中低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)

摘 要：終端設(shè)備是中低壓配電自動化系統(tǒng)中核心設(shè)備，其狀態(tài)關(guān)系到整個配電系統(tǒng)運行質(zhì)量。但是現(xiàn)行評價技術(shù)在實際應(yīng)用的中評價結(jié)果一致性系數(shù)較低，評價集與實際狀態(tài)集交并比也較低，因此本文提出中低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)，以設(shè)備溫度超限、電流超限、電壓超限以及振動超限為指標建立評價指標體系，利用層次分析法對設(shè)備狀態(tài)進行定量、定性評價，給出中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價。經(jīng)試驗證明，本文技術(shù)的一致性系數(shù)在0.96以上，評價集與實際狀態(tài)集交并比接近1，可以對設(shè)備狀態(tài)進行精準評價。

關(guān)鍵詞：中低壓配電；自動化終端設(shè)備；狀態(tài)評價；指標體系；層次分析法

中圖分類號：TM 73" " " " " " " " 文獻標志碼：A

中、低壓配電自動化終端設(shè)備主要包括站所終端、饋線終端、配電變壓器終端和故障指示器等。這些設(shè)備利用先進的通信技術(shù)和計算機技術(shù)，對配電網(wǎng)重要設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行采集、調(diào)節(jié)和控制，從而對配電網(wǎng)進行實時監(jiān)控和管理。中、低壓配電自動化終端設(shè)備的運行狀態(tài)直接影響配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，因此對其進行狀態(tài)評價至關(guān)重要。中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價目的是對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在問題，為設(shè)備的預(yù)防性維護和故障處理提供依據(jù)。這有助于提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障率，降低運維成本，提高供電質(zhì)量。隨著配電自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用與發(fā)展，自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價受到研究領(lǐng)域的重視與關(guān)注。

文獻[1]提出了一種智能評價思路，利用綜合分析法對設(shè)備狀態(tài)綜合評價。文獻[2]在研究中提出了基于灰色分析法的評價技術(shù)，闡述了評價技術(shù)流程。雖然現(xiàn)行技術(shù)在一定程度上提高了評價效率，但是自動化終端設(shè)備狀態(tài)影響因素多樣化、復(fù)雜化，評價難度較高，在實際應(yīng)用中現(xiàn)行技術(shù)難以反映出設(shè)備的真實狀態(tài)，因此本文提出中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價技術(shù)。

1 狀態(tài)評價指標體系建立和數(shù)據(jù)預(yù)處理

在中、低壓配電自動化系統(tǒng)中，終端設(shè)備狀態(tài)主要與溫度、電流、電壓和振動4個因素有關(guān)，當終端設(shè)備處于正常狀態(tài)時，設(shè)備溫度、電流、電壓以及振動數(shù)值會在常規(guī)范圍內(nèi)變化；當設(shè)備出現(xiàn)故障、處于異常狀態(tài)時，以上四4個狀態(tài)參量值會超過常規(guī)范圍，進而發(fā)生以下4種情況。1） 溫度超限。溫度超限會對電器設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生影響，縮短電器設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備故障率增高，加速設(shè)備老化、燒壞，增加設(shè)備的故障率。極端情況下還可能導(dǎo)致電路燒毀，引發(fā)電器火災(zāi)事故。2） 電流超限。由于電路中的用電器過多導(dǎo)致超負荷故障或者短路故障，使電路發(fā)熱嚴重，導(dǎo)致設(shè)備損壞，也可能引發(fā)火災(zāi)事故。3） 壓超限。電壓超限可能導(dǎo)致設(shè)備工作在過高或過低電壓下，加速設(shè)備老化、燒壞。電壓過高或過低會損壞防護裝置，增加電氣事故風險。電壓與設(shè)備耗能間存在一定關(guān)系，電壓過高或過低會導(dǎo)致設(shè)備能耗增加，造成能源浪費。4） 振動超限。振動過大將會導(dǎo)致軸承烏金疲憊損壞，并造成通流局部磨損，嚴重時會導(dǎo)致大軸彎曲，還將使部件承受大幅交變應(yīng)力，間接造成轉(zhuǎn)子、螺栓和地基等損壞。

