基于多源数据融合与设备相似性的高压开关柜评价模型_黄俊宁.pdf

基于多源数据融合与设备相似性的高压开关柜评价模型黄俊宁，于群（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛266590）摘要：针对目前高压开关柜运行评价大多只是对单一设备进行评价的问题，提出了一种基于多源信息融合，利用设备相似性，使用阈值判断与灰色关联分析的状态评价模型。首先通过带电检测数据、设备信息、设备缺陷三方面，进行多源信息融合并构建开关柜运行状态评价指标体系；然后将三角模糊引入层次分析法，计算指标的权重；考虑到短板效应，引入阈值判断；最后，利用灰色关联分析法，将设备运行环境及状态相近的开关柜进行横向对比及排序，并实现了同时对多台设备的运行趋势分析。通过算例分析，上述方法能更加准确地评估设备的运行状态，为设备检修及维护提供更多的依据。关键词：多源信息；设备相似性；开关柜状态评价；三角模糊数；阈值判断；灰色关联分析Evaluation Model High Voltage Switch Cabinet Based on Multisource Data Fusion andEquipment SimilarityHUANG Junning，YU Qun（College of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590，China）Abstract:In view of the problem that the operation evaluation of high voltage switch cabinet is only for single equipment at present，a kind of state evaluation model based on multisource information fusion，the use of equipment similarity，the use of threshold judgment and gray correlation analysis is proposed.First，the multisource information fusion is carried out and the operating state evaluation index system of the high voltage switch cabinet is constructedthrough such three aspects as live detection data，equipment information and equipment defects.Then，triangularfuzziness is introduced into analytic hierarchy process to calculate the weight of index.Considering the short board effect，the threshold judgment is introduced.Finally，the gray relation analysis method is used to compare and sort theswitch cabinets with similar operating environment and state，and the operation trend analysis of multiple equipmentis achieved simultaneously.Through the analysis of calculation examples，the above methods can more accuratelyevaluate the operation state of equipment and provide more basis for equipment overhaul and maintenance.Key words:multi source information；device similarity；status evaluation of switch cabinet；triangular fuzzynumber；threshold judgment；gray relation analysis0引言高压开关成套设备(或高压开关柜)是供电系统中的关键设备，其运行情况将直接关系电网的安全性和可靠性。设备检修模式已向状态检修转变，对设备进行带电检测和在线检测，是开展设备状态评估和实现设备预知性维修的前提，可为检修策略的制定提供依据1-3。同时带电检测技术与在线监测技术以及物联网的发展也为设备的状态评估提供了更多的信息来源4-7。2010年中国南方电网公司发布了 电网设备状态评价与风险评估技术导则8，该导则对设备的状态评价采用扣分制，对于开关柜设备，从基础资料、运行检视、红外测试、局放测试等几方面，视状态量第59卷第2期：019802042023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01980204Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.027_收稿日期：20220829；修回日期：20221026的劣化程度和重要程度进行扣分，综合累加后得出设备的得分，从而判断设备的运行状态。目前有很多文献是对单独一台设备进行分析的，文9-10使用了带电检测数据，使用分层模糊理论算法对开关柜设备进行评估，提出了基于突变模糊隶属函数的状态评价方法；文11利用正态云模型，考虑了不确定性的模糊性和随机性，能准确地对开关柜运行状态进行定量评价；文12在常权重的基础上加入变权重，建立了适用于配网设备状态的变权重理论；文13-14融合多源信息，基于物元可拓学理论建立开关柜状态评价模型，并使用动态贝叶斯网络对开关柜未来状态进行预测。