本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)風險評估領(lǐng)域，具體涉及了一種基于大數(shù)據(jù)與人為因素的電力系統(tǒng)風險評估方法。

背景技術(shù)：

目前，針對電力系統(tǒng)風險評估的研究較多，但主要集中在對一次設(shè)備的故障概率與故障后果的研究上，而少有將人因可靠性與二次設(shè)備停運引發(fā)的系統(tǒng)故障考慮進系統(tǒng)的失效機理中，因此，評估得到的風險結(jié)果往往不準確，有時甚至會存在較大出入。

隨著電力信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，具有海量、異構(gòu)的特點，采用常規(guī)軟件、工具分析費時、耗力，而大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有快速處理此類數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，因此本發(fā)明將采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備、軟件的可用率與其歷史數(shù)據(jù)、當前數(shù)據(jù)、人為因素等進行關(guān)聯(lián)分析，得到當前的設(shè)備可用率。

本發(fā)明提出了一種基于大數(shù)據(jù)與人為因素的電力系統(tǒng)風險評估方法。首先利用ahp-slim方法評估系統(tǒng)運行過程中操作人員發(fā)生人為失誤的概率；其次采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得出輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件的失效概率；再次基于iec-61850的功能分解對二次設(shè)備或軟件的各種功能的失效風險進行評估，兩者相結(jié)合對傳統(tǒng)一次設(shè)備的故障概率進行修正，實現(xiàn)電力系統(tǒng)風險評估的精確化，可彌補目前電力系統(tǒng)風險評估存在的局限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有電力系統(tǒng)風險評估存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于大數(shù)據(jù)與人為因素的電力系統(tǒng)風險評估方法。本方法分為四個步驟，第一，利用ahp-slim方法評估系統(tǒng)運行過程中操作人員發(fā)生人為失誤的概率；第二，采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得出輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件的失效概率；第三，基于iec-61850的功能分解對二次設(shè)備或軟件的各種功能的失效風險進行評估；最后，兩者相結(jié)合對傳統(tǒng)一次設(shè)備的故障概率進行修正，完成系統(tǒng)風險評估。

本方法為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：

步驟1、構(gòu)建行為影響體系，選擇情景下的影響因素。

針對電力系統(tǒng)工作人員的操作環(huán)境，結(jié)合常規(guī)人因可靠性分析理論，建立了相應(yīng)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(huán)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。每種影響因素代表了電力系統(tǒng)工作人員在工作時其操作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(chǔ)。為了定量分析每種因素的影響程度，一般采用面向?qū)＜业膯柧碚{(diào)查方法。每類二級因素均具有1至10的等級劃分，數(shù)字越小說明情況越惡劣。

表1行為影響體系

步驟2、基于步驟1中的行為影響體系，利用ahp-slim方法評估人為失效概率。

步驟2-1、利用層次分析法(ahp)計算各項行為影響因素的權(quán)重系數(shù)。

步驟2-1-1、假設(shè)分析場景下有n個二級行為影響因素，則征詢本領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，依?jù)表2對這些影響因素進行重要度評分(兩兩打分，評分范圍為1-10的整數(shù))并進行比較，構(gòu)建判別矩陣a如下：

該矩陣滿足aji＝1/aij，且aji(j<＝i)的取值遵循表2。

步驟2-1-2、對矩陣a中的各列進行歸一化處理，得到a1矩陣。

步驟2-1-3、a1矩陣各行求和，得到列向量w。

步驟2-1-4、對列向量w進行歸一化處理，即得權(quán)重系數(shù)向量w1。

表2ahp判別矩陣取值說明

步驟2-2、利用式(2)計算成功似然指數(shù)sli。

sli＝σωivi,0≤sli≤10(2)

式中，ωi為第i項影響因素的重要度權(quán)重，vi為第i項影響因素的評定等級，a和b均為常數(shù)。

步驟2-3、利用式(3)計算人為失誤概率，

hep＝exp(a×sil+b)(3)

式中，a與b均為常數(shù)，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行擬合得到。

步驟3、采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合hep及其他各項因素，得出輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件的失效概率。

