基于預(yù)防性試驗(yàn)的變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法研究

摘 要：變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估能夠?yàn)闋顟B(tài)檢修提供依據(jù)，預(yù)防性試驗(yàn)的結(jié)果是狀態(tài)評(píng)估的重要數(shù)據(jù)來源，因此要基于預(yù)防性試驗(yàn)建立相應(yīng)的評(píng)估方法。根據(jù)預(yù)防性試驗(yàn)的內(nèi)容將變壓器中的故障狀態(tài)量以及特征狀態(tài)量相關(guān)數(shù)據(jù)信息提取出來，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析，再運(yùn)用層次分析法計(jì)算各狀態(tài)量的權(quán)重，對(duì)狀態(tài)量的評(píng)分與權(quán)重值的乘積進(jìn)行加和，可得到整體的狀態(tài)評(píng)分，完成狀態(tài)評(píng)價(jià)。在效果檢驗(yàn)階段，采集5臺(tái)變壓器的預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用該方法進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，最終計(jì)算5臺(tái)變壓器的狀態(tài)評(píng)分，并診斷異常運(yùn)行狀態(tài)的故障類型，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：預(yù)防性試驗(yàn)；變電設(shè)備；狀態(tài)評(píng)估方法

中圖分類號(hào)：TM 732 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

狀態(tài)評(píng)估是變電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢修的重要前提，能夠?yàn)闄z修工作提供依據(jù)，在具體實(shí)施過程中，需要進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，以便掌握潛在的故障狀態(tài)量。但是變電設(shè)備運(yùn)行模式較為復(fù)雜，故障狀態(tài)受到多種因素的影響，需要建立一套行之有效的狀態(tài)評(píng)估方法，因此對(duì)此進(jìn)行研究。

1 研究目的

狀態(tài)檢修是變電設(shè)備在現(xiàn)階段的主要檢修模式，其實(shí)現(xiàn)原理是根據(jù)歷史維修數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，掌握變電設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上制定設(shè)備檢修和維護(hù)策略。這種管理模式具有事前控制的效果，以預(yù)防性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，能夠?yàn)闋顟B(tài)檢修提供依據(jù)，這次研究旨在建立相應(yīng)的狀態(tài)評(píng)估方法。

2 選取基于預(yù)防性試驗(yàn)的變電設(shè)備狀態(tài)量

狀態(tài)評(píng)估主要針對(duì)變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)兼顧其他的配套信息，其作用是為設(shè)備檢修提供依據(jù)。變電設(shè)備狀態(tài)劣化過程通?？蓜澐譃?個(gè)階段，分別為故障開始發(fā)生階段、潛在故障階段以及功能故障階段（已發(fā)生）[1]。變電設(shè)備中的核心是電力變壓器和高壓斷路器，為了有效進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，應(yīng)針對(duì)這些設(shè)備建立完善的狀態(tài)量。

2.1 選取變壓器狀態(tài)量

變壓器的常見故障形式包括絕緣劣化、絕緣油劣化、繞組變形、局部放電、過熱性故障以及鐵芯故障等，在選擇狀態(tài)量的過程中，應(yīng)遵循可靠性、敏感性、可操作性以及多樣性等基本原則[2]。以常用的油浸式電力變壓器為例，從預(yù)防性試驗(yàn)的角度出發(fā)，其故障特征狀態(tài)量包括油中溶解氣體、絕緣油試驗(yàn)結(jié)果、電氣試驗(yàn)結(jié)果、出廠及交接試驗(yàn)結(jié)果，見表1。

2.2 選取斷路器狀態(tài)量

斷路器的常見故障形式包括拒動(dòng)、誤動(dòng)、SF6氣體泄露、絕緣受損、開斷與關(guān)合故障等，針對(duì)斷路器的狀態(tài)評(píng)估量分為2類，分別為電氣試驗(yàn)狀態(tài)量、機(jī)械試驗(yàn)狀態(tài)量。電氣預(yù)防性試驗(yàn)包括多方面的內(nèi)容，例如合閘電阻試驗(yàn)、主回路電阻試驗(yàn)、氣體泄露情況分析、斷口間并聯(lián)電容器介損、合閘電阻試驗(yàn)[3]。在機(jī)械預(yù)防性試驗(yàn)中，特征狀態(tài)量包括剛分速度、剛合速以及相間分合閘不同期等。

