基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)研究

張宇澤　蒙高鵬　安瑞

摘? 要：針對(duì)差異化制定變電站巡視周期問(wèn)題，首先分析了變電站巡視周期的影響因素，包括變電站電壓等級(jí)、重要程度、歷史故障/缺陷發(fā)生頻次、設(shè)備運(yùn)行情況、變電站運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備負(fù)載情況六個(gè)方面。提出了基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)變電站巡視周期的科學(xué)合理分類(lèi)，為供電公司提高變電站巡視效率提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：變電站;巡視周期;自組織特征映射網(wǎng)絡(luò);聚類(lèi)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM732? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0064-03

Abstract： Aiming at the problem of making substation patrol cycle based on differentiation， this paper first analyzes the influencing factors of substation patrol cycle， including substation voltage level， importance， frequency of historical faults/defects， equipment operation situation， substation environment， and equipment load. Then the paper puts forward the classification method of substation patrol cycle based on self-organizing feature maps， which uses machine learning to realize the scientific and reasonable classification of patrol cycle of substations， and provides technical support for power supply enterprises to improve the efficiency of substation patrol.

Keywords： substation; patrol cycle; self-organizing feature maps; clustering

目前，我國(guó)各地區(qū)無(wú)人值守變電站主要采用定期巡視與特殊巡視相結(jié)合的巡視模式[1]。國(guó)網(wǎng)天津市電力公司規(guī)定，設(shè)備為敞開(kāi)式布置的220kV變電站例行巡視不少于每3天1次，110kV及以下變電站每3～7天進(jìn)行一次例行巡視。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，變電站的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力用戶對(duì)供電可靠性的要求不斷提高，供電公司普遍面臨變電站巡視工作量日益增大而運(yùn)維人員有限的難題，常常出現(xiàn)巡視時(shí)走馬觀花、巡視不到位的情況。如何根據(jù)變電站的特點(diǎn)差異化制定巡視周期，使用有限的人力、物力資源達(dá)到更好的巡視效果，是供電公司重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

文獻(xiàn)[1]利用可靠性理論建立了變電站巡視與設(shè)備缺陷情況之間的關(guān)系，引入基于設(shè)備缺陷的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估體系，提出了根據(jù)設(shè)備狀態(tài)優(yōu)劣動(dòng)態(tài)調(diào)整巡視項(xiàng)目和巡視周期的狀態(tài)巡視策略，但該方法只考慮到了設(shè)備運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[2]根據(jù)變電站的設(shè)備缺陷情況、運(yùn)行年限、設(shè)備運(yùn)行工況和設(shè)備布置情況，將變電站劃分為A、B、C、D、E五個(gè)級(jí)別確定巡視周期、巡視要求和巡視內(nèi)容。文獻(xiàn)[3]采用相似的方法，以年度設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果、年（季）度缺陷發(fā)生次數(shù)和缺陷性質(zhì)、變電站運(yùn)行環(huán)境、變電站設(shè)備隱患為變電站狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)量，將變電站評(píng)價(jià)為“良好”“一般”“關(guān)注”三種狀態(tài)，分別確定巡視周期。但文獻(xiàn)[2，3]提出的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)完全由人為制定，劃分界限較模糊，缺乏科學(xué)合理性和客觀性。

基于此，本文在分析了變電站巡視周期影響因素的基礎(chǔ)上，提出了基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)方法，利用人工智能手段對(duì)變電站的巡視周期進(jìn)行分類(lèi)，提高變電站巡視工作的質(zhì)量和效率。

1 變電站巡視周期影響因素

影響變電站巡視周期的因素包括以下幾個(gè)方面：

1.1 變電站電壓等級(jí)

電壓等級(jí)越高，巡視周期應(yīng)相對(duì)越短。

1.2 變電站重要程度

變電站重要程度主要取決于所在區(qū)域供電等級(jí)（A+、A、B、C、D、E），供電負(fù)荷大小和所供用戶中是否含有重要用戶、敏感用戶、電采暖用戶、防汛用戶等。變電站所在區(qū)域供電等級(jí)越高，供電負(fù)荷越大，所供用戶中包含重要用戶、敏感用戶、電采暖用戶、防汛用戶等，則重要程度越高，應(yīng)加強(qiáng)巡視力度，即安排較短的巡視周期。

1.3 變電站歷史故障/缺陷發(fā)生頻次

變電站歷史發(fā)生設(shè)備故障、設(shè)備缺陷的頻次越高，說(shuō)明變電站存在的薄弱點(diǎn)越多，與其他變電站相比在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障或缺陷的可能性越大，應(yīng)針對(duì)性加強(qiáng)巡視，縮短巡視周期。

