中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)可靠性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

楊 闖，劉玉龍，邸英杰

（國網(wǎng)冀北電力公司樂亭縣供電分公司，唐山 063600）

中低壓開關(guān)設(shè)備各項(xiàng)性能評(píng)判序列的優(yōu)良性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和效率。為了降低電力系統(tǒng)的安全隱患，增強(qiáng)其運(yùn)行效率，對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)展開可靠性識(shí)別，相關(guān)研究全面展開，以此促進(jìn)我國電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高。

文獻(xiàn)[1]提出一種基于故障樹模型的中低壓開關(guān)設(shè)備可靠性分析技術(shù)，通過蒙特卡洛方法實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備的可靠性分析，但計(jì)算成本較大，消耗過多可用資源。文獻(xiàn)[2]提出一種基于各薄弱單元退化參數(shù)影響下的中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)計(jì)算技術(shù)，利用樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫判斷出開關(guān)的薄弱單元，得到滿足性能評(píng)判序列的中低壓開關(guān)運(yùn)行態(tài)勢(shì)，但在計(jì)算過程中出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算現(xiàn)象，降低計(jì)算效率。文獻(xiàn)[3]提出一種結(jié)合基于博弈論組合賦權(quán)和云模型的中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行效率識(shí)別技術(shù)，利用G1 賦權(quán)法和熵權(quán)法分別對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備模糊綜合評(píng)判序列的主客觀權(quán)重展開計(jì)算，得到中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的最終識(shí)別結(jié)果，但忽視了隨機(jī)性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的干擾，具有一定的局限性。

為了解決以往研究過程中存在的問題，本文提出中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

1 運(yùn)行態(tài)勢(shì)模糊綜合評(píng)判

將運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別問題轉(zhuǎn)換為一種完全模糊綜合評(píng)判問題，賦予其自動(dòng)化屬性，對(duì)運(yùn)行態(tài)勢(shì)相關(guān)評(píng)判序列加以計(jì)算[4-5]。運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)化識(shí)別過程主要分為下文所述的幾個(gè)步驟。

1.1 確定3 個(gè)關(guān)鍵要素

（1）因素集

因素集是一種包含所有影響中低壓開關(guān)設(shè)備（即評(píng)判對(duì)象）正常運(yùn)行因素的集合[6]，用V 表示，表達(dá)式如下：

式中：vo表示第o 個(gè)影響因素，且o=1，2，…，m。

式中：βo表示權(quán)重，同時(shí)也代表中低壓開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)的“失效模式重要度[7-8]，主要用于體現(xiàn)影響因素的隸屬度：

（2）備擇集

備擇集是一種包含中低壓開關(guān)設(shè)備所有可能的評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，用B 表示，表達(dá)式如下：

式中：評(píng)判結(jié)果bk由工作人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況而定。

（3）單因素評(píng)判

單因素評(píng)判主要用于體現(xiàn)因素集中評(píng)判結(jié)果bk用vo表示的程度，備擇集中的模糊子集表示為

式中：tok=vT（vo，bk），0≤tok≤1；作為備擇集中的模糊子集[9]，起到對(duì)所有單因素構(gòu)建上述關(guān)系的作用，以此可以獲取V 和B 之間的模糊關(guān)系表達(dá)式：

將上式轉(zhuǎn)換為一種矩陣以便計(jì)算：

1.2 單因素綜合評(píng)判

式中：N 表示備擇集B 中的模糊子集；nk表示評(píng)判結(jié)果bk對(duì)N 的隸屬程度；“?”表示模糊運(yùn)算中的通用算子。

1.3 模糊綜合評(píng)判結(jié)果自動(dòng)化處理

模糊綜合評(píng)判集N 在實(shí)際應(yīng)用中作為綜合評(píng)判結(jié)果，因此可以通過自動(dòng)加權(quán)平均法確定中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別的最終結(jié)果，加權(quán)平均法的計(jì)算原理是將綜合評(píng)判結(jié)果N 中元素bk的冪作為權(quán)數(shù)并對(duì)其展開自動(dòng)加權(quán)平均處理，以此得到滿意解，計(jì)算方法如下：

