一二次融合柱上開(kāi)關(guān)組合加權(quán)模糊狀態(tài)評(píng)價(jià)

王東芳，黃國(guó)權(quán)，黃廷城，張勇軍

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東 河源 517000；2.智慧能源工程技術(shù)研究中心，華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

作為配電開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要產(chǎn)品，柱上開(kāi)關(guān)是架空線路配電自動(dòng)化的核心設(shè)備，它的智能化程度直接決定了配電網(wǎng)智能化的水平[1]。然而先前柱上開(kāi)關(guān)一次本體和二次設(shè)備相互分離，制約了配電自動(dòng)化的發(fā)展。近些年，基于電力信息物理融合[2-4]的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]為配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了新的理念，配電設(shè)備朝著一體化、集成化的方向發(fā)展。為提高柱上開(kāi)關(guān)“智能、安全、互聯(lián)”水平，同時(shí)提升其運(yùn)行水平、運(yùn)維質(zhì)量與效率，國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)公司、研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備廠商相繼開(kāi)展了柱上開(kāi)關(guān)一二次設(shè)備融合的研究設(shè)計(jì)工作。

傳統(tǒng)柱上開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)本體、控制器等各部分設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，大部分研究工作都重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)關(guān)本體，對(duì)控制器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的手段較少、相關(guān)規(guī)程尚缺，難以對(duì)其開(kāi)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估[6]。因此柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)評(píng)估研究多是單獨(dú)針對(duì)斷路器本體開(kāi)展而尚未有綜合考慮控制器狀態(tài)指標(biāo)的研究，如文獻(xiàn)[7]考慮了開(kāi)關(guān)本體、支架等方面因素，而未涉及控制器指標(biāo)。二次控制與保護(hù)裝置的安全可靠運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化的重要保障。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力設(shè)備物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的融合程度愈發(fā)增強(qiáng)，二次設(shè)備會(huì)更多地融合到一次設(shè)備中[8-10]，呈現(xiàn)一體化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)[11]，致使一二次設(shè)備間的耦合關(guān)系越來(lái)越強(qiáng)，而現(xiàn)有的柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)評(píng)估方案無(wú)法對(duì)其一二次設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估。因此，有必要綜合評(píng)估柱上開(kāi)關(guān)包括一二次設(shè)備及其連接關(guān)系在內(nèi)的整體運(yùn)行狀態(tài)。

在評(píng)估方法方面，現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)評(píng)估研究如文獻(xiàn)[12-14]等，指標(biāo)權(quán)重的確定多是以故障率大小為依據(jù)的定權(quán)，此做法在數(shù)據(jù)量不足的情況下得出的權(quán)重意義不大；而即使數(shù)據(jù)量足夠多，得出的權(quán)重也只是一個(gè)普適性的值，反映的是各指標(biāo)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的表征能力，并不能突出具體設(shè)備狀態(tài)劣化的趨勢(shì)，存在對(duì)表征能力相對(duì)較弱的指標(biāo)劣化識(shí)別靈敏度過(guò)低的問(wèn)題。對(duì)此，文獻(xiàn)[15]提出了利用劣化度計(jì)算變權(quán)系數(shù)，用以依據(jù)狀態(tài)量的變化調(diào)整權(quán)重。

鑒于此，本文在當(dāng)前電力信息物理融合的背景下，擴(kuò)充了現(xiàn)有柱上開(kāi)關(guān)指標(biāo)體系，提出了一二次融合柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合加權(quán)模糊評(píng)價(jià)方法。該方法采用隨狀態(tài)量變化的數(shù)據(jù)劣化度變值權(quán)重和指標(biāo)重要度常值權(quán)重的組合權(quán)重，并借助模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。

1 狀態(tài)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 開(kāi)關(guān)本體運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)

目前開(kāi)關(guān)本體部分狀態(tài)指標(biāo)研究較多，本文不再贅述。在結(jié)合文獻(xiàn)[14-16]基礎(chǔ)上，本文選取四個(gè)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)如下：真空度（表征真空斷路器開(kāi)斷電流和滅弧能力）、觸頭相對(duì)磨損程度（影響斷路器電壽命的重要因素）、觸頭溫度（觸頭高溫易燒毀觸頭，威脅斷路器安全運(yùn)行）、振動(dòng)信號(hào)（可以反映多種故障原因，評(píng)估范圍較廣）。

