葉海峰, 羅穎婷, 許海林, 李煬, 李國(guó)政

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510000； 2. 廣州佰聆數(shù)據(jù)股份有限公司，廣州 510000)

0 引言

變壓器狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題，是變壓器狀態(tài)檢修的重要依據(jù)，直接影響到狀態(tài)檢修的質(zhì)量和效果。目前依據(jù)相關(guān)導(dǎo)則的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛采用打分或者扣分的方式來(lái)判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，這就需要對(duì)變壓器各狀態(tài)量進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的賦值工作。但權(quán)重系數(shù)的確定一直以來(lái)都是變壓器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估里的難點(diǎn)，傳統(tǒng)上主要采用專家經(jīng)驗(yàn)法、層次分析法等權(quán)重確定方法，在很大程度上依賴于人的主觀意見(jiàn)，沒(méi)有考慮到多個(gè)狀態(tài)量之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，客觀上存在較多重復(fù)扣分的可能性，會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)存在較大的偏差。

相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究：文獻(xiàn)[1-7]利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)算法，從物元理論、灰色理論、DS證據(jù)理論、模糊數(shù)學(xué)等方面進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的應(yīng)用研究。在變壓器狀態(tài)特征量和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)間建立起了具有較好應(yīng)用效果評(píng)估的模型。但由于在實(shí)踐中，有很多關(guān)鍵試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)很難收集到,使得上述數(shù)學(xué)方法在狀態(tài)等級(jí)的劃分、隸屬函數(shù)的建立上更多的停留在理論階段,權(quán)重系數(shù)確定的主觀性問(wèn)題仍沒(méi)能較好地解決。

文獻(xiàn)[8]從大數(shù)據(jù)應(yīng)用角度出發(fā)，運(yùn)用支持向量機(jī)等分類數(shù)據(jù)挖掘算法構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。一定程度上解決了權(quán)重系數(shù)確定的主觀性問(wèn)題，但分類數(shù)據(jù)挖掘算法需要大量多維度高質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)支撐,而目前電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效提取和融合分析難度較大。

目前大部分研究，一方面沒(méi)能很好地利用實(shí)際狀態(tài)量數(shù)據(jù)解決好權(quán)重系數(shù)的主觀性問(wèn)題，一方面單純采用數(shù)據(jù)挖掘算法還缺乏對(duì)變壓器狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這類復(fù)雜決策問(wèn)題的有效應(yīng)用。本文基于變壓器老化機(jī)理分析構(gòu)建出變壓器狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，分別從變壓器自然老化與變壓器加速老化兩個(gè)過(guò)程，對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行更高置信度的考察，最后在此基礎(chǔ)上完成變壓器狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

1 基于變壓器老化的狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

變壓器老化過(guò)程分為自然老化過(guò)程和加速老化過(guò)程兩大類：變壓器自然老化是一種正常的現(xiàn)象；而變壓器加速老化是變壓器狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)主要原因，實(shí)踐證明，大多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統(tǒng)加速老化而造成。狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 基于變壓器老化的狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建思路

針對(duì)自然老化過(guò)程，基于層次分析法完成狀態(tài)量間常權(quán)重系數(shù)的確認(rèn)；同時(shí)，基于關(guān)聯(lián)規(guī)則考察自然老化綜合狀態(tài)量與缺陷率之間推理規(guī)則集，完成自然老化過(guò)程客觀權(quán)重系數(shù)的確認(rèn)；最后基于均方差法完成主觀權(quán)重系數(shù)和客觀權(quán)重系數(shù)的融合,最終完成自然老化評(píng)估中權(quán)重系數(shù)的確認(rèn)。

針對(duì)加速老化過(guò)程，本文基于油色譜數(shù)據(jù)和電氣數(shù)據(jù)，構(gòu)建出絕緣紙老化、絕緣油劣化特征風(fēng)險(xiǎn)特征與緊急重大缺陷的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)概率預(yù)測(cè)完成加速老化評(píng)估中權(quán)重系數(shù)的確認(rèn)，最終達(dá)到對(duì)變壓器綜合狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更加客觀、準(zhǔn)確的評(píng)估。

具體的狀態(tài)量與老化過(guò)程設(shè)備性能和部件的關(guān)系如下圖2所示。

其中，自然老化過(guò)程包括初始狀態(tài)、環(huán)境因素、負(fù)荷情況、機(jī)械性能、滲漏情況、聲音異響、外觀異常和歷史缺陷情況等八個(gè)綜合狀態(tài)量，綜合狀態(tài)量下的基礎(chǔ)狀態(tài)量可以按本體、套管、冷卻系統(tǒng)、分接開(kāi)關(guān)和非電量保護(hù)系統(tǒng)等部件進(jìn)行劃分。加速老化過(guò)程包括熱性能、絕緣性能和電氣性能：其中，熱性能主要有運(yùn)行油溫、繞組紅外測(cè)溫等；絕緣性能主要有油色譜分析，絕緣油分析等電氣性能則包括短路情況、繞組絕緣電阻等。

