一二次融合柱上開關組合加權模糊狀態評價

王東芳，黃國權，黃廷城，張勇軍

（1.廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東 河源 517000；2.智慧能源工程技術研究中心，華南理工大學電力學院，廣州 510641）

0 引言

作為配電開關設備的重要產品，柱上開關是架空線路配電自動化的核心設備，它的智能化程度直接決定了配電網智能化的水平[1]。然而先前柱上開關一次本體和二次設備相互分離，制約了配電自動化的發展。近些年，基于電力信息物理融合[2-4]的能源互聯網技術[5]為配電網運行帶來了新的理念，配電設備朝著一體化、集成化的方向發展。為提高柱上開關“智能、安全、互聯”水平，同時提升其運行水平、運維質量與效率，國內的電網公司、研究機構和設備廠商相繼開展了柱上開關一二次設備融合的研究設計工作。

傳統柱上開關的開關本體、控制器等各部分設備相對獨立，大部分研究工作都重點關注開關本體，對控制器運行狀態評估的手段較少、相關規程尚缺，難以對其開展狀態評估[6]。因此柱上開關狀態評估研究多是單獨針對斷路器本體開展而尚未有綜合考慮控制器狀態指標的研究，如文獻[7]考慮了開關本體、支架等方面因素，而未涉及控制器指標。二次控制與保護裝置的安全可靠運行是實現一次設備智能化的重要保障。隨著智能電網的發展，電力設備物理系統和信息系統的融合程度愈發增強，二次設備會更多地融合到一次設備中[8-10]，呈現一體化和集成化的發展趨勢[11]，致使一二次設備間的耦合關系越來越強，而現有的柱上開關狀態評估方案無法對其一二次設備的整體運行狀態進行綜合評估。因此，有必要綜合評估柱上開關包括一二次設備及其連接關系在內的整體運行狀態。

在評估方法方面，現有設備狀態評估研究如文獻[12-14]等，指標權重的確定多是以故障率大小為依據的定權，此做法在數據量不足的情況下得出的權重意義不大；而即使數據量足夠多，得出的權重也只是一個普適性的值，反映的是各指標對設備狀態的表征能力，并不能突出具體設備狀態劣化的趨勢，存在對表征能力相對較弱的指標劣化識別靈敏度過低的問題。對此，文獻[15]提出了利用劣化度計算變權系數，用以依據狀態量的變化調整權重。

鑒于此，本文在當前電力信息物理融合的背景下，擴充了現有柱上開關指標體系，提出了一二次融合柱上開關狀態組合加權模糊評價方法。該方法采用隨狀態量變化的數據劣化度變值權重和指標重要度常值權重的組合權重，并借助模糊綜合評價法計算狀態評估結果。

1 狀態指標體系構建

1.1 開關本體運行狀態指標

目前開關本體部分狀態指標研究較多，本文不再贅述。在結合文獻[14-16]基礎上，本文選取四個運行狀態在線監測指標如下：真空度（表征真空斷路器開斷電流和滅弧能力）、觸頭相對磨損程度（影響斷路器電壽命的重要因素）、觸頭溫度（觸頭高溫易燒毀觸頭，威脅斷路器安全運行）、振動信號（可以反映多種故障原因，評估范圍較廣）。

1.2 二次部分運行狀態指標

柱上開關運行于環境較惡劣的戶外場所，經受日曬雨淋，而其二次設備內部有多種電子元器件，對運行環境要求較高，因此易發生故障。據統計，配電二次設備故障原因中，蓄電池失效占50%以上[17]。其他還有無線通信掉線、配電終端故障等，而配電終端故障原因較為復雜，如設備凝露、電路板短路等等。

早先柱上開關二次設備監測手段較少，難以開展在線監測。但是柱上開關二次設備數量不斷增多、分布廣泛，且故障率較高，繼續采用定期檢修方式將帶來高成本低效率的問題[18]。近些年微機監控保護設備和通信技術的不斷發展使得二次設備監測內容不斷豐富。

結合配電二次設備主要故障因素以及現有二次設備主要監測內容[11，17]，本文提出一二次融合柱上開關二次部分運行狀態在線監測內容如下：

（1）SOH（電池健康狀態）[19]：SOH 可由蓄電池實際容量與額定容量之比ε 表征。

式中：S 為蓄電池實際容量；SN為蓄電池額定容量。

（2）通信通道狀態：可由終端在線率ρ 衡量。

式中：ΔT 為終端異常狀態總持續時長；T 為從上次檢修至今終端的總運行時長。

（3）控制器溫度：監視控制器過熱現象。

（4）控制器濕度：監視設備凝露現象。

（5）自檢異常頻率：FTU（饋線終端）可實現多種自檢功能，包含較多信息，因此其自檢異常頻率在對柱上開關運行狀態的表征上具有較高的重要性。

1.3 非運行狀態指標

除上述運行狀態指標以外，一些非運行指標也能在一定程度上體現一二次融合柱上開關的狀態演變趨勢。本文考慮部分直接影響柱上開關態勢的非運行狀態因素，具體為包括氣溫、大氣濕度、大氣污穢等級在內的環境因素指標和包括累計動作次數和年均故障次數在內的歷史數據指標。