綜上所述，當中、低壓配電自動化終端設(shè)備的溫度、電流、電壓以及振動數(shù)值超限時，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞、故障率增高、能耗增加和電氣事故風險增大，甚至可能引起火災(zāi)，威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和人身財產(chǎn)安全。因此評價終端設(shè)備狀態(tài)時，應(yīng)將設(shè)備溫度超限、電流超限、電壓超限、振動超限作為指標，建立狀態(tài)評價指標體系，如圖1所示。

根據(jù)建立的指標體系，利用無線傳感器自動收集終端設(shè)備溫度、電流、電壓和振動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，采用串并聯(lián)的方式將4種無線傳感器接入終端設(shè)備總線，并根據(jù)實際情況設(shè)置無線傳感器采樣周期、頻率和分辨率等參數(shù)，利用JKHFA-A4V5讀卡器自動讀取無線傳感器感知到的數(shù)據(jù)信息?？紤]原始數(shù)據(jù)數(shù)值在不同范圍內(nèi)，數(shù)值間存在尺度差異。利用這些不同尺度的數(shù)據(jù)直接進行比較或分析，可能會導(dǎo)致結(jié)果不準確或出現(xiàn)誤導(dǎo)。因此對采集的原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將實際的變量值轉(zhuǎn)換到適宜的范圍內(nèi)，消除不同變量間的尺度差異，使數(shù)據(jù)具有可比性，以便更容易地進行比較和分析。歸一化過程如公式（1）所示。

對采集的終端設(shè)備狀態(tài)變量歸一化處理可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準正態(tài)分布的形式，消除不同變量間的尺度差異，使它們具有相同的數(shù)值范圍。根據(jù)感知的數(shù)據(jù)值，將歸一化后的數(shù)據(jù)保持原始數(shù)據(jù)的相對關(guān)系，轉(zhuǎn)換到同一尺度上，保證不同尺度的數(shù)據(jù)能夠用于比較，結(jié)合歸一化處理結(jié)果，確定指標體系中各項指標值，如公式（2）所示。

yi=||x-xi，max|| （2）

式中：yi為終端設(shè)備第i個狀態(tài)變量超限值；xi，max為終端設(shè)備第i個狀態(tài)變量上限。

2 設(shè)備狀態(tài)定量評價

考慮每個指標對終端設(shè)備狀態(tài)影響程度不同，采用層次分析法對各項指標賦權(quán)，確定各項評價指標權(quán)重系數(shù)。層次分析法將復(fù)雜的決策問題分解為目標、準則和方案等層次，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，在中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價中，需要系統(tǒng)地考慮各種因素（例如溫度、電流、電壓和振動等）對終端設(shè)備狀態(tài)的影響，利用構(gòu)建判斷矩陣等定量手段來確定這些因素的權(quán)重。這種定性與定量相結(jié)合的方法能夠更準確地反映各指標對終端設(shè)備狀態(tài)的實際影響，減少主觀因素對權(quán)重分配的影響，提高權(quán)重分配的客觀性和準確性。結(jié)合終端設(shè)備第i個狀態(tài)變量超限值yi，將指標權(quán)重系數(shù)如公式（3）所示。

?i=（εi×mi）/ρi （3）

式中：?i為終端設(shè)備狀態(tài)評價指標體系中第i個指標權(quán)重系數(shù)；εi為第i個指標標度值；mi為第i個指標專家評分值；ρi為第i個指標隸屬度值[4]。