1.2 二次部分運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)

柱上開(kāi)關(guān)運(yùn)行于環(huán)境較惡劣的戶(hù)外場(chǎng)所，經(jīng)受日曬雨淋，而其二次設(shè)備內(nèi)部有多種電子元器件，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，因此易發(fā)生故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電二次設(shè)備故障原因中，蓄電池失效占50%以上[17]。其他還有無(wú)線通信掉線、配電終端故障等，而配電終端故障原因較為復(fù)雜，如設(shè)備凝露、電路板短路等等。

早先柱上開(kāi)關(guān)二次設(shè)備監(jiān)測(cè)手段較少，難以開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)。但是柱上開(kāi)關(guān)二次設(shè)備數(shù)量不斷增多、分布廣泛，且故障率較高，繼續(xù)采用定期檢修方式將帶來(lái)高成本低效率的問(wèn)題[18]。近些年微機(jī)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備和通信技術(shù)的不斷發(fā)展使得二次設(shè)備監(jiān)測(cè)內(nèi)容不斷豐富。

結(jié)合配電二次設(shè)備主要故障因素以及現(xiàn)有二次設(shè)備主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容[11，17]，本文提出一二次融合柱上開(kāi)關(guān)二次部分運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

（1）SOH（電池健康狀態(tài)）[19]：SOH 可由蓄電池實(shí)際容量與額定容量之比ε 表征。

式中：S 為蓄電池實(shí)際容量；SN為蓄電池額定容量。

（2）通信通道狀態(tài)：可由終端在線率ρ 衡量。

式中：ΔT 為終端異常狀態(tài)總持續(xù)時(shí)長(zhǎng)；T 為從上次檢修至今終端的總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

（3）控制器溫度：監(jiān)視控制器過(guò)熱現(xiàn)象。

（4）控制器濕度：監(jiān)視設(shè)備凝露現(xiàn)象。

（5）自檢異常頻率：FTU（饋線終端）可實(shí)現(xiàn)多種自檢功能，包含較多信息，因此其自檢異常頻率在對(duì)柱上開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的表征上具有較高的重要性。

1.3 非運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)

除上述運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)以外，一些非運(yùn)行指標(biāo)也能在一定程度上體現(xiàn)一二次融合柱上開(kāi)關(guān)的狀態(tài)演變趨勢(shì)。本文考慮部分直接影響柱上開(kāi)關(guān)態(tài)勢(shì)的非運(yùn)行狀態(tài)因素，具體為包括氣溫、大氣濕度、大氣污穢等級(jí)在內(nèi)的環(huán)境因素指標(biāo)和包括累計(jì)動(dòng)作次數(shù)和年均故障次數(shù)在內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2 組合加權(quán)模糊綜合狀態(tài)評(píng)價(jià)研究

一二次融合柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)的歸屬具有較強(qiáng)模糊性，因此可通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法，根據(jù)狀態(tài)隸屬度的大小判斷柱上開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

權(quán)重的設(shè)置是模糊綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵之一。一般而言，在綜合考慮多個(gè)指標(biāo)時(shí)，一般采用的主客觀加權(quán)法大多是根據(jù)指標(biāo)重要度（或故障率）常值權(quán)重。但是，單臺(tái)設(shè)備的指標(biāo)惡化是概率事件，以確定的權(quán)重分析具體設(shè)備時(shí)對(duì)權(quán)重較小的指標(biāo)劣化識(shí)別靈敏度將會(huì)大大降低。

為解決這一問(wèn)題，本文采用組合加權(quán)的方法，綜合考慮數(shù)據(jù)劣化度變值權(quán)重與指標(biāo)重要度常值權(quán)重的進(jìn)行組合加權(quán)，一方面可以避免因重要度差異導(dǎo)致對(duì)指標(biāo)劣化識(shí)別靈敏度過(guò)低的問(wèn)題；另一方面也能避免僅從數(shù)據(jù)角度分析指標(biāo)的劣變趨勢(shì)使得權(quán)重失衡的問(wèn)題。

