基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法

王文華 陳定標(biāo) 張旭東 趙 耀 李發(fā)元

（貴州電網(wǎng)六盤水供電局）

0 引言

變電站設(shè)備狀態(tài)對(duì)變電站整體運(yùn)行有著重要影響，通過狀態(tài)評(píng)估研究的現(xiàn)狀分析，采取有效措施確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行效率［1］。從維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行角度分析，變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估可以在未出現(xiàn)故障之前預(yù)測(cè)設(shè)備健康狀況，并及時(shí)采取維修和保養(yǎng)措施，避免設(shè)備故障［2］，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。從提高變電站設(shè)備的運(yùn)行效率角度分析，經(jīng)過一定的使用期限，一些設(shè)備由于受到環(huán)境、電壓等多種因素影響，會(huì)出現(xiàn)性能下降等問題［3］。在此時(shí)，通過狀態(tài)檢修可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)設(shè)備存在的問題，使設(shè)備恢復(fù)到最佳工作狀態(tài)，從而提高設(shè)備的運(yùn)行效率和性能指標(biāo)。現(xiàn)階段，變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)還有待提高。盡管現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但在實(shí)時(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性方面仍存在一定的局限性［4］。例如，對(duì)于一些關(guān)鍵設(shè)備的微小故障或潛在問題難以準(zhǔn)確識(shí)別和診斷。另外，電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估工作涉及大量的數(shù)據(jù)處理和分析，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作和管理［5］。然而，目前部分發(fā)電廠在這方面的人力資源配置相對(duì)薄弱，技術(shù)人員的培訓(xùn)和管理也不夠完善，影響了設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性［6］。

在此基礎(chǔ)上，本文提出基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法研究，并設(shè)置了對(duì)比測(cè)試環(huán)境，分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)評(píng)估方法的應(yīng)用性能。

1 變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估

1.1 多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

在分析多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，較為常見的方法為統(tǒng)計(jì)分析方法，包括相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析等，這也是研究不同數(shù)據(jù)源之間關(guān)系的重要手段之一［7］。考慮到變電站設(shè)備狀態(tài)自身的屬性特征，本文采用主成分分析（PCA）方法，計(jì)算和分析多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

主成分分析（PCA）作為一種常用的降維方法，它通過將原始特征線性組合成一組新的特征，這組新的特征被稱為主成分。主成分之間的正交性意味著對(duì)應(yīng)的多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)之間沒有相關(guān)性［8］，同時(shí)它們也盡可能地包含了原始數(shù)據(jù)的變異性。因?yàn)椋疚慕柚鞒煞址治鰷p少多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)集的維度，以此最大限度保留多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)中盡可能多的信息［9］。計(jì)算過程如下：

（1）原始多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：由于不同數(shù)據(jù)源的量綱可能不同，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。具體計(jì)算公式如下：

式中，xi*是標(biāo)準(zhǔn)化后的變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，xi是原始變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，是原始變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的均值，s是原始變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）計(jì)算多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣：協(xié)方差矩陣可以衡量數(shù)據(jù)源之間的相關(guān)性。具體計(jì)算公式如下：

式中，Cij是變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的元素，xij*是變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，和分別是第i和第j個(gè)數(shù)據(jù)源的均值，N是樣本數(shù)量。變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣元素的構(gòu)成受變電站設(shè)備的具體情況影響，本文設(shè)置了以下四類矩陣元素構(gòu)成，具體如表1所示。

表1 變壓器和斷路器相關(guān)參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)表

表1 變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣元素構(gòu)成

依據(jù)表1所示的變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣元素的構(gòu)成設(shè)計(jì)情況，最大限度保障分析結(jié)果的可靠性。

通過以上計(jì)算過程，可以得到一組不相關(guān)的主成分，這組主成分可以用來表示原始變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)中的主要信息。如果主成分之間存在相關(guān)性，則說明它們之間存在信息重疊，這時(shí)可以選擇更少的主成分來保留更多的信息。

