吳正驊， 戴睿昕， 章毅利， 趙容兵

(1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 200120；2. 上海浦海求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，上海 200090)

0 引 言

隨著上海電網(wǎng)配電網(wǎng)網(wǎng)架水平的快速提升，國(guó)網(wǎng)上海市電力公司率先提出了實(shí)現(xiàn)全市范圍內(nèi)鉆石型配電網(wǎng)的目標(biāo)[1]。這是繼新加坡花瓣形網(wǎng)、東京三射接線網(wǎng)和紐約“4×6”接線網(wǎng)后又一個(gè)新的高可靠性(99.999%)配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。建成后，它將在國(guó)際國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平[2-3]。

鉆石型配電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性提出了更高的要求[4]。長(zhǎng)期以來(lái)，配電自動(dòng)化終端的檢修主要采用定期分時(shí)段檢修方式和預(yù)防性檢修方式，即無(wú)論終端是否發(fā)生故障，均按規(guī)定周期檢修。對(duì)于有故障或缺陷的配電自動(dòng)化終端，其維護(hù)方式不及時(shí)，針對(duì)性不強(qiáng)。對(duì)于沒(méi)有缺陷的終端，這種維護(hù)方式是強(qiáng)制性的，容易產(chǎn)生新的故障，造成人力物力的極大浪費(fèi)。因此，傳統(tǒng)的維護(hù)方式存在很大的局限性，成為鉆石型配電網(wǎng)發(fā)展的桎梏[5-6]。

狀態(tài)維修又稱預(yù)測(cè)維修，是一種綜合維修模式。該方法根據(jù)配電終端當(dāng)前的實(shí)際工作狀態(tài)，綜合了預(yù)防性試驗(yàn)、家族缺陷信息、在線監(jiān)測(cè)和同類設(shè)備歷史信息等多種信息源，對(duì)配電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備故障程度的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)和判斷。然后，從安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和對(duì)環(huán)境的影響程度等方面，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、經(jīng)濟(jì)分析和維修規(guī)劃等多種技術(shù)手段，綜合做出科學(xué)有效的維修安排，確保配電系統(tǒng)能像以往那樣在最佳狀態(tài)下工作且是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的過(guò)程。配電自動(dòng)化終端狀態(tài)評(píng)估是狀態(tài)維護(hù)的核心，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握其工作狀態(tài)[7-8]。

灰色系統(tǒng)理論中，灰度聚類關(guān)聯(lián)分析法是以灰色聚類法和灰色關(guān)聯(lián)分析法為基礎(chǔ)的一種超標(biāo)加權(quán)聚類方法。本文方法信息利用率高，鑒于在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下存在大量未知變量，因此可能會(huì)獲得一些非相關(guān)信息，但灰度理論避開(kāi)了此類現(xiàn)象，能夠充分地在少量的信息中挖掘更多的有效信息。采用超標(biāo)加權(quán)法在突出主要影響因素作用的同時(shí)還為單個(gè)因素的綜合影響留出修正空間，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可信[9-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)配電自動(dòng)化終端狀態(tài)的檢修決策還處于起步階段，相關(guān)工作尚未開(kāi)展[11]。本文著重闡述了基于灰度相關(guān)性理論的配電自動(dòng)化終端設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)得分的權(quán)重，給出各狀態(tài)變量的評(píng)分規(guī)則，為配電自動(dòng)化終端設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)提供決策依據(jù)，從而有利于鉆石型配電網(wǎng)的順利推廣。

1 提出新模型及相應(yīng)計(jì)算方法

灰度相關(guān)性分析是根據(jù)狀態(tài)特征值之間發(fā)展走向的相似性或相異性來(lái)衡量參數(shù)之間相關(guān)度的一種手段。該手段采用的樣本數(shù)量自由，可多可少，計(jì)算工作量不大，對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源和相互之間的依存關(guān)系沒(méi)有特殊要求，一列數(shù)據(jù)組成一列向量。灰度相關(guān)性分析過(guò)程包含以下程序：未加工信息轉(zhuǎn)換；求解相關(guān)度權(quán)重；找出參數(shù)相關(guān)度。