2.3 建立故障狀態(tài)集與特征狀態(tài)集

在選取變電設(shè)備的狀態(tài)量后，可以根據(jù)故障類型和狀態(tài)量分別建立故障狀態(tài)集和故障特征狀態(tài)集。以變壓器為例，在故障狀態(tài)集中設(shè)置7個(gè)故障狀態(tài)量，分別為過熱性故障、固體絕緣老化、絕緣油劣化、電弧放電、繞組變形、鐵芯故障和局部放電，將故障狀態(tài)集記為S={S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7}[4]。變壓器特征狀態(tài)集由變壓器的特征狀態(tài)量組成，共計(jì)17個(gè)狀態(tài)量，將特征狀態(tài)集記為集合P，其元素編號(hào)為P1～P17。17個(gè)特征狀態(tài)量見表2。

3 建立故障狀態(tài)量與特征狀態(tài)量的關(guān)聯(lián)關(guān)系

高壓變電設(shè)備的運(yùn)行過程受到多種因素的影響，其系統(tǒng)構(gòu)成也較為復(fù)雜，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，成因往往具有一定的模糊性。因此，要采取有效的技術(shù)措施建立故障狀態(tài)量和特征狀態(tài)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。關(guān)聯(lián)規(guī)則是一種大數(shù)據(jù)挖掘方法，可用于發(fā)掘事物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其應(yīng)用原理如下。

3.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則的實(shí)現(xiàn)原理

3.1.1 事物、頻繁項(xiàng)集與支持度

作為一種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，關(guān)聯(lián)規(guī)則的實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)密切相關(guān)。將數(shù)據(jù)庫(kù)中的事物集合表示為D={t1，t2，...，tn}，集合中的每個(gè)元素表示一個(gè)事物。ti為事物集合D中的一個(gè)事物，假設(shè)ti中包括m個(gè)項(xiàng)，那么ti={i1，i2，...，im}。將集合D中所有事物的項(xiàng)的集合記為I，那么I={i1，i2，...，ij}。任意集合B的元素為集合I中的部分項(xiàng)，則B為I的1個(gè)子集，如果子集B中存在k個(gè)項(xiàng)，那么將其稱為I的k項(xiàng)集[5]。

項(xiàng)集B中包括若干個(gè)事物，將項(xiàng)集B中事物的數(shù)量記為σ（B），如公式（1）所示。

σ（B）=|tk|Btk，tkD " " " " " " "（1）

式中：tk為項(xiàng)集B中包括事物的最大數(shù)量，將σ（B）稱為項(xiàng)集B的支持度計(jì)數(shù)。該項(xiàng)集的支持度記為Sup（B），其計(jì)算方法如公式（2）所示。

Sup（B）=P（B）=σ（B）/|D|×100% " " " " "（2）

式中：將事物集合D中所含事物的總數(shù)量記為|D|。將最小支持度閾值記為Supmin，如果Sup（B）gt;Supmin，那么將項(xiàng)集B稱為頻繁項(xiàng)集。

3.1.2 關(guān)聯(lián)規(guī)則

假設(shè)項(xiàng)集B和項(xiàng)集C均屬于項(xiàng)集I，并且B、C的交集為空，在二者之間建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，記為B→C，此時(shí)集合B、C分別為關(guān)聯(lián)規(guī)則B→C的前提和結(jié)論[6]。關(guān)聯(lián)規(guī)則中具有支持度和置信度2個(gè)重要概念，支持度可表述為公式（3）。

Sup（B→C）=P（B∩C） " " " " " " "（3）

該表達(dá)式代表在事物集合D中，B∪C所占的百分比。置信度（Conf）的數(shù)學(xué)表述方法如公式（4）所示，以包括B事物為前提同時(shí)包括C事物，在D事物集合中所占的比例。

（4）

3.1.3 基于變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的項(xiàng)集定義

將已經(jīng)建立的變電設(shè)備故障狀態(tài)量集合和故障特征量集合分別視為2個(gè)項(xiàng)集，也就是集合S和集合P，這2個(gè)集合之間不存在相同的元素，因此其交集為空。當(dāng)利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘S和P的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，首先要定義項(xiàng)集，下面介紹針對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估的項(xiàng)集定義方法。

假設(shè)變壓器的故障事物集合為D0，Di為D0的子集，變壓器的故障狀態(tài)項(xiàng)集為S0，Si為S0的子集，Di和Si之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。Di為變壓器第i類故障的數(shù)據(jù)集。當(dāng)Di=Si時(shí)，表示變壓器發(fā)生第i類故障，項(xiàng)集Pj表示變壓器第j個(gè)特征狀態(tài)量超標(biāo)或者異常。在集合S和集合P之間建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，其本質(zhì)是建立Pj和Si之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即Pj→Si。可根據(jù)公式（3）、公式（4）得到對(duì)應(yīng)的支持度和置信度。

