換流變壓器狀態(tài)評價方法研究

肖 屏，王渝紅，張 彪

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

換流變壓器狀態(tài)評價方法研究

肖 屏，王渝紅，張 彪

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

針對換流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以對其進行精確狀態(tài)評價的問題，提出了一種基于DHGF算法的換流變壓器狀態(tài)評價方法，建立了相應(yīng)的評價指標(biāo)集及對應(yīng)的組合權(quán)重，給出了相關(guān)的白化權(quán)函數(shù)、權(quán)矩陣和評判矩陣，構(gòu)建了完整的數(shù)學(xué)模型。運用DHGF算法對換流變壓器的運行狀態(tài)進行實例分析，得到了評估對象的狀態(tài)等級和評分值。評價結(jié)果能較好地反映設(shè)備的實際狀況，可為下一步的檢修決策提供科學(xué)依據(jù)。

換流變壓器；狀態(tài)評價；DHGF算法；白化權(quán)函數(shù)；狀態(tài)等級

0 引 言

隨著電網(wǎng)朝著大容量、特高壓和跨區(qū)域方向發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模不斷地擴大，設(shè)備的數(shù)量也不斷地增加[1]。設(shè)備故障或盲目檢修而引起的停運會給電力系統(tǒng)的安全可靠運行帶來隱患，這就需要對電力設(shè)備的運行狀況進行可靠評價。以設(shè)備的運行狀況為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修方式可以避免傳統(tǒng)檢修方式的某些不足。

換流變壓器作為高壓直流輸電系統(tǒng)中重要電氣設(shè)備，其運行可靠性與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定緊密相關(guān)。換流變壓器的狀態(tài)檢修過程中，一個最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是對當(dāng)前設(shè)備的運行狀況進行綜合評價，確定設(shè)備的狀態(tài)水平，為設(shè)備進行檢修決策提供依據(jù)[2]。

目前，可用于換流變壓器狀態(tài)評價的方法很多，如模糊綜合評價方法[3-6]、人工智能方法[7]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[8-11]、熵權(quán)和多級物元分析法[12]等。其中，文獻[3-6]提出的模糊綜合評價方法通過精確的數(shù)學(xué)方法能夠?qū)Q流變壓器進行科學(xué)、合理的量化評價，但評價指標(biāo)非全備時容易導(dǎo)致不相容的評價結(jié)果，且計算較復(fù)雜；文獻[8-11]提出的灰色關(guān)聯(lián)分析法較適用于“外延明確，內(nèi)涵不明確”的小樣本指標(biāo)參數(shù)的設(shè)備狀態(tài)評價，能夠用較少的指標(biāo)信息去反映設(shè)備真實的狀態(tài)，是其他方法所不能比擬的；文獻[12]提出的物元分析方法可有效地用于狀態(tài)指標(biāo)具有多樣性的設(shè)備的狀態(tài)評價，能夠把“質(zhì)”和“量”有效地結(jié)合，解決評價結(jié)果不相容問題，提高設(shè)備狀態(tài)評價的精確性。

由于表征換流變壓器狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)具有多層次、非全備性且存在不確定性的特點，單一采用上述的評價方法進行評價的結(jié)果不是很理想。綜合前面所述方法的成功之處，提出了一種基于DHGF算法的狀態(tài)評價方法。DHGF算法是將改進的德爾斐法(Delphi)、層次分析法(analytic hierarchy rrocess)、灰色聚類法(grey clustering method)、模糊綜合評判法(fuzzy comprehensive judgment)集合而成的一種新的算法[13]。它在航空航天、通信等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確地評價設(shè)備的健康狀況。

下面介紹了DHGF算法的基本理論，構(gòu)建了換流變壓器的DHGF數(shù)學(xué)模型，最后通過實例驗證了DHGF評價方法可用于換流變壓器的狀態(tài)評價，且計算結(jié)果能夠很好地反映設(shè)備的實際狀態(tài)。

1 DHGF算法理論

DHGF算法的理論基礎(chǔ)是美國控制論學(xué)者查德提出的模糊數(shù)學(xué)、鄧聚龍教授提出的灰色理論、錢學(xué)森教授提出的從定性到定量的綜合集成方法以及顧基發(fā)教授提出的物理-事理-人理(WSR)分析法[14，15]。