在層次分析法中指標標度值確定規(guī)則如下：隨機選擇2個指標a、b，比較指標a與指標b，如果指標a對終端設(shè)備狀態(tài)的影響比指標b稍大，則指標a的標度值取值為1，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性略高于指標b，但是差異不大；如果指標a對終端設(shè)備狀態(tài)影響比指標b重要，則指標a的標度值取值為3，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性明顯大于指標b；如果指標a對終端設(shè)備狀態(tài)的影響比指標b更大，則指標a的標度值取值為5，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性遠超指標b；如果指標a對終端設(shè)備狀態(tài)影響與指標b同等重要，即兩者在評價終端設(shè)備狀態(tài)過程中都具有重要作用，則指標a的標度值取值為7，表示在決策或評估過程中，指標a和指標b的重要性是相同的[5]。按照以上規(guī)則確定各項指標標度值，代入公式（3）終端設(shè)備狀態(tài)評價指標體系中第i個指標權(quán)重系數(shù)?i中，即可得到各個指標權(quán)重系數(shù)，利用評價函數(shù)對終端設(shè)備狀態(tài)進行綜合評價，定量評價終端識別狀態(tài)，如公式（4）所示。

式中：μ為終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)[6]。

通過以上計算對終端設(shè)備狀態(tài)進行定量評價，利用異常指數(shù)表征終端設(shè)備狀態(tài)異常程度。

3 設(shè)備狀態(tài)定性評價

在以上文基礎(chǔ)上對自動化終端設(shè)備狀態(tài)進行定性評價，即評價設(shè)備狀態(tài)正?；蛘弋惓：彤惓３潭取８鶕?jù)實際情況設(shè)定一個閾值，比較計算出的終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)μ與閾值，評價終端設(shè)備狀態(tài)如公式（5）所示。

式中：v為終端設(shè)備狀態(tài)評價結(jié)果；1為終端設(shè)備狀態(tài)異常；0為終端設(shè)備狀態(tài)異常[7]。

當評價為終端設(shè)備狀態(tài)異常時，評價終端設(shè)備狀態(tài)異常程度，確定異常等級。根據(jù)需求，本文設(shè)計了輕微異常、嚴重異常和極其異常3個評語，根據(jù)終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)超出閾值程度，確定終端設(shè)備狀態(tài)異常等級，如公式（6）所示。

式中：K為終端設(shè)備狀態(tài)異常程度評價結(jié)果；WR為輕微異常；FG為嚴重異常；ER為極其異常[8]。

如果計算結(jié)果顯示終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)超過設(shè)定的基礎(chǔ)閾值，但是還未觸及該閾值的30%上限，就會將設(shè)備的狀態(tài)異常等級判定為“輕微異?！薄Ｔ谶@種輕微異常的狀態(tài)下，終端設(shè)備的主要功能部分可能會受一定影響，發(fā)生部分功能喪失現(xiàn)象。為了不影響整體系統(tǒng)的運行效率和安全性，立即啟動故障維修流程，保證在3 d（72 h）內(nèi)完成對故障設(shè)備的檢查和修復(fù)工作。

如果終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)進一步升高，超過閾值的30%但是還未觸及50%的界限，此時，終端設(shè)備狀態(tài)異常等級將提升至“嚴重異?！?。在這種狀態(tài)下，設(shè)備的主要功能已經(jīng)完全喪失，無法再支持系統(tǒng)的正常運作。為了盡快恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在24 h內(nèi)完成對設(shè)備的緊急維修。當終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)突破閾值的50%時，終端設(shè)備已經(jīng)完全損壞，無法再修復(fù)，此時，終端設(shè)備狀態(tài)異常等級將達到最高的“極其異?！薄?/p>

在這種緊急情況下，為了保證中低壓配電自動化正常運行，需要立即啟動設(shè)備更換流程，保證在最短時間內(nèi)為系統(tǒng)替換上新的終端設(shè)備。緊急應(yīng)對措施旨在最大程度地減少設(shè)備故障可能帶來的損失，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。確定好終端設(shè)備異常等級后，對終端設(shè)備狀態(tài)進行定量評價整合，生成終端設(shè)備狀態(tài)評價報告，至此完成中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價。

