模糊聚類法在繼電保護狀態檢修中的應用

呂文超，呂飛鵬，張新峰

（四川大學電氣信息學院，成都610065）

目前，我國的繼電保護設備以計劃檢修為主，但這種不考慮設備情況單純按周期檢修的方式，不免出現以下弊端：如“過剩檢修”[1]，“維修不足”，盲目檢修等，并且，檢修期間的停電會對國民生活生產造成影響。所以，無論從電力系統自身的發展還是滿足國民需求上，準確掌握繼電保護設備狀態、適時實施檢修的狀態檢修方式都是一種趨勢。

文獻[2]表明，我國輸變電設備的狀態檢修尚處在起步階段，全面實施狀態檢修是一個龐大的系統工程，既是在線檢測、通信、狀態診斷技術的變革，也是電力系統管理模式的變革[3]。目前，全面實施狀態檢修還存在諸多問題，比如：狀態信息采集的實時性和準確性如何保證，實施狀態檢修過分依賴在線檢測系統，對于設備健康狀態評估缺乏有效的方法，檢測分析技術人員缺乏橫向聯系，難以形成跨專業的檢修系統，缺乏狀態檢修總體策略的研究等。

隨著智能電網技術的不斷發展，目前的微機保護設備大多都具備在線傳遞數據和自檢功能[4]，文獻[5]表明可將保護數據和自檢信息回傳到電力SCADA 系統中，為狀態檢修提供了重要依據。本文綜合兩種信息采集方法，運用模糊數學法處理數據，提出一種狀態評估模型，通過實例證明了該方法的可行性，現介紹如下。

1 設備狀態信息的采集

數據采集方法分為在線、離線兩種。通常的在線采集方法需額外安裝在線采集信息的硬件裝置，而此過程不免停電，且耗資巨大，所以本文通過電力SCADA 系統，深度挖掘繼電保護裝置狀態數據，實現不停電采集設備狀態信息，保證數據的實時性和準確性，能有效避免停電帶來的不便。

微機保護裝置自帶的智能診斷功能，網絡監控和通信功能，為二次設備的在線監測提供了技術支持。文獻[6]表明保護裝置可通過自身監測軟件對裝置的I/O 接口、A/D 轉換、存儲器、電源、CPU等插件進行狀態診斷。可以采用比較法、校驗法、編碼法、監視定時器法、特征字法等測試方法，使保護裝置可通過加載診斷程序，自動測試每臺設備和部件的狀態，依靠電力通信功能，變電站自動化系統可將查詢結果上傳至監控主站。目前，可以在線獲得的數據主要有介損、泄漏電流、局部放電等。

對常規繼電保護設備實施在線監測存在較大困難。原因在于二次回路由大量繼電器和連接電纜組成，點多、分散，要實現在線監測繼電器和回路接線狀態，不僅技術難度過大，也不經濟。所以，繼保設備狀態的全面監測需要檢修工人的離線檢修記錄做輔助。

離線數據采集主要包括工人的巡檢、例行試驗和診斷試驗獲得的數據，如二次保險熔斷、直流回路絕緣等情況。離線采集數據能有效彌補在線監測的技術盲點，避免全網實施在線監測帶來的高成本問題。目前，離線監測的主要技術手段有：利用便攜設備常規測量，紅外、紫外監測技術等。部分設備狀態信息量的采集見表1。

表1 狀態信息量采集Fig.1 State distribution of the relay equipment

2 數據模糊聚類分析

電氣設備的狀態評估是實施狀態檢修的基礎，此環節直接關系到狀態檢修能否正常進行。本文應用模糊C 均值聚類FCM（fuzzy C-means clustering）算法[7]對數據進行模糊聚類分析，結合專家評判法，對設備狀態進行評估，避免了根據參數限值進行狀態評估而導致誤差過大的弊端。

模糊聚類的基本思想是通過不斷地調整每組的聚類中心，使得非相似性指標的目標函數達到最小，即找到模糊劃分矩陣（uij）c×n及類的中心B = {v1，…，vc}使得給定的目標函數最小。

式中，d（xj，vi）表示樣本數據xj與中心vi的距離。記

將數據集X 劃分成c 類的FCM 算法迭代過程如下。

步驟1 取定c，2≤c＜n，取定m，初始化矩陣U（0）∈Mfc，設置循環次數s=0，1…

步驟2 用U=Us計算c 個向量vi=

步驟3 修改U=U（s+1）∈Mfc。記dij=d（xj，vi），對每個固定的i，如果對所有樣本點1≤j≤n，都有dij＞0，則

否則，如果dij＞0，則uij=0，uij∈[0，1]，且表明樣本xi只屬于其中的某一類，不能同時屬于兩類以上表明每一類至少含有一個樣本。

步驟4 取定任意小的實數ε，如果范數則停止循環，否則，令s=s+1 并返回步驟2。

依據上述算法，本文將采集到的數據聚類成七個模糊集[8]，分別與繼電保護設備的故障模式（良好、一般良好、一般、一般注意、注意、注意不良、不良）一一對應，建立設備狀態參量與設備健康狀態的量化關系，改變了以往單一的邏輯（正常-故障）判斷模式，使得檢修人員能有效的監測設備狀態變化，為制定檢修計劃提供重要參考。繼電保護設備狀態分布如圖1 所示。

圖1 保護設備狀態分布Fig.1 State distribution of relay equipment

3 狀態評估系統設計

根據設備歷史檢修記錄，建立設備歷史故障信息數據庫，其中應包括每種設備的典型（正常與非正常）狀態信息，并由專業人員依據檢修結果對數據庫進行維護。系統將輸入的狀態量經模糊化處理后與數據庫中信息集合進行貼近度[8]匹配，查出最接近的情況，為故障狀態的確定提供依據；若庫中沒有對應的故障信息，或貼近度低于閾值，則需及時更新數據庫狀態。流程如圖2 所示。