德爾斐法是一種采用匿名方式進行對象分析的統(tǒng)計方法，它已經(jīng)在預(yù)測領(lǐng)域以及各種評價指標(biāo)體系的建立和具體指標(biāo)的確定等得到了應(yīng)用。層次分析法是應(yīng)用系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評價方法而進行定性和定量分析的一種權(quán)重決策分析方法。灰色系統(tǒng)理論是從信息的非全備性出發(fā)研究和處理復(fù)雜系統(tǒng)的理論，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)較少和條件不滿足統(tǒng)計要求的情況下，更具有較強的適用性[16]。模糊數(shù)學(xué)是一種處理和加工模糊信息的數(shù)學(xué)工具，它用數(shù)學(xué)的方法抽象描述模糊現(xiàn)象，揭示模糊現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[17]。

利用德爾斐法、層次分析法、灰色理論分析法、模糊評判法集成的DHGF算法用于設(shè)備狀態(tài)評價的流程圖如圖1所示。

圖1 基于DHGF算法的評價流程圖

2 換流變壓器的DHGF數(shù)學(xué)模型

2.1 評價指標(biāo)的選擇

通過采用德爾斐法對換流變壓器進行統(tǒng)計分析以及查詢現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定，分析專家的意見，歸納出反映換流變壓器運行狀況的可靠指標(biāo)共有15個，如圖2所示，主要分為家族缺陷u1、試驗項目u2、檢修記錄u3、運行工況u4以及缺陷記錄u5等五大類。這些評價指標(biāo)從設(shè)備本身、試驗和運行等方面全面反映了換流變壓器的絕緣壽命的老化情況、內(nèi)部健康狀況、電氣或機械特性，并從縱向和橫向分析其是否存在歷史遺留問題及家族缺陷。由于反映換流變壓器的狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)比較多，為了分析方便，采用塔式結(jié)構(gòu)的層次指標(biāo)體系，使得能夠較容易地把握各指標(biāo)間的關(guān)系。所建立的狀態(tài)評價指標(biāo)體系為一個3層的層次結(jié)構(gòu)，包括5個一級評價指標(biāo)，各個一級指標(biāo)里面又包括若干個二級指標(biāo)。

圖2 換流變壓器狀態(tài)評價的指標(biāo)體系

結(jié)合檢修過程中收集到關(guān)于換流變壓器的評價指標(biāo)的狀態(tài)信息，邀請m位專家對換流變壓器的n個評價指標(biāo)進行評估，將全部專家對所評估對象的評價數(shù)據(jù)構(gòu)成一個樣本矩陣D，其中dmn表示第m個專家對第n個評價指標(biāo)給予的分值，即

(1)

2.2 評價指標(biāo)的白化預(yù)處理

評價指標(biāo)的白化預(yù)處理需要構(gòu)建相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)來定量的描述評估對象所屬某個灰類的程度。依據(jù)灰色理論，確定白化權(quán)函數(shù)的同時需要確定評價灰類的等級數(shù)、灰類的灰數(shù)[18]。根據(jù)換流變壓器的劣化程度，這里設(shè)定評估灰類為4個等級，即正常、注意、異常、嚴(yán)重，灰類的灰數(shù)j=1,2,3,4。設(shè)備的狀態(tài)評價若以10分制評價級為標(biāo)準(zhǔn)，則可以得到相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)。

第1灰類“正?！?，灰類j=1,灰數(shù)⊕∈[0，9，

+∞]，其相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為

(2)

第2灰類“注意”，灰類j=2,灰數(shù)⊕∈[0，7，10]，其相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為

(3)

第3灰類“異常”，灰類j=3,灰數(shù)⊕∈[0，5，10]，其相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為

(4)

第4灰類“嚴(yán)重”，灰類j=4,灰數(shù)⊕∈[0，2，10]，其相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為

(5)