2 變壓器狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案

2.1 基于層次分析與關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的自然老化狀態(tài)評(píng)價(jià)

針對(duì)自然老化過(guò)程，本文首先依據(jù)南網(wǎng)導(dǎo)則，將設(shè)備自然老化評(píng)估和基礎(chǔ)狀態(tài)量滿分設(shè)置為100分，并將得分標(biāo)準(zhǔn)score的設(shè)置結(jié)合基礎(chǔ)狀態(tài)量的嚴(yán)重程度劃分為以下4個(gè)等級(jí)，具體基礎(chǔ)狀態(tài)量得分值為式(1)。

(1)

并依據(jù)前文構(gòu)建的變壓器狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系及公式1，得到自然老化8個(gè)綜合狀態(tài)量中所有基礎(chǔ)狀態(tài)量的得分，記做X，如式(2)。

X=(score1,score2,…,score8)

(2)

然后通過(guò)層次分析法計(jì)算各基礎(chǔ)狀態(tài)量重要性的排序指數(shù), 狀態(tài)量的數(shù)量設(shè)為n,兩兩對(duì)比狀態(tài)量可分別設(shè)為i、j,相對(duì)重要性的值設(shè)為aij，利用標(biāo)度法比較矩陣A，如式(3)。

A=(aij)n×n

(3)

得到一致性判斷矩陣C=(cij)n×n，如式(4)。

(4)

圖2 變壓器狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系

(5)

于是，通過(guò)層次分析法分別獲得自然老化過(guò)程中各綜合狀態(tài)量(初始狀態(tài)、環(huán)境因素…)的主觀權(quán)重向量Wk和整個(gè)自然老化過(guò)程的主觀權(quán)重系數(shù)pi。

然后，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘出Q1:不同綜合狀態(tài)量與Q2:自然老化狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 接下來(lái)半年是否發(fā)生缺陷之間的推理規(guī)則集，計(jì)算置信度C，如式(6)。

C=confidence(Q1→Q2)=P(Q1∪Q2)/P(Q1)×100%

(6)

再對(duì)自然老化8個(gè)綜合狀態(tài)量的置信度進(jìn)行比較，根據(jù)其置信度的大小來(lái)確定各單項(xiàng)綜合狀態(tài)量的客觀權(quán)重系數(shù)。其計(jì)算式為式(7)。

(7)

其中qi為自然老化過(guò)程中第i項(xiàng)綜合狀態(tài)量的客觀權(quán)重系數(shù)；Ci為第i項(xiàng)綜合狀態(tài)量的置信度。

然后，基于均方差法開(kāi)展主觀權(quán)重系數(shù)pi和客觀權(quán)重系數(shù)qi的數(shù)據(jù)融合。具體計(jì)算步驟如下：

假設(shè)有m個(gè)綜合狀態(tài)量的樣本值，則式(2)X等價(jià)于Xij，其中，i∈(1,2,…,8)表示8個(gè)綜合狀態(tài)量，j∈(1,2,…,m)表示個(gè)綜合狀態(tài)量有m個(gè)樣本值。則體現(xiàn)主客觀信息集成特征的綜合權(quán)重系數(shù)W={wi} 為式(8)～式(9)。

wi=k1pi+k2qi

(8)

(9)

(10)

其中，k1>0,k2>0,k1+k2=1。

則自然老化狀態(tài)評(píng)分score1為式(11)。

score1=X*Wk*Wi

(11)

此時(shí)，評(píng)分在[90,100]時(shí)，判定為正常；[80,90]時(shí)，判定為需注意；[70,80]判定為異常，小于70判定為嚴(yán)重。

2.2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的加速老化狀態(tài)評(píng)價(jià)

變壓器的加速老化過(guò)程主要體現(xiàn)在絕緣性能的退化上，具體表現(xiàn)在絕緣紙的加速老化過(guò)程上。而絕緣紙的加速老化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其中絕緣紙所處的環(huán)境是最主要的影響因素。具體地，絕緣紙所處環(huán)境的溫度、自身產(chǎn)生的電場(chǎng)、含水量、所處環(huán)境的酸值等都會(huì)加速絕緣紙的老化。同時(shí)，絕緣紙的加速老化過(guò)程往往伴隨著絕緣油的劣化過(guò)程。通過(guò)梳理絕緣紙老化與絕緣油劣化、的機(jī)理分析，最終選取圖2中的24個(gè)狀態(tài)量作為變壓器加速老化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估特征，構(gòu)建出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的變壓器加速老化評(píng)估模型

則只要計(jì)算出聯(lián)合概率分布 ，就能計(jì)算出 的信度。由邊際分布的性質(zhì)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)本身包含的條件獨(dú)立性，可得式(12)。

(12)