1.1 未加工信息轉(zhuǎn)換

參數(shù)相關(guān)度是由相關(guān)度權(quán)重推導(dǎo)出來(lái)的，因此在求解相關(guān)度權(quán)重之前，必須對(duì)初態(tài)未加工信息進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換處理，從而消除物理單位對(duì)數(shù)據(jù)信息的依賴。非同類信息序列具有明顯的物理含義和維數(shù)的差別，進(jìn)行直接比較是不可能的。因此，通過(guò)消除維數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)信息的作用，將數(shù)據(jù)陣列轉(zhuǎn)換為可直接比較的行向量或列向量。

本文模型所采用的初始信息轉(zhuǎn)換方法是從原始信息的初始值變化出發(fā)，將每組向量中的各個(gè)元素除標(biāo)準(zhǔn)向量中對(duì)應(yīng)的元素值，并從原始數(shù)據(jù)信息中分離出來(lái)，得到其多個(gè)不同向量，這種操作稱為向量初始化，初始化后的向量中沒(méi)有物理單位。因?yàn)檫@些值都大于0，所以向量有一個(gè)共同的起點(diǎn)。

1.2 求解相關(guān)度權(quán)重

如果信息轉(zhuǎn)換后生成的原始母向量表示為z0(q)，則子向量表示為zn(q)，當(dāng)q=j時(shí)，即

z0(q)={z0(1),z0(2),z0(3),z0(4),...,z0(q)}

(1)

zn(q)={zn(1),zn(2),zn(3),zn(4),...,zn(j)}

(2)

式中：z0(1)、z0(2)、…、z0(q)為原始母向量各分向量；zn(1)、zn(2)、…、zn(j)為子向量各分向量。那么，z0(n)和z1(n)之間的絕對(duì)值差異(difference)應(yīng)該是：

Dn=|z1(n)-z0(n)|

(3)

因此，將母向量和子向量間的相關(guān)度權(quán)重表示為R0n(j)，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：D0n(j)為兩個(gè)比較向量之間的絕對(duì)值差異；η為修正系數(shù)，是為了平衡最大絕對(duì)差值過(guò)大給求解結(jié)果造成的扭曲作用，提高相關(guān)度權(quán)重間差異的顯著性，一般可以設(shè)定從0.1～0.6之間。

它可表示為：

D0n(j)=|z0(j)-zn(j)|

(5)

式中:z0(j)和zn(j)分別為第j母向量和子向量。

相關(guān)度權(quán)重反映了兩個(gè)比較向量在某一時(shí)刻的親密程度或接近度。相關(guān)度權(quán)重越大，此時(shí)兩個(gè)向量之間的關(guān)系就越親密；反之，此時(shí)兩個(gè)向量的相關(guān)性就越小。例如，在時(shí)刻DMIN,R0n=1和時(shí)刻DMAX，相關(guān)度權(quán)重是最小的。因此相關(guān)度權(quán)重的覆蓋范圍應(yīng)該在0

1.3 找出評(píng)價(jià)單元的關(guān)聯(lián)度

由上述推理可知，相關(guān)分析本質(zhì)上是對(duì)時(shí)間向量信息的幾何關(guān)系比較。如果兩個(gè)向量在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)重疊在一起，即相關(guān)度及其系數(shù)均為1。同時(shí)，兩個(gè)比較向量在任何時(shí)候都可能不是垂直的，相關(guān)度權(quán)重大于零，相關(guān)度也大于零。因此，兩個(gè)向量的相關(guān)度是通過(guò)兩個(gè)比較向量在每個(gè)時(shí)間的平均相關(guān)度權(quán)重來(lái)計(jì)算的，即：

(6)

式中：Cor0n為子向量zn(j)與母向量z0(j)之間的相關(guān)度；N為比較向量的長(zhǎng)度，即信息的大小。

2 配電自動(dòng)化終端狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

配電自動(dòng)化終端包括兩個(gè)主要部分：裝置本體和二次回路。

裝置本體與二次回路由裝置屏柜端子排隔開(kāi)。二次回路包括從終端操作箱到裝置屏柜端子排和輔助設(shè)備的電纜和光纜等[12]，本文主要對(duì)裝置本身的信息采集進(jìn)行評(píng)價(jià)，相關(guān)的評(píng)價(jià)方法也適用于其他狀態(tài)變量和二次回路。

