馬宏明，錢國超，王欣，段雨廷，李昭

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

高壓斷路器是構(gòu)成電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，數(shù)量眾多，肩負(fù)著控制和保護的雙重職能，其運行的安全穩(wěn)定性直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。但現(xiàn)場應(yīng)用中，高壓斷路器由于電氣因素或機械因素的影響，往往會出現(xiàn)拒動故障，拒動會造成送電時間延長或造成越級跳閘、擴大事故和停電范圍，甚至?xí)鹣到y(tǒng)解列。

高壓斷路器拒動基本都是由于單一元器件失效導(dǎo)致的[1-2]。但是由于有效的現(xiàn)場檢測手段缺失，高壓斷路器的單一元器件運行狀態(tài)難以直接評估。很多學(xué)者將設(shè)備整體性能試驗數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了高壓斷路器狀態(tài)綜合評價方法。如貝葉斯法[3-9]、支持向量機法[10-11]和自適應(yīng)算法[12]等。這些方法對指導(dǎo)高壓斷路器設(shè)備維護實踐具有重要指導(dǎo)作用。同時，近幾年來利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行變電一次設(shè)備故障概率預(yù)測方法也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[13-20]，但對高壓斷路器拒動概率進行預(yù)測的研究則少見報道。

實踐證明，單一元器件失效的發(fā)生與產(chǎn)品質(zhì)量、運行年限、運維水平等影響因素存在一定聯(lián)系，運維單位掌握完整的設(shè)備信息、運維信息，只是信息量相對有限。高壓斷路器拒動為小概率事件，供決策用數(shù)據(jù)相對較少，在不具備大量數(shù)據(jù)的情況下處理拒動概率問題，貝葉斯概率決策理論具有明顯優(yōu)越性。

本文提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的高壓斷路器拒動故障概率預(yù)測方法，采用貝葉斯概率理論，建立“影響因素—元器件—拒動”的多層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測每臺高壓斷路器的拒動概率，針對拒動概率較高斷路器，提出差異化運維方法，降低全網(wǎng)斷路器拒動風(fēng)險，扭轉(zhuǎn)高壓斷路器拒動風(fēng)險被動防控的局面。

1 預(yù)測方法概述

建立產(chǎn)品質(zhì)量、運行年限、運維水平等影響因素與單一元器件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用貝葉斯方法，通過影響因素修正單一元器件的故障率，再根據(jù)“或門”函數(shù)（任一元器件損壞均會導(dǎo)致拒動），確定頂層拒動概率；即基于拒動故障樹建立“影響因素—元器件—拒動”的多層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測每臺高壓斷路器的故障率；最后通過歷史數(shù)據(jù)驗證模型的正確性（如圖1）。

圖1 預(yù)測方法思路

1.1 貝葉斯函數(shù)

通過貝葉斯理論，可以解決不具備大量數(shù)據(jù)的情況下處理概率問題，其整體思路為：先確定一個適當(dāng)?shù)念A(yù)測值，在這個前提下觀察實際發(fā)生的事件，再去逐次修正最初的判斷。

因此貝葉斯可以分為3個部分，先驗概率、似然函數(shù)和后驗概率。

1）先驗概率

我們把P(A)稱為“先驗概率”（Prior probability），先驗概率是根據(jù)以往經(jīng)驗和分析得到的概率，本模型中系統(tǒng)最底層各節(jié)點先驗概率P（Xi）已確定。

3）后驗概率

P(A|B)稱 為“后 驗 概 率”（Posterior probability），貝葉斯公式通過似然函數(shù)不斷調(diào)整先驗概率得到后驗概率，即在B事件發(fā)生之后，對A事件概率的重新評估。本模型中不同影響因素Yn影響下系統(tǒng)最底層各節(jié)點概率不斷得到修正，使得預(yù)測結(jié)果逐步趨于準(zhǔn)確。

1.2 “或門”函數(shù)