以上的研究大多是针对单一设备，对其运行状态进行评价。无法实现对变电站内的众多运行环境相似的设备进行横向比较。文中综合考虑了开关柜设备在运行时内外部的影响因素，融合多源信息，考虑设备运行时具有相似性的实际情况，提出了一种基于阈值判断与灰色关联分析的状态评价模型。通过具体算例分析，该方法能更全面地分析众多设备的运行状态，因为利用设备相似性进行设备间的对比分析以及设备的趋势分析，得到的结果更加客观，可以为检修策略的制定提供依据。1开关柜运行状态评价指标体系1.1开关柜评价指标的选取评价指标体系的建立是实现对开关柜运行情况进行状态评价的基础，用单一指标表征开关柜的运行状态几乎是不可能的，选择合适的评价指标能确保评价结果的准确性，对进行开关柜状态检修有着重要意义。从开关柜的内部因素来看，设备最常出现的故障是局部放电和过热，针对局部放电可以通过暂态对地电压法(TEV)和超声波法进行检测，而针对设备可能出现的过热问题可以通过红外测温来进行检测；环境湿度过高会在开关柜内部造成凝露现象，影响开关柜的绝缘；长期过负荷会使设备发热；投运时间以及开断次数直接关系着设备的使用寿命。从开关柜的外部因素来看，开关柜能否有效地转移负荷，以及所对应的负荷的性质，体现出检修时的优先级及重要程度；设备的家族缺陷可以预防发生与类似产品相同的故障；运行巡视可以从设备外观对设备的情况进行判断。通过结合开关柜的内外部因素，文中设计了一个基于多源信息融合的开关柜运行状态综合评价体系，从带电检测信息、设备信息、设备缺陷三方面选取评价指标，具体见图1。图 1开关柜状态评价指标体系Fig.1Switch cabinet status evaluation index system1.2权重的计算通常，在确定指标的权重时一般选用层次分析法，利用专家经验对每个指标进行两两比较，通过专家给出的1-9的多个尺度，来计算确定各个指标的权重，但层次分析法也存在着主观性过强等缺点，所以可以将模糊数引入层次分析法来解决主观性过强的问题。在文中，将使用三角模糊数与层次分析法相结合的方法，每个专家利用经验在进行评价的时候，通过对两个评价指标进行对比分析，可以给出3个轻重不同的相对重要度，而不再是仅仅通过单一尺度来判断，通过引入三角模糊数就可以实现在权重分配过程中量化减少主观性。具体步骤如下文所示。1)构造三角模糊判断矩阵。通过调研，3个专家 会 分 别 对 两 个 指 标 给 出 3 个 模 糊 数，记 为M1(a1,b1,c1)，M2(a2,b2,c2)，M3(a3,b3,c3)，然后对3个模糊数取算术平均数，将3个模糊数整合成一个模糊数，见式(1)(a1+a2+a33，b1+b2+b33，c1+c2+c33)(1)2)计算各个指标的初始权重。对各个指标进行分层计算，首先将带电检测信息、设备信息、设备缺陷设为第一层，用第一层指标的模糊数矩阵中第i行的所有模糊数之和除以整个模糊矩阵中所有模糊数之和，得到第i个特征量的初始权重，见式(2)。以此类推，可以得到第一层所有指标的初始权重，然后再对其他层的指标使用此方法，就可以得到所有指标的初始权重。技术讨论黄俊宁，于 群.基于多源数据融合与设备相似性的高压开关柜评价模型 1992023年2月第59卷第2期Dki=j=1naiji=1nj=1naiji=1,2,.,n(2)式(2)中，Dki为第k层中第i个指标的初始权重。例如第一层的3个初始权重可以分别表示为D1(l1,m1,n1)，D2(l2,m2,n2)，D3(l3,m3,n3)。3)利用式(3)、(4)对初始权重进行去模糊化处理。v(M1M2)=(s)=1m1m2l2-n1(m1-n1)-(m2-l2)m1m2,n1l20其他(3)s=v(MM1,M2,.,Mk)=minv(MMi)i=1,2,.,k(4)式(3)定义了M1M2的可能度，式(4)定义了一个模糊数大于其他模糊数的可能度。经过计算后得到的s值，就是对应的经过去模糊化处理后的各个指标的权重。通过标准化，将各个指标的权重变化到(0，1)区间里，就可以得到最终的结果。通过计算得到的最终权重见表1。表1开关柜各评价指标的权重Table 1The weight of evaluation index of switch cabinet评价带电检测数据(0.515)设备信息(0.304)设备缺陷(0.181)状态量TEV值红外温度超声波环境湿度负载率累计开断次数投运时间开关柜位置负荷性质家族缺陷设备外观缺陷设备异响或发热权重0.1810.1310.1160.0520.0350.1410.0750.0490.0390.0910.0500.0402开关柜运行状态评价模型2.1阈值判断在电气设备中，非常容易出现“短板效应”，即在设备运行中，当开关柜的某一指标的状态量严重偏离正常值，并且该指标所占的权重不大时，常规的分析方法无法正确评估开关柜的实际运行状态，无法保证评价结果的可靠性。所以需要通过找到合适的阈值来进行判断。通过引入阈值判断可以避免短板现象的发生，能够更加准确地评估开关柜的运行状态。在文中对部分评价指标可以设置两个阈值，一个作为注意值，一个作为危险值。当设备的实时监测数据超过注意值时，需要在监测以及巡视时多加注意，而当设备的实时监测数据超过危险值时，作出报警，需要及时进行检修。在本次选取的评价指标中，开关柜位置与负荷性质为静态指标，开关柜位置指的是开关柜所在的配电网中是否能够转移负荷，而负荷性质指其所对应的负荷是几级负荷，属于客观信息，基本不随时间或是设备的运行状况的改变而改变，故不能对这两项指标进行阈值判断。其他评价指标的阈值见表2。表2开关柜各评价指标的阈值Table 2Switchgear threshold value of eachevaluation index评价指标TEV值/dB红外温度/超声波