2.1 配電自動(dòng)化終端運(yùn)行狀態(tài)劃分

本文根據(jù)鉆石型配電自動(dòng)化終端運(yùn)行狀態(tài)的健康程度，將其分為良好、正常、注意、異常和嚴(yán)重五個(gè)狀態(tài)等級(jí)[13]。當(dāng)相關(guān)度達(dá)到上述五種狀態(tài)之一時(shí)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)給出的等級(jí)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的設(shè)備健康狀態(tài)。

設(shè)備自動(dòng)化終端運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)如表1所示。

表1 自動(dòng)化終端運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)

2.2 模型實(shí)例應(yīng)用與分析

以配電自動(dòng)化終端狀態(tài)評(píng)估為例，配電自動(dòng)化終端有大量的檢測(cè)項(xiàng)目。選取其中的關(guān)鍵點(diǎn)作為配電自動(dòng)化終端運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的依據(jù)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集可為電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、直流電源、環(huán)境溫度和絕緣電阻等，如表2所示。

表2 終端試驗(yàn)項(xiàng)目和允許范圍、額定值

表3中：Z0為終端參數(shù)項(xiàng)在任意檢測(cè)時(shí)刻的標(biāo)稱值；Z1～Z6為自動(dòng)化終端在某一檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際工作量值，信息源可采用SCADA計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集。

表3 不同檢測(cè)時(shí)刻的終端狀態(tài)特征參數(shù)值

這就形成了式(7)的向量集。

(7)

(8)

Dn0=|zn(q)-z0(q)|

(9)

式中:zn(q)和z0(q)分別為q組第n個(gè)歸一化處理后子向量和歸一化處理后母向量，其運(yùn)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同比較向量間的絕對(duì)差異

由此可得配電自動(dòng)化終端各規(guī)范化子向量的仿真圖如圖1所示。

從直觀角度看，向量D10與無(wú)偏差的標(biāo)稱值D00最為相似，在幾何學(xué)上D50和D60與標(biāo)稱值D00有很大區(qū)別，其中D60相差更多。因此，D10可以初步判斷其狀況良好，且D50和D60仍處于不良狀態(tài)?？筛鶕?jù)實(shí)際問(wèn)題的需要，進(jìn)一步對(duì)研究進(jìn)行分析。

圖1 每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子向量的模擬圖

運(yùn)行狀況指數(shù)反映終端缺陷對(duì)設(shè)備的損壞程度，從表4找出最小值和最大值，那么

DMIN=0.008,DMAX=0.864

(10)

當(dāng)η=0.5時(shí)，母向量和子向量之間的相關(guān)度權(quán)重Ron(j)，可以按式(4)計(jì)算，其相關(guān)度權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 相關(guān)度權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.3 計(jì)算相關(guān)度

根據(jù)式(9)和表5可計(jì)算相關(guān)度，如式(1)所示。

(11)

表6 相關(guān)度權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于灰色理論的灰色因子關(guān)聯(lián)分析方法在處理配電自動(dòng)化終端信息量少、確定性指標(biāo)不多和數(shù)據(jù)偏差無(wú)規(guī)律方面比傳統(tǒng)方法更出色，避免了已有手段的短板效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。

根據(jù)鉆石型配電自動(dòng)化終端的特點(diǎn)，建立了鉆石型配電自動(dòng)化終端的灰色理論評(píng)價(jià)體系。通過(guò)定義灰度相關(guān)性來(lái)確定空間幾何關(guān)系和相似性的比較順序及標(biāo)準(zhǔn)，以反映終端運(yùn)行狀態(tài)下局部特征參數(shù)的變化，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，甚至可以多因素反復(fù)篩選分析。該方法運(yùn)算量不像層次分析法那樣復(fù)雜，對(duì)典型配電網(wǎng)的信息量要求也不多，適合于鉆石型配電自動(dòng)化終端狀態(tài)評(píng)估。

該評(píng)價(jià)方法從反映配電自動(dòng)化終端運(yùn)行狀況出發(fā)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)具有充分的合理性，在一定程度上不受人為判斷的主觀影響，具有較好的客觀性、較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，為開(kāi)展鉆石型配電自動(dòng)化終端狀態(tài)控制工作提供有益參考。