任一元器件損壞都會發(fā)生拒動故障，元器件與拒動之間通過“或門”連接。頂層事件“拒動T”的發(fā)生概率為：

2 模型構(gòu)建

2.1 故障樹建立

為“全方位、全領(lǐng)域、全要素”的查找高壓開關(guān)拒動的影響因素，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理及缺陷/事件原因統(tǒng)計分析，從電氣故障和機械故障角度出發(fā)，梳理出不同電壓等級、不同操動機構(gòu)高壓斷路器拒動元器件故障樹，其中110 kV電壓等級彈簧操作機構(gòu)拒動故障樹如圖2所示。

圖2 110 kV電壓等級彈簧操作機構(gòu)拒動故障樹

為便于模型分析，可將上述故障樹簡化如圖3所示，由于無法直接獲取每臺高壓斷路器的元器件狀態(tài)，即無法采用上述故障樹進行每臺高壓斷路器拒動概率預(yù)測。但影響因素Yn（控制回路配置、高缺陷設(shè)備型號、投運年限、機構(gòu)類型、運維水平等）與高壓斷路器的元器件狀態(tài)Xi存在著密切關(guān)聯(lián)。

圖3 簡化后的高壓斷路器拒動故障樹

因此可通過建立影響因素Yn與元器件Xi關(guān)聯(lián)，間接評估元器件Xi狀態(tài)。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立

2.2.1 影響因素Yn與元器件Xi的關(guān)聯(lián)分析

對底層節(jié)點Xi與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性進行系統(tǒng)分析：

表1 底層節(jié)點X1與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性分析

表2 底層節(jié)點X2與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性分析

表4 底層節(jié)點X4與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性分析

表5 底層節(jié)點X5與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性分析

表6 底層節(jié)點X6與影響因素Yn關(guān)聯(lián)性分析

通過以上論證得出底層節(jié)點Xi與影響因素Yn的關(guān)系，見圖4。

圖4 底層節(jié)點Xi與影響因素Yn的關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于以上故障樹，建立的“影響因素—元器件—拒動”多層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖5，其中底層節(jié)點Xi均是通過“或門”（至少有一個葉節(jié)點發(fā)生時，根節(jié)點就發(fā)生）與上一層節(jié)點相連接。影響因素Yn是通過“與門”（多因素共同影響）與底層節(jié)點Xi相連接。

圖5 高壓斷路器拒動的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率預(yù)測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)高壓斷路器運行情況及拒動缺陷/事件情況，利用變電檢修庫專家經(jīng)驗，剔除偶發(fā)或不合理表述缺陷/事件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)“清洗”，將每臺高壓斷路器影響因素的定性特征（如型號：FXT11型）轉(zhuǎn)化為定量特征（對應(yīng)：Y2=2）。

Y1控制回路配置定級原則：500 kV高壓斷路器分閘回路均采用雙重化配置；220 kV高壓斷路器的出線間隔的分閘回路采用雙重化配置、母線間隔或變壓器側(cè)采用分閘回路單重化配置；110 kV高壓斷路器分閘回路采用單重化配置。具體如表7所示。

表7 Y1（控制回路配置）定級

Y2高缺陷設(shè)備型號定級原則：根據(jù)每個制造廠、每種型號的缺陷數(shù)、缺陷率確定。具體如表8所示。

表8 Y2（高缺陷設(shè)備型號）定級

Y3高缺陷設(shè)備型號定級原則：根據(jù)拒動缺陷發(fā)生率（某投運年限的缺陷數(shù)/某投運年限的設(shè)備總數(shù)*100%）與投運年限關(guān)系，以全網(wǎng)高壓斷路器拒動平均缺陷率為基準(zhǔn)線，分為兩個檔次。具體如表9所示。