圖2 狀態評估系統流程Fig.2 Flow chart of state assessment system

狀態檢修的難點是設備狀態的量化評價，通常無法直接得到設備的壽命模型，必須通過分析設備運行的狀態參數來間接得出設備當前的健康狀態。每個狀態量都可以不同程度地反映設備狀態，運用模糊數學方法，賦予每個狀態量一個權重系數，采用加權平均法對不同狀態量的同一分類指標進行狀態量的綜合，從而準確掌握設備的當前狀態公式表示。

每臺設備出現的各種故障征兆可構成一個集合，即因素集。用狀態向量表示為

式中：n 表示征兆的數目；ki為模糊變量，其隸屬度表示為μki（xi），令

由這些征兆對應設備的狀態矩陣（判斷集）為

式中：m 表示設備狀態種類的數目；dj為模糊變量，其隸屬度函數為μdj（yj），令

對單個因素ki（i=1，2，…，n）的評判，得到D上的模糊集（ri1，ri2，…，rin），它是由K 到D 的一個模糊映射

因為設備狀態與故障征兆之間表現出錯綜復雜的關系，同一種狀態往往對應著多種故障征兆，同一種故障征兆又可能對應著多種設備狀態，本文結合模糊統計法和專家經驗法確定模糊評判元素rij，即請各位專家獨立認真思考各個設備狀態的定義，參考繼電保護設備狀態檢修規程，分別給出他們認為各個狀態最合適的量值區間，由于每位專家對設備狀態這一模糊定義的理解有差異，所得區間不可能完全相同，但應相差不大。公式表示為

從而確定模糊評判矩陣R，即

則綜合評判矩陣

式中，“?”為廣義的模糊邏輯算子[9]，代表不同的模糊邏輯運算，令

其中，i=1，2，…n，0≤di≤1，dmax即為故障特征ki的隸屬度，按照最大隸屬度原則可確定設備狀態。

設備狀態評估不同于設備缺陷的診斷，不是試圖得到設備確切的缺陷信息，而是依據設備狀態信息對設備做出分級性評估。根據實際運行情況，將檢修記錄反饋回系統，以便對相關內容進行更新，如果某種故障模式經常發生且系統都給出了正確的判斷，就要把故障模式表中該故障模式的故障征兆的隸屬度值適當提高；若系統多次發生了相同的誤判斷，要把對應的故障征兆隸屬度值減小，以增大運行過程中得出正確判斷的概率。

4 檢修策略建議

首先，對繼電保護設備引入壽命管理機制，根據狀態評估的結果，當設備狀態為一般良好及其以上時表示可以繼續正常運行，允許延長檢修周期；當超過注意值或接近注意值的趨勢明顯，且該設備有危害安全運行的家族性缺陷，系統發出警報，應安排檢修人員進行檢修，并將檢修結果上傳至系統，系統維護人員可根據回傳結果對系統進行維護，引入反饋機制，檢修完成后檢查SCADA系統中的數據是否與檢修結果一致，這樣對在線系統的性能又有了進一步的確認和完善。

其次，設立繼電保護設備狀態檢修應急預案，若發生突然狀況（雷擊、雪災等）引起設備狀態突變，比如從良好躍變到不良，系統應能夠快速識別故障狀態，并發出警報，立即安排工人檢修，必要時考慮該退出運行，自動啟用備用設備。

此外，要加強高素質人才隊伍的培養，對狀態檢修工作人員要定期進行專業知識培訓和考核，提高工人技術水平。要加強工人的責任意識和整體策略意識，樹立全局觀念，這樣不僅能有效提高離線采集信息的準確度，還能提高檢修效率，做到以最小的投入保證狀態檢修的準確性、實時性和高效性，保證電網安全穩定運行。

最后，要加緊繼電保護設備狀態檢修相關法規的出臺和完善，制定切實可行的狀態檢修管理制度，使狀態檢修真正做到預防為主。目前看來，要使狀態檢修真正有效的落實，使電網安全處于“可控”狀態，不僅是技術問題，更需要管理體制的變革。

5 算例分析

本文以許繼公司生產的WXH-820 系列微機線路保護測控裝置為例進行分析，征兆值及說明見表2。

首先，令c=7，m=2，ε=0.001 運用FCM 算法，將處理得到的數據分成7 個模糊集。

表2 WXH-820 系列微機保護裝置狀態征兆及說明Tab.2 WHX-820 series of microcomputer protection signs and descriptions

其次，依據表2 中數據對設備狀態區間做出評價，由式（10）可得模糊評判矩陣

由式（7）得

則由公式（12）得

由式（13）得dmax= 0.57，表明其對應的微機保護裝置狀態是“良好”的可能性是57%，無需檢修。

算例證明，模糊聚類方法能有效克服區間邊界過硬的弱點，將連續量轉化為離散量，最終軟化屬性論域的邊界問題；模糊隸屬度表明了某征兆隸屬于某狀態的程度，能有效避免單純邏輯判斷的片面性。

6 結語

對繼電保護設備實施狀態檢修是電力系統快速發展的需要，也是建設智能電網迫切的要求。隨著電力系統自動化元件、計算機技術、微電子技術、通信技術等的高速發展和微機繼電保護裝置的大量應用，使電力系統二次設備運行的可靠性極大提高，設備的自診斷功能日趨完善。在線監測技術和自診斷技術的逐漸成熟使得實施狀態檢修成為可能。本文充分利用SCADA 系統現有資源，輔以巡檢記錄，運用模糊數學方法深度挖掘數據，可有效降低檢修成本，提高檢修工人效率，提高繼保設備的可靠性，使得電網處于可控狀態。

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