式中：l 表示冪指數(shù)，通常取值為1 或2。該滿意解即為中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別結(jié)果。

2 運(yùn)行態(tài)勢(shì)可靠性自動(dòng)識(shí)別方法

2.1 模糊綜合評(píng)判序列關(guān)聯(lián)度分析

為了對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)展開更精確的綜合識(shí)別，在獲取其自動(dòng)模糊綜合評(píng)判序列的基礎(chǔ)上，需要對(duì)該評(píng)判序列關(guān)聯(lián)度作進(jìn)一步的分析，獲取較優(yōu)的評(píng)判序列。

灰色關(guān)聯(lián)分析法（grey relation analysic，GRA）是一種多評(píng)判序列分析方法，其主要計(jì)算原理是根據(jù)不同評(píng)判序列的樣本數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)并利用灰色關(guān)聯(lián)度區(qū)分每個(gè)評(píng)判序列之間關(guān)系的大小、強(qiáng)弱以及次序，以此篩選出排名靠前的評(píng)判序列，增加評(píng)判序列間的關(guān)聯(lián)度，提升自動(dòng)識(shí)別結(jié)果可靠性。具體步驟如下：

（1）建立評(píng)判序列數(shù)列：

式中：Dqm表示第q 項(xiàng)評(píng)判序列和m 個(gè)設(shè)備的o 類故障，且o=1，2，3，…，q。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于中低壓開關(guān)設(shè)備不同評(píng)判序列的單位和量級(jí)不同，無法直接對(duì)其展開比較。因此需要在計(jì)算其關(guān)聯(lián)度之前，通過一種效用函數(shù)對(duì)所有評(píng)判序列數(shù)據(jù)展開歸一化處理[12-13]，對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備效益型數(shù)據(jù)和成本型數(shù)據(jù)的計(jì)算方法如下：

效益型評(píng)判序列數(shù)據(jù)：

成本型評(píng)判序列數(shù)據(jù)：

式中：xi（o）表示歸一化后的評(píng)判序列值。

2.2 評(píng)判序列的可靠性權(quán)重優(yōu)化

（1）關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算[14-15]：

通過關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算各個(gè)評(píng)判序列的評(píng)判序列值和最優(yōu)評(píng)判序列值之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)α（k）：

式中：σ 表示可靠性分辨系數(shù)，且σ∈［0，1］，通常將其取值為0.5 以提升關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的分辨率。

（2）求出可靠性權(quán)重優(yōu)化結(jié)果Ak：

式中：θo表示第o 個(gè)評(píng)判序列的可靠性權(quán)重。

將得到的關(guān)聯(lián)度按照從大到小的次序排列，關(guān)聯(lián)度α（k）越大，說明該評(píng)判序列為最優(yōu)評(píng)判序列的可能性越大，即自動(dòng)識(shí)別結(jié)果的可靠性越高，通過一系列分析比較即可得到較優(yōu)的模糊綜合評(píng)判序列，以此提高中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的計(jì)算效率與可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的整體可靠性，需要對(duì)其展開測(cè)試。

以一臺(tái)DZ20 斷路器為例，假設(shè)斷路器額定電流為30 A，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置電流為25 A，電壓為220 V，記錄數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間為20 min，數(shù)據(jù)記錄間隔為10 s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

根據(jù)表1，繪制出電流、電壓、功率和溫度的波形圖和趨勢(shì)圖等，進(jìn)一步分析設(shè)備的運(yùn)行態(tài)勢(shì)。例如，從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)溫度隨著時(shí)間增加而升高，存在過熱的情況，存在故障。實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）確定實(shí)驗(yàn)電路，并設(shè)置電流和電壓等參數(shù)。

（2）打開開關(guān)設(shè)備，開始記錄其運(yùn)行數(shù)據(jù)，需要記錄的數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率、溫度等。

（3）持續(xù)記錄數(shù)據(jù)一段時(shí)間，并觀察開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)停止記錄并處理。