步驟3-1、獲取當前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，包括負載率k、天氣w、檢修r(nóng)、歷史故障數(shù)據(jù)f、設(shè)備故障率λ、設(shè)備修復(fù)率μ，以及步驟2所得的人為失誤概率hep。對各項數(shù)據(jù)進行離散化處理，在歷史數(shù)據(jù)的各個時間點上，負載率k分為輕載1，重載2以及過載3；天氣w依據(jù)是否有氣象局的預(yù)警分為惡劣天氣1與正常天氣2；檢修r(nóng)分為最近6個月內(nèi)有檢修1和無檢修2；歷史故障數(shù)據(jù)f分為最近6個月內(nèi)發(fā)生故障1和未發(fā)生故障2；設(shè)備故障率λ分為低故障率1，一般故障率2，高故障率3；人為失誤概率hep分為低概率1、一般概率2與高概率3。負載率k、設(shè)備故障率λ以及人為失誤概率hep的離散化對應(yīng)關(guān)系如表3所示，其中λ6為近6個月來的設(shè)備平均故障率。

表3離散化對應(yīng)關(guān)系

步驟3-2、枚舉關(guān)聯(lián)規(guī)則

1)對于輸變電設(shè)備，考慮k、w、r與f對λ的影響，共321條規(guī)則；

2)對于二次系統(tǒng)設(shè)備、軟件，考慮w、r、f與hep對λ的影響，共321條規(guī)則。

規(guī)則形如a→b，a為條件(可包含任意項)，b為結(jié)果，例如

k1，w1，r2、f2→λ3

k2，w2，r2→λ2

f1，hep2→λ1

步驟3-3、計算各條關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度s和置信度c，n(a∪b)表示a和b同時出現(xiàn)的次數(shù)，n表示總數(shù)據(jù)記錄數(shù)，n(a)表示a出現(xiàn)的次數(shù)。

舍棄支持度小于20％或置信度小于50％的規(guī)則。

步驟3-4、對于被保留的所有規(guī)則，利用極大似然方法擬合設(shè)備故障率關(guān)于規(guī)則條件中影響因素的關(guān)系函數(shù)。

步驟3-5、根據(jù)步驟3-4中得出的關(guān)系函數(shù)，代入當前各臺設(shè)備或軟件的負載率、天氣、檢修、歷史故障情況以及人為失誤概率，得到當前設(shè)備故障率。若沒有符合的規(guī)則，則故障率取為歷史平均故障率。計算輸變電設(shè)備的失效概率p1，計算二次系統(tǒng)設(shè)備或軟件的失效概率p2。

步驟4、對系統(tǒng)二次設(shè)備或軟件進行功能分解。

基于iec-61850的功能分解，將系統(tǒng)各類功能分解為邏輯節(jié)點、邏輯連接，通信信息片經(jīng)邏輯連接在邏輯節(jié)點間傳遞。

步驟5、計算各功能失效概率。

5-1.在計算各功能失效概率前，作以下規(guī)定：

1)某二次設(shè)備或軟件中的所有邏輯節(jié)點與邏輯連接具有相同的失效概率，與該設(shè)備失效概率相一致；

2)功能、邏輯節(jié)點及邏輯連接僅存在兩種狀態(tài)，工作狀態(tài)與失效狀態(tài)；

3)當某邏輯節(jié)點或邏輯連接處于失效狀態(tài)時，其所屬功能也處于失效狀態(tài)；

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。

5-2.基于步驟5-1的相關(guān)規(guī)定，可得到：

1)設(shè)備d(失效概率為pd)中的邏輯節(jié)點ln，其失效概率為pln＝pd。

2)連接設(shè)備d中兩個邏輯節(jié)點的邏輯連接lc，其失效概率為plc＝pd

3)對于連接不同設(shè)備(d1，d2)中的兩個邏輯節(jié)點(ln1，ln2)的邏輯連接lc，其失效概率為：

式中，m為兩臺設(shè)備間的通信連接開關(guān)數(shù)，pswi是開關(guān)i的失效概率，n為兩臺設(shè)備間的通信線路數(shù)，pclj為通信線路j的失效概率。

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

式中，nln和nlc分別表示本功能中所包含的邏輯節(jié)點數(shù)與邏輯連接數(shù)，plni和plcj則分別表示第i個邏輯節(jié)點與第j個邏輯連接的失效概率。

步驟6、對電力系統(tǒng)風險進行評估。

步驟6-1、采用非序貫蒙特卡洛采樣技術(shù)，獲取每個場景下一次系統(tǒng)設(shè)備與二次系統(tǒng)功能的狀態(tài)，統(tǒng)計得到一次系統(tǒng)設(shè)備與二次系統(tǒng)功能的失效概率。

步驟6-2、利用二次系統(tǒng)功能的失效概率修正一次設(shè)備的失效概率：

式中，pe和pe’分別表示不考慮與考慮二次系統(tǒng)功能失效概率的一次系統(tǒng)設(shè)備失效概率，se表示影響一次設(shè)備的功能序號集合，pfi表示第i個功能的失效概率。