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)有三要素：

（1）因素集：假定一二次融合柱上開(kāi)關(guān)的評(píng)估指標(biāo)共有n 個(gè)，這n 個(gè)評(píng)估指標(biāo) 因素u1，u2，…，un組成的集合為因素集U={u1，u2，…，un}。

（2）評(píng)語(yǔ)集：一二次融合柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)的m 條評(píng)語(yǔ)組成的集合V。本文選取正常、注意、異常、嚴(yán)重四條評(píng)語(yǔ)組成評(píng)語(yǔ)集，即V={正常，注意，異常，嚴(yán)重}。

（3）單因素判斷：即一二次融合開(kāi)關(guān)第i 個(gè)狀態(tài)指標(biāo)ui對(duì)于第j 條評(píng)語(yǔ)vj（j=1，2，3，4）的隸屬度為ri：

式中：rij表示指標(biāo)ui對(duì)于評(píng)語(yǔ)vj的隸屬度，0≤rij≤1 且滿足ri1+ri2+ri3+ri4=1。

進(jìn)而由單因素判斷ri組成隸屬度矩陣R。

根據(jù)所選取指標(biāo)的性質(zhì)，本文采用半梯形分布和三角分布結(jié)合計(jì)算其隸屬度函數(shù)。鑒于本文指標(biāo)較多而篇幅有限，因此只給出如圖1 所示的兩種類(lèi)型指標(biāo)的隸屬度函數(shù)示意。各指標(biāo)均滿足其中一種類(lèi)型，區(qū)別僅在于具體的區(qū)間分布不同。圖1 中，u 為狀態(tài)量值，對(duì)于偏小型指標(biāo)，狀態(tài)量值越小越優(yōu)；ua，ub，uc，ud分別為各指標(biāo)正常、注意、異常、嚴(yán)重狀態(tài)的狀態(tài)量邊界；對(duì)于中間型指標(biāo)，狀態(tài)量值處于中間范圍最優(yōu)；ua0，ua1分別為正常狀態(tài)的下邊界和上邊界；ub0，ub1分別為注意狀態(tài)的下邊界和上邊界；uc0，uc1分別為異常狀態(tài)的下邊界和上邊界；ud0，ud1分別為嚴(yán)重狀態(tài)的下邊界和上邊界。

圖1 隸屬度函數(shù)

2.2 指標(biāo)權(quán)值的確定

2.2.1 數(shù)據(jù)劣化度變值權(quán)重

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的劣化通常有一個(gè)過(guò)渡階段，以柱上開(kāi)關(guān)本體為例，其狀態(tài)劣化的趨勢(shì)如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)本體在線指標(biāo)狀態(tài)演變數(shù)據(jù)

整個(gè)演變趨勢(shì)大體上可分為三個(gè)階段：T2 時(shí)刻前，各指標(biāo)狀態(tài)量數(shù)據(jù)基本波動(dòng)不大，因此各指標(biāo)對(duì)柱上開(kāi)關(guān)本體運(yùn)行狀態(tài)的表征能力基本相同；T2 時(shí)刻至T3 時(shí)刻，振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)開(kāi)始顯著增長(zhǎng)而其余指標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)保持平穩(wěn)，更能反映出柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)可能出現(xiàn)了劣化；T4 時(shí)刻經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢修排除隱患后，振動(dòng)信號(hào)回歸平穩(wěn)，但此時(shí)開(kāi)關(guān)滅弧室真空度下降（滅弧室內(nèi)氣壓上升）明顯，應(yīng)受到更多的重視。由此可見(jiàn)，在一臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)完整生命周期中，各狀態(tài)量指標(biāo)在不同階段的演化趨勢(shì)并不是固定不變的，應(yīng)受重視的程度也不相一致，權(quán)重也相應(yīng)變化。

對(duì)此，評(píng)估時(shí)分析當(dāng)前各指標(biāo)歷往數(shù)據(jù)的劣化度即可在不同階段分配相應(yīng)的變值權(quán)重。一個(gè)巡檢周期內(nèi)每次評(píng)估前需不斷加入新采樣的數(shù)據(jù)值并累積更新?tīng)顟B(tài)量數(shù)據(jù)集，依此計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)劣化度權(quán)重，因此該權(quán)重帶有隨狀態(tài)量變化的變權(quán)性質(zhì)。

