基于模糊物元法的電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估

楊楠 崔偉 王智偉

摘 要：針對(duì)電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)參數(shù)具有不確定性和模糊性的特點(diǎn)，采用熵權(quán)法和層次分析法確定權(quán)重，并與模糊物元法相結(jié)合，建立了基于組合權(quán)重的模糊物元評(píng)價(jià)模型，提出基于模糊物元法的電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估模型。然后，選取電力電容器絕緣狀態(tài)相關(guān)的特征量，包括電量監(jiān)測(cè)法中的三相不平衡電壓、實(shí)際運(yùn)行電壓、電容量、介質(zhì)損耗因數(shù)以及非電量監(jiān)測(cè)法中的運(yùn)行溫度，建立電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系。最后，評(píng)估未知絕緣狀態(tài)電力電容器與正理想解的關(guān)聯(lián)度，并判斷其絕緣狀態(tài)。實(shí)例分析驗(yàn)證了基于模糊物元法的狀態(tài)評(píng)估模型能夠有效地評(píng)估電力電容器的絕緣狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：電力電容器；絕緣狀態(tài)；指標(biāo)體系；模糊物元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.168

電力電容器作為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和無(wú)功調(diào)節(jié)的關(guān)鍵無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備之一，其可用率是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1，2]。電力電容器在工作期間，不僅長(zhǎng)時(shí)間承受工作電壓而且還經(jīng)受各種內(nèi)部和外部過(guò)電壓、物理和化學(xué)效應(yīng)等影響，使其逐漸劣化，導(dǎo)致絕緣擊穿[3-5]。因此，對(duì)電力電容器的絕緣狀況進(jìn)行評(píng)估，提早發(fā)現(xiàn)隱患，可以有針對(duì)性地提前采取預(yù)防措施，減少絕緣故障的發(fā)生率[6-8]。

本文提出了基于模糊物元法的電力電容器絕緣狀態(tài)的評(píng)估模型。首先，通過(guò)電力電容器絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立了電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系。其次，針對(duì)電力電容器的絕緣特性，研究了主客觀組合權(quán)重系數(shù)。然后，用模糊物元表征模糊量值，評(píng)估與正理想解的關(guān)聯(lián)度，判斷其絕緣狀態(tài)。最后，通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證該方法評(píng)估電力電容器的絕緣狀態(tài)有效性。

1 基于模糊物元法的評(píng)估模型

1.1 模糊物元法

1.1.1 模糊物元

在物元分析[9]中，假設(shè)事物的名稱為M，它關(guān)于特征C的量值為V，組成的評(píng)判模型R=（M，C，V）為描述事物的基本單元。事物M具有的n個(gè)特征C=[c1，c2，...，cn]和對(duì)應(yīng)的n個(gè)量值V=[v1，v2，...，vm]具有模糊性，稱其為n維模糊物元，m個(gè)事物組成的n維復(fù)合模糊物元R可記為：

（1）

1.1.2 從隸屬度模糊物元法

從優(yōu)隸屬度就是各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值從屬于標(biāo)準(zhǔn)樣本各對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值的隸屬程度， 一般為正值， 基于此建立法的原則稱為從優(yōu)隸屬度原則，由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值對(duì)于評(píng)價(jià)方案具有不同的特性， 有的是越大越優(yōu) ，有的是越小越優(yōu)， 因此 ，對(duì)于不同的隸屬度分別采用不同的計(jì)算公式 ，計(jì)算隸屬度的公式有很多， 為了更充分地反映電力電容器絕緣評(píng)估各指標(biāo)的相對(duì)性， 采用如下形式：

1.2 指標(biāo)組合的權(quán)重

1.2.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法是一種用于根據(jù)數(shù)學(xué)組織和分析復(fù)雜的決策結(jié)構(gòu)化主觀權(quán)重計(jì)算方法，運(yùn)用時(shí)需按如下5個(gè)步驟：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)，對(duì)電容器絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo)（準(zhǔn)則層）與二級(jí)指標(biāo)（指標(biāo)層）進(jìn)行采集，進(jìn)而建立出進(jìn)行層次分析的模型。

（2）構(gòu)建判別矩陣，建立準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣A，將指標(biāo)之間進(jìn)行相互的比較，主要采用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度。

（3）計(jì)算各備選因素的權(quán)重，并求解判別矩陣A的最大特征值λmax與特征向量。

（4）一致性檢驗(yàn)。根據(jù)最大特征值λmax與特征向量，計(jì)算得到判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR：

式中，n為判別矩陣的特殊值；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，與n滿足一定的關(guān)系。

（5）確定特征量的權(quán)重系數(shù)。對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，得到主觀權(quán)重系數(shù)wj。

1.2.2 最大熵權(quán)技術(shù)法確定客觀權(quán)重

最大熵權(quán)法是利用各指標(biāo)值的變異性的程度，利用信息熵計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重[5]。最大熵權(quán)技術(shù)法確定各指標(biāo)的權(quán)系數(shù)步驟如下：

（1）構(gòu)建原始決策矩陣X，設(shè)有m個(gè)方案，n個(gè)指標(biāo)，通過(guò)指標(biāo)參數(shù)值構(gòu)建出原始決策矩陣為X=（xij）m×n。