1.2 變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估

結(jié)合上述分析結(jié)果，本文在變電站設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，主要是根據(jù)實(shí)際變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)特征分布閾值之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于計(jì)算多源變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)特征值和特征向量，協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量可以表示變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)源之間的相關(guān)性。具體計(jì)算公式如下：

式中，C是變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，λ是變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的特征值，E是單位矩陣。通過求解方程可以得到特征值和特征向量。

對(duì)于設(shè)備狀態(tài)評(píng)估階段主成分的選擇，本文將特征值從大到小排序，選擇前k個(gè)最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，則k個(gè)特征向量是最終的主成分。

在此基礎(chǔ)上，具體的評(píng)估方式可以表示為

式中，y表示實(shí)際變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，a表示特征向量的置信區(qū)間，結(jié)合選擇前k個(gè)最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量充分，ka的主要作用是對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。那么則有，當(dāng)修正后的變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)在變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣范圍時(shí)，則設(shè)備處于正常狀態(tài)；相反地，當(dāng)修正后的變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)不在變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣范圍時(shí)，則設(shè)備處于異常狀態(tài)。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估分析，為實(shí)際的變電站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行以及相關(guān)維護(hù)措施的有序開展提供有價(jià)值的幫助。

2 應(yīng)用測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法的有效性。為了對(duì)比分析，另外設(shè)置兩種變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法作為對(duì)照組：基于單數(shù)據(jù)源的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法和基于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法。

在具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要選擇合適的測(cè)試環(huán)境參數(shù)，收集了一座220kV變電站的主站和子站的歷史數(shù)據(jù)，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障歷史、維修記錄等。該變電站共有20個(gè)設(shè)備，收集了每個(gè)設(shè)備連續(xù)12個(gè)月的數(shù)據(jù)包括電壓等級(jí)、設(shè)備類型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。在具體的測(cè)試階段，本文主要以變壓器和斷路器作為狀態(tài)評(píng)估對(duì)象。其中，變壓器和斷路器的相關(guān)參數(shù)信息如表1所示。

在上述基礎(chǔ)上，為了能夠更加客觀地對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法性能進(jìn)行評(píng)估，設(shè)置三種方法在相同的測(cè)試工況下進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評(píng)估測(cè)試。通過對(duì)比不同方法的評(píng)估效果，對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在分析不同方法的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估效果時(shí)，本文將故障誤報(bào)次數(shù)和故障漏報(bào)次數(shù)作為具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，故障誤報(bào)次數(shù)用于衡量設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法錯(cuò)誤地檢測(cè)到設(shè)備故障的能力。故障誤報(bào)次數(shù)越小，說明在避免誤報(bào)方面的性能越好。故障漏報(bào)次數(shù)用于衡量設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法未能檢測(cè)到設(shè)備故障的能力。故障漏報(bào)次數(shù)越少，說明在檢測(cè)設(shè)備故障方面的性能越好。其中，具體的測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比結(jié)果

結(jié)合圖1所示的測(cè)試結(jié)果可以看出，基于單數(shù)據(jù)源的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法下，故障誤報(bào)次數(shù)和故障漏報(bào)次數(shù)均處于較高水平，分別達(dá)到了16次和10次；在基于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法的測(cè)試結(jié)果中，雖然故障誤報(bào)次數(shù)和故障漏報(bào)次數(shù)與基于單數(shù)據(jù)源的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法相比有所下降，但仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。相比之下，在本文設(shè)計(jì)方法的測(cè)試結(jié)果中，故障誤報(bào)次數(shù)分別低于對(duì)照組11次和10次，故障漏報(bào)次數(shù)分別低于對(duì)照組8次和5次。綜合上述測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于多數(shù)據(jù)源融合的變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法。通過整合多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，能夠更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備的狀態(tài)，從而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方法的故障誤報(bào)次數(shù)和故障漏報(bào)次數(shù)均較低，其在未來將具有更廣泛的應(yīng)用前景。未來的研究方向包括改進(jìn)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、優(yōu)化特征提取技術(shù)以及引入更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，進(jìn)一步提高變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的深度、廣度和精度。