CN104123468A - 基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法。通过对状态量判断矩阵最大特征值的分析，得到状态评估所需要的核心状态量集合，从而达到降维的目的。在对核心状态量重新进行权重分配的基础上，求出配电变压器状态评估的初始结果。进一步求取非核心状态量对评估结果的灵敏度，并利用灵敏度对初始评估结果进行修正，得到了更准确的配电变压器状态评估最终结果。评估过程中考虑核心状态量和有变化的非核心状态量，既减少了对数据的需求，又保证了评估结果的准确性。

Description

基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种可在数据量较少的情况下对配电网电气设备的状态进行准确评估的方法，属于数据处理技术领域。

背景技术

配电网是电力***的主要组成部分之一，其运行状况与国民经济和人民生活息息相关。配电网中配电设备的可靠性是保证配电网可靠运行的基础，因此，开展配电设备状态评估工作是提高配电设备运行可靠性的有效措施之一。配电变压器作为配电网的关键设备，对其进行状态评估是开展配电设备状态评估工作的第一步。

配电变压器状态评估的关键问题之一是变压器状态量数据的获取。获得的变压器状态量数据越是完善，准确，状态评估的结果就越准确。然而，由于配电设备的重要程度和停运后的影响范围都比输电设备要小，且数量众多，加之所受的重视程度不够，在线监测装置几乎没有，导致可获取的配网设备状态量数据很少，这在很大程度上制约了配网设备状态评估工作的开展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，以便进一步提高配网设备状态评估的效率和准确性。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，所述方法首先通过最大特征值法对影响配电变压器状态的各状态量进行分析和筛选，得到评估配电变压器的核心状态量集合；然后利用核心状态量计算得到配电变压器评估的初始结果；最后求取非核心状态量对评估结果的灵敏度，并根据灵敏度，考虑有变化的非核心状态量对初始结果进行修正，得到评估的最终结果。

上述基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，所述方法按照以下步骤进行：

a.通过最大特征值法对影响配电变压器状态的各状态量进行分析和筛选，得到评估配电变压器的核心状态量集合，具体方法如下：

①构造判断矩阵

建立配电变压器状态评估指标体系的层次结构模型，假定R层中元素R_k与下一层中A₁，A₂，…A_m有联系，相对于R_k，A₁，A₂，…A_m的权重分别为w₁，w₂，…w_m，权重之和为1，则判断矩阵A可以表示为：

，

式中，a_ij表示对于R_k而言，A_i对A_j相对重要性的数值表现；

②制作打分表格，采用专家打分的方式，将配电变压器状态评估指标两两比较，确定a_ij的值，得出比较后的判断矩阵，然后求解判断矩阵的最大特征根和它对应的特征向量，特征向量的各分量即为各指标相对某一目标的权重；

③权重排序

根据求解得到的各指标的权重，设置一个门限值，选取权重大于门限值的指标，形成核心指标，由核心指标组成的状态量集合即为核心状态量集合；

b.利用核心状态量，采用模糊层次分析法对配电变压器的状态进行评估，得到评估的初始结果P₀；

c.求取非核心状态量对评估结果的灵敏度：

设给定增量k，将某非核心状态量变化k%，采用模糊层次分析法求取变化后的配电变压器评估结果，设为P，则灵敏度为S=（P-P₀）/k；为了取得更精确的数据，计算不同k值时对应的不同S值，并取这些S的平均值为该非核心状态量对评估结果的最终灵敏度；其中，最终灵敏度是非零的S的平均值；k为正值时表示某状态量增加，负值时表示减少；

d.考虑非核心状态量的变化，根据有变化的非核心状态量对评估结果的灵敏度对初始结果进行修正，得到评估的最终结果：

设非核心状态量i实际变化为k_i%，已知根据核心状态量得到的初始评估结果P₀，则修正后的最终结果为P=P₀+∑(S_i*k_i)，S_i为非核心状态量i的灵敏度。

上述基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，采用模糊层次分析法对配电变压器的状态进行评估的具体步骤如下：

①建立评判因素集

把选定的状态参量作为评判因素，建立配电设备运行状态评判因素集，用U_j来表示，U_j=（u₁, u₂, u₃,…u_n）；

②建立评判等级集

将配网设备的运行状态划分为“良好”、“正常”、 “可疑”、“异常”、“危险”五种情况，即评判等级集为：V={良好，正常，可疑，异常、危险}={v₁, v₂, v₃, v₄, v₅}；

③建立评判因素权重集

对各个评判因素u_i赋予相应的权重系数w_i (i=1, 2, 3,…,n)，则评判因素权重集为W=(w₁, w₂,…,w_n)，权重系数必须满足归一化条件： ；

