基于組合賦權和集對分析的油浸式配電變壓器質量評估模型

云玉新，辜 超，陳新崗，譚 悅，朱瑩月，陳姝婷，朱 輝

（1.國家電網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003；2.重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054）

近年來，隨著我國電力市場的不斷擴大，以及電網的不斷發展，油浸式配電變壓器在電網中得到了越來越廣泛的使用。目前，大數據技術可以挖掘類型眾多、數量巨大、結構復雜的數據，為電網內各類設備的狀態分析與質量評估提供了可靠支撐，也為配變狀態的數據分析提供了依據［1-3］。油浸式配電變壓器的質量水平關系到其在電網中是否能正常工作以及其運行壽命的長短。在配電變壓器的評估上，國內外的研究較多將重點聚焦在配電變壓器運行狀態評估方面，但對于配電變壓器質量評估仍存在一定的局限性。因此，設計出較為合適的油浸式配電變壓器質量評估模型是亟需解決的問題。

對數據的分析處理是電網物資質量評估中不可或缺的一部分，常規的大數據處理方法有模糊判斷、數據的回歸分析等［4-5］。趙霞等［6］利用可變權重的模糊綜合評價法對電能質量進行評價，但只考慮了指標值的極值情況而忽視了指標值的整體惡化程度；劉穎英等［7］利用的分析法均不同程度地存在人為主觀因素的影響；付學謙等［8］采用了理想解法對評估對象進行排序，但最終無法給出電能質量等級劃分結果。鑒于以上分析，在對評價指標進行賦權的過程中，僅憑借主觀或客觀賦權方法均會受到一定程度的限制。因此，在對油浸式配電變壓器進行質量評估時，既要參考檢測數據的客觀信息，也要考慮評價目的及需要，盡量全面、系統地構建其質量評估模型。

本文使用油浸式配電變壓器的試驗項目的檢測數據，對檢測數據進行組合賦權來探索能有效表征油浸式配電變壓器質量的關鍵狀態參量，采用集對分析對油浸式配電變壓器質量水平進行等級劃分，同時根據《電網物資質量檢測能力標準化建設導則》、《GBT6451—20151油浸式電力變壓器技術參數和要求》等文件標準，針對不合格設備分析其不合格的原因，從而構建一套基于檢測數據的組合賦權和集對分析的油浸式配電變壓器質量評估模型。模型流程如圖1所示。

圖1 油浸式配電變壓器質量評估模型流程框圖

1 數據來源

入網物資的數據來源于電網本身采集到的數據，例如試驗項目所檢測出來的靜態數據或在線監測的動態數據等。為保證可靠性，本文數據來源于電網對10臺變壓器的試驗檢測數據。

到目前為止，油浸式配電變壓器的主要試驗項目具體有繞組對地及繞組間直流絕緣電阻測量、吸收比測量、空載損耗和空載電流測量以及短路阻抗和負載損耗測量等，所產生的數據有吸收比、空載損耗、空載電流、負載損耗、短路阻抗等幾十種類別［9-10］。

2 基于組合賦權與集對分析的質量評估

組合賦權是將主觀評價法與客觀評價法相結合的評價方法。該方法可以對各項指標進行賦權并提取出與質量有關的狀態參量，然后將提取出來的狀態參量運用集對分析得出聯系度從而進行質量等級劃分。

2.1 基于組合賦權的狀態參量探索

在對評價指標進行賦權的過程里，僅憑借主觀賦權方法或客觀賦權方法的單一方式，都受到一定程度的限制［11-13］。本文采用將主觀賦權方法和客觀賦權方法結合的方式來對變壓器的狀態參量進行賦權，主觀賦權法采用序關系分析法得到其主觀權重值，客觀賦權法采用熵值法得到其客觀權重值，然后將2個方法計算得出的權重通過幾何平均法得出一個新的組合權值，這種方式兼具主觀賦權方法和客觀賦權方法的優點，賦權結果更加全面可靠。組合賦權的流程如圖2所示。

