置已投入振荡闭锁。由于该保护硬件系统采取的是单任务执行方式,因此各模块基本上是串行结构。下面以其中一运行剖面为例进行分析。
(一)软件模块结构分析(保护判别时间超过160ms )
此时软件模块结构如图1所示,由22块模块组成:启动、第一次启动判别、振荡判别、重合闸动作判别、第I段启动判别、第I段出口、第II段启动判别、第II段动作时限计时、第II段动作时限判别、第II段出口、第II段启动判别、第III段启动判别、第III段启动判别、手动合闸判别、第III段动作时限计时、第III段动作时限判别、第III段出口、非全相运行判别、加速出口、故障消失判别、开放启动和返回。
每个模块的可靠度为:
=0.99900 =0.99920=0.99930 =0.99999
(二)可靠性分析
出矩阵并对其进行修正为矩阵 ,由于算例硬件系统采取的是单任务执行方式,状态结构与模块结构相同,因此修正后获得的矩阵和矩阵相同,对图1中的数字保护软件可靠度分别进行预计可得:
=0.99549*0.99999=0.99549
=0.9977*0.99999=0.99769
因此该微机距离保护在处理故障状态时,软件整体可靠度为0.99549,这一结果与文献[8]中的统计数据基本吻合。
必须强调的是:模块数量与软件可靠度并非呈现一定的比例关系,从功能实现的角度,这些分支结构可看成并联结构,使其可靠性有所提高。因此,软件的可靠度不一会因为运行模块数的增加而减小。如何利用可靠性分析的结果,合理进行功能和结构的设计,提高软件可靠性,是软件设计开发阶段需要着重考虑的问题。
(三)灵敏性分析
根据方法,应该对每个模块都要进行灵敏性分析。由于篇幅有限,在此分别改变前述性能起关键作用的八个模块的执行时间和可靠度,研究其对整个保护软件性能和可靠度的影响。
1、改变单个模块执行时间
由上述方法可知:改变每个模块的执行时间,可对软件进行灵敏性分析。将每个模块执行时间按10%分别增大,分别改变模块1、3、11、24、19、20的执行时间,对图1进行分析,获得的 和 /关系如图2所示。
可知:在两个运行剖面中,启动模块对软件可靠度影响最大;距离I、II、III启动判别模块对软件可靠度影响次之;非全相判别、振荡判别、加速出口和故障消失模块对软件可靠度影响较小。这与软件性能分析获得的结论是对应的。
总体来讲:①应该着重启动模块的优化研究,同时距离I、II、III段启动、振荡判别、非全相判别、故障消失判别以及保护加速出口模块优化也要引起足够的重视;②当采样通道较多时,如果只改善A/D硬件性能,模块1的执行时间将大大减小,这对整个软件性能来讲会有较大改善;如果采样通道有限,则A/D硬件性能改善也将十分有限,此时可以通过改善数字保护CUP主频来减小整个软件执行时间,从而提高了软件性能和可靠性。
由此可知:灵敏性分析不但能分析出软件模块与软件整体性能的关系,同时还能够对相关硬件的选择起到指导作用。因此如果数字保护出现因软件运行时间超出预计从而延长保护实际动作时间的情况,那么通过灵敏性分析,结合实际情况,可对数字保护硬件做出相应改善。
2、改变每个模块可靠度
将这八个可靠度分别减小,为了更清晰的表明各模块可靠度与软件整体可靠度之间的关系,减小为50%,计算出对应的,其关系如下:
可知:在整个运行状态结构中,启动和振荡判别模块可靠度对整个软件可靠度的影响最大;距离I、II、III段的启动判别模块对整体可靠度影响次之;非全相和手动合闸判别对整体可靠度影响相对较小。因此,在软件开发期,对上述模块功能实现时,算法应更精确,语言应更简练,不但可提高模块可靠度,也可减短模块运行时间。同时对于极为重要的模块,如启动和故障判别,必要时应采用一定的软件冗余设计,虽然模块数量增加,但软件整体可靠行将会增强。这与计算出的第二个可靠度高于第一个的情况相吻合。
四、结论
这种以软件模块为基础、采用半马尔科夫链求解的软件可靠性型,能够简单、精确地获得数字保护的软件可靠性能。特别是在保护软件开发期:可通过专家给定的 和结合相关数据分析出的 即可对软件可靠度做出精确评估,通过性能和灵敏性分析可指导软件功能的实现和硬件的选型可以起到一定的指导作用。由此可缩短软件测试周期,加快产品投放速度,这是其它软件可靠性模型所无法提供的。
整个分析过程中,模块的可靠度和模块间的转移概率主要是通过对软件的静态分析和各电力部门相关统计数据获得的,因此模块可靠度和模块间转移概率数值上会存在一定的误差,如果设备生产和实际运行部门能够提供更全面的统计数据,那么我们将获得更精确的可靠性估算值。这对数字保护软件可靠性研究将会有极为重要的意义。
今后将在以下两个方面进一步研究:
(一)加强可靠性数据收集,提高数字保护中各模块的可靠度、各模块间的转移概率的精确性;
(二)从软硬件结合的角度,展开对数字保护整体可靠性分析。
由于文章是首次对数字保护软件可靠性进行定量探讨研究,没有前例可循,因此分析难免存在不足之处,肯请同行专家批评指正。
参考文献:
[1]张雪松,王超,程晓东.基于马尔科夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型[J].电网技术,2008,13.