3.2 關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘示例

3.2.1 故障樣本

以110kV變壓器為例，在數(shù)據(jù)挖掘前收集相關(guān)的故障案例，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)集合P中的故障狀態(tài)量，收集和統(tǒng)計(jì)故障樣本，結(jié)果見表3。這些數(shù)據(jù)用于實(shí)施關(guān)聯(lián)規(guī)則，建立故障狀態(tài)量與特征狀態(tài)量之間的關(guān)系。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，在故障樣本中，S1～S7的故障例總數(shù)分別為136、187、139、161、166、171、148。

3.2.2 故障狀態(tài)量與特征狀態(tài)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系示例

將故障樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為數(shù)據(jù)源，建立故障狀態(tài)量和特征狀態(tài)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且計(jì)算支持度和置信度。根據(jù)變壓器的故障狀態(tài)量和特征狀態(tài)量集合，可定義如下支持度矩陣，如公式（5）、公式（6）所示。

Supi=（si，1，si，2，...，si，n）T " " "（5）

（6）

式中：Supi為第i類故障狀態(tài)量對(duì)應(yīng)的支持度矩陣；Pj為第j個(gè)故障狀態(tài)量超標(biāo)；當(dāng)變電設(shè)備處于第i類故障狀態(tài)時(shí)，記為Si；i=1，2，...，7；n=1，2，3，...，17；當(dāng)?shù)趇類故障狀態(tài)發(fā)生時(shí)，第j個(gè)故障狀態(tài)量超標(biāo)的故障案例數(shù)記為σ（Pi，j）；將故障案例數(shù)據(jù)庫(kù)中第i類故障的數(shù)量記為σ（Si）；T為轉(zhuǎn)置操作。置信度矩陣可表示為公式（7）、公式（8）。

Confi=（ci，1，ci，2，...，ci，n）T " "（7）

（8）

式中：將故障案例數(shù)據(jù)中第j類特征狀態(tài)量的超標(biāo)總數(shù)記為σ（Pj）。按照公式（4）～公式（8）計(jì)算支持度和置信度，部分結(jié)果見表4。過熱性故障對(duì)應(yīng)的狀態(tài)量為C2H6含量超標(biāo)、C2H4含量超標(biāo)、繞組直流電阻互差以及CO相對(duì)產(chǎn)氣速率超標(biāo)。當(dāng)變壓器出現(xiàn)過熱性故障時(shí)，支持度表示相應(yīng)特征狀態(tài)量的發(fā)生概率。當(dāng)支持度和置信度未達(dá)到閾值時(shí)，應(yīng)剔除對(duì)應(yīng)的特征狀態(tài)量。

變電設(shè)備故障狀態(tài)評(píng)估是一種量化評(píng)價(jià)，在同一個(gè)故障狀態(tài)量下存在多個(gè)特征狀態(tài)量，但各個(gè)特征狀態(tài)量對(duì)故障狀態(tài)量的影響程度并不相同，計(jì)算并分配權(quán)重是為了實(shí)現(xiàn)精確的量化評(píng)價(jià)。在權(quán)重計(jì)算階段，以置信度為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行量化的權(quán)重分配。

4 權(quán)重計(jì)算

4.1 層次分析法的實(shí)施流程

層次分析法通常采用三層的結(jié)構(gòu)體系，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層，在變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中，目標(biāo)層為變電設(shè)備的狀態(tài)，準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)故障狀態(tài)量，指標(biāo)層為特征狀態(tài)量，通過關(guān)聯(lián)關(guān)系在故障狀態(tài)量與特征狀態(tài)量之間建立聯(lián)系，為層次分析法的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，在具體實(shí)施過程中，其核心步驟包括3步，分別為構(gòu)造判斷矩陣、確定權(quán)重以及一致性檢驗(yàn)。

4.2 基于置信度和層次分析法的權(quán)重計(jì)算

4.2.1 基于置信度的權(quán)重系數(shù)計(jì)算

為了提高權(quán)重分配的精確性，在確定權(quán)重值前，可利用置信度建立權(quán)重系數(shù)，再根據(jù)權(quán)重系數(shù)的大小確定狀態(tài)特征量之間的相對(duì)重要程度。權(quán)重系數(shù)的計(jì)算方法如公式（9）所示。

（9）

式中：wi，j為故障特征i所對(duì)應(yīng)的第j項(xiàng)特征狀態(tài)量的權(quán)重系數(shù)；ci，j為第i個(gè)故障狀態(tài)的第j項(xiàng)狀態(tài)特征量對(duì)應(yīng)的置信度；mi為第i項(xiàng)故障狀態(tài)量對(duì)應(yīng)的特征狀態(tài)量的總數(shù)量。