2 組合加權模糊綜合狀態評價研究

一二次融合柱上開關狀態的歸屬具有較強模糊性，因此可通過模糊綜合評價法，根據狀態隸屬度的大小判斷柱上開關運行狀態。

權重的設置是模糊綜合評價的關鍵之一。一般而言，在綜合考慮多個指標時，一般采用的主客觀加權法大多是根據指標重要度（或故障率）常值權重。但是，單臺設備的指標惡化是概率事件，以確定的權重分析具體設備時對權重較小的指標劣化識別靈敏度將會大大降低。

為解決這一問題，本文采用組合加權的方法，綜合考慮數據劣化度變值權重與指標重要度常值權重的進行組合加權，一方面可以避免因重要度差異導致對指標劣化識別靈敏度過低的問題；另一方面也能避免僅從數據角度分析指標的劣變趨勢使得權重失衡的問題。

2.1 模糊綜合評價

模糊綜合評價有三要素：

（1）因素集：假定一二次融合柱上開關的評估指標共有n 個，這n 個評估指標 因素u1，u2，…，un組成的集合為因素集U={u1，u2，…，un}。

（2）評語集：一二次融合柱上開關狀態的m 條評語組成的集合V。本文選取正常、注意、異常、嚴重四條評語組成評語集，即V={正常，注意，異常，嚴重}。

（3）單因素判斷：即一二次融合開關第i 個狀態指標ui對于第j 條評語vj（j=1，2，3，4）的隸屬度為ri：

式中：rij表示指標ui對于評語vj的隸屬度，0≤rij≤1 且滿足ri1+ri2+ri3+ri4=1。

進而由單因素判斷ri組成隸屬度矩陣R。

根據所選取指標的性質，本文采用半梯形分布和三角分布結合計算其隸屬度函數。鑒于本文指標較多而篇幅有限，因此只給出如圖1 所示的兩種類型指標的隸屬度函數示意。各指標均滿足其中一種類型，區別僅在于具體的區間分布不同。圖1 中，u 為狀態量值，對于偏小型指標，狀態量值越小越優；ua，ub，uc，ud分別為各指標正常、注意、異常、嚴重狀態的狀態量邊界；對于中間型指標，狀態量值處于中間范圍最優；ua0，ua1分別為正常狀態的下邊界和上邊界；ub0，ub1分別為注意狀態的下邊界和上邊界；uc0，uc1分別為異常狀態的下邊界和上邊界；ud0，ud1分別為嚴重狀態的下邊界和上邊界。

圖1 隸屬度函數

2.2 指標權值的確定

2.2.1 數據劣化度變值權重

設備運行狀態的劣化通常有一個過渡階段，以柱上開關本體為例，其狀態劣化的趨勢如表1所示。

表1 開關本體在線指標狀態演變數據

整個演變趨勢大體上可分為三個階段：T2 時刻前，各指標狀態量數據基本波動不大，因此各指標對柱上開關本體運行狀態的表征能力基本相同；T2 時刻至T3 時刻，振動信號數據開始顯著增長而其余指標數據相對保持平穩，更能反映出柱上開關狀態可能出現了劣化；T4 時刻經現場檢修排除隱患后，振動信號回歸平穩，但此時開關滅弧室真空度下降（滅弧室內氣壓上升）明顯，應受到更多的重視。由此可見，在一臺柱上開關完整生命周期中，各狀態量指標在不同階段的演化趨勢并不是固定不變的，應受重視的程度也不相一致，權重也相應變化。

對此，評估時分析當前各指標歷往數據的劣化度即可在不同階段分配相應的變值權重。一個巡檢周期內每次評估前需不斷加入新采樣的數據值并累積更新狀態量數據集，依此計算當前時刻的數據劣化度權重，因此該權重帶有隨狀態量變化的變權性質。

熵權法基本思路是反映測量數據集的總體離散程度，能基于特定一臺柱上開關各狀態指標在某個巡檢周期內的的所有狀態量數據，通過識別指標數據的劣化程度來考量其包含的信息量，依此計算數據劣化度變權w′，具體計算如下：

（1）對指定的柱上開關測取各指標ui在一個巡檢周期內的數據并進行標準化處理，得到Nij。以偏小型指標為例，按式（4）進行標準化處理：

式中：uij表示第i 個指標ui的第j 個評價數據；max（ui）為指標ui的最劣區間的臨界點；min（ui）為指標ui的最優區間的臨界點。

（2）計算反映指標ui數據劣化度的熵值Ei：

式中：k 為指標ui的數據量；，若有Hij=0，則定義lim（HijlnHij）=0。

（3）計算指標ui的數據劣化度變權

式中：n 為指標個數。

2.2.2 指標重要度常值權重

不同指標對柱上開關狀態評估的貢獻程度不一，若單一考慮數據劣化權重會忽略指標本身重要程度，容易造成權重失衡現象。故可基于專家經驗，采用層次分析法對指標分配重要度常值權重。