[2]王钢,丁茂生,李晓华,肖霖.数字继电保护装置可靠性指标探讨[J].中国电机工程学报,2004,24.
[3]孙福寿,汪雄海.一种分析继电保护系统可靠性的算法[J].电力系统自动化,2006,30.
[4]黄锡滋.软件可靠性[M]电子工业出版社,2001.
[5]Wen-Li Wang, Ye Wu, Mei-Hwa Chen, An Architecture-Based Software Reliability Model, Dependable Computing, 1999. Proceedings. 1999 Pacific Rim International Symposium on , 16-17 Dec. 1999.
[6]MICHIACAL R. LYU.软件可靠性工程手册(HANDBOOK OF SOFTWARE RELIABILITY ENGINEERING)[M].电子工业出版社,1997:24-46.
[7]RCS-901A/B型超高压线路成套保护装置技术说明书,南京南瑞继保电器有限公司,2002,04.
[8]周玉兰,王玉玲,赵曼勇.2004全国继电保护与安全自动装置运行情况[J].电网技术,2005.
微机保护装置在电力系统中发挥着非常重要的作用,其本身的可靠性如何将对电网的安全经济运行起着至关重要的作用。因此对微机保护可靠性研究一直为人们所关注。
目前用于继电保护可靠性分析中比较成功的方法有马尔科夫模型[1-3]、概率法、故障树等。这些模型虽对继保装置本身的构成进行分析,但作为微机保护的重要组成-软件并没有充分考虑。
对此,本文结合马尔科夫模型和软件模块结构可靠性模型[4],构建出一种适用于数字保护软件可靠性分析的半马尔科夫链模型,并以一种典型实用的微机距离保护为例,对该软件可靠性和灵敏性进行定量分析,为一般研究人员对现有数字保护软件进行可靠性评估;缩短软件开发周期;软件优化提供依据。
二、基于软件模块结构的半马尔科夫模型
结合马尔科夫模型和软件模块结构可靠性模型提出了基于软件模块结构的半马尔科夫模型,首先详细分析软件模块结构,根据其特征对结构进行分类,然后再由结构类型对软件模块结构模型进行修正、求解[5] [6]。
三、算例分析
为了进一步阐述基于软件模块结构的半马尔柯夫模型,这里采用软件结构较为复杂、典型的220KV及以上电压等级输电线路的微机距离保护软件[7](其采样率为20点/周)为算例进行分析。考虑到当系统运行工况变化时,数据流经过的模块会发生变化,为了更能体现该距离保护软件的可靠性,算例取其故障处理运行状态,根据文献[7]所给保护原理框图分析,以保护启动后保护判别时间是否达到160 为分界,建立两个运行剖面,并考虑最大设置情况,认为装置已投入振荡闭锁。由于该保护硬件系统采取的是单任务执行方式,因此各模块基本上是串行结构。下面以其中一运行剖面为例进行分析。
(一)软件模块结构分析(保护判别时间超过160ms )
此时软件模块结构如图1所示,由22块模块组成:启动、第一次启动判别、振荡判别、重合闸动作判别、第I段启动判别、第I段出口、第II段启动判别、第II段动作时限计时、第II段动作时限判别、第II段出口、第II段启动判别、第III段启动判别、第III段启动判别、手动合闸判别、第III段动作时限计时、第III段动作时限判别、第III段出口、非全相运行判别、加速出口、故障消失判别、开放启动和返回。
每个模块的可靠度为:
=0.99900 =0.99920=0.99930 =0.99999
(二)可靠性分析
出矩阵并对其进行修正为矩阵 ,由于算例硬件系统采取的是单任务执行方式,状态结构与模块结构相同,因此修正后获得的矩阵和矩阵相同,对图1中的数字保护软件可靠度分别进行预计可得:
=0.99549*0.99999=0.99549
=0.9977*0.99999=0.99769
因此该微机距离保护在处理故障状态时,软件整体可靠度为0.99549,这一结果与文献[8]中的统计数据基本吻合。
必须强调的是:模块数量与软件可靠度并非呈现一定的比例关系,从功能实现的角度,这些分支结构可看成并联结构,使其可靠性有所提高。因此,软件的可靠度不一会因为运行模块数的增加而减小。如何利用可靠性分析的结果,合理进行功能和结构的设计,提高软件可靠性,是软件设计开发阶段需要着重考虑的问题。
(三)灵敏性分析
根据方法,应该对每个模块都要进行灵敏性分析。由于篇幅有限,在此分别改变前述性能起关键作用的八个模块的执行时间和可靠度,研究其对整个保护软件性能和可靠度的影响。
1、改变单个模块执行时间