4 試驗論證

4.1 試驗準備與設(shè)計

本文通過試驗驗證所提評價技術(shù)的性能，以某中、低壓配電網(wǎng)為試驗對象。該配電網(wǎng)存在自動化終端設(shè)備8臺，經(jīng)常出現(xiàn)故障，符合試驗需求，利用本文技術(shù)對配電區(qū)域內(nèi)所有終端設(shè)備進行狀態(tài)評價。按照建立的指標體系，在配電區(qū)域內(nèi)為每個終端設(shè)備安裝溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器以及振動傳感器。采集指標數(shù)據(jù)信息2.34GB，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分析，確定各個終端設(shè)備狀態(tài)異常指數(shù)和狀態(tài)異常等級。在試驗過程中選擇PT100溫度傳感器，測量范圍為-50℃～+150℃，精度為±0.5℃，輸出信號為電阻信號（在零攝氏度下阻值為100Ω，在100℃下阻值為138.5005Ω），高溫報警閾值為80℃，低溫報警閾值為-10℃。HKA-F1電流傳感器額定輸入電流為100A，測量電流范圍為0A～200A，額定輸出電壓為（4±1%）V，過載報警閾值為120A（即1.2倍額定電流）。CHV-50VS電壓傳感器測量頻率為DC～20kHz，精度為1.0%，響應(yīng)時間為20μs～200μs，線性度lt;1%，電源電壓為±12V～15V（±5%），電源耗電為35mA。L14H振動傳感器線性度為5%，精度為5%，溫度為-10℃～120℃，頻響2Hz～5000Hz，工作溫度為-40℃～+120℃，靈敏度為50%。具體評價結(jié)果見表1。

為了使試驗結(jié)果具有一定學術(shù)性和參考性價值，試驗將本文技術(shù)與文獻[1]技術(shù)、文獻[2]技術(shù)進行比較，比較指標為一致性系數(shù)和交并比。一致性系數(shù)可以表征評價結(jié)果與實際情況的相符程度，交并比是指評價結(jié)果與實際狀態(tài)交集和并集的比例，可以表征評價準確性，一致性系數(shù)值為[0～1]，數(shù)值越高，表示評價狀態(tài)與設(shè)備實際狀態(tài)相符程度越高；交并比值為[-1～1]，數(shù)值越接近1，表示狀態(tài)評價越準確。

4.2 試驗結(jié)果與討論

表2、表3給出了3種技術(shù)一致性系數(shù)、評價集與實際狀態(tài)集交并比測評結(jié)果見表2、表3。

分析表2、表3中的數(shù)據(jù)可得出試驗結(jié)論：設(shè)計技術(shù)一致性系數(shù)在0.96以上，最高為0.99，明顯高于文獻[1]技術(shù)和文獻[2]技術(shù)，因此從評價結(jié)果與實際相符程度方面來看，本文技術(shù)表現(xiàn)最佳，并且其評價集與實際狀態(tài)集交并比值非常接近1，平均值為0.989，文獻[1]技術(shù)和文獻[2]技術(shù)交并比不超過0.93，遠低于本文技術(shù)。原因是本文技術(shù)應(yīng)用了層次分析法處理中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價各指標間相互影響的復(fù)雜層次關(guān)系，并給出了合理的權(quán)重分配。層次分析法是一種結(jié)構(gòu)化的決策方法，適合處理復(fù)雜的決策問題，尤其是涉及多個相互關(guān)聯(lián)因素的決策問題。因此上述對比證明了微博技術(shù)可以對中、低壓配電自動化終端設(shè)備狀態(tài)進行精準評價，技術(shù)應(yīng)用效果良好，具有良好的適應(yīng)性與可行性。

5 結(jié)語

本文結(jié)合相關(guān)文獻資料，對自動化終端設(shè)備狀態(tài)評價進行了研究，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上對其進行了創(chuàng)新與優(yōu)化，提出了新的評價技術(shù)，有效提高了評價精度。該技術(shù)不僅是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要工具，更是推動電力行業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著技術(shù)不斷進步，評價技術(shù)正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和集成化的方向發(fā)展，這將進一步提高評價的準確性和效率性，為電力系統(tǒng)的管理和維護提供更科學、高效的技術(shù)支持。

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