中低壓配電自動化終端設備狀態評價技術

摘 要：終端設備是中低壓配電自動化系統中核心設備，其狀態關系到整個配電系統運行質量。但是現行評價技術在實際應用的中評價結果一致性系數較低，評價集與實際狀態集交并比也較低，因此本文提出中低壓配電自動化終端設備狀態評價技術，以設備溫度超限、電流超限、電壓超限以及振動超限為指標建立評價指標體系，利用層次分析法對設備狀態進行定量、定性評價，給出中、低壓配電自動化終端設備狀態評價。經試驗證明，本文技術的一致性系數在0.96以上，評價集與實際狀態集交并比接近1，可以對設備狀態進行精準評價。

關鍵詞：中低壓配電；自動化終端設備；狀態評價；指標體系；層次分析法

中圖分類號：TM 73" " " " " " " " 文獻標志碼：A

中、低壓配電自動化終端設備主要包括站所終端、饋線終端、配電變壓器終端和故障指示器等。這些設備利用先進的通信技術和計算機技術，對配電網重要設備運行數據進行采集、調節和控制，從而對配電網進行實時監控和管理。中、低壓配電自動化終端設備的運行狀態直接影響配電網的安全、穩定運行，因此對其進行狀態評價至關重要。中、低壓配電自動化終端設備狀態評價目的是對設備運行狀態進行實時監測和分析，及時發現設備存在的潛在問題，為設備的預防性維護和故障處理提供依據。這有助于提高設備的可靠性和穩定性，減少故障率，降低運維成本，提高供電質量。隨著配電自動化技術廣泛應用與發展，自動化終端設備狀態評價受到研究領域的重視與關注。

文獻[1]提出了一種智能評價思路，利用綜合分析法對設備狀態綜合評價。文獻[2]在研究中提出了基于灰色分析法的評價技術，闡述了評價技術流程。雖然現行技術在一定程度上提高了評價效率，但是自動化終端設備狀態影響因素多樣化、復雜化，評價難度較高，在實際應用中現行技術難以反映出設備的真實狀態，因此本文提出中、低壓配電自動化終端設備狀態評價技術。

1 狀態評價指標體系建立和數據預處理

在中、低壓配電自動化系統中，終端設備狀態主要與溫度、電流、電壓和振動4個因素有關，當終端設備處于正常狀態時，設備溫度、電流、電壓以及振動數值會在常規范圍內變化；當設備出現故障、處于異常狀態時，以上四4個狀態參量值會超過常規范圍，進而發生以下4種情況。1） 溫度超限。溫度超限會對電器設備的使用壽命產生影響，縮短電器設備的使用壽命，導致設備故障率增高，加速設備老化、燒壞，增加設備的故障率。極端情況下還可能導致電路燒毀，引發電器火災事故。2） 電流超限。由于電路中的用電器過多導致超負荷故障或者短路故障，使電路發熱嚴重，導致設備損壞，也可能引發火災事故。3） 壓超限。電壓超限可能導致設備工作在過高或過低電壓下，加速設備老化、燒壞。電壓過高或過低會損壞防護裝置，增加電氣事故風險。電壓與設備耗能間存在一定關系，電壓過高或過低會導致設備能耗增加，造成能源浪費。4） 振動超限。振動過大將會導致軸承烏金疲憊損壞，并造成通流局部磨損，嚴重時會導致大軸彎曲，還將使部件承受大幅交變應力，間接造成轉子、螺栓和地基等損壞。

綜上所述，當中、低壓配電自動化終端設備的溫度、電流、電壓以及振動數值超限時，可能會導致設備損壞、故障率增高、能耗增加和電氣事故風險增大，甚至可能引起火災，威脅電力系統的穩定運行和人身財產安全。因此評價終端設備狀態時，應將設備溫度超限、電流超限、電壓超限、振動超限作為指標，建立狀態評價指標體系，如圖1所示。

根據建立的指標體系，利用無線傳感器自動收集終端設備溫度、電流、電壓和振動狀態數據信息，采用串并聯的方式將4種無線傳感器接入終端設備總線，并根據實際情況設置無線傳感器采樣周期、頻率和分辨率等參數，利用JKHFA-A4V5讀卡器自動讀取無線傳感器感知到的數據信息。考慮原始數據數值在不同范圍內，數值間存在尺度差異。利用這些不同尺度的數據直接進行比較或分析，可能會導致結果不準確或出現誤導。因此對采集的原始數據進行歸一化處理，將實際的變量值轉換到適宜的范圍內，消除不同變量間的尺度差異，使數據具有可比性，以便更容易地進行比較和分析。歸一化過程如公式（1）所示。

