貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類算法在狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備可用性判斷的應(yīng)用

王文爍，胡丹暉，黃俊杰，張 坤，李云鵬

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070）

0 引言

隨著國內(nèi)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置的數(shù)量及規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏專業(yè)的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)自動過濾和分析。各供電單位安裝了大量的輸變電設(shè)備監(jiān)測裝置，積累了大量的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的一個重要工作便是根據(jù)各種狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)評價，但是裝置尤其是輸電監(jiān)測裝置的低可用性阻礙了工作的開展。

輸變電監(jiān)測裝置的可用性主要依賴于幾個方面：一是監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；二是監(jiān)測參數(shù)的計(jì)算方法；三是裝置與主站之間的通信情況；另外還包括電源狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸頻率等其他因素。

目前，國內(nèi)外在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方面的研究主要集中于提高輸變電監(jiān)測裝置的可用性[2]和對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用。

1 輸變電監(jiān)測裝置可用性評估過程

1.1 目前的現(xiàn)狀

對于輸電線路監(jiān)測裝置，由于安裝位置和通信條件的差異性以及惡劣的環(huán)境等原因，裝置的可用性方面關(guān)注較多的主要是監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，尤其是那些嚴(yán)重偏離正常值的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與線路設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，需與線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合在一起使用。同時還需要借助各類分析工具對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析。但是目前的普遍做法是線路運(yùn)維人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷，很少使用這些分析工具。

對于變電監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置的可用性相對較高。運(yùn)維人員也主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷設(shè)備的可用性[3]。

1.2 監(jiān)測裝置的可用性評估過程

目前輸變電監(jiān)測裝置可用性判斷存在的問題主要為以下3類：

（1）輸變電監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)有效性問題

此類問題的表現(xiàn)是，在一定時間段內(nèi)“統(tǒng)計(jì)時間”（為了便于計(jì)算和展示默認(rèn)為一個月，可以由用戶手動設(shè)置修改），服務(wù)器可以接收到裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，但是接收數(shù)據(jù)中包含無效數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)中包含無效數(shù)據(jù)。

（2）輸變電監(jiān)測裝置通信問題

此類問題的表現(xiàn)是，在一定時間段內(nèi)“統(tǒng)計(jì)時間”（為了便于計(jì)算和展示默認(rèn)為一個月，可以由用戶手動設(shè)置修改），服務(wù)器接收數(shù)據(jù)時斷時續(xù)，即數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)時斷時續(xù)。

（3）輸變電監(jiān)測裝置本體缺陷問題

此類問題的表現(xiàn)為在一定時間段內(nèi)“本體缺陷時間”（為了便于計(jì)算和展示默認(rèn)為一個月，可以由用戶手動設(shè)置修改），服務(wù)器接收不到數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)沒有此類數(shù)據(jù)。

輸變電監(jiān)測裝置可用性評估過程如圖1所示，研究人員獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，然后依據(jù)以上3種問題的特征特點(diǎn)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并分別進(jìn)行量化分析，最后得到一個綜合的裝置可用性評估結(jié)果。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用

采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法式[4]對以上3種問題類型進(jìn)行分類量化，并對每種類型進(jìn)行決策計(jì)算，求出該類型下評價分值。

一個貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定義包括一個有向無環(huán)圖（DAG）和一個條件概率表集合。DAG中每一個節(jié)點(diǎn)表示一個隨機(jī)變量，可以是可直接觀測變量或隱藏變量，而有向邊表示隨機(jī)變量間的條件依賴；條件概率表中的每一個元素對應(yīng)DAG中唯一的節(jié)點(diǎn)，該元素存儲此節(jié)點(diǎn)對于其所有直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合條件概率。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為一種不確定性的因果推理模型，其應(yīng)用范圍非常廣，在信息檢索、電子技術(shù)與工業(yè)工程等諸多方面發(fā)揮重要作用，而與其相關(guān)的一些問題也是近來的熱點(diǎn)研究課題。就使用方法來說，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)主要用于概率推理及決策，具體來說，就是在信息不完備的情況下通過可以觀察隨機(jī)變量推斷不可觀察的隨機(jī)變量，并且不可觀察的隨機(jī)變量可以多于一個。一般初期將不可觀察變量置為隨機(jī)值，然后進(jìn)行概率推理。

一般使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理[5]的步驟可如下描述：

（1）對所有可觀察隨機(jī)變量節(jié)點(diǎn)用觀察值實(shí)例化；對不可觀察節(jié)點(diǎn)實(shí)例化為隨機(jī)值。

（2）對DAG進(jìn)行遍歷，對每一個不可觀察節(jié)點(diǎn)y，計(jì)算：

其中wi表示除y以外的其它所有節(jié)點(diǎn)，α為正規(guī)化因子，sj表示y的第j個子節(jié)點(diǎn)。

（3）使用第2步計(jì)算出的各個y作為未知節(jié)點(diǎn)的新值進(jìn)行實(shí)例化，重復(fù)第2步，直到結(jié)果充分收斂。

（4）將收斂結(jié)果作為推斷值。

圖1 輸變電監(jiān)測裝置可用性評估過程Fig.1 Process of assessment for the availability of power transmission and transformation equipment

