基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法

李卓，覃啟銘，林其友，杜鳴亮，舒日高

（國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

分層聚類算法指按照集合信息所屬層次對數據對象進行分解的處理方法。根據分解操作策略的不同，分層聚類算法又可分為分裂分層聚類、凝聚分層聚類兩部分。

若采用自下而上的處理策略，首先應將所有相似對象列為一個固定類單元，再按照既定度量條件，將小的類單元合并成一個大的通用類型，直至所有信息對象都能完全存在于一個獨立類型集合中[1-2]。

若采用自上而下的處理策略，首先將固定類單元中的相似對象解完全提取出來，再按照分層凝聚的反向處理策略，將這些對象信息歸結于同一類型文件之中。

在電導現象頻繁的電力傳輸系統中，避雷器設備的運行能力會受到交變傳輸電流的干擾，甚至設備會直接損壞。為避免上述情況的出現，傳統動作協調型檢測方法通過控制電壓傳輸極值的方式，確定相鄰運行簇組織之間的電量差數值，再以此為基礎，更改感應電流的實際傳輸方向。然而該方法并不能輔助檢測主機準確記錄避雷器設備的實際運行情況，沒有起到足夠的運行維護作用。為解決該問題，設計基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法，按照避雷器運行簇之間的物理距離水平，計算電阻率、交流泄漏電流的具體數值，從而實現對運行檢測電壓量的合理調節與控制。

1 基于分層聚類算法的避雷器運行組網

避雷器運行組網由運行簇距離確定、聚類似然值估計、組網分支長度優化三個處理環節組成，通過分層聚類算法實現，具體操作方法如下。

1.1 避雷器運行簇距離計算

在避雷器應用過程中，運行簇是指負載分層聚類能力的檢測節點。由于外界電量作用程度的不同，運行簇節點之間的物理距離數值也有所不同。一般情況下，運行簇距離越大，避雷器元件兩端所負載的物理電壓水平也就越高。然而隨著電量傳輸能力的改變，避雷器設備不可能時刻保持完全穩定的承載狀態，這也是電導現象發生不受控制幾率的主要原因[3-4]。為使避雷器設備在運行過程中具備更強的電量承載能力，電網環境能夠長期保持相對穩定的狀態，應在已知簇距離數值的基礎上，重新規劃各級分層聚類節點所處的位置。

設x代表水平方向上的電子傳輸量，y代表豎直方向上的電子傳輸量，聯立上述物理量，可將避雷器運行簇距離計算結果表示為：

式（1）中，α1、α2分別代表兩個不同的電導率系數，λ代表避雷器元件兩端的物理電壓負載條件，ΔT代表單位檢測時長。

1.2 聚類似然值估計

似然值估計是分層聚類算法應用的關鍵處理環節，可在運行簇距離值的支持下，協調與規劃避雷器設備的運行能力，使挑選出的狀態檢測參量完全符合分層聚類算法的實際應用需求。避雷器元件的運行能力受到傳輸電壓量、傳輸電流量兩項物理指標的直接影響[5-6]。為獲取聚類似然值的估計結果，將傳輸電壓量表示為U，為避雷器設備元件結構體提供正常運行的外在保障，此時，電壓量數值越大，避雷器設備的運行能力越強。傳輸電流量表示為I，作為附屬變量，該項物理指標的變化始終與傳輸電壓量保持一致。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將聚類似然值估計結果表示為：

式（2）中，kmin代表最小的避雷器運行協調指標，kmax代表最大的避雷器運行協調指標，代表運行電阻量均值，β代表電子接入系數，l代表運行電量干擾誤差，q代表避雷器設備的物理帶電系數。

1.3 組網分支長度優化

避雷器運行組網是一個相對封閉的分層聚類空間，若已知運行簇距離數值，聚類似然值估計結果可直接影響避雷器設備的實際運行能力及母線、計數器、接地線等物理設備的工作能力[7-8]。為避免分層聚類算法受到過量約束，應優化組網分支的長度數值，調試傳輸母線、避雷器等多個設備。

通常情況下，傳輸母線橫向貫穿避雷器設備頂部，直接接收高壓電網輸出的感應電子量，并將其反饋至下級設備應用元件中[9-10]。

如圖1 所示，避雷器設備必須與計數器結構相連。準確連接接地線裝置后，計數器成為唯一可干預避雷器運行能力的物理設備元件。

圖1 避雷器運行組網分支的長度優化原理

2 避雷器運行狀態檢測方法

在運行組網環境中，設置電阻率，確定交流泄漏電流值及運行檢測電壓量，設計基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法。

2.1 電阻率設置

避雷器電阻率設置并非一個獨立的處理環節，須考慮電網中多個感應電阻共同配合下的電量運行環境。

電量運行環境是指一個閉合的電子傳輸網絡。如圖2 所示，電阻R1、R2、R3在避雷器元件的作用下并聯于電路右側，三者的物理電阻數值無須完全相等，但其兩端負載的物理電壓數值必須時刻保持一致[11-12]。底端變阻設備重新收集所有流經感應電阻的傳輸電流，整合成交變電流的形式，反饋至C類耗電元件中，最終借助接地線，離開避雷器設備的控制范圍。

