金宗浩,王 濤,臧家義*,楊家奎

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 電子電氣與控制學(xué)部 信息與自動(dòng)化學(xué)院,山東 濟(jì)南 250353;2.濟(jì)南置真電氣有限公司,山東 濟(jì)南 250100

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,架空線路逐漸減少,電纜線路逐漸取代架空線路成為配電網(wǎng)的主力[1-2],交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜因其耐熱性能優(yōu)良、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定,還具備優(yōu)良的電氣性能從而被廣泛使用。目前對(duì)于電纜的檢修策略主要是定期檢修和事后檢修[3],一方面其遵循一定的試驗(yàn)周期容易造成“過(guò)度檢修”或者“檢修不足”,具有盲目隨意性,另一方面隨著電纜的大量應(yīng)用,檢修人手不足,使得電纜的運(yùn)維管理和檢修工作的矛盾也進(jìn)一步加劇。而狀態(tài)檢修則通過(guò)日常的檢查、試驗(yàn)、巡視等方法,對(duì)電纜的狀態(tài)量進(jìn)行收集提取,根據(jù)狀態(tài)量進(jìn)行電纜健康狀態(tài)的分析評(píng)估,能夠?qū)﹄娎|可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè),科學(xué)的制定檢修或者更換的策略,一定程度上解決了定期檢修存在的弊端,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電力電纜狀態(tài)評(píng)估的相關(guān)研究主要針對(duì)高壓電纜,對(duì)于配電電纜的研究較少[4-6],因運(yùn)行環(huán)境和結(jié)構(gòu)等不同,利用高壓電纜的方法來(lái)評(píng)估配電電纜并不完全適用。文獻(xiàn)[7]中利用羥基指數(shù)、OIT(氧化誘導(dǎo)期)、絕緣結(jié)晶度等理化特性進(jìn)行診斷,但是由于電纜老化不均勻,每一層的特性變化不一致,對(duì)于電纜的老化狀態(tài)評(píng)估并不可靠。文獻(xiàn)[8]中采用了打分法對(duì)電纜進(jìn)行評(píng)價(jià),過(guò)于依賴專家經(jīng)驗(yàn),主觀性強(qiáng),無(wú)法準(zhǔn)確反映真實(shí)狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]提出了利用貝葉斯算法進(jìn)行故障檢測(cè)的方法,但是貝葉斯方法需要提前先驗(yàn)概率,但是大多數(shù)電纜在運(yùn)行時(shí)是在不明確的情況下進(jìn)行的。文獻(xiàn)[10]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè),具有自學(xué)習(xí)和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),但需要大量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練,樣本較少不具代表性,評(píng)估結(jié)果不盡人意。

對(duì)于以上問(wèn)題,本文對(duì)配電電纜的功能結(jié)構(gòu)等因素,構(gòu)建電纜健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系,建立了電纜健康狀態(tài)評(píng)估模型,利用層次分析法確定各特征量的權(quán)重,引入改進(jìn)證據(jù)理論對(duì)證據(jù)進(jìn)行融合,從而對(duì)電纜的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。該算法兼顧了主觀經(jīng)驗(yàn),降低了證據(jù)的沖突程度,提高了狀態(tài)評(píng)估的有效性。

1 電纜健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系的建立

因影響電纜運(yùn)行的因素眾多,為了多方面的檢測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài),就要選擇具有代表性的指標(biāo)作為電纜狀態(tài)評(píng)估的因素,根據(jù)Q/GDW645—2011《配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》、Q/GDW1512—2014《電力電纜及通道運(yùn)維規(guī)程》、QGDW456—2010《電纜線路狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)全面性和科學(xué)性原則,選取了7個(gè)狀態(tài)量來(lái)構(gòu)建電纜健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系。

(1)電纜在線檢測(cè)信息,包括:局部放電、電纜溫度、電壓偏差。局部放電過(guò)程同時(shí)伴隨著聲、光、熱等不良現(xiàn)象,會(huì)加速電纜的老化,是評(píng)估電纜狀態(tài)最有效的方法。當(dāng)電纜故障或者線路負(fù)載過(guò)重等情況下,電纜運(yùn)行溫度升高,電纜絕緣降低,從而對(duì)電纜的正常運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。電壓過(guò)高容易導(dǎo)致電纜線路薄弱點(diǎn)發(fā)生擊穿或閃絡(luò),從而破壞電纜的正常運(yùn)行,而電壓過(guò)低,則會(huì)增加線路的損耗。