3 單個輸變電監(jiān)測裝置可用性量化方法

輸變電監(jiān)測裝置的可用性量化結(jié)果包括輸變電監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)有效性量化結(jié)果，通信問題量化結(jié)果，裝置本體缺陷量化結(jié)果3種。

3.1 輸變電監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)有效性量化方法

輸電監(jiān)測裝置單參數(shù)數(shù)據(jù)有效性量化結(jié)果q1：

如果同一輸電監(jiān)測裝置存在多個參數(shù)數(shù)據(jù)超出有效性范圍，那么該裝置有效性量化結(jié)果q2取值為其所有單參數(shù)數(shù)據(jù)有效性量化結(jié)果的最小值。

3.2 輸變電監(jiān)測裝置通信問題量化方法

主要表現(xiàn)為在一定時間段（需要相關(guān)人員手動設(shè)置）內(nèi)，根據(jù)裝置有沒有上傳數(shù)據(jù)來計(jì)算裝置通信問題的比例，即數(shù)據(jù)中出現(xiàn)缺值的比例。具體方法是通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)的判斷和統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到輸變電監(jiān)測裝置通信問題量化結(jié)果q3。

3.3 輸變電監(jiān)測裝置本體缺陷問題量化方法

輸變電監(jiān)測裝置本體缺陷問題由相關(guān)工作人員現(xiàn)場確認(rèn)，然后組織人員進(jìn)行維修或?qū)嵤┢渌鼨z修方法。

此類問題量化分值q4只有0（缺陷）和1（正常）兩種。在一定時間段（以自然月為最小時間單位）內(nèi)取正常裝置狀態(tài)的平均值。

其中，裝置正常天數(shù)是指服務(wù)器能夠接收到數(shù)據(jù)的天數(shù)，通過對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。

3.4 單個輸變電監(jiān)測裝置可用性量化結(jié)果

一個輸變電監(jiān)測裝置的可用性量化的最終結(jié)果為前面3種量化結(jié)果的平均值。即，單個輸變電監(jiān)測裝置可用性量化結(jié)果q。

4 總體裝置可用性量化方法

輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置[6]種類及具體監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

同一廠家同一類型的裝置可用性量化結(jié)果Q

同一線路同一類型的裝置可用性量化結(jié)果可參照式（7）計(jì)算。

表1 輸變電設(shè)備監(jiān)測裝置名單Tab.1 List of condition monitoring devices for power transmission and transformation equipment

5 總結(jié)

通過輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置運(yùn)行狀態(tài)的研究，結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分類算法工具實(shí)現(xiàn)了對各類輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置質(zhì)量的提升，提高了對全網(wǎng)輸變電設(shè)備有效監(jiān)控，保障了電網(wǎng)運(yùn)行安全。

[參考文獻(xiàn)]（References）

[1]王凱,蔡煒,鄧雨榮,等.輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用和管理平臺[J].高電壓技術(shù),2012,38(05)：1 274-1 280.WANG Kai,CAI Wei,DENG Yurong,et al.Application and management information platform for transmission line monitoring system[J].High Voltage Engineering，2012,38(05)：1 274-1 280.

[2]潘凌,王濤,陸宇航,等.智能輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置可靠性分析[J].水電站機(jī)電技術(shù),2016,(4)：41-45.PAN Ling,WANG Tao,LU Yuhang,et al.Reliability analysis of intelligent transmission line state monitoring device[J].Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station,2016,(4)：41-45.

[3]王永奇.輸變電設(shè)備監(jiān)測裝置運(yùn)行故障及可用性分析[J].電工電氣,2016,(4)：43-45.WANG Yongqi.Monitoring device faultand availability analysis of electric transmission and transformation equipment[J].Electrotechnics Electric,2016,(4)：43-45.

[4]董邦洲.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評估及隱形故障診斷[D].太原：太原理工大學(xué),2007.DONG Bangzhou.Evaluation of operation state and diagnosis of invisible fault for overhead transmission llines bbased on bayesian networks[D].Taiyuan：Taiyuan University of Technology,2007.

[5]俞奎.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模及推理算法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2007.YU Kui.Modeling and algorithm of bayesian networks[D].Hefei：Hefei University of Technology,2007.

[6]郭志民,王國棟,許長清.輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應(yīng)用[J].河南電力,2011,(3)：12-16.Guo Zhimin,Wang Guodong,Xu Changqing.Deployment and application of condition monitoring systemfor power transmission and transformation equipment.[J].Henan Electric Power,2011,(3)：12-16.