1.4 設(shè)備運(yùn)行情況

設(shè)備運(yùn)行情況主要取決于設(shè)備當(dāng)前存在的缺陷情況，設(shè)備運(yùn)行隱患和運(yùn)行年限。若設(shè)備存在缺陷而未完成消缺，已知設(shè)備存在家族缺陷，某些預(yù)試數(shù)據(jù)接近、達(dá)到或超過(guò)規(guī)程中的注意值，設(shè)備有不良工況記錄，設(shè)備運(yùn)行隱患呈劣化趨勢(shì)[1]，設(shè)備運(yùn)行年限較長(zhǎng)，則應(yīng)適當(dāng)縮短巡視周期。

1.5 變電站運(yùn)行環(huán)境

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，室內(nèi)設(shè)備發(fā)生缺陷的概率明顯低于室外設(shè)備。若變電站為室外站，周邊環(huán)境較為惡劣，處于重污區(qū)、重冰區(qū)，經(jīng)常遭受強(qiáng)風(fēng)、雷雨、冰雪等天氣，則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)巡視力度，縮短巡視周期。

1.6 變電站設(shè)備負(fù)載情況

設(shè)備負(fù)載率越高，發(fā)生接頭過(guò)熱、絕緣老化、主變異響等缺陷的可能性越大，應(yīng)相應(yīng)的縮短巡視周期，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患。

2 自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)

自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)是一種競(jìng)爭(zhēng)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含輸入層、競(jìng)爭(zhēng)層兩層網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

神經(jīng)元具有競(jìng)爭(zhēng)性，輸入神經(jīng)元與輸出神經(jīng)元通過(guò)權(quán)值相連，近鄰的輸出神經(jīng)元之間也通過(guò)權(quán)值向量相連。輸出神經(jīng)元的傳遞函數(shù)通常為線性函數(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)的輸出是輸入值的線性加權(quán)和。輸出神經(jīng)元之間根據(jù)距離的遠(yuǎn)近決定抑制關(guān)系，最終使連接權(quán)值的統(tǒng)計(jì)分布與輸入模式漸趨一致。當(dāng)輸入新樣本時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式輸出分類(lèi)結(jié)果。每個(gè)輸入的樣本都對(duì)應(yīng)一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)層節(jié)點(diǎn)[4]。當(dāng)所有樣本輸入完畢，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，對(duì)應(yīng)同一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)層節(jié)點(diǎn)的輸入樣本就被歸為同一類(lèi)別，實(shí)現(xiàn)聚類(lèi)功能。

3 基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)方法

由第1節(jié)論述可知，變電站巡視周期的影響因素包括變電站電壓等級(jí)、重要程度、歷史故障/缺陷發(fā)生頻次、設(shè)備運(yùn)行情況、變電站運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備負(fù)載情況六個(gè)方面。為了科學(xué)安排變電站巡視周期分類(lèi)，首先將上述六個(gè)方面因素進(jìn)行量化。變電站電壓等級(jí)方面，220kV、110kV和35kV變電站的電壓等級(jí)指數(shù)分別定義為4、2、1。變電站重要程度方面，定義所有變電站的重要程度指數(shù)初始值為0，所在區(qū)域供電等級(jí)為A+、A、B、C、D、E分別加1、0.5、0.25、0.125、0.1、0.075，平均供電負(fù)荷大小與該站變壓器容量之和的比值為0.75以上、0.5～0.75、0.25～0.5、0.25以下時(shí)分別加1、0.5、0.25、0.125，所供用戶中每包含一個(gè)重要用戶加0.5，每包含一個(gè)敏感用戶加0.25，每包含一個(gè)電采暖用戶或防汛用戶加0.1。變電站歷史故障/缺陷發(fā)生頻次方面，定義歷史故障/缺陷發(fā)生頻次指數(shù)為該座變電站投運(yùn)后平均每年發(fā)生故障或缺陷的次數(shù)。設(shè)備運(yùn)行情況方面，定義所有變電站的設(shè)備運(yùn)行情況指數(shù)初始值為0，設(shè)備每存在一項(xiàng)嚴(yán)重缺陷、一般缺陷而未完成消缺時(shí)分別加1、0.5，設(shè)備存在運(yùn)行隱患時(shí)視情況加0～1，變壓器、母線、斷路器等主要設(shè)備運(yùn)行年限在20年以上、10～20年、5～10年、5年以下時(shí)分別加1、0.5、0.25、0.125。變電站運(yùn)行環(huán)境方面，定義所有變電站的運(yùn)行環(huán)境指數(shù)初始值為0，室外站和室內(nèi)站分別加1、0.5，室外站視周邊環(huán)境惡劣程度加0～1，視所在地區(qū)氣候情況加0～1。設(shè)備負(fù)載方面，定義變壓器平均負(fù)載率為0.75以上、0.5～0.75、0.25～0.5、0.25以下時(shí)設(shè)備負(fù)載指數(shù)分別4、2、1、0.5。需說(shuō)明，以上指數(shù)計(jì)算方法僅代表指標(biāo)量化思路，各供電公司可根據(jù)實(shí)際情況及特點(diǎn)建立變電站巡視周期影響因素指標(biāo)量化體系。通過(guò)以上指標(biāo)量化方法，每座變電站可用一個(gè)六維特征向量表示，即