熵權(quán)法基本思路是反映測(cè)量數(shù)據(jù)集的總體離散程度，能基于特定一臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)各狀態(tài)指標(biāo)在某個(gè)巡檢周期內(nèi)的的所有狀態(tài)量數(shù)據(jù)，通過(guò)識(shí)別指標(biāo)數(shù)據(jù)的劣化程度來(lái)考量其包含的信息量，依此計(jì)算數(shù)據(jù)劣化度變權(quán)w′，具體計(jì)算如下：

（1）對(duì)指定的柱上開(kāi)關(guān)測(cè)取各指標(biāo)ui在一個(gè)巡檢周期內(nèi)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到Nij。以偏小型指標(biāo)為例，按式（4）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：uij表示第i 個(gè)指標(biāo)ui的第j 個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)；max（ui）為指標(biāo)ui的最劣區(qū)間的臨界點(diǎn)；min（ui）為指標(biāo)ui的最優(yōu)區(qū)間的臨界點(diǎn)。

（2）計(jì)算反映指標(biāo)ui數(shù)據(jù)劣化度的熵值Ei：

式中：k 為指標(biāo)ui的數(shù)據(jù)量；，若有Hij=0，則定義lim（HijlnHij）=0。

（3）計(jì)算指標(biāo)ui的數(shù)據(jù)劣化度變權(quán)

式中：n 為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.2.2 指標(biāo)重要度常值權(quán)重

不同指標(biāo)對(duì)柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)評(píng)估的貢獻(xiàn)程度不一，若單一考慮數(shù)據(jù)劣化權(quán)重會(huì)忽略指標(biāo)本身重要程度，容易造成權(quán)重失衡現(xiàn)象。故可基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，采用層次分析法對(duì)指標(biāo)分配重要度常值權(quán)重。

首先，構(gòu)建柱上開(kāi)關(guān)三部分二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣。根據(jù)指標(biāo)反映的故障類(lèi)型、對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性的影響以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，利用成對(duì)比較法和九級(jí)標(biāo)度法得到三部分判斷矩陣分別為：

然后，進(jìn)行判斷矩陣的一致性校驗(yàn)，進(jìn)而計(jì)算權(quán)重，具體的計(jì)算過(guò)程參考文獻(xiàn)[20]。

2.2.3 組合權(quán)重

為在不忽略指標(biāo)重要度的前提下發(fā)揮數(shù)據(jù)劣化度權(quán)重的作用，本文利用重要度權(quán)重wi″對(duì)數(shù)據(jù)劣化度權(quán)重wi′進(jìn)行調(diào)整，得到指標(biāo)ui的組合權(quán)重wi如下：

進(jìn)而，由組合權(quán)重wi構(gòu)成權(quán)重矩陣W。

2.3 結(jié)果分析

以開(kāi)關(guān)本體指標(biāo)為例，在得到其評(píng)分矩陣RI和組合權(quán)重矩陣WI后，使用一級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型M（∨，·），得到最終模糊評(píng)價(jià)BI，即：

式中：?為模糊算子M（∨，·）；max[RI·WI]表示取矩陣元素中的最大值即得分值PIi。

BI的形式由得分值pIi與歸屬狀態(tài)一同給出，即pIi（正常/注意/異常/嚴(yán)重）。由于得分矩陣PI（PI=RI·WI）中四個(gè)元素值的和為定值1，故pIi可體現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)歸屬程度。例如，若BI最終結(jié)果為0.352 3（注意），這說(shuō)明雖然當(dāng)前柱上開(kāi)關(guān)本體狀態(tài)評(píng)估結(jié)果為“注意”，但其相對(duì)值較低，可能不久將會(huì)滑向“異?！睜顟B(tài)。

根據(jù)各部分狀態(tài)評(píng)估結(jié)果可安排巡檢如表2所示。

表2 巡檢策略

2.4 具體評(píng)估流程

基于組合加權(quán)模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)一二次融合柱上開(kāi)關(guān)進(jìn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)的具體流程如圖2 所示。

