基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法

李卓，覃啟銘，林其友，杜鳴亮，舒日高

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

分層聚類算法指按照集合信息所屬層次對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行分解的處理方法。根據(jù)分解操作策略的不同，分層聚類算法又可分為分裂分層聚類、凝聚分層聚類兩部分。

若采用自下而上的處理策略，首先應(yīng)將所有相似對(duì)象列為一個(gè)固定類單元，再按照既定度量條件，將小的類單元合并成一個(gè)大的通用類型，直至所有信息對(duì)象都能完全存在于一個(gè)獨(dú)立類型集合中[1-2]。

若采用自上而下的處理策略，首先將固定類單元中的相似對(duì)象解完全提取出來，再按照分層凝聚的反向處理策略，將這些對(duì)象信息歸結(jié)于同一類型文件之中。

在電導(dǎo)現(xiàn)象頻繁的電力傳輸系統(tǒng)中，避雷器設(shè)備的運(yùn)行能力會(huì)受到交變傳輸電流的干擾，甚至設(shè)備會(huì)直接損壞。為避免上述情況的出現(xiàn)，傳統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)型檢測(cè)方法通過控制電壓傳輸極值的方式，確定相鄰運(yùn)行簇組織之間的電量差數(shù)值，再以此為基礎(chǔ)，更改感應(yīng)電流的實(shí)際傳輸方向。然而該方法并不能輔助檢測(cè)主機(jī)準(zhǔn)確記錄避雷器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，沒有起到足夠的運(yùn)行維護(hù)作用。為解決該問題，設(shè)計(jì)基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法，按照避雷器運(yùn)行簇之間的物理距離水平，計(jì)算電阻率、交流泄漏電流的具體數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行檢測(cè)電壓量的合理調(diào)節(jié)與控制。

1 基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行組網(wǎng)

避雷器運(yùn)行組網(wǎng)由運(yùn)行簇距離確定、聚類似然值估計(jì)、組網(wǎng)分支長(zhǎng)度優(yōu)化三個(gè)處理環(huán)節(jié)組成，通過分層聚類算法實(shí)現(xiàn)，具體操作方法如下。

1.1 避雷器運(yùn)行簇距離計(jì)算

在避雷器應(yīng)用過程中，運(yùn)行簇是指負(fù)載分層聚類能力的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。由于外界電量作用程度的不同，運(yùn)行簇節(jié)點(diǎn)之間的物理距離數(shù)值也有所不同。一般情況下，運(yùn)行簇距離越大，避雷器元件兩端所負(fù)載的物理電壓水平也就越高。然而隨著電量傳輸能力的改變，避雷器設(shè)備不可能時(shí)刻保持完全穩(wěn)定的承載狀態(tài)，這也是電導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生不受控制幾率的主要原因[3-4]。為使避雷器設(shè)備在運(yùn)行過程中具備更強(qiáng)的電量承載能力，電網(wǎng)環(huán)境能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)在已知簇距離數(shù)值的基礎(chǔ)上，重新規(guī)劃各級(jí)分層聚類節(jié)點(diǎn)所處的位置。

設(shè)x代表水平方向上的電子傳輸量，y代表豎直方向上的電子傳輸量，聯(lián)立上述物理量，可將避雷器運(yùn)行簇距離計(jì)算結(jié)果表示為：

式（1）中，α1、α2分別代表兩個(gè)不同的電導(dǎo)率系數(shù)，λ代表避雷器元件兩端的物理電壓負(fù)載條件，ΔT代表單位檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

1.2 聚類似然值估計(jì)

似然值估計(jì)是分層聚類算法應(yīng)用的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)，可在運(yùn)行簇距離值的支持下，協(xié)調(diào)與規(guī)劃避雷器設(shè)備的運(yùn)行能力，使挑選出的狀態(tài)檢測(cè)參量完全符合分層聚類算法的實(shí)際應(yīng)用需求。避雷器元件的運(yùn)行能力受到傳輸電壓量、傳輸電流量?jī)身?xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[5-6]。為獲取聚類似然值的估計(jì)結(jié)果，將傳輸電壓量表示為U，為避雷器設(shè)備元件結(jié)構(gòu)體提供正常運(yùn)行的外在保障，此時(shí)，電壓量數(shù)值越大，避雷器設(shè)備的運(yùn)行能力越強(qiáng)。傳輸電流量表示為I，作為附屬變量，該項(xiàng)物理指標(biāo)的變化始終與傳輸電壓量保持一致。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將聚類似然值估計(jì)結(jié)果表示為：

