換流變壓器狀態評價方法研究

肖 屏，王渝紅，張 彪

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

換流變壓器狀態評價方法研究

肖 屏，王渝紅，張 彪

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

針對換流變壓器結構復雜、難以對其進行精確狀態評價的問題，提出了一種基于DHGF算法的換流變壓器狀態評價方法，建立了相應的評價指標集及對應的組合權重，給出了相關的白化權函數、權矩陣和評判矩陣，構建了完整的數學模型。運用DHGF算法對換流變壓器的運行狀態進行實例分析，得到了評估對象的狀態等級和評分值。評價結果能較好地反映設備的實際狀況，可為下一步的檢修決策提供科學依據。

換流變壓器；狀態評價；DHGF算法；白化權函數；狀態等級

0 引 言

隨著電網朝著大容量、特高壓和跨區域方向發展，電網的規模不斷地擴大，設備的數量也不斷地增加[1]。設備故障或盲目檢修而引起的停運會給電力系統的安全可靠運行帶來隱患，這就需要對電力設備的運行狀況進行可靠評價。以設備的運行狀況為基礎的狀態檢修方式可以避免傳統檢修方式的某些不足。

換流變壓器作為高壓直流輸電系統中重要電氣設備，其運行可靠性與電力系統的安全穩定緊密相關。換流變壓器的狀態檢修過程中，一個最為關鍵的環節就是對當前設備的運行狀況進行綜合評價，確定設備的狀態水平，為設備進行檢修決策提供依據[2]。

目前，可用于換流變壓器狀態評價的方法很多，如模糊綜合評價方法[3-6]、人工智能方法[7]、灰色關聯分析法[8-11]、熵權和多級物元分析法[12]等。其中，文獻[3-6]提出的模糊綜合評價方法通過精確的數學方法能夠對換流變壓器進行科學、合理的量化評價，但評價指標非全備時容易導致不相容的評價結果，且計算較復雜；文獻[8-11]提出的灰色關聯分析法較適用于“外延明確，內涵不明確”的小樣本指標參數的設備狀態評價，能夠用較少的指標信息去反映設備真實的狀態，是其他方法所不能比擬的；文獻[12]提出的物元分析方法可有效地用于狀態指標具有多樣性的設備的狀態評價，能夠把“質”和“量”有效地結合，解決評價結果不相容問題，提高設備狀態評價的精確性。

由于表征換流變壓器狀態的指標參數具有多層次、非全備性且存在不確定性的特點，單一采用上述的評價方法進行評價的結果不是很理想。綜合前面所述方法的成功之處，提出了一種基于DHGF算法的狀態評價方法。DHGF算法是將改進的德爾斐法(Delphi)、層次分析法(analytic hierarchy rrocess)、灰色聚類法(grey clustering method)、模糊綜合評判法(fuzzy comprehensive judgment)集合而成的一種新的算法[13]。它在航空航天、通信等領域得到了很好的應用，能夠準確地評價設備的健康狀況。

下面介紹了DHGF算法的基本理論，構建了換流變壓器的DHGF數學模型，最后通過實例驗證了DHGF評價方法可用于換流變壓器的狀態評價，且計算結果能夠很好地反映設備的實際狀態。

1 DHGF算法理論

DHGF算法的理論基礎是美國控制論學者查德提出的模糊數學、鄧聚龍教授提出的灰色理論、錢學森教授提出的從定性到定量的綜合集成方法以及顧基發教授提出的物理-事理-人理(WSR)分析法[14，15]。

德爾斐法是一種采用匿名方式進行對象分析的統計方法，它已經在預測領域以及各種評價指標體系的建立和具體指標的確定等得到了應用。層次分析法是應用系統理論和多目標綜合評價方法而進行定性和定量分析的一種權重決策分析方法。灰色系統理論是從信息的非全備性出發研究和處理復雜系統的理論，在系統數據較少和條件不滿足統計要求的情況下，更具有較強的適用性[16]。模糊數學是一種處理和加工模糊信息的數學工具，它用數學的方法抽象描述模糊現象，揭示模糊現象的本質和規律[17]。

利用德爾斐法、層次分析法、灰色理論分析法、模糊評判法集成的DHGF算法用于設備狀態評價的流程圖如圖1所示。

圖1 基于DHGF算法的評價流程圖

2 換流變壓器的DHGF數學模型

2.1 評價指標的選擇

通過采用德爾斐法對換流變壓器進行統計分析以及查詢現行規程規定，分析專家的意見，歸納出反映換流變壓器運行狀況的可靠指標共有15個，如圖2所示，主要分為家族缺陷u1、試驗項目u2、檢修記錄u3、運行工況u4以及缺陷記錄u5等五大類。這些評價指標從設備本身、試驗和運行等方面全面反映了換流變壓器的絕緣壽命的老化情況、內部健康狀況、電氣或機械特性，并從縱向和橫向分析其是否存在歷史遺留問題及家族缺陷。由于反映換流變壓器的狀態的指標參數比較多，為了分析方便，采用塔式結構的層次指標體系，使得能夠較容易地把握各指標間的關系。所建立的狀態評價指標體系為一個3層的層次結構，包括5個一級評價指標，各個一級指標里面又包括若干個二級指標。