步驟6-3、在修正后的一次系統(tǒng)設(shè)備失效概率基礎(chǔ)上，進一步采用非序貫蒙特卡洛采樣技術(shù)，對電網(wǎng)場景采樣，并計算每個場景下的失負荷量。

步驟6-4、利用式(10)計算得到最終的失負荷期望值。

pi為系統(tǒng)在狀態(tài)i的概率；s為系統(tǒng)所有切負荷狀態(tài)的集合，ci為系統(tǒng)在狀態(tài)i的失負荷量。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將操作人員與二次系統(tǒng)的失效概率考慮進一次系統(tǒng)的風險評估中，使得電力系統(tǒng)的風險評估的結(jié)果更為準確，相較于傳統(tǒng)評估方法能更為客觀地表征當前電網(wǎng)所面臨的風險。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于大數(shù)據(jù)與人為因素的電力系統(tǒng)風險評估方法的總體流程圖。

圖2是本發(fā)明的基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件失效概率計算的流程圖。

圖3是本發(fā)明的電力系統(tǒng)風險評估的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本方法為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：

步驟1、構(gòu)建行為影響體系，選擇情景下的影響因素。

針對電力系統(tǒng)工作人員的操作環(huán)境，結(jié)合常規(guī)人因可靠性分析理論，建立了相應(yīng)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(huán)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。每種影響因素代表了電力系統(tǒng)工作人員在工作時其操作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(chǔ)。為了定量分析每種因素的影響程度，一般采用面向?qū)＜业膯柧碚{(diào)查方法。每類二級因素均具有1至10的等級劃分，數(shù)字越小說明情況越惡劣。

表1行為影響體系

步驟2、基于步驟1中的行為影響體系，利用ahp-slim方法評估人為失效概率。

步驟2-1、利用層次分析法(ahp)計算各項行為影響因素的權(quán)重系數(shù)。

步驟2-1-1、假設(shè)分析場景下有n個二級行為影響因素，則征詢本領(lǐng)域?qū)＜乙庖姡罁?jù)表2對這些影響因素進行重要度評分(兩兩打分，評分范圍為1-10的整數(shù))并進行比較，構(gòu)建判別矩陣a如下：

該矩陣滿足aji＝1/aij，且aji(j<＝i)的取值遵循表2。

步驟2-1-2、對矩陣a中的各列進行歸一化處理，得到a1矩陣。

步驟2-1-3、a1矩陣各行求和，得到列向量w。

步驟2-1-4、對列向量w進行歸一化處理，即得權(quán)重系數(shù)向量w1。

表2ahp判別矩陣取值說明

步驟2-2、利用式(2)計算成功似然指數(shù)sli。

sli＝∑ωivi,0≤sli≤10(2)

式中，ωi為第i項影響因素的重要度權(quán)重，vi為第i項影響因素的評定等級，a和b均為常數(shù)。

步驟2-3、利用式(3)計算人為失誤概率，

hep＝exp(a×sil+b)(3)

式中，a與b均為常數(shù)，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行擬合得到。

步驟3、采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合hep及其他各項因素，得出輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件的失效概率。

如圖2所示，本發(fā)明的基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的輸變電設(shè)備、二次系統(tǒng)設(shè)備及軟件失效概率計算，包括如下步驟：

步驟3-1、獲取當前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，包括負載率k、天氣w、檢修r(nóng)、歷史故障數(shù)據(jù)f、設(shè)備故障率λ、設(shè)備修復(fù)率μ，以及步驟2所得的人為失誤概率hep。對各項數(shù)據(jù)進行離散化處理，在歷史數(shù)據(jù)的各個時間點上，負載率k分為輕載1，重載2以及過載3；天氣w依據(jù)是否有氣象局的預(yù)警分為惡劣天氣1與正常天氣2；檢修r(nóng)分為最近6個月內(nèi)有檢修1和無檢修2；歷史故障數(shù)據(jù)f分為最近6個月內(nèi)發(fā)生故障1和未發(fā)生故障2；設(shè)備故障率λ分為低故障率1，一般故障率2，高故障率3；人為失誤概率hep分為低概率1、一般概率2與高概率3。負載率k、設(shè)備故障率λ以及人為失誤概率hep的離散化對應(yīng)關(guān)系如表3所示，其中λ6為近6個月來的設(shè)備平均故障率。