式（2）中，kmin代表最小的避雷器運(yùn)行協(xié)調(diào)指標(biāo)，kmax代表最大的避雷器運(yùn)行協(xié)調(diào)指標(biāo)，代表運(yùn)行電阻量均值，β代表電子接入系數(shù)，l代表運(yùn)行電量干擾誤差，q代表避雷器設(shè)備的物理帶電系數(shù)。

1.3 組網(wǎng)分支長(zhǎng)度優(yōu)化

避雷器運(yùn)行組網(wǎng)是一個(gè)相對(duì)封閉的分層聚類空間，若已知運(yùn)行簇距離數(shù)值，聚類似然值估計(jì)結(jié)果可直接影響避雷器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行能力及母線、計(jì)數(shù)器、接地線等物理設(shè)備的工作能力[7-8]。為避免分層聚類算法受到過量約束，應(yīng)優(yōu)化組網(wǎng)分支的長(zhǎng)度數(shù)值，調(diào)試傳輸母線、避雷器等多個(gè)設(shè)備。

通常情況下，傳輸母線橫向貫穿避雷器設(shè)備頂部，直接接收高壓電網(wǎng)輸出的感應(yīng)電子量，并將其反饋至下級(jí)設(shè)備應(yīng)用元件中[9-10]。

如圖1 所示，避雷器設(shè)備必須與計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)相連。準(zhǔn)確連接接地線裝置后，計(jì)數(shù)器成為唯一可干預(yù)避雷器運(yùn)行能力的物理設(shè)備元件。

圖1 避雷器運(yùn)行組網(wǎng)分支的長(zhǎng)度優(yōu)化原理

2 避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法

在運(yùn)行組網(wǎng)環(huán)境中，設(shè)置電阻率，確定交流泄漏電流值及運(yùn)行檢測(cè)電壓量，設(shè)計(jì)基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法。

2.1 電阻率設(shè)置

避雷器電阻率設(shè)置并非一個(gè)獨(dú)立的處理環(huán)節(jié)，須考慮電網(wǎng)中多個(gè)感應(yīng)電阻共同配合下的電量運(yùn)行環(huán)境。

電量運(yùn)行環(huán)境是指一個(gè)閉合的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖2 所示，電阻R1、R2、R3在避雷器元件的作用下并聯(lián)于電路右側(cè)，三者的物理電阻數(shù)值無須完全相等，但其兩端負(fù)載的物理電壓數(shù)值必須時(shí)刻保持一致[11-12]。底端變阻設(shè)備重新收集所有流經(jīng)感應(yīng)電阻的傳輸電流，整合成交變電流的形式，反饋至C類耗電元件中，最終借助接地線，離開避雷器設(shè)備的控制范圍。

圖2 電阻率設(shè)置環(huán)境

設(shè)d1、d2分別代表兩個(gè)不同避雷器的運(yùn)行電量系數(shù)，聯(lián)立式（2），可將電阻率設(shè)置結(jié)果定義為：

式（3）中，χ代表既定的運(yùn)行電壓負(fù)載條件，代表電導(dǎo)率特征值。

2.2 交流泄漏電流值

交流泄露電流是指避雷器設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下，因?yàn)闃O限擊穿作用，產(chǎn)生的傳輸電流變化量。分層聚類算法中，極限擊穿作用越明顯，交流泄露電流的物理數(shù)值越大。不考慮其他干擾條件，交流泄露電流的計(jì)算數(shù)值受到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間的影響，兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間的物理差值越大，避雷器設(shè)備對(duì)于極限擊穿作用的抑制能力越強(qiáng)[13-14]。

設(shè)t1、t2分別代表兩個(gè)不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在分層聚類算法的影響下，t1、t2始終不能完全相等。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將交流泄露電流計(jì)算式定義為：

式（4）中，Δx代表單位時(shí)間內(nèi)的擊穿電子變化量，f代表避雷器運(yùn)行電子檢測(cè)系數(shù)，代表傳輸電子量特征值。

2.3 運(yùn)行檢測(cè)電壓量

運(yùn)行檢測(cè)電壓是避雷器設(shè)備的外在物理?xiàng)l件。若已知交流泄露電流，電阻率系數(shù)值可直接影響運(yùn)行檢測(cè)電壓量的計(jì)算結(jié)果。運(yùn)行檢測(cè)是指一種動(dòng)態(tài)表現(xiàn)過程，在分層聚類算法的影響下，避雷器設(shè)備承載的電阻率越高，整個(gè)電路環(huán)境中的檢測(cè)電壓數(shù)值越穩(wěn)定，最終獲得的檢測(cè)電量系數(shù)越多[15-16]。