首先，構建柱上開關三部分二級指標的判斷矩陣。根據指標反映的故障類型、對設備運行可靠性的影響以及運行經驗，并結合專家經驗，利用成對比較法和九級標度法得到三部分判斷矩陣分別為：

然后，進行判斷矩陣的一致性校驗，進而計算權重，具體的計算過程參考文獻[20]。

2.2.3 組合權重

為在不忽略指標重要度的前提下發揮數據劣化度權重的作用，本文利用重要度權重wi″對數據劣化度權重wi′進行調整，得到指標ui的組合權重wi如下：

進而，由組合權重wi構成權重矩陣W。

2.3 結果分析

以開關本體指標為例，在得到其評分矩陣RI和組合權重矩陣WI后，使用一級綜合評價模型M（∨，·），得到最終模糊評價BI，即：

式中：?為模糊算子M（∨，·）；max[RI·WI]表示取矩陣元素中的最大值即得分值PIi。

BI的形式由得分值pIi與歸屬狀態一同給出，即pIi（正常/注意/異常/嚴重）。由于得分矩陣PI（PI=RI·WI）中四個元素值的和為定值1，故pIi可體現開關狀態歸屬程度。例如，若BI最終結果為0.352 3（注意），這說明雖然當前柱上開關本體狀態評估結果為“注意”，但其相對值較低，可能不久將會滑向“異常”狀態。

根據各部分狀態評估結果可安排巡檢如表2所示。

表2 巡檢策略

2.4 具體評估流程

基于組合加權模糊評價方法對一二次融合柱上開關進行狀態綜合評價的具體流程如圖2 所示。

3 算例分析

以某臺ZW20 型10 kV 柱上開關檢修前的部分采樣數據對本文所提狀態評估方法進行校驗，其初始運行狀態在線監測指標數據見表3。進而查詢其對應的非運行狀態指標數據見表4。

首先根據表3、表4 中的數據，按式（4）—式（6）分別計算在t4，t5 時刻時開關本體、二次部分和非運行指標的劣化度變權矩陣，接著將劣化度變值權重與指標重要度常值權重按式（7）分別組合后，得到三部分綜合權重矩陣，進而根據各指標屬性，分別確定t4，t5 時刻各自的隸屬度函數分布計算各指標的單因素判斷集，上述各計算結果如表5 所示。

表3 某柱上開關運行狀態在線監測指標數據

表4 某柱上開關非運行狀態指標數據

圖2 評估流程

表5 計算結果

對于上述結果，構造總評價矩陣并計算t4，t5 時刻時開關的狀態評估結果如下：

在t4 時刻時，該柱上開關本體狀態評估結果為0.470 5（正常），二次部分狀態為0.952 0（正常），非運行指標狀態為0.624 5（異常），根據表1 該柱上開關可延緩巡檢計劃；對于t5 時刻，該柱上開關本體狀態評估結果為0.328 0（嚴重），二次部分狀態為0.610 2（正常），非運行指標狀態為0.798 2（注意）。由于開關本體狀態“嚴重”，故該柱上開關需即刻安排現場巡線檢查。一般而言，真空斷路器觸頭溫度正常工作溫度在55 ℃以內，當超過85 ℃時極易發生故障[16，21]。表2 數據顯示，當時觸頭溫度已達75 ℃，且在持續上升，若放任不顧可能將造成嚴重后果。對比t4，t5 時刻的數據劣化度權重，觸頭溫度的權重明顯提高。故本文方法效果明顯，且所得狀態評估結果準確。

若采用文獻[14]僅考慮指標重要度的權重分配，即權重矩陣為W*=[0.512 7 0.273 3 0.031 4 0.182 6]，則開關本體的評分矩陣如表6 所示，判定開關本體狀態為“正?！保a生誤判。因此本文結合數據劣化度變值權重和指標重要度常值權重得到的組合權重相比于定權法更加合理，評價結果更加準確。

表6 t4，t5 時刻得分矩陣

4 結論

本文結合當前電力信息物理融合背景下配電開關一二次融合研究進程，以一二次融合柱上開關作為本文研究對象。構建了以開關本體、二次部分的運行狀態在線監測狀態量為主，非運行狀態量為輔的狀態指標體系，更加全面地反映柱上開關一、二次部分整體的運行狀態。進而采用組合加權的方式確定各指標權重，避免了因重要度的差異導致指標劣化識別靈敏度過低的問題[22-23]。最后，結合模糊綜合評價法給出柱上開關狀態評估結果，并且在對具體實例的計算中，驗證了本文所提方法的有效性和準確性。