表3離散化對應(yīng)關(guān)系

步驟3-2、枚舉關(guān)聯(lián)規(guī)則

1)對于輸變電設(shè)備，考慮k、w、r與f對λ的影響，共321條規(guī)則；

2)對于二次系統(tǒng)設(shè)備、軟件，考慮w、r、f與hep對λ的影響，共321條規(guī)則。

規(guī)則形如a→b，a為條件(可包含任意項)，b為結(jié)果，例如

k1，w1，r2、f2→λ3

k2，w2，r2→λ2

f1，hep2→λ1

步驟3-3、計算各條關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度s和置信度c，n(a∪b)表示a和b同時出現(xiàn)的次數(shù)，n表示總數(shù)據(jù)記錄數(shù)，n(a)表示a出現(xiàn)的次數(shù)。

舍棄支持度小于20％或置信度小于50％的規(guī)則。

步驟3-4、對于被保留的所有規(guī)則，利用極大似然方法擬合設(shè)備故障率關(guān)于規(guī)則條件中影響因素的關(guān)系函數(shù)。

步驟3-5、根據(jù)步驟3-4中得出的關(guān)系函數(shù)，代入當前各臺設(shè)備或軟件的負載率、天氣、檢修、歷史故障情況以及人為失誤概率，得到當前設(shè)備故障率。若沒有符合的規(guī)則，則故障率取為歷史平均故障率。計算輸變電設(shè)備的失效概率p1，計算二次系統(tǒng)設(shè)備或軟件的失效概率p2。

步驟4、對系統(tǒng)二次設(shè)備或軟件進行功能分解。

基于iec-61850的功能分解，將系統(tǒng)各類功能分解為邏輯節(jié)點、邏輯連接，通信信息片經(jīng)邏輯連接在邏輯節(jié)點間傳遞。

步驟5、計算各功能失效概率。

5-1.作以下規(guī)定：

1)某二次設(shè)備或軟件中的所有邏輯節(jié)點與邏輯連接具有相同的失效概率，與該設(shè)備失效概率相一致；

2)功能、邏輯節(jié)點及邏輯連接僅存在兩種狀態(tài)，工作狀態(tài)與失效狀態(tài)；

3)當某邏輯節(jié)點或邏輯連接處于失效狀態(tài)時，其所屬功能也處于失效狀態(tài)；

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。

5-2.基于5-1的規(guī)定，可得到：

1)設(shè)備d(失效概率為pd)中的邏輯節(jié)點ln，其失效概率為pln＝pd。

2)連接設(shè)備d中兩個邏輯節(jié)點的邏輯連接lc，其失效概率為plc＝pd

3)對于連接不同設(shè)備(d1，d2)中的兩個邏輯節(jié)點(ln1，ln2)的邏輯連接lc，其失效概率為：

式中，m為兩臺設(shè)備間的通信連接開關(guān)數(shù)，pswi是開關(guān)i的失效概率，n為兩臺設(shè)備間的通信線路數(shù)，pclj為通信線路j的失效概率。

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

式中，nln和nlc分別表示本功能中所包含的邏輯節(jié)點數(shù)與邏輯連接數(shù)，plni和plcj則分別表示第i個邏輯節(jié)點與第j個邏輯連接的失效概率。

步驟6、對電力系統(tǒng)風險進行評估。

如圖3所示，本發(fā)明的電力系統(tǒng)風險評估，包括如下步驟：

步驟6-1、采用非序貫蒙特卡洛采樣技術(shù)，獲取每個場景下一次系統(tǒng)設(shè)備與二次系統(tǒng)功能的狀態(tài)，統(tǒng)計得到一次系統(tǒng)設(shè)備與二次系統(tǒng)功能的失效概率。

步驟6-2、利用二次系統(tǒng)功能的失效概率修正一次設(shè)備的失效概率：

式中，pe和pe’分別表示不考慮與考慮二次系統(tǒng)功能失效概率的一次系統(tǒng)設(shè)備失效概率，se表示影響一次設(shè)備的功能序號集合，pfi表示第i個功能的失效概率。

步驟6-3、在修正后的一次系統(tǒng)設(shè)備失效概率基礎(chǔ)上，進一步采用非序貫蒙特卡洛采樣技術(shù)，對電網(wǎng)場景采樣，并計算每個場景下的失負荷量。

步驟6-4、利用式(10)計算得到最終的失負荷期望值。

pi為系統(tǒng)在狀態(tài)i的概率；s為系統(tǒng)所有切負荷狀態(tài)的集合，ci為系統(tǒng)在狀態(tài)i的失負荷量。