圖2 換流變壓器狀態評價的指標體系

結合檢修過程中收集到關于換流變壓器的評價指標的狀態信息，邀請m位專家對換流變壓器的n個評價指標進行評估，將全部專家對所評估對象的評價數據構成一個樣本矩陣D，其中dmn表示第m個專家對第n個評價指標給予的分值，即

(1)

2.2 評價指標的白化預處理

評價指標的白化預處理需要構建相應的白化權函數來定量的描述評估對象所屬某個灰類的程度。依據灰色理論，確定白化權函數的同時需要確定評價灰類的等級數、灰類的灰數[18]。根據換流變壓器的劣化程度，這里設定評估灰類為4個等級，即正常、注意、異常、嚴重，灰類的灰數j=1,2,3,4。設備的狀態評價若以10分制評價級為標準，則可以得到相應的白化權函數。

第1灰類“正常”，灰類j=1,灰數⊕∈[0，9，

+∞]，其相應的白化權函數為

(2)

第2灰類“注意”，灰類j=2,灰數⊕∈[0，7，10]，其相應的白化權函數為

(3)

第3灰類“異常”，灰類j=3,灰數⊕∈[0，5，10]，其相應的白化權函數為

(4)

第4灰類“嚴重”，灰類j=4,灰數⊕∈[0，2，10]，其相應的白化權函數為

(5)

2.3 構造模糊評價權矩陣

采用灰色統計法由確定的各評價指標的標準白化權函數，求出dli屬于j類評價標準的權fj(dli),據此可以求出灰色統計數Nij和總灰色統計數Ni[19]。

(6)

由式(6)確定出第i個評價指標屬于第j種評價灰類的灰色權值。

(7)

由此可以構造模糊評價權矩陣R。

(8)

2.4 評價指標的組合權重

各評價指標在反映設備運行狀況的程度不一樣，所以需要對這些指標賦以相應的權重。這里采用文獻[20]提出的層次分析法來確定各指標的組合權重。其具體操作為：邀請多位長期從事設備檢修工作的專家，采用表1所示的9級標度法對已確定的評價指標的重要性進行判斷，構造兩兩比較判斷矩陣X，即

(9)

表1 9級標度法

由式(9)中判斷矩陣X計算出被比較指標的相對權重wi得

(10)

經一致性檢驗后可確定的各評價指標權重W，即

(11)

當一致性檢驗不通過時，則需要重新構造判斷矩陣X，適當地對判斷矩陣的元素進行調整使其具有滿意的一致性；再確定各評價指標權重W。

2.5 確定評價標準

基于WSR思想,參考相關項目對于電力設備狀態評價分級狀況，結合行業標準，可確定換流變壓器狀態評價標準集合V為V={v1,v2,v3,v4}={正常狀態，注意狀態，異常狀態，嚴重狀態}

設備的4種狀態等級在進行量化計算時，每種狀態具有相應范圍，規定正常狀態的范圍為[8,10],注意狀態的范圍為[6,8),異常狀態的范圍[4,6)，嚴重狀態的范圍[0,4)。

2.6 評價結果計算

由評價指標模糊評價權矩陣R、權重矩陣W以及評價等級矩陣V，可求出設備綜合評價結果Z。

(12)

3 實例與分析

以某500kV換流站的換流變壓器為例進行相關的分析。查閱歷次檢修記錄發現換流變壓器有過一次不嚴重的缺陷記錄，未發現家族缺陷。在某次預防性試驗中，測得繞組的絕緣電阻與上次實驗值相差不大且均大于10 000MΩ；吸收比為1.35；氣體的油色譜分析中氫氣的含量150.8μL/L，稍微大于正常范圍但有恢復到正常范圍的趨勢，乙炔的含量3.5μL/L，總烴的含量128.3μL/L，其他的氣體含量均在正常的范圍內；油介損tanδ為0.153，微水量為12.385mg/L，泄漏電流以及三相不平衡電流的實驗值均在正常的范圍內；巡視過程中未發現變壓器異常發聲、操作過電壓；短路沖擊電流在允許短路電流的50%～70%之間，未出現嚴重的短路現象；換流變壓器出現過短時間不嚴重的過負荷。