2.3 構(gòu)造模糊評價權(quán)矩陣

采用灰色統(tǒng)計法由確定的各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)白化權(quán)函數(shù)，求出dli屬于j類評價標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)fj(dli),據(jù)此可以求出灰色統(tǒng)計數(shù)Nij和總灰色統(tǒng)計數(shù)Ni[19]。

(6)

由式(6)確定出第i個評價指標(biāo)屬于第j種評價灰類的灰色權(quán)值。

(7)

由此可以構(gòu)造模糊評價權(quán)矩陣R。

(8)

2.4 評價指標(biāo)的組合權(quán)重

各評價指標(biāo)在反映設(shè)備運行狀況的程度不一樣，所以需要對這些指標(biāo)賦以相應(yīng)的權(quán)重。這里采用文獻[20]提出的層次分析法來確定各指標(biāo)的組合權(quán)重。其具體操作為：邀請多位長期從事設(shè)備檢修工作的專家，采用表1所示的9級標(biāo)度法對已確定的評價指標(biāo)的重要性進行判斷，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣X，即

(9)

表1 9級標(biāo)度法

由式(9)中判斷矩陣X計算出被比較指標(biāo)的相對權(quán)重wi得

(10)

經(jīng)一致性檢驗后可確定的各評價指標(biāo)權(quán)重W，即

(11)

當(dāng)一致性檢驗不通過時，則需要重新構(gòu)造判斷矩陣X，適當(dāng)?shù)貙ε袛嗑仃嚨脑剡M行調(diào)整使其具有滿意的一致性；再確定各評價指標(biāo)權(quán)重W。

2.5 確定評價標(biāo)準(zhǔn)

基于WSR思想,參考相關(guān)項目對于電力設(shè)備狀態(tài)評價分級狀況，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可確定換流變壓器狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)集合V為V={v1,v2,v3,v4}={正常狀態(tài)，注意狀態(tài)，異常狀態(tài)，嚴(yán)重狀態(tài)}

設(shè)備的4種狀態(tài)等級在進行量化計算時，每種狀態(tài)具有相應(yīng)范圍，規(guī)定正常狀態(tài)的范圍為[8,10],注意狀態(tài)的范圍為[6,8),異常狀態(tài)的范圍[4,6)，嚴(yán)重狀態(tài)的范圍[0,4)。

2.6 評價結(jié)果計算

由評價指標(biāo)模糊評價權(quán)矩陣R、權(quán)重矩陣W以及評價等級矩陣V，可求出設(shè)備綜合評價結(jié)果Z。

(12)

3 實例與分析

以某500kV換流站的換流變壓器為例進行相關(guān)的分析。查閱歷次檢修記錄發(fā)現(xiàn)換流變壓器有過一次不嚴(yán)重的缺陷記錄，未發(fā)現(xiàn)家族缺陷。在某次預(yù)防性試驗中，測得繞組的絕緣電阻與上次實驗值相差不大且均大于10 000MΩ；吸收比為1.35；氣體的油色譜分析中氫氣的含量150.8μL/L，稍微大于正常范圍但有恢復(fù)到正常范圍的趨勢，乙炔的含量3.5μL/L，總烴的含量128.3μL/L，其他的氣體含量均在正常的范圍內(nèi)；油介損tanδ為0.153，微水量為12.385mg/L，泄漏電流以及三相不平衡電流的實驗值均在正常的范圍內(nèi)；巡視過程中未發(fā)現(xiàn)變壓器異常發(fā)聲、操作過電壓；短路沖擊電流在允許短路電流的50%～70%之間，未出現(xiàn)嚴(yán)重的短路現(xiàn)象；換流變壓器出現(xiàn)過短時間不嚴(yán)重的過負荷。

1)確立評價指標(biāo)的權(quán)重

所提出的反映換流變壓器運行狀況的評價指標(biāo)共有15個，為盡量全面考慮所有的評價指標(biāo)，避免在計算過程中出現(xiàn)“大數(shù)吃小數(shù)”現(xiàn)象。因此，對換流變壓器進行分析計算時采用二級綜合評價模型即狀態(tài)評價采用分塊、分級進行評價。采用文獻[20]中的層次分析法計算得到的換流變壓器狀態(tài)評價指標(biāo)u2、u3、u4包括的二級指標(biāo)的權(quán)重集w2、w3、w4為

w2=(0.06,0.09,0.04,0.5,0.13,0.14,0.04)

w3=(0.45,0.55)

w4=(0.04,0.29,0.33,0.34)