圖2 組合賦權流程框圖

2.1.1 序關系分析法確定主觀權重

本文按如下步驟確立了狀態參量aj的評價指標集｛a1，a2，…，an｝的序關系：參考非標準范圍內的指標所占百分比以及文獻［14］中所述變壓器檢測的常見不合格類型對應的指標，并初步篩掉幾乎無變化的指標，綜合以上條件之后對其各項指標進行排序，不合格比例最高的確定為第1序列，其次定位第2序列，依次往下進行指標排序。

評價人對于狀態參量的相對重要程度可用其對應的權重之比來進行表示，記作rx，其表達式為：

其中x＝n，n-1，…，3，2，rx取值可參考表1。

表1 rx賦值參考表

根據文獻［15］計算推導可得其權重值為：

則由序關系分析法確定的主觀權重值記為w1j＝［w11，w12，…，w1n］。

2.1.2 熵值法確定客觀權重

熵值法是一種客觀賦權法，它僅依賴于數據本身的離散性，但使用前首先要需要對指標的數據進行歸一化處理［16-18］。另一方面，需要考慮到正向指標與負向指標以及存在理想值的指標，因此對這些指標需要采用不同方法進行數據標準化處理［19］。對m個樣本，n個指標，則aij為第i個樣本的第j個指標的數值（i＝1，…，m；j＝1，…，n）。

首先對于存在最優值的指標，其標準化過程如式（3）所示：

其中，aov為該項指標最優值。

正向指標：

負向指標：

此外，為了避免熵值計算過程中對數的無意義，給標準化處理后出現的每一0值加上0.01。

應用熵值法首先需計算第j項指標內第i個樣本數據所占該指標的比重：

然后，計算得到第j項指標的熵值：

從而得到各指標的客觀權重：

由熵值法計算得到的客觀權重記為：w2j＝［w21，w22，…，w2n］。

2.1.3 確定組合權重

經過之前的計算，得到了相應狀態參量的主觀權重w1和客觀權重w2，然后采用幾何平均法得到幾何平均數，即得到指標的組合賦權的權重Wj＝［W1，W2，…，Wn］，如式（9）所示：

2.2 基于集對分析的變壓器質量評估模型

當提取到能有效表征油浸式配電變壓器質量的狀態參量后，利用集對分析對變壓器的質量進行分等級評估，并分析其不合格原因及不合格類型，流程如圖3所示。

圖3 變壓器質量評估流程框圖

2.2.1 集對分析對質量評估等級劃分

集對分析的聯系度表達式為：μ＝a+bp+cq，其中p為差異系數，q一般取-1。根據集對分析的可擴展性，μ能按一定層次展開，相應的多元聯系度為：

式（10）為l元聯系度，且取值范圍在［-1，1］之內［20］。

本文引入模糊理論中的相對劣化度tn和隸屬度v（t）來構成集對分析中聯系度的同異反評價矩陣R＝［a，b1，…，bl-2，c］，由差異系數p構成對應的同異反系數矩陣ET＝［1，p1，…，pl-2，q］。

首先，計算各狀態參量指標的相對劣化度，其表達式為：

其中，tn為狀態參量的劣化度，其范圍在［0，1］區間中，若tn＜0則令tn＝0，若tn＞1則令tn＝1；zn為本次檢測數據；z1為標準值；zf為初始值。

再將隸屬度函數代入同異反評價矩陣中根據其聯系度構建所屬油浸式配電變壓器的質量等級模型［21］。本文依據集對分析聯系度將配電變壓器的質量等級劃分為5個等級，即損壞嚴重、不合格、異常、合格、良好，分別為v1、v2、v3、v4、v5。其對應等級與隸屬度函數關系如表2所示。

目前典型的隸屬度函數有正態分布、梯形分布、拋物型分布等，而本文采用形狀簡單、計算較為方便的半梯形和三角形分布［22］，如圖4所示。

圖4 三角形與半梯形隸屬度函數

在集對分析的聯系度計算中，其核心問題就是差異系數p的確定［23］：

表2 v1～v5對應的隸屬度函數

由于本文模型將變壓器質量等級劃分為5個等級，即l＝5，代入式（12）可得差異系數p1、p2、p3的值分別為0.5，0，-0.5，則其同異反系數矩陣ET＝［1，0.5，0，-0.5，-1］，最后結合各狀態參量對應的試驗項目權重，得到該變壓器聯系度為：