式中：Si表示第i座變電站的特征向量;si1、si2、si3、si4、si5、si6分別表示第i座變電站的電壓等級(jí)指數(shù)、重要程度指數(shù)、歷史故障/缺陷發(fā)生頻次指數(shù)、設(shè)備運(yùn)行情況指數(shù)、變電站運(yùn)行環(huán)境指數(shù)和設(shè)備負(fù)載指數(shù)。

第二步，建立自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)文獻(xiàn)[2，3，5]，變電站巡視周期分類(lèi)宜分為3至5類(lèi)。分類(lèi)過(guò)多則不便于供電公司相關(guān)工區(qū)安排變電站巡視計(jì)劃，分類(lèi)過(guò)少則不能達(dá)到差異化管理目的。本文選擇將變電站巡視周期分為4類(lèi)進(jìn)行論述，各供電公司可根據(jù)實(shí)際情況及特點(diǎn)合理選擇分類(lèi)類(lèi)別數(shù)。由于輸入向量維數(shù)為6，因此設(shè)置自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)。網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)層選用2×2六邊形結(jié)構(gòu)，即最終分類(lèi)的類(lèi)別數(shù)為4類(lèi)。網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)層包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練完畢后，每一個(gè)輸入向量，即每座變電站，屬于一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)層節(jié)點(diǎn)。

第三步，使用MATLAB工具箱函數(shù)selforgmap實(shí)現(xiàn)自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)。計(jì)算流程如圖2所示。

第四步，根據(jù)自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)給出的分類(lèi)結(jié)果，確定每座變電站的巡視周期。例如第一類(lèi)變電站每月巡視一次，第二類(lèi)變電站每半月巡視一次，第三類(lèi)變電站每周巡視一次，第四類(lèi)變電站每3天巡視一次。各供電公司和工區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況及特點(diǎn)合理安排巡視周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)差異化制定變電站巡視周期問(wèn)題，在分析了現(xiàn)有文獻(xiàn)取得成果和不足的基礎(chǔ)上，提出了基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)方法。

首先分析了變電站巡視周期的影響因素，包括變電站電壓等級(jí)、重要程度、歷史故障/缺陷發(fā)生頻次、設(shè)備運(yùn)行情況、變電站運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備負(fù)載情況六個(gè)方面。電壓等級(jí)越高，重要程度越高，歷史故障/缺陷發(fā)生頻次越高，設(shè)備運(yùn)行情況越差，變電站運(yùn)行環(huán)境越惡劣，設(shè)備負(fù)載率越高，越應(yīng)該加強(qiáng)巡視力度，縮短巡視周期。

提出了基于自組織特征映射的變電站巡視周期分類(lèi)方法，其步驟可概括為：將影響變電站巡視周期的六方面因素進(jìn)行指標(biāo)量化，得到表征每座變電站巡視周期影響因素的六維特征向量;建立自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)，輸入層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，競(jìng)爭(zhēng)層節(jié)點(diǎn)數(shù)取變電站巡視周期想要分類(lèi)的類(lèi)別數(shù);使用MATLAB工具箱函數(shù)selforgmap實(shí)現(xiàn)自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)分類(lèi);根據(jù)自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)給出的分類(lèi)結(jié)果，確定每座變電站的巡視周期。

本方法可利用機(jī)器學(xué)習(xí)原理實(shí)現(xiàn)變電站巡視周期的科學(xué)合理分類(lèi)，分類(lèi)結(jié)果完全取決于變電站本身實(shí)際情況，不受主觀因素影響。為供電公司差異化安排變電站巡視周期，保障巡視工作的合理性和有效性提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝金泉，李曉華，何毅，等.變電設(shè)備狀態(tài)巡視策略研究[J].廣東電力，2012，25（9）：5-9，15.

[2]王少博，劉輝，張?zhí)m欽，等.基于設(shè)備狀態(tài)分析的無(wú)人值班變電站巡視模式研究[J].河北電力技術(shù)，2013（2）：10-12.

[3]陳宏彬，李?lèi)倢帲瑒㈢?基于狀態(tài)檢修的無(wú)人值班變電站狀態(tài)巡視管理[J].現(xiàn)代營(yíng)銷(xiāo)（經(jīng)營(yíng)版），2019（4）：150.

[4]陳明，等.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)例精解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[5]彭業(yè).引入狀態(tài)評(píng)估分析的變電站設(shè)備巡視優(yōu)化策略的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.