表9 Y3（運行年限）定級

Y4操動機構(gòu)類型定級原則：通過統(tǒng)計近10年在運操動機構(gòu)類型的缺陷數(shù)量，確定其缺陷率。具體如表10所示。

表10 Y4（操動機構(gòu)類型）定級

Y5運維水平定級原則：依據(jù)專家評價（30位專家打分，熵權(quán)法計算處理）、變電設(shè)備缺陷情況（設(shè)備缺陷率占比50%、緊急重大缺陷占比50%）和運維人員情況（人員素質(zhì)當(dāng)量占比70%、缺員情況占比30%）三部分?jǐn)?shù)據(jù)，以專家評價占比50%、變電設(shè)備缺陷情況占比30%、運維人員情況占比20%進行綜合評估。具體如表11所示。

表11 Y5（運維水平）定級

2.3 貝葉斯概率預(yù)測

根據(jù)近10年的110 kV及以上電壓等級高壓斷路器元器件缺陷情況，統(tǒng)計獲得底層節(jié)點Xi的先驗概率，如表12所示。

表12 各個底層節(jié)點的先驗概率分布情況

根據(jù)近10年的拒動缺陷情況，建立影響因素Yn與底層節(jié)點Xi（定級：發(fā)生缺陷的賦值1，未發(fā)生缺陷的賦值0）之間的似然矩陣，得到似然系數(shù)，進一步修正Xi的概率，計算出Xi后驗概率。具體公式如下：

構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過似然矩陣，得到某一臺斷路器Xi的后驗概率，如表13所示。

表13 各個底層事件的后驗概率分布情況

綜合每個底層節(jié)點Xi修正的后驗概率，根據(jù)以下公式，最終得到該臺高壓斷路器可能發(fā)生拒動的概率P(T=1)。

將110 kV及以上電壓等級的5820臺高壓斷路器的影響因素進行計算，可得到69種影響因素組合下的預(yù)測概率。

3 模型驗證

將以上69種場景進行排序，拒動概率最的為第1級，概率最低的為第69級。

利用k均值聚類算法對預(yù)測結(jié)果概率值進行概率級別分類，以確定需要重點關(guān)注的高概率高壓斷路器范圍。將5820臺高壓斷路器拒動預(yù)測結(jié)果概率值進行k均值聚類法（3聚類）分析，即可完成高概率（P≥0.36274%）、中高概率（0.19772%≤P＜0.36274%）、中低概率（P＜0.19772%）分類；按照該概率區(qū)間分類，得到高拒動概率高壓斷路器1067臺，再次對1067臺高壓斷路器概率進行k均值聚類法（2聚類）細(xì)化分析，即可完成超高概率（0.39883%≤P）、高概率（0.36274%≤P＜0.39883%）分類。分析結(jié)果如圖6和表15所示。

表15 概率區(qū)間定義

表16 某年拒動缺陷/事件模型驗證情況

5020臺高壓斷路器預(yù)測概率分布如圖7所示。

圖7 概率區(qū)間分布圖

因此，基于概率值分布情況，認(rèn)定超高概率區(qū)間高壓斷路器需重點關(guān)注（共679臺，前8級）。

例如某年共發(fā)生13起拒動缺陷/事件，其中10起缺陷/事件可在超高概率區(qū)間（前8級）進行準(zhǔn)確預(yù)測。

因此，通過以上建立的高壓斷路器貝葉斯拒動概率預(yù)測模型是可信的、有效的。

4 結(jié)束語

1）計算實驗結(jié)果驗證該方法對高壓斷路器拒動概率預(yù)測的有效性，可以利用較完備的運行數(shù)據(jù)和缺陷數(shù)據(jù)，縮小高壓斷路器防拒動預(yù)控范圍，提升防控效率。

2）該方法是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，使用過程中不依賴主觀經(jīng)驗,具有良好的客觀性和科學(xué)性。

3）該方法可以推廣至變壓器、電抗器、互感器、隔離開關(guān)、開關(guān)柜等變電站主設(shè)備的故障概率預(yù)測及診斷，提高設(shè)備狀態(tài)掌控力。