(2)電纜運(yùn)行環(huán)境包括環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。環(huán)境溫濕度作為電纜的環(huán)境信息的評(píng)估指標(biāo)[11],當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí),則不利于電纜運(yùn)行的散熱和絕緣;電纜運(yùn)行環(huán)境濕度過(guò)高時(shí),容易發(fā)生絕緣擊穿。

(3)電纜歷史數(shù)據(jù)信息包括運(yùn)行年限和運(yùn)行巡檢。隨著運(yùn)行年限的增加,電纜的狀態(tài)也在變差,電纜的壽命周期遵循“浴盆曲線”,為了方便計(jì)算用文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行狀態(tài)的標(biāo)定,具體公式如下:

t1=Aexp(Btop)，

(1)

式中:A為幅值系數(shù)取值為0.953 1;B為老化系數(shù)取值為0.019 17;top為運(yùn)行的年限。

根據(jù)電纜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),可得電纜指標(biāo)的評(píng)判依據(jù)如表1。

表1 在線監(jiān)測(cè)信息評(píng)判依據(jù)

傳統(tǒng)方法只是將所有狀態(tài)量一起融合,最終的結(jié)果缺乏各特征量的差異,因此對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分層劃分,細(xì)化評(píng)估體系,將電纜的評(píng)估指標(biāo)分為電纜在線監(jiān)測(cè)信息、電纜環(huán)境運(yùn)行信息、電纜歷史數(shù)據(jù)信息三部分,第一層指標(biāo)為3個(gè),第二層指標(biāo)為7個(gè),如圖1所示。

圖1 電纜健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系

2 基于修正證據(jù)理論的電纜狀態(tài)評(píng)估方法

根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)選取能反映電纜狀態(tài)的特征量,建立了評(píng)估指標(biāo)體系,利用選取的電纜狀態(tài)指標(biāo)體系來(lái)建立電纜狀態(tài)評(píng)估模型,根據(jù)評(píng)估模型評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的制定檢修策略。首先對(duì)屬于不同量綱的狀態(tài)量進(jìn)行劣化度處理,在利用模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行每個(gè)狀態(tài)量的評(píng)價(jià),并根據(jù)層次分析法來(lái)確定權(quán)重,以此來(lái)建立電纜狀態(tài)評(píng)估模型,對(duì)電纜健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 基于模糊隸屬度函數(shù)的狀態(tài)量評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是1965年美國(guó)Zadeh[12]對(duì)德國(guó)數(shù)學(xué)家George Contor的理論[13]進(jìn)行了改進(jìn),提出了模糊集的概念,從而可以對(duì)不確定信息進(jìn)行描述,將人們決策的模糊性,以數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)。電纜設(shè)備特征參量就存在著模糊性,也影響著電纜狀態(tài)的不確定性,稱為模糊不確定性。模糊數(shù)學(xué)的核心是隸屬度函數(shù),利用隸屬度函數(shù)將電纜故障的定性分析轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)學(xué)的對(duì)事件定量分析,為了求得各特征量對(duì)電纜狀態(tài)的隸屬度,需要建立適合的隸屬度函數(shù),采用的是半梯和三角相結(jié)合的隸屬度函數(shù)。

2.2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法是通過(guò)專家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)所評(píng)價(jià)的特征量?jī)蓛蓪?duì)比[14]以此來(lái)求得其相應(yīng)的權(quán)重,主要步驟是建立判斷矩陣,進(jìn)行一致性校驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證判斷矩陣是否有沖突,一致性校驗(yàn)公式如下:

一致性校驗(yàn)通過(guò)后,在進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算。公式如下:

根據(jù)一致性校驗(yàn)獲得的判斷矩陣,計(jì)算的權(quán)重如表2所示。

表2 各狀態(tài)量權(quán)重

2.3 評(píng)估指標(biāo)的劣化度處理

對(duì)上述的評(píng)估指標(biāo),用標(biāo)準(zhǔn)化處理來(lái)統(tǒng)一反映指標(biāo)劣化的程度,數(shù)值越小則表示為電纜的狀態(tài)越好,數(shù)值越大表示電纜的狀態(tài)越差,對(duì)接近于1的指標(biāo),則認(rèn)為該狀態(tài)有所異常,應(yīng)安排適當(dāng)?shù)臋z修以排除故障,對(duì)于越小越優(yōu)型指標(biāo),劣化度處理表達(dá)式為:

對(duì)于中間型指標(biāo),劣化度處理表達(dá)式為:

在上式中,xmax、xmin表示為特征量的上下限;β、α為最適宜的上下邊界值。

2.4 改進(jìn)的證據(jù)理論

1976年Dempster等提出來(lái)的證據(jù)理論概念[15],用來(lái)量化命題的可信度,對(duì)于一個(gè)事件可以表達(dá)為“不確定”或者“不知道”,與貝葉斯相比,能夠用來(lái)處理不確定信息,而且更符合人們的邏輯習(xí)慣。DS合成法則就是對(duì)兩個(gè)或者多個(gè)基本概率分配函數(shù)進(jìn)行正交的運(yùn)算,如果證據(jù)不是完全沖突的,則根據(jù)DS法則可以形成一個(gè)新的信任函數(shù),這個(gè)信任函數(shù)就是兩個(gè)或多個(gè)證據(jù)聯(lián)合作用產(chǎn)生的[16],用它來(lái)描述物體的一個(gè)綜合的狀態(tài)。

2.4.1 基本概率分配函數(shù)

定義Θ是識(shí)別框架,A表示為Θ中的任一子集,記作A?Θ,若存在映射m:2Θ→[0,1],并且滿足:

使得m(X)>0的X稱為焦元,稱m為Θ的基本概率分配(BPA),m(X)稱為X的mass函數(shù)。

設(shè)Bel1,Bel2,…,Beln是識(shí)別框架Θ上的n個(gè)置信度函數(shù),m1,m2,…,mn是對(duì)應(yīng)的mass函數(shù),X1,X2,…,Xn為對(duì)應(yīng)的焦元,合成后的mass函數(shù)為m(X),則:

A=X1∩X2∩…∩Xn。

(8)

2.4.3 證據(jù)的修正

實(shí)際電纜故障中,由于各個(gè)特征量是從多方面獲得的結(jié)果,證據(jù)體存在高度沖突時(shí),容易引起錯(cuò)誤的結(jié)果,導(dǎo)致診斷決策失誤[17],因此引入了證據(jù)的平均距離來(lái)降低證據(jù)體的沖突程度,給沖突證據(jù)重新分配不同的權(quán)重,從而使得診斷結(jié)果更加貼近實(shí)際。

對(duì)于x種狀態(tài)量和y種狀態(tài),對(duì)得到的BPA函數(shù)進(jìn)行修正步驟如下:

(1)計(jì)算x組概率分配函數(shù)的均值:

(2)計(jì)算均值與對(duì)應(yīng)的每組證據(jù)的基本概率分配之間的距離:

(3)重新分配重要性系數(shù),當(dāng)證據(jù)源與均值相差較大時(shí),分配低的重要性系數(shù),反之則認(rèn)為證據(jù)源可靠,應(yīng)分配大的重要性系數(shù),使得距離與重要性系數(shù)成反比,表示如下:

有人說(shuō)，煙酒是吸毒的入門藥，這并不是危言聳聽。我國(guó)幾乎所有的吸毒者在嘗試毒品之前，均已形成吸煙或飲酒的嗜好。有些煙酒依賴者最初就是因?yàn)檎`吸了他人提供的摻有毒品的香煙而開始吸毒成癮的。一般來(lái)說(shuō)，從不嘗試煙酒的人，其吸毒的可能性比吸煙或者飲酒者要小得多。

(4)歸一化處理,得到各自的重要性系數(shù):

(5)對(duì)證據(jù)理論重新修正,沖突高的證據(jù)較少分配,并增加未知程度。

2.5 基于修正證據(jù)理論的電纜健康狀態(tài)評(píng)估模型

綜上所述,在分析配電電纜狀態(tài)量的基礎(chǔ)上,根據(jù)狀態(tài)量的一定屬性綜合多種因素建立了多層狀態(tài)評(píng)估體系,以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),結(jié)合修正的證據(jù)理論,建立了電纜運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估模型,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。