綜合評價指標(biāo)體系U包括的一級指標(biāo)的權(quán)重集W為

W=(0.1,0.35,0.25,0.2,0.1)

2)邀請5位經(jīng)驗豐富且從事狀態(tài)檢修的專家對收集到的反映換流變壓器健康狀況的15個指標(biāo)進行客觀評價，得到一個5×15的樣本矩陣D。

3)通過Matlab編程，結(jié)合上面的樣本矩陣按式(1)～式(8)計算得到指標(biāo)u2～u4包括的二級指標(biāo)的模糊評價權(quán)矩陣。

u2包括的二級指標(biāo)的模糊評價權(quán)矩陣R2Ω為

u3包括的二級指標(biāo)的模糊評價權(quán)矩陣R3Ω為

u4包括的二級指標(biāo)的模糊評價權(quán)矩陣R4Ω為

4)由Ri=wi·RiΩ得到一級指標(biāo)u1～u5的模糊評價權(quán)矩陣分別為

R1= (0.601, 0.202, 0.121, 0.076)

R2= (0.407 9, 0.297 8, 0.181 1, 0.113 2)

R3= (0.543 0, 0.231 1, 0.139 5, 0.086 4)

R4= (0.416 5, 0.290 4, 0.200 5, 0.112 4)

R5= (0.452, 0.278, 0.166, 0.104)

最終得到的綜合模糊評價權(quán)矩陣R為

5)計算換流變壓器的模糊評判矩陣B和狀態(tài)評價結(jié)果Z。

由B=W·R得模糊評判矩陣B為

B= (b1,b2,b3,b4) =(0.467 1,0.268 1,0.167 1,0.101 7)

在定量計算時采用10分制進行評價，按灰水平將評價等級V的4種狀態(tài)分別量化賦值為9,7,5,2。則換流變壓器狀態(tài)評價的結(jié)果Z為

Z=(W·R)·VT=B·VT=7.119 5

從換流變壓器狀態(tài)評價的結(jié)果可以看出，Z值的大小在換流變壓器注意狀態(tài)規(guī)定的范圍[6,8)內(nèi)。故可以初步確定此換流變壓器的狀態(tài)為注意狀態(tài)。另外，從實際收集到的關(guān)于換流變壓器的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息也不難發(fā)現(xiàn)，其自身有過不嚴(yán)重的缺陷記錄；繞組的絕緣電阻和油色譜分析中部分氣體的含量等均出現(xiàn)過超過正常狀態(tài)的范圍；而且換流變壓器在運行過程中出現(xiàn)過短時的過負荷。各狀態(tài)量數(shù)據(jù)信息雖然沒有嚴(yán)重地超過標(biāo)準(zhǔn)限值，但有劣化的趨勢，其整體可靠性在下降，換流變壓器在繼續(xù)運行過程中需要加強監(jiān)視，應(yīng)密切注意其狀態(tài)的變化趨勢。因此，可以確定此換流變壓器的狀態(tài)應(yīng)屬于注意狀態(tài)。另外，該評價結(jié)果與國家電網(wǎng)公司試行的換流變壓器評價導(dǎo)則分析得到的結(jié)果是基本相符合的。

4 結(jié) 論

1)所提出的DHGF算法綜合了Delphi法、層次分析法、灰色理論分析法、模糊綜合評價法的成功之處，實現(xiàn)了定性與定量的綜合集成，較好地解決了由于指標(biāo)信息的非完備性和不確定性而無法進行精確評價的問題。采用該方法構(gòu)建了換流變壓器的DHGF數(shù)學(xué)模型，主要包括評價指標(biāo)的選擇、評價指標(biāo)的白化預(yù)處理、構(gòu)造模糊評價權(quán)矩陣、確定評價指標(biāo)的組合權(quán)重和評價標(biāo)準(zhǔn)以及評價結(jié)果計算等。該算法思路清晰，方法簡單。

2)實例分析表明，所建立的DHGF算法模型可以用于換流變壓器的狀態(tài)評價且能夠準(zhǔn)確地反映設(shè)備的實際狀態(tài)，可為下一步的檢修決策提供參考依據(jù)；當(dāng)然，所建立的換流變壓器DHGF算法模型還需要更多的實例去驗證。

[1] 張懷宇,朱松林,張揚,等.輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)體系研究與實施[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):70-73.