具有n個(gè)樣本X={X1,X2,…,Xn} ，其中，Xi=(A1i,A2i,…,D11i,D12i)通過(guò)圖3的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)下個(gè)月緊急重大缺陷發(fā)生的概率p，n個(gè)樣本的預(yù)測(cè)概率如式(13)。

I(X):g(X)→p

(13)

根據(jù)式(12)和式(13)，便可計(jì)算出綜合狀態(tài)量與緊急重大缺陷的條件概率分布，當(dāng)概率風(fēng)險(xiǎn)小于0.05時(shí)，加速老化狀態(tài)判定為正常；在0.05～0.1間時(shí)，判定為需注意；0.1～0.2間，判定為異常；大于0.2則變壓器加速老化風(fēng)險(xiǎn)判定為嚴(yán)重。

3 實(shí)例研究

3.1 算例數(shù)據(jù)

對(duì)廣東電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中2017年2月-2017年10月的油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，形成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)集，共包含65857條數(shù)據(jù)記錄。以某變電站運(yùn)行年限為8年的1號(hào)主變(220 kV)為例，其運(yùn)行環(huán)境濕度超標(biāo)、外觀正常、負(fù)荷情況正常、機(jī)械性能正常、儲(chǔ)油柜輕微滲漏、存在聲音異響、外觀正常、近一年有發(fā)生過(guò)緊急重大缺陷、熱性能正常、油色譜分析正常、電氣性能測(cè)試異常(鐵芯接地電流0.21)。

3.2 研究結(jié)果

為驗(yàn)證模型的試驗(yàn)結(jié)果，一方面針對(duì)自然老化過(guò)程，通過(guò)式(1)得到自處狀態(tài)量的分值，通過(guò)式(3)～(5)得到所有基礎(chǔ)狀態(tài)量的主觀權(quán)重系數(shù)p和綜合狀態(tài)量的主觀權(quán)重系數(shù)p0=(0.156,0.039,0.049,0.230,0.308,0.079,0.055,0.084)，如表1所示。

總數(shù)據(jù)庫(kù)中有5 000組數(shù)據(jù)，發(fā)生缺陷189例，其中初始狀態(tài)、環(huán)境因素、負(fù)荷情況、機(jī)械性能、滲漏情況、聲音異響、外觀異常、歷史缺陷異常的次數(shù)分別為2、3、1、60、82、5、3、18例，而熱性能、油色譜分析結(jié)果、絕緣油分析結(jié)果、電氣性能綜合狀態(tài)量超標(biāo)總次數(shù)分別為50、60、28、700、1 169、57、100、286例，根據(jù)式(6)可分別計(jì)算熱性能、油色譜分析結(jié)果、絕緣油分析結(jié)果、電氣性能綜合狀態(tài)量超標(biāo)的置信度分別為0.04、0.05、0.036、0.086、0.07、0.088、0.03、0.063。

再由式(7)即得客觀權(quán)重系數(shù)：

q0=(0.086,0.108,0.078,0.186,0.151,0.19,0.065,0.136)

然后，根據(jù)式(8)～(10)對(duì)客觀權(quán)重系數(shù)和主觀權(quán)重系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到自然老化過(guò)程的綜合權(quán)重系數(shù)為：(0.111,0.072,0.059,0.201,0.216,0.156,0.058,0.122)。最后，根據(jù)式(11)我們得到自然老化過(guò)程的評(píng)分score1為89.5，自然老化狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)判定為需注意；而此時(shí)，若只采用主觀權(quán)重系數(shù)，則自然老化過(guò)程的評(píng)分為93.6，判定為正常狀態(tài)，沒(méi)能考慮到聲音異常與缺陷率發(fā)生的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

針對(duì)加速老化過(guò)程，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和先驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)式(12)(13)訓(xùn)練貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型條件概率表，如表2所示。

表1 自然老化基礎(chǔ)狀態(tài)量主觀權(quán)重系數(shù)

表2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的條件概率表

通過(guò)計(jì)算條件概率表可得1號(hào)變壓器加速老化風(fēng)險(xiǎn)為0.082 6，判定為需注意，針對(duì)變壓器實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，鐵芯接地電流存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在日常的運(yùn)行管理中加強(qiáng)監(jiān)視。結(jié)合自然老化評(píng)價(jià)結(jié)果，最終1號(hào)變壓器判定為需注意，符合實(shí)際情況。

4 總結(jié)

本文基于變壓器老化機(jī)理分析完成狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建；針對(duì)自然老化過(guò)程，通過(guò)層次分析法和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘完成自然老化過(guò)程的評(píng)估，最大限度地發(fā)揮主觀和客觀權(quán)重系數(shù)確定法的優(yōu)勢(shì)，完成自然老化狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估；基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型將加速老化過(guò)程權(quán)重系數(shù)的確認(rèn)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成加速老化風(fēng)險(xiǎn)概率問(wèn)題；最后結(jié)合自然老化風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估和加速老化風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估，完成變壓器綜合狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。實(shí)踐表明，該模型在一定程度上提高了評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性、客觀性和有效性。