(1)首先進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)的劣化度處理，對(duì)不同單位、不同量綱的數(shù)據(jù)一化計(jì)算,進(jìn)行初級(jí)評(píng)判,若該狀態(tài)量劣化度超過(guò)0.9則認(rèn)為該狀態(tài)存在嚴(yán)重異常,應(yīng)檢查該狀態(tài)存在的問(wèn)題,若沒(méi)有異常,則進(jìn)行下一步。

(2)模糊隸屬度函數(shù)則根據(jù)劣化度處理的結(jié)果,建立模糊關(guān)系矩陣,把電纜狀態(tài)的不確定性和模糊性轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià),得到每一層的模糊關(guān)系矩陣。

(3)根據(jù)層次分析法來(lái)確定權(quán)重,體現(xiàn)主觀經(jīng)驗(yàn)的重要性;根據(jù)對(duì)每一層的模糊評(píng)價(jià),構(gòu)造了基本概率分配函數(shù),并利用修正證據(jù)理論來(lái)進(jìn)行證據(jù)的修正,將沖突的證據(jù)進(jìn)行重新分配,一定程度上解決了證據(jù)沖突的問(wèn)題,最后通過(guò)證據(jù)理論來(lái)進(jìn)行證據(jù)的融合,根據(jù)融合的結(jié)果進(jìn)行電纜健康狀態(tài)的評(píng)估。電纜健康狀態(tài)的評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 電纜健康狀態(tài)評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)流程

3 算例分析

為了驗(yàn)證該方法有效性,對(duì)國(guó)網(wǎng)某供電公司所轄的10 kV濱湖線YJV22-8.7/10-3*240 mm2電纜線路于2021年12月21日采集數(shù)據(jù),該線路投運(yùn)一年內(nèi)無(wú)故障,采集到的數(shù)值如表3所示。

表3 電纜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

將所有數(shù)值劣化度處理以后,將數(shù)值帶入到隸屬度函數(shù)中,分別得到S1在線監(jiān)測(cè)信息矩陣、S2環(huán)境運(yùn)行信息矩陣、S3歷史數(shù)據(jù)信息矩陣如下:

利用各模糊矩陣和其權(quán)重,進(jìn)行各層模糊評(píng)判得:A1=W1*S1=[0.23 0.72 0.05 0]、A2=W2*S2=[0 0.17 0.83 0]、A3=W3*S3=[0.57 0.43 0 0]。

將上述矩陣的結(jié)果,作為證據(jù)理論的概率分配函數(shù),如表4所示。

表4 基本概率分配函數(shù)表

表5 修正后的基本概率分配函數(shù)

根據(jù)修正的結(jié)果,利用證據(jù)理論對(duì)證據(jù)進(jìn)行融合,融合結(jié)果如表6。

表6 融合結(jié)果

通過(guò)表6可以看出,未修正前的概率分配函數(shù)因?yàn)楦叨葲_突,所以結(jié)果過(guò)于絕對(duì),不能反映真實(shí)狀況,修正后的函數(shù)對(duì)于注意的比重降低了,對(duì)于不確定性的比重提高,說(shuō)明該電纜大概率處于注意狀態(tài),也可能有其他的問(wèn)題。經(jīng)檢查,是電纜運(yùn)行年限較長(zhǎng),且測(cè)量時(shí)為高峰用電時(shí)刻,負(fù)荷較重,而且運(yùn)行環(huán)境較為惡劣,環(huán)境溫度和濕度過(guò)高,導(dǎo)致電纜的評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)很大的不確定性,因此評(píng)估的結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映電纜的狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

電纜線路評(píng)估指標(biāo)如溫度、局放、理化特性等指標(biāo)眾多,利用單一的局放和溫度等傳感器提供的信息來(lái)進(jìn)行分析有著大量的不確定性,容易使得各評(píng)估指標(biāo)存在沖突而影響電纜線路的評(píng)估。將層次分析法和證據(jù)理論相結(jié)合,并進(jìn)行修正改進(jìn),不僅兼顧了主觀經(jīng)驗(yàn),還降低了證據(jù)的沖突程度,實(shí)例也驗(yàn)證了該方法的有效性。