對采集的終端設備狀態變量歸一化處理可將數據轉換為標準正態分布的形式，消除不同變量間的尺度差異，使它們具有相同的數值范圍。根據感知的數據值，將歸一化后的數據保持原始數據的相對關系，轉換到同一尺度上，保證不同尺度的數據能夠用于比較，結合歸一化處理結果，確定指標體系中各項指標值，如公式（2）所示。

yi=||x-xi，max|| （2）

式中：yi為終端設備第i個狀態變量超限值；xi，max為終端設備第i個狀態變量上限。

2 設備狀態定量評價

考慮每個指標對終端設備狀態影響程度不同，采用層次分析法對各項指標賦權，確定各項評價指標權重系數。層次分析法將復雜的決策問題分解為目標、準則和方案等層次，形成一個多層次的分析結構模型，在中、低壓配電自動化終端設備狀態評價中，需要系統地考慮各種因素（例如溫度、電流、電壓和振動等）對終端設備狀態的影響，利用構建判斷矩陣等定量手段來確定這些因素的權重。這種定性與定量相結合的方法能夠更準確地反映各指標對終端設備狀態的實際影響，減少主觀因素對權重分配的影響，提高權重分配的客觀性和準確性。結合終端設備第i個狀態變量超限值yi，將指標權重系數如公式（3）所示。

?i=（εi×mi）/ρi （3）

式中：?i為終端設備狀態評價指標體系中第i個指標權重系數；εi為第i個指標標度值；mi為第i個指標專家評分值；ρi為第i個指標隸屬度值[4]。

在層次分析法中指標標度值確定規則如下：隨機選擇2個指標a、b，比較指標a與指標b，如果指標a對終端設備狀態的影響比指標b稍大，則指標a的標度值取值為1，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性略高于指標b，但是差異不大；如果指標a對終端設備狀態影響比指標b重要，則指標a的標度值取值為3，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性明顯大于指標b；如果指標a對終端設備狀態的影響比指標b更大，則指標a的標度值取值為5，表示在決策或評價過程中，指標a的重要性遠超指標b；如果指標a對終端設備狀態影響與指標b同等重要，即兩者在評價終端設備狀態過程中都具有重要作用，則指標a的標度值取值為7，表示在決策或評估過程中，指標a和指標b的重要性是相同的[5]。按照以上規則確定各項指標標度值，代入公式（3）終端設備狀態評價指標體系中第i個指標權重系數?i中，即可得到各個指標權重系數，利用評價函數對終端設備狀態進行綜合評價，定量評價終端識別狀態，如公式（4）所示。

式中：μ為終端設備狀態異常指數[6]。

通過以上計算對終端設備狀態進行定量評價，利用異常指數表征終端設備狀態異常程度。

3 設備狀態定性評價

在以上文基礎上對自動化終端設備狀態進行定性評價，即評價設備狀態正常或者異常和異常程度。根據實際情況設定一個閾值，比較計算出的終端設備狀態異常指數μ與閾值，評價終端設備狀態如公式（5）所示。

式中：v為終端設備狀態評價結果；1為終端設備狀態異常；0為終端設備狀態異常[7]。

當評價為終端設備狀態異常時，評價終端設備狀態異常程度，確定異常等級。根據需求，本文設計了輕微異常、嚴重異常和極其異常3個評語，根據終端設備狀態異常指數超出閾值程度，確定終端設備狀態異常等級，如公式（6）所示。

式中：K為終端設備狀態異常程度評價結果；WR為輕微異常；FG為嚴重異常；ER為極其異常[8]。

如果計算結果顯示終端設備狀態異常指數超過設定的基礎閾值，但是還未觸及該閾值的30%上限，就會將設備的狀態異常等級判定為“輕微異常”。在這種輕微異常的狀態下，終端設備的主要功能部分可能會受一定影響，發生部分功能喪失現象。為了不影響整體系統的運行效率和安全性，立即啟動故障維修流程，保證在3 d（72 h）內完成對故障設備的檢查和修復工作。

如果終端設備狀態異常指數進一步升高，超過閾值的30%但是還未觸及50%的界限，此時，終端設備狀態異常等級將提升至“嚴重異常”。在這種狀態下，設備的主要功能已經完全喪失，無法再支持系統的正常運作。為了盡快恢復系統的穩定性，在24 h內完成對設備的緊急維修。當終端設備狀態異常指數突破閾值的50%時，終端設備已經完全損壞，無法再修復，此時，終端設備狀態異常等級將達到最高的“極其異常”。

在這種緊急情況下，為了保證中低壓配電自動化正常運行，需要立即啟動設備更換流程，保證在最短時間內為系統替換上新的終端設備。緊急應對措施旨在最大程度地減少設備故障可能帶來的損失，保證整個系統的穩定性和可靠性。確定好終端設備異常等級后，對終端設備狀態進行定量評價整合，生成終端設備狀態評價報告，至此完成中、低壓配電自動化終端設備狀態評價。