（4）對(duì)記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，可以采用數(shù)據(jù)可視化的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。例如，對(duì)電流和電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行波形圖分析，對(duì)功率和溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)圖分析。

故障率預(yù)測(cè)是衡量中低壓設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別技術(shù)優(yōu)劣的一個(gè)重要評(píng)判序列，為了進(jìn)一步體現(xiàn)所提技術(shù)的可行性，采用3 種技術(shù)分別對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備在后180 天的設(shè)備故障率展開預(yù)測(cè)并與實(shí)際預(yù)測(cè)值展開比較，由此得到的結(jié)果如圖1 所示。

圖1 各技術(shù)故障率預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1 Prediction results of failure rates for various technologies

由圖1 可得，在同樣的測(cè)試條件下，2 種傳統(tǒng)技術(shù)的故障預(yù)測(cè)率與實(shí)際值相差較大，均有不同程度的誤差，導(dǎo)致中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別結(jié)果不夠準(zhǔn)確，影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。所提技術(shù)能夠獲得與實(shí)際預(yù)測(cè)值最為接近的故障預(yù)測(cè)率，有效地提高中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別的效率和精度。

從計(jì)算效率的角度可以更精確地驗(yàn)證所提技術(shù)的優(yōu)異性，因此實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取100 組影響因素作為測(cè)試條件，在因素不斷增加的條件下，分析3 種技術(shù)的耗時(shí)情況，如表2 所示。

表2 各技術(shù)耗時(shí)情況Tab.2 Time consumption of each technology

分析表2 可知，由于文獻(xiàn)[1]技術(shù)的計(jì)算過程中重復(fù)計(jì)算步驟較多，隨著同一測(cè)試條件下的影響因素增加，該技術(shù)的耗時(shí)也大幅度增加；文獻(xiàn)[2]技術(shù)在文獻(xiàn)[1]技術(shù)的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步優(yōu)化，但由于其具有一定的局限性，耗時(shí)情況不夠穩(wěn)定，影響識(shí)別效率。相比之下，所提技術(shù)有了更進(jìn)一步改進(jìn)，在計(jì)算精度更優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)算法的同時(shí)考慮到了識(shí)別過程中可能出現(xiàn)的可接受狀態(tài)，減少計(jì)算時(shí)間，提高識(shí)別效率。

可靠性的定義是中低壓開關(guān)設(shè)備在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，是識(shí)別中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)的重要評(píng)判序列之一。實(shí)驗(yàn)設(shè)定中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)真值，并將運(yùn)行態(tài)勢(shì)作為測(cè)試條件，隨著時(shí)間的增加，利用所提技術(shù)和文獻(xiàn)[1]技術(shù)、文獻(xiàn)[2]技術(shù)得到中低壓設(shè)備的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，得到3 種技術(shù)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)曲線與真值曲線的對(duì)比結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 各技術(shù)運(yùn)行態(tài)勢(shì)曲線對(duì)比結(jié)果Fig.2 Comparison results of reliability curves for various technologies

由圖2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，經(jīng)2 種傳統(tǒng)技術(shù)得到的運(yùn)行態(tài)勢(shì)曲線與真值曲線有不同程度上的差距，使得識(shí)別結(jié)果的可靠性較低，直接影響中低壓設(shè)備的安全性；相比之下，所提技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，得到的運(yùn)行態(tài)勢(shì)曲線與真值曲線最為接近，且具有較高的識(shí)別精度和可靠性。

4 結(jié)語

設(shè)備運(yùn)行效率和識(shí)別效率等方面存在問題，且整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別可靠性較低，由此提出中低壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢(shì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，并分析了中低壓開關(guān)設(shè)備模糊綜合評(píng)判序列，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法提取較優(yōu)的評(píng)判序列，通過模糊綜合評(píng)判方法完成識(shí)別結(jié)果的可靠性權(quán)重優(yōu)化，使得運(yùn)行態(tài)勢(shì)識(shí)別過程具有較高的識(shí)別效率、計(jì)算精度和可靠性。