3 算例分析

以某臺(tái)ZW20 型10 kV 柱上開(kāi)關(guān)檢修前的部分采樣數(shù)據(jù)對(duì)本文所提狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行校驗(yàn)，其初始運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。進(jìn)而查詢(xún)其對(duì)應(yīng)的非運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

首先根據(jù)表3、表4 中的數(shù)據(jù)，按式（4）—式（6）分別計(jì)算在t4，t5 時(shí)刻時(shí)開(kāi)關(guān)本體、二次部分和非運(yùn)行指標(biāo)的劣化度變權(quán)矩陣，接著將劣化度變值權(quán)重與指標(biāo)重要度常值權(quán)重按式（7）分別組合后，得到三部分綜合權(quán)重矩陣，進(jìn)而根據(jù)各指標(biāo)屬性，分別確定t4，t5 時(shí)刻各自的隸屬度函數(shù)分布計(jì)算各指標(biāo)的單因素判斷集，上述各計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表3 某柱上開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表4 某柱上開(kāi)關(guān)非運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖2 評(píng)估流程

表5 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于上述結(jié)果，構(gòu)造總評(píng)價(jià)矩陣并計(jì)算t4，t5 時(shí)刻時(shí)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)評(píng)估結(jié)果如下：

在t4 時(shí)刻時(shí)，該柱上開(kāi)關(guān)本體狀態(tài)評(píng)估結(jié)果為0.470 5（正常），二次部分狀態(tài)為0.952 0（正常），非運(yùn)行指標(biāo)狀態(tài)為0.624 5（異常），根據(jù)表1 該柱上開(kāi)關(guān)可延緩巡檢計(jì)劃；對(duì)于t5 時(shí)刻，該柱上開(kāi)關(guān)本體狀態(tài)評(píng)估結(jié)果為0.328 0（嚴(yán)重），二次部分狀態(tài)為0.610 2（正常），非運(yùn)行指標(biāo)狀態(tài)為0.798 2（注意）。由于開(kāi)關(guān)本體狀態(tài)“嚴(yán)重”，故該柱上開(kāi)關(guān)需即刻安排現(xiàn)場(chǎng)巡線檢查。一般而言，真空斷路器觸頭溫度正常工作溫度在55 ℃以?xún)?nèi)，當(dāng)超過(guò)85 ℃時(shí)極易發(fā)生故障[16，21]。表2 數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)時(shí)觸頭溫度已達(dá)75 ℃，且在持續(xù)上升，若放任不顧可能將造成嚴(yán)重后果。對(duì)比t4，t5 時(shí)刻的數(shù)據(jù)劣化度權(quán)重，觸頭溫度的權(quán)重明顯提高。故本文方法效果明顯，且所得狀態(tài)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確。

若采用文獻(xiàn)[14]僅考慮指標(biāo)重要度的權(quán)重分配，即權(quán)重矩陣為W*=[0.512 7 0.273 3 0.031 4 0.182 6]，則開(kāi)關(guān)本體的評(píng)分矩陣如表6 所示，判定開(kāi)關(guān)本體狀態(tài)為“正?！?，產(chǎn)生誤判。因此本文結(jié)合數(shù)據(jù)劣化度變值權(quán)重和指標(biāo)重要度常值權(quán)重得到的組合權(quán)重相比于定權(quán)法更加合理，評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

表6 t4，t5 時(shí)刻得分矩陣

4 結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)前電力信息物理融合背景下配電開(kāi)關(guān)一二次融合研究進(jìn)程，以一二次融合柱上開(kāi)關(guān)作為本文研究對(duì)象。構(gòu)建了以開(kāi)關(guān)本體、二次部分的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)狀態(tài)量為主，非運(yùn)行狀態(tài)量為輔的狀態(tài)指標(biāo)體系，更加全面地反映柱上開(kāi)關(guān)一、二次部分整體的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)而采用組合加權(quán)的方式確定各指標(biāo)權(quán)重，避免了因重要度的差異導(dǎo)致指標(biāo)劣化識(shí)別靈敏度過(guò)低的問(wèn)題[22-23]。最后，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法給出柱上開(kāi)關(guān)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，并且在對(duì)具體實(shí)例的計(jì)算中，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。