圖2 電阻率設置環境

設d1、d2分別代表兩個不同避雷器的運行電量系數，聯立式（2），可將電阻率設置結果定義為：

式（3）中，χ代表既定的運行電壓負載條件，代表電導率特征值。

2.2 交流泄漏電流值

交流泄露電流是指避雷器設備在運行狀態下，因為極限擊穿作用，產生的傳輸電流變化量。分層聚類算法中，極限擊穿作用越明顯，交流泄露電流的物理數值越大。不考慮其他干擾條件，交流泄露電流的計算數值受到檢測節點時間的影響，兩個檢測節點時間的物理差值越大，避雷器設備對于極限擊穿作用的抑制能力越強[13-14]。

設t1、t2分別代表兩個不同的時間節點，在分層聚類算法的影響下，t1、t2始終不能完全相等。在上述物理量的支持下，聯立式（3），可將交流泄露電流計算式定義為：

式（4）中，Δx代表單位時間內的擊穿電子變化量，f代表避雷器運行電子檢測系數，代表傳輸電子量特征值。

2.3 運行檢測電壓量

運行檢測電壓是避雷器設備的外在物理條件。若已知交流泄露電流，電阻率系數值可直接影響運行檢測電壓量的計算結果。運行檢測是指一種動態表現過程，在分層聚類算法的影響下，避雷器設備承載的電阻率越高，整個電路環境中的檢測電壓數值越穩定，最終獲得的檢測電量系數越多[15-16]。

設b代表避雷器運行電量的實際表現系數，b′代表系數b的補充說明條件，根據分層聚類算法，b和b′之間始終存在一定的系數差值，聯立式（4），可將運行檢測電壓量定義為：

式（5）中，ξ代表單位時間內的避雷器運行電子量提取系數，m代表最小的電量檢測指標數值。至此，完成各項物理系數指標的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，順利應用基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法。

3 實驗結果比對

將圖3 所示的避雷器裝置放置于既定建筑物結構體頂端，調試感應電壓，使其物理數值水平逐漸趨于穩定。在此情況下，獲取大量的傳輸電壓與電流數值，將其平均分成兩部分，其中一部分作為實驗組數據分析指標，另一部分作為對照組數據分析指標。在實驗過程中，實驗組設備主機搭載基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法，對照組設備主機搭載傳統動作協調型檢測方法。

圖3 避雷器裝置

QRT 指標反映了檢測主機記錄避雷器設備運行能力的準確性，QRT 指標數值越大，檢測主機的記錄準確性越高，反之則越低。表1 記錄了實驗組、對照組QRT 指標數值的具體變化情況。

表1 QRT指標對比

表1 中，QRT 指標始終不斷上升，但實驗前期的數值上升幅度明顯小于實驗后期。對照組QRT 指標的數值則在穩定一段時間后，開始逐漸下降。整個實驗過程中的最大數值結果達到了50.03%，遠低于實驗組數值水平。

RSC 指標描述了檢測主機對于避雷器運行狀態的保障能力。RSC 指標數值越大，檢測主機對于避雷器運行狀態的保障能力越強，實驗約束條件如下：

當信號發射機和接收機處于定點傳輸模式時，模塊不再按照通電時設置的信道和地址進行數據傳輸，而是按照用戶臨時添加的信道和地址進行數據傳輸。與透明傳輸不同，定點傳輸的發送方需要在數據前加多個字節作為目標地址和目標通道，發送數據格式（HEX）為地址+信道+數據。完成定點傳輸需要具備以下條件：

1）接收器本身的地址與通道發送器數據中指定的地址相同。

2）發送方將目標地址指定為偵聽地址，指定通道上的模塊可以接收數據。

3）同一信道的接收地址固定。

詳細的實驗數值如表2 所示。

表2 RSC指標對比

分析表2 可知，實驗組RSC 指標的數值在一段時間的波動性變化后，開始連續下降。對照組RSC指標的數值則先下降、后上升。從極限值表達來看，實驗組最大值67.9%與對照組最大值38.9%相比，上升了29.0%。

上述實驗結果表明，應用基于分層聚類算法的避雷器運行狀態檢測方法后，QRT 指標、RSC 指標均出現明顯上升，增強了檢測主機對于避雷器設備運行能力的記錄準確性，有效保障了避雷器設備運行狀態。

4 結束語

在分層聚類算法的作用下，避雷器運行狀態檢測方法可根據運行簇距離結果，優化組網分支長度，妥善計算出交流泄漏電流值、運行檢測電壓量系數的數量級水平。從實用性角度來看，QRT 指標與RSC 指標數值的增大，可增強檢測主機對于避雷器設備運行能力的記錄準確性，有效保障了避雷器運行狀態，滿足實際應用需求。