（2）數(shù)據(jù)的非負(fù)數(shù)據(jù)化處理獲取標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R=（rij）m×n，為了避免求熵值時(shí)對(duì)數(shù)的無(wú)意義，對(duì)于越大越好的指標(biāo)和越小越好的指標(biāo)需要分別按下式進(jìn)行數(shù)據(jù)平移：

1.2.3 主客觀綜合賦權(quán)法

為了充分發(fā)揮主觀賦權(quán)法中層次分析法和客觀賦權(quán)法中最大熵權(quán)技術(shù)法[10-12]，應(yīng)用“乘法”集成法獲取了主客觀綜合權(quán)重系數(shù)ωj[5]：

1.3 模糊物元法的評(píng)估流程

基于模糊物元法的評(píng)估基本流程如下：

（1）構(gòu)造n維物元Rn。假設(shè)有m個(gè)評(píng)估事物和n個(gè)評(píng)估指標(biāo)，評(píng)估事物中各評(píng)估指標(biāo)的特征量值vij，形成n維物元。

（2）構(gòu)造n維模糊物元R'n。根據(jù)1.1節(jié)中進(jìn)行構(gòu)建。

（3）獲取特征量的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)2節(jié)獲取主客觀組合權(quán)重系數(shù)ωj。

（4）獲取加權(quán)模糊物元矩陣Z=（zij）=ωjR'n，其中zij=vijωj。

（5）確定正理想解Zj+和負(fù)理想解Zj-。

（6）計(jì)算待評(píng)估對(duì)象到正理想解與負(fù)理想解的歐氏距離。

（7）計(jì)算待評(píng)估對(duì)象與正理想解的關(guān)聯(lián)度Ci，絕緣性能越好，則關(guān)聯(lián)度越接近于1；反之，絕緣性能越差，關(guān)聯(lián)度越越接近于0。

2 電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系

本文分別通過(guò)電量和非電量監(jiān)測(cè)法提取與電力電容器絕緣狀態(tài)相關(guān)的特征量，建立電力電容器絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系[6]。其中，電力電容器絕緣狀態(tài)作為目標(biāo)層、2個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)和5個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)，如圖1所示。

在建立的指標(biāo)體系中，電量監(jiān)測(cè)法中三相不平衡電壓、實(shí)際運(yùn)行電壓、電容量、介質(zhì)損耗因數(shù)為最為直觀的指標(biāo)；非電量監(jiān)測(cè)法中運(yùn)行溫度反映局部溫度狀態(tài)。

根據(jù)QGDW1168-2013輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程[13]，由于電力電容器和變壓器均采用油紙絕緣，可借鑒《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》，故按照油中糠醛含量，將電力電容器絕緣狀態(tài)劃分為絕緣狀態(tài)正常、老化、嚴(yán)重等3級(jí)狀態(tài)。當(dāng)油中糠醛含量小于0.5mg/L時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)正常；介于0.5mg/L～1mg/L時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)老化；大于1mg/L時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)油中糠醛含量為0.5mg/L和1mg/L的同一型號(hào)電力電容器可計(jì)算得到關(guān)聯(lián)度分別接近于0.66和0.34。故當(dāng)關(guān)聯(lián)度Ci 介于1～0.66時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)正常；介于0.66～0.34時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)老化；介于0.34～0時(shí)，電力電容器絕緣狀態(tài)嚴(yán)重。

3 實(shí)例分析

選取了4臺(tái)絕緣狀態(tài)不同的同型號(hào)油浸式電力電容器B1、B2、B3和B4，應(yīng)用基于模糊物元法的電力電容器的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)模型對(duì)實(shí)際設(shè)備的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了量化各電容器的絕緣狀態(tài)，引入2組基準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)度，1臺(tái)工作狀態(tài)正常且絕緣狀態(tài)良好的電容器A，1臺(tái)絕緣劣化嚴(yán)重且退出工作的電容器C。電力電容器樣本的基本信息如表1所示。

通過(guò)電量監(jiān)測(cè)法與非電量監(jiān)測(cè)法對(duì)電力電容器樣本提取各項(xiàng)特征指標(biāo)，如表2所示。

根據(jù)基于模糊物元法的電力電容器的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)流程計(jì)算得到電力電容器B1、B2、B3和B4關(guān)聯(lián)度分別為0.856、0.593、0.474、0.274。

依據(jù)1.7節(jié)中基于關(guān)聯(lián)度的電力電容器絕緣狀態(tài)的劃分，可判斷電力電容器B1、B2、B3和B4絕緣狀態(tài)分別處于正常、老化、老化和嚴(yán)重。因此，對(duì)這4臺(tái)電容器的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況均吻合，驗(yàn)證了基于模糊物元法的電力電容器的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的有效性。

4 結(jié)論

本文在物元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊權(quán)重與層次分析 ，構(gòu)建評(píng)價(jià)電力電容器絕緣狀態(tài)的組合權(quán)重模糊物元分析模型 。該模型繼承了經(jīng)典物元分析的概念清晰 、邏輯性強(qiáng)、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單和評(píng)價(jià)結(jié)果分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是充分考慮了權(quán)重的不確定性，因而具有明顯的合理性。應(yīng)用該模型對(duì)電力電容器絕緣狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了該方法可以有效地評(píng)估電力電容器的絕緣狀態(tài)。

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作者簡(jiǎn)介：楊楠（1984-），男，天津人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、新能源運(yùn)行消納等相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。