4.2.2 基于層次分析法的權(quán)重計(jì)算

將S1～S7看做7個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)都對(duì)應(yīng)若干個(gè)特征狀態(tài)量。以S1為例，對(duì)其實(shí)施層次分析，將其對(duì)應(yīng)的4個(gè)特征狀態(tài)量分別記為a1、a2、a3、a4，于是可構(gòu)造判斷矩陣，見表5。表格中的元素代表2個(gè)特征狀態(tài)量對(duì)故障狀態(tài)量的重要程度，取值越大，說明重要程度越高。在特征狀態(tài)量的重要性比較中，采用層次分析法中的1～9標(biāo)度法，假設(shè)特征狀態(tài)量ai和aj進(jìn)行重要度比較。當(dāng)ai和aj同等重要時(shí)，標(biāo)度值取1；當(dāng)ai比aj稍微重要時(shí)，標(biāo)度值取3；當(dāng)ai比aj明顯重要時(shí)，標(biāo)度值取5；當(dāng)ai與aj相比非常重要時(shí)，標(biāo)度值為7；當(dāng)ai比aj極端重要時(shí)，標(biāo)度值取9；其他標(biāo)度值為2、4、6、8，以標(biāo)度值2為例，重要性為1～3；當(dāng)評(píng)價(jià)aj對(duì)ai的重要性時(shí)，標(biāo)度取值為ai對(duì)aj重要性標(biāo)度的導(dǎo)數(shù)。

計(jì)算矩陣A1的特征向量，得到w1=[0.073，0.209，0.645，0.073]T，因此，C2H6含量對(duì)應(yīng)的權(quán)重值為0.073，C2H4含量對(duì)應(yīng)的權(quán)重值為0.209。當(dāng)建立判斷矩陣時(shí)，有可能出現(xiàn)指標(biāo)重要性排序矛盾，此時(shí)，應(yīng)該檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI=（λmax-n）/（n-1），其中，λmax為判斷矩陣的特征根，n為特征矩陣的階數(shù)。求出CI后，計(jì)算一致性比例CR（CR=CI/RI）。其中，RI為平均一致性指標(biāo)。如果CR≤0.1，那么認(rèn)為構(gòu)造的判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)。按照這種方法可以計(jì)算其他特征狀態(tài)量的權(quán)重值。

5 變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估實(shí)例

5.1 獲取預(yù)防性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)

對(duì)5臺(tái)110kV油浸式變壓器開展預(yù)防性試驗(yàn)，得到P1～P17各項(xiàng)特征狀態(tài)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

5.2 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分

電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分為正常、注意、異常和嚴(yán)重4個(gè)級(jí)別，其對(duì)應(yīng)的評(píng)分為80～100、60～80、20～60、0～20。首先，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則建立故障狀態(tài)量、特征狀態(tài)量模型。其次，運(yùn)用置信度計(jì)算各特征狀態(tài)量的權(quán)重系數(shù)。最后，運(yùn)用層次分析法計(jì)算權(quán)重值。按照公式（10）計(jì)算綜合評(píng)分。

（10）

式中：Xi為故障狀態(tài)量i的評(píng)分；Wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果；T為變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)分。

從狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果中可知，1#變壓器得分僅為20.22，處于異常狀態(tài)，并且接近嚴(yán)重故障狀態(tài)。2#、3#變壓器得分較高，均屬于異常狀態(tài)，同時(shí)診斷造成異常的主要原因，1#變壓器為S5，2#變壓器為S2、S4、S5，3#變壓器為S4。4#變壓器運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)得分為58.81分，同樣為異常狀態(tài)，但該分支接近注意級(jí)別，說明變壓器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較小，故障類別為S7。5#變壓器運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)分為45.31分，屬于異常運(yùn)行狀態(tài)，其故障類別為S1。整體來看，本次所建立的狀態(tài)評(píng)價(jià)方法能夠有效評(píng)價(jià)變電設(shè)備的運(yùn)行情況。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中，可根據(jù)預(yù)防性試驗(yàn)建立故障狀態(tài)量和特征狀態(tài)量，包括過熱性故障、固體絕緣老化、絕緣油劣化以及電弧放電等。根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的原理在故障狀態(tài)量和特征狀態(tài)量之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行層次分析，為每個(gè)狀態(tài)量分配權(quán)重值，權(quán)重與狀態(tài)打分結(jié)果的乘積是該狀態(tài)量的評(píng)估值，通過求和可得到變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的綜合結(jié)果。

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