4 試驗論證

4.1 試驗準備與設計

本文通過試驗驗證所提評價技術的性能，以某中、低壓配電網為試驗對象。該配電網存在自動化終端設備8臺，經常出現故障，符合試驗需求，利用本文技術對配電區域內所有終端設備進行狀態評價。按照建立的指標體系，在配電區域內為每個終端設備安裝溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器以及振動傳感器。采集指標數據信息2.34GB，對數據進行預處理和分析，確定各個終端設備狀態異常指數和狀態異常等級。在試驗過程中選擇PT100溫度傳感器，測量范圍為-50℃～+150℃，精度為±0.5℃，輸出信號為電阻信號（在零攝氏度下阻值為100Ω，在100℃下阻值為138.5005Ω），高溫報警閾值為80℃，低溫報警閾值為-10℃。HKA-F1電流傳感器額定輸入電流為100A，測量電流范圍為0A～200A，額定輸出電壓為（4±1%）V，過載報警閾值為120A（即1.2倍額定電流）。CHV-50VS電壓傳感器測量頻率為DC～20kHz，精度為1.0%，響應時間為20μs～200μs，線性度lt;1%，電源電壓為±12V～15V（±5%），電源耗電為35mA。L14H振動傳感器線性度為5%，精度為5%，溫度為-10℃～120℃，頻響2Hz～5000Hz，工作溫度為-40℃～+120℃，靈敏度為50%。具體評價結果見表1。

為了使試驗結果具有一定學術性和參考性價值，試驗將本文技術與文獻[1]技術、文獻[2]技術進行比較，比較指標為一致性系數和交并比。一致性系數可以表征評價結果與實際情況的相符程度，交并比是指評價結果與實際狀態交集和并集的比例，可以表征評價準確性，一致性系數值為[0～1]，數值越高，表示評價狀態與設備實際狀態相符程度越高；交并比值為[-1～1]，數值越接近1，表示狀態評價越準確。

4.2 試驗結果與討論

表2、表3給出了3種技術一致性系數、評價集與實際狀態集交并比測評結果見表2、表3。

分析表2、表3中的數據可得出試驗結論：設計技術一致性系數在0.96以上，最高為0.99，明顯高于文獻[1]技術和文獻[2]技術，因此從評價結果與實際相符程度方面來看，本文技術表現最佳，并且其評價集與實際狀態集交并比值非常接近1，平均值為0.989，文獻[1]技術和文獻[2]技術交并比不超過0.93，遠低于本文技術。原因是本文技術應用了層次分析法處理中、低壓配電自動化終端設備狀態評價各指標間相互影響的復雜層次關系，并給出了合理的權重分配。層次分析法是一種結構化的決策方法，適合處理復雜的決策問題，尤其是涉及多個相互關聯因素的決策問題。因此上述對比證明了微博技術可以對中、低壓配電自動化終端設備狀態進行精準評價，技術應用效果良好，具有良好的適應性與可行性。

5 結語

本文結合相關文獻資料，對自動化終端設備狀態評價進行了研究，在原有技術基礎上對其進行了創新與優化，提出了新的評價技術，有效提高了評價精度。該技術不僅是保障電力系統穩定運行的重要工具，更是推動電力行業持續發展的關鍵技術之一。隨著技術不斷進步，評價技術正朝著智能化、網絡化、模塊化和集成化的方向發展，這將進一步提高評價的準確性和效率性，為電力系統的管理和維護提供更科學、高效的技術支持。

參考文獻

[1]龐中原，欒奇童，程薪穎，等.配電自動化終端設備狀態智能評價方法[J].自動化應用，2023，64（24）：110-111，115.

[2]袁雨桐，李睿林.配電自動化終端設備狀態評價方法研究[J].光源與照明，2023（11）：207-209.

[3]陳夕.基于大數據分析的配電自動化終端精益化管理平臺研究[J].海峽科學，2023（11）：32-36.

[4]史德生.配電自動化終端設備的故障與狀態評估分析[J].集成電路應用，2023，40（10）：76-77.

[5]袁啟洪，何連杰，張林利，等.基于修正權重故障樹模型的終端狀態綜合自評價方法研究[J].電力信息與通信技術，2023，21（7）：75-81.

[6]陳洪濤，郭艷春，楊澤棟.計及配電終端可靠性的配電網運行風險分析方法[J].科技資訊，2023，21（10）：38-42.

[7]傅文進，陸嘯天，曹保山.基于狀態序列的配電終端設備運維狀態診斷技術[J].自動化應用，2022（7）：114-116.

[8]劉皓璐，邵建偉，王雪，等.基于數字孿生的配電自動化終端設備狀態評價與故障預判[J].電網技術，2022，46（4）：1605-1613.