1)確立評價指標的權重

所提出的反映換流變壓器運行狀況的評價指標共有15個，為盡量全面考慮所有的評價指標，避免在計算過程中出現“大數吃小數”現象。因此，對換流變壓器進行分析計算時采用二級綜合評價模型即狀態評價采用分塊、分級進行評價。采用文獻[20]中的層次分析法計算得到的換流變壓器狀態評價指標u2、u3、u4包括的二級指標的權重集w2、w3、w4為

w2=(0.06,0.09,0.04,0.5,0.13,0.14,0.04)

w3=(0.45,0.55)

w4=(0.04,0.29,0.33,0.34)

綜合評價指標體系U包括的一級指標的權重集W為

W=(0.1,0.35,0.25,0.2,0.1)

2)邀請5位經驗豐富且從事狀態檢修的專家對收集到的反映換流變壓器健康狀況的15個指標進行客觀評價，得到一個5×15的樣本矩陣D。

3)通過Matlab編程，結合上面的樣本矩陣按式(1)～式(8)計算得到指標u2～u4包括的二級指標的模糊評價權矩陣。

u2包括的二級指標的模糊評價權矩陣R2Ω為

u3包括的二級指標的模糊評價權矩陣R3Ω為

u4包括的二級指標的模糊評價權矩陣R4Ω為

4)由Ri=wi·RiΩ得到一級指標u1～u5的模糊評價權矩陣分別為

R1= (0.601, 0.202, 0.121, 0.076)

R2= (0.407 9, 0.297 8, 0.181 1, 0.113 2)

R3= (0.543 0, 0.231 1, 0.139 5, 0.086 4)

R4= (0.416 5, 0.290 4, 0.200 5, 0.112 4)

R5= (0.452, 0.278, 0.166, 0.104)

最終得到的綜合模糊評價權矩陣R為

5)計算換流變壓器的模糊評判矩陣B和狀態評價結果Z。

由B=W·R得模糊評判矩陣B為

B= (b1,b2,b3,b4) =(0.467 1,0.268 1,0.167 1,0.101 7)

在定量計算時采用10分制進行評價，按灰水平將評價等級V的4種狀態分別量化賦值為9,7,5,2。則換流變壓器狀態評價的結果Z為

Z=(W·R)·VT=B·VT=7.119 5

從換流變壓器狀態評價的結果可以看出，Z值的大小在換流變壓器注意狀態規定的范圍[6,8)內。故可以初步確定此換流變壓器的狀態為注意狀態。另外，從實際收集到的關于換流變壓器的狀態數據信息也不難發現，其自身有過不嚴重的缺陷記錄；繞組的絕緣電阻和油色譜分析中部分氣體的含量等均出現過超過正常狀態的范圍；而且換流變壓器在運行過程中出現過短時的過負荷。各狀態量數據信息雖然沒有嚴重地超過標準限值，但有劣化的趨勢，其整體可靠性在下降，換流變壓器在繼續運行過程中需要加強監視，應密切注意其狀態的變化趨勢。因此，可以確定此換流變壓器的狀態應屬于注意狀態。另外，該評價結果與國家電網公司試行的換流變壓器評價導則分析得到的結果是基本相符合的。

4 結 論

1)所提出的DHGF算法綜合了Delphi法、層次分析法、灰色理論分析法、模糊綜合評價法的成功之處，實現了定性與定量的綜合集成，較好地解決了由于指標信息的非完備性和不確定性而無法進行精確評價的問題。采用該方法構建了換流變壓器的DHGF數學模型，主要包括評價指標的選擇、評價指標的白化預處理、構造模糊評價權矩陣、確定評價指標的組合權重和評價標準以及評價結果計算等。該算法思路清晰，方法簡單。

2)實例分析表明，所建立的DHGF算法模型可以用于換流變壓器的狀態評價且能夠準確地反映設備的實際狀態，可為下一步的檢修決策提供參考依據；當然，所建立的換流變壓器DHGF算法模型還需要更多的實例去驗證。

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Aiming at the problems that the condition of converter transformer is complex and difficult to be evaluated accurately, a condition evaluation method for converter transformer based on DHGF algorithm is proposed. The evaluation index sets and the corresponding weights for converter transformer are established. The whitening weight function, the weight matrix and the evaluation matrix are provided. The complete mathematical model is established too. The real condition of a converter transformer is analyzed by using DHGF method, the condition level and the exact score are obtained. The results can reflect the real condition of a converter transformer, which can provide scientific basis for the future maintenance strategy.

converter transformer; condition evaluation; DHGF algorithm; whitening weight function; condition level

TM732

A

1003-6954(2015)03-0037-05

2015-04-28)

肖 屏(1981)，碩士研究生，主要研究方向為電力設備狀態監測與故障診斷，高壓直流輸電；

王渝紅(1971)，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力設備狀態監測與故障診斷、電力系統穩定與控制、高壓直流輸電。