設(shè)b代表避雷器運(yùn)行電量的實(shí)際表現(xiàn)系數(shù)，b′代表系數(shù)b的補(bǔ)充說明條件，根據(jù)分層聚類算法，b和b′之間始終存在一定的系數(shù)差值，聯(lián)立式（4），可將運(yùn)行檢測(cè)電壓量定義為：

式（5）中，ξ代表單位時(shí)間內(nèi)的避雷器運(yùn)行電子量提取系數(shù)，m代表最小的電量檢測(cè)指標(biāo)數(shù)值。至此，完成各項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，順利應(yīng)用基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

將圖3 所示的避雷器裝置放置于既定建筑物結(jié)構(gòu)體頂端，調(diào)試感應(yīng)電壓，使其物理數(shù)值水平逐漸趨于穩(wěn)定。在此情況下，獲取大量的傳輸電壓與電流數(shù)值，將其平均分成兩部分，其中一部分作為實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)分析指標(biāo)，另一部分作為對(duì)照組數(shù)據(jù)分析指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組設(shè)備主機(jī)搭載基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法，對(duì)照組設(shè)備主機(jī)搭載傳統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)型檢測(cè)方法。

圖3 避雷器裝置

QRT 指標(biāo)反映了檢測(cè)主機(jī)記錄避雷器設(shè)備運(yùn)行能力的準(zhǔn)確性，QRT 指標(biāo)數(shù)值越大，檢測(cè)主機(jī)的記錄準(zhǔn)確性越高，反之則越低。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組QRT 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表1 QRT指標(biāo)對(duì)比

表1 中，QRT 指標(biāo)始終不斷上升，但實(shí)驗(yàn)前期的數(shù)值上升幅度明顯小于實(shí)驗(yàn)后期。對(duì)照組QRT 指標(biāo)的數(shù)值則在穩(wěn)定一段時(shí)間后，開始逐漸下降。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了50.03%，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平。

RSC 指標(biāo)描述了檢測(cè)主機(jī)對(duì)于避雷器運(yùn)行狀態(tài)的保障能力。RSC 指標(biāo)數(shù)值越大，檢測(cè)主機(jī)對(duì)于避雷器運(yùn)行狀態(tài)的保障能力越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)約束條件如下：

當(dāng)信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處于定點(diǎn)傳輸模式時(shí)，模塊不再按照通電時(shí)設(shè)置的信道和地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而是按照用戶臨時(shí)添加的信道和地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與透明傳輸不同，定點(diǎn)傳輸?shù)陌l(fā)送方需要在數(shù)據(jù)前加多個(gè)字節(jié)作為目標(biāo)地址和目標(biāo)通道，發(fā)送數(shù)據(jù)格式（HEX）為地址+信道+數(shù)據(jù)。完成定點(diǎn)傳輸需要具備以下條件：

1）接收器本身的地址與通道發(fā)送器數(shù)據(jù)中指定的地址相同。

2）發(fā)送方將目標(biāo)地址指定為偵聽地址，指定通道上的模塊可以接收數(shù)據(jù)。

3）同一信道的接收地址固定。

詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值如表2 所示。

表2 RSC指標(biāo)對(duì)比

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)組RSC 指標(biāo)的數(shù)值在一段時(shí)間的波動(dòng)性變化后，開始連續(xù)下降。對(duì)照組RSC指標(biāo)的數(shù)值則先下降、后上升。從極限值表達(dá)來看，實(shí)驗(yàn)組最大值67.9%與對(duì)照組最大值38.9%相比，上升了29.0%。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用基于分層聚類算法的避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法后，QRT 指標(biāo)、RSC 指標(biāo)均出現(xiàn)明顯上升，增強(qiáng)了檢測(cè)主機(jī)對(duì)于避雷器設(shè)備運(yùn)行能力的記錄準(zhǔn)確性，有效保障了避雷器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分層聚類算法的作用下，避雷器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法可根據(jù)運(yùn)行簇距離結(jié)果，優(yōu)化組網(wǎng)分支長(zhǎng)度，妥善計(jì)算出交流泄漏電流值、運(yùn)行檢測(cè)電壓量系數(shù)的數(shù)量級(jí)水平。從實(shí)用性角度來看，QRT 指標(biāo)與RSC 指標(biāo)數(shù)值的增大，可增強(qiáng)檢測(cè)主機(jī)對(duì)于避雷器設(shè)備運(yùn)行能力的記錄準(zhǔn)確性，有效保障了避雷器運(yùn)行狀態(tài)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。