由上述方法可知:改变每个模块的执行时间,可对软件进行灵敏性分析。将每个模块执行时间按10%分别增大,分别改变模块1、3、11、24、19、20的执行时间,对图1进行分析,获得的 和 /关系如图2所示。
可知:在两个运行剖面中,启动模块对软件可靠度影响最大;距离I、II、III启动判别模块对软件可靠度影响次之;非全相判别、振荡判别、加速出口和故障消失模块对软件可靠度影响较小。这与软件性能分析获得的结论是对应的。
总体来讲:①应该着重启动模块的优化研究,同时距离I、II、III段启动、振荡判别、非全相判别、故障消失判别以及保护加速出口模块优化也要引起足够的重视;②当采样通道较多时,如果只改善A/D硬件性能,模块1的执行时间将大大减小,这对整个软件性能来讲会有较大改善;如果采样通道有限,则A/D硬件性能改善也将十分有限,此时可以通过改善数字保护CUP主频来减小整个软件执行时间,从而提高了软件性能和可靠性。
由此可知:灵敏性分析不但能分析出软件模块与软件整体性能的关系,同时还能够对相关硬件的选择起到指导作用。因此如果数字保护出现因软件运行时间超出预计从而延长保护实际动作时间的情况,那么通过灵敏性分析,结合实际情况,可对数字保护硬件做出相应改善。
2、改变每个模块可靠度
将这八个可靠度分别减小,为了更清晰的表明各模块可靠度与软件整体可靠度之间的关系,减小为50%,计算出对应的,其关系如下:
可知:在整个运行状态结构中,启动和振荡判别模块可靠度对整个软件可靠度的影响最大;距离I、II、III段的启动判别模块对整体可靠度影响次之;非全相和手动合闸判别对整体可靠度影响相对较小。因此,在软件开发期,对上述模块功能实现时,算法应更精确,语言应更简练,不但可提高模块可靠度,也可减短模块运行时间。同时对于极为重要的模块,如启动和故障判别,必要时应采用一定的软件冗余设计,虽然模块数量增加,但软件整体可靠行将会增强。这与计算出的第二个可靠度高于第一个的情况相吻合。
四、结论
这种以软件模块为基础、采用半马尔科夫链求解的软件可靠性型,能够简单、精确地获得数字保护的软件可靠性能。特别是在保护软件开发期:可通过专家给定的 和结合相关数据分析出的 即可对软件可靠度做出精确评估,通过性能和灵敏性分析可指导软件功能的实现和硬件的选型可以起到一定的指导作用。由此可缩短软件测试周期,加快产品投放速度,这是其它软件可靠性模型所无法提供的。
整个分析过程中,模块的可靠度和模块间的转移概率主要是通过对软件的静态分析和各电力部门相关统计数据获得的,因此模块可靠度和模块间转移概率数值上会存在一定的误差,如果设备生产和实际运行部门能够提供更全面的统计数据,那么我们将获得更精确的可靠性估算值。这对数字保护软件可靠性研究将会有极为重要的意义。
今后将在以下两个方面进一步研究:
(一)加强可靠性数据收集,提高数字保护中各模块的可靠度、各模块间的转移概率的精确性;
(二)从软硬件结合的角度,展开对数字保护整体可靠性分析。
由于文章是首次对数字保护软件可靠性进行定量探讨研究,没有前例可循,因此分析难免存在不足之处,肯请同行专家批评指正。
参考文献:
[1]张雪松,王超,程晓东.基于马尔科夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型[J].电网技术,2008,13.
[2]王钢,丁茂生,李晓华,肖霖.数字继电保护装置可靠性指标探讨[J].中国电机工程学报,2004,24.
[3]孙福寿,汪雄海.一种分析继电保护系统可靠性的算法[J].电力系统自动化,2006,30.
[4]黄锡滋.软件可靠性[M]电子工业出版社,2001.
[5]Wen-Li Wang, Ye Wu, Mei-Hwa Chen, An Architecture-Based Software Reliability Model, Dependable Computing, 1999. Proceedings. 1999 Pacific Rim International Symposium on , 16-17 Dec. 1999.
[6]MICHIACAL R. LYU.软件可靠性工程手册(HANDBOOK OF SOFTWARE RELIABILITY ENGINEERING)[M].电子工业出版社,1997:24-46.
[7]RCS-901A/B型超高压线路成套保护装置技术说明书,南京南瑞继保电器有限公司,2002,04.
[8]周玉兰,王玉玲,赵曼勇.2004全国继电保护与安全自动装置运行情况[J].电网技术,2005.