[2] 李景祿,李青山，等.電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社.2011.

[3] 滿若巖,付忠廣.基于模糊綜合評判的火電廠狀態(tài)評估[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(5):5-10.

[4] 吳 姜,蔡澤祥,胡春潮,等.基于模糊正態(tài)分布隸屬函數(shù)的繼電保護裝置狀態(tài)評價[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(5):48-52.

[5] 劉衛(wèi)華,廖瑞金,楊麗君.基于點密度加權(quán)核模糊聚類的變壓器故障診斷方法[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(6):66-69.

[6] 廖瑞金,王謙,駱?biāo)技?，?基于模糊綜合評判的電力變壓器運行狀態(tài)評估模型[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(3):70-75.

[7] 樂淤,成永紅,陳小林，等.基于人工智能的大電機主絕緣老化狀態(tài)評估軟件[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(14):78-82.

[8] 雷剛,顧偉,袁曉東.灰色理論在電能質(zhì)量綜合評估中應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2009,29(11):62-65.

[9] 羅毅,周窗立,劉向杰.多層次灰色關(guān)聯(lián)分析法在火電機組運行評價中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(17):97-103.

[10] 熊浩,孫才新,張昀,等.電力變壓器運行狀態(tài)的灰色層次評估模型[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(7):55-59.

[11] 戴婷,宋斌,彭正洪. 基于灰色層次分析法的變電站通信網(wǎng)路狀態(tài)評價[J].武漢大學(xué)學(xué)報：工版,2011,44(4):526-529.

[12] 馮利法,楊新宇,朱譽,等.基于熵權(quán)和多級物元分析的汽輪機DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)綜合評價[J]. 熱能動力工程,2009,24(5):583-587.

[13] 張建,李鐵驪.基于DHGF法的船舶操縱性綜合評價[J].中國艦船研究,2010,5(6):56-59.

[14] 錢學(xué)森,于景元,戴汝為.一個科學(xué)新領(lǐng)域——開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論[J].自然雜志,1990,13(1):3-10.

[15] 顧基發(fā),唐錫晉,朱正祥.物理-事理-人理系統(tǒng)方法論綜述[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2007,7(6):51-60.

[16] 鄧聚龍.灰預(yù)測與灰決策[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.

[17] 謝季堅,劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用(第二版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004.

[18] Victor R L. A Novel Cryptosystem Based on Grey Sys- tem Theory and Genetic Algorithm [J]. Applied Mathematics and Computation, 2005, 170(2):1290-1302.

[19] 陳士濤,楊建軍,張志峰,等.基于DHGF算法和三角模糊數(shù)的裝備研制風(fēng)險評價[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2010,20(8):54-58.

[20] 賓光富,李學(xué)軍,DHILLON Balbir-S.基于模糊層次分析法的設(shè)備狀態(tài)系統(tǒng)量化評價新方法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2010,30(4):744-749.

Aiming at the problems that the condition of converter transformer is complex and difficult to be evaluated accurately, a condition evaluation method for converter transformer based on DHGF algorithm is proposed. The evaluation index sets and the corresponding weights for converter transformer are established. The whitening weight function, the weight matrix and the evaluation matrix are provided. The complete mathematical model is established too. The real condition of a converter transformer is analyzed by using DHGF method, the condition level and the exact score are obtained. The results can reflect the real condition of a converter transformer, which can provide scientific basis for the future maintenance strategy.

converter transformer; condition evaluation; DHGF algorithm; whitening weight function; condition level

TM732

A

1003-6954(2015)03-0037-05

2015-04-28)

肖 屏(1981)，碩士研究生，主要研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，高壓直流輸電；

王渝紅(1971)，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。