最后，通過與表3比較即可判斷待測變壓器的質量等級。

表3 油浸式配電變壓器質量等級與聯系度對應關系

2.2.2 不合格原因分析

當對照表3將變壓器判定為不合格及以下時，可根據其不合格的試驗項目來分析該變壓器的不合格原因，以下根據油浸式配電變壓器的試驗項目列出幾種可能導致該試驗項目不合格的原因：

1）三相不平衡率超標導致的繞組電阻測量不合格主要由分接開關接觸、焊接不良，套管中引線和導電桿接觸不良，電阻偏移較多以及較嚴重的繞組匝間或層間短路和繞組斷線等原因造成。

2）空載電流超標和空載損耗超標所導致的空載損耗和空載電流測量不合格的原因主要由鐵芯接縫級數改變，上鐵芯與芯柱硅鋼片接縫間隙過大，鐵芯表面生銹，產品生產廠家為了節約成本采用劣質的硅鋼片等原因造成。

3）負載損耗超標和短路阻抗超標導致的短路阻抗和負載損耗測量不合格主要由設計裕度過小，生產過程中控制不到位造成的壓板鐵芯夾件、油箱等結構漏磁過大而產生較多的附加損耗，以及生產廠家偷工減料、生產工藝不良等原因造成。

4）頂層溫升、高壓繞組溫升和低壓繞組溫升超標所導致的溫升試驗不合格主要由變壓器匝間、層間短路，變壓器鐵芯局部短路，因漏磁或渦流引起油箱、箱蓋發熱等原因造成。

綜上可知，導致變壓器不合格的原因很復雜，一般是由多種異常情況復合構成的，如果還想要了解變壓器不合格的具體原因，則需要對變壓器解體檢測，并做進一步的分析。

3 算例分析

為驗證本文提出的基于檢測數據的組合賦權和集對分析的油浸式配電變壓器質量評估模型的有效性。本文對10臺油浸式配電變壓器的所有檢測數據都進行了分析。

本文通過序關系分析法和熵值法結合的組合賦權確定了能有效表征物資質量的狀態參量的權重如表4所示。

利用集對分析對10臺油浸式配電變壓器進行質量等級評估，需要計算每臺變壓器狀態參量的相對劣化度，其中兩臺變壓器的狀態參數的相對劣化度如表5、6所示。

表4 指標權重

表5 變壓器1的相對劣化度

表6 變壓器2的相對劣化度

根據表5所示的變壓器1的狀態參量的相對劣化度計算得到的對應試驗項目的同異反評價矩陣R為：

將其代入式（13）可得對應聯系度μ＝0.204 1，對照表3可知，該變壓器處于合格狀態。

同理根據表6確定其同異反評價矩陣R為：

將其代入式（13）得對應聯系度μ＝-0.301 4。對照表3可知：該變壓器處于不合格狀態。由這臺變壓器的數據分析可知：該組變壓器的三相不平衡率高壓繞組，空載損耗以及負載損耗等指標超標，可能導致以上指標超標的原因可以與上文所闡述的原因相對應。

表7 10臺變壓器的質量評估結果

全部10臺油浸式配電變壓器質量評估結果由表7可知：其中有8臺油浸式配電變壓器質量評估的結果合格，1臺評估結果不合格，1臺評估結果異常，與實際結果一致。

4 結論

1）根據《電網物資質量檢測能力標準化建設導則》等標準將油浸式配電變壓器的試驗數據分為標準范圍內數據與非標準范圍內數據，采用序關系分析法和熵值法相結合的組合賦權對油浸式配電變壓器的檢測數據進行數據挖掘，確定能有效表征油浸式配電變壓器質量的按權重分配的狀態參量。從上述所得的權重可以看出：影響配電變壓器質量的主要因素有空載損耗、負載損耗、絕緣介損、溫升等。

2）集對分析將油浸式配電變壓器的質量水平劃分成了5個等級，不僅可以判斷出設備是否合格，還可以判斷設備是否處于良好、異常還是嚴重損壞的狀態，為該設備后續質量檢測提供依據。

3）本文所提出的基于檢測數據的組合賦權和集對分析的油浸式配電變壓器質量評估模型能夠反映其質量狀態，提高評估的準確性。