④构造模糊评判矩阵

对评判对象按评判因素集中第i个因素u_i进评判，对应评价等级集中第j个元素v_j的隶属程度为r_ij，则第i个元素u_i的评判结果可用模糊集合R_i=(r_i1，, r_i2,，r_i3,…,，r_in)表示，以各因素评价集的隶属度为行组成模糊评判矩阵R；

⑤模糊综合评判

评判结果为B=A·R=(b₁, ，b₂,，…, ，b_n)，其中“·”是模糊算子，B_j称为一级模糊综合评判结果，表示按U中因素的所有等级进行综合评价时，评价对象对评价等级中第j个等级的隶属度，根据最大隶属度原则，确定被评价对象所属评判等级。

上述基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，判断矩阵中的元素a_ij表示对于配电变压器的状态而言，状态量A_i对A_j的相对重要性；a_ij采用1～9级标度方法，其标度值和对应的含义如下：

标度值1：表示A_i与A_j具有同样重要性；

标度值3：表示A_i比A_j稍微重要；

标度值5：表示A_i比A_j明显重要；

标度值7：表示A_i比A_j很重要；

标度值9：表示A_i比A_j极其重要；

标度值2，4，6，8：表示上述两相邻判断的中值；

据此可得：a_ii=1，a_ij=1/a_ji (i, j=1, 2…m)；即状态量A_j对A_i的相对重要性a_ji是A_i与A_j比较标度a_ij的倒数。

本发明在对配电变压器状态进行评估的过程中只考虑核心状态量和有变化的非核心状态量，不仅减少了对数据量的需求，提高了评估效率，而且通过修正保证了评估结果的准确性。通过对油浸式配电变压器评估实例的分析，验证了所提方法的有效性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为油浸式配电变压器评估指标体系；

图2为油浸式配电变压器核心评估指标体系。

文中各符号清单为：A为判断矩阵；a_ij为对于R_k而言A_i对A_j相对重要性的数值表现；U_j为配电设备运行状态评判因素集；w_i为评判因素u_i的权重系数；W为评判因素权重集；B为评判结果。

具体实施方式

本发明提供了一种基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，以便更好地开展配网设备状态评估工作并提高配网设备状态评估工作的效率。本发明中所述的状态量是指直接或间接表征设备状况的各种技术指标、性能和运行情况等参数的总称；核心状态量是指在设备的各状态量中，根据最大特征值法筛选得出的对评估结果影响比较大的状态量；而非核心状态量则是指除核心状态量之外的状态量。

本发明中所述配电变压器的核心状态量集合如附图2所示，它包括一级指标集合和二级指标集合两层。一级指标有绕组及套管、油箱、非电量保护、接地和绝缘油5项；二级指标有直流电阻、绝缘电阻、接头温度、绕组与套管完整性、声音、密封、油位、油温度、非电量保护装置绝缘、接地电阻、接地引下线、绝缘油颜色和绝缘油耐压试验等13项。

本发明中的非核心状态量包括一级指标集合和二级指标集合两层。一级指标有分接开关和标识2项；二级指标有三相不平衡率、负载率、污秽水平、分接开关性能、配电变压器台架对地距离、呼吸器硅胶颜色、锈蚀、标识齐全等8项。

为尽量准确地反映配电变压器的运行状态，通过对变压器各类故障形成机理的研究，并考虑配电变压器状态评估的可操作性，形成了包含试验信息、运行信息、巡检信息的状态量集合，建立了配电变压器状态评估指标体系。以油浸式配电变压器为例，评估指标体系的一级指标包括：绕组及套管、分接开关、油箱、非电量保护、接地、绝缘油、标识；每个一级指标又包括若干个二级指标，其层次结构如图1所示（图1中第二列是一级指标、第三列是二级指标）。

根据各级指标中元素间的标度大小，可以建立一级指标的判断矩阵如表1所示。以最后一列为例，第一行元素7表示对于配电变压器状态而言，绕组套管比标识重要得多；第二行元素2表示对于配电变压器状态而言，分接开关状态比标识稍稍重要；第三行元素3表示对于配电变压器状态而言，油箱状态比标识稍微重要；以此类推。通过求取该判断矩阵的最大特征值及其所对应的特征向量，将特征向量归一化后可得到权重向量。

表1  油浸式配电变压器一级指标判断矩阵及权重向量

同理，建立绕组及套管和油箱的二级指标判断矩阵后，根据最大特征值法可以求得各指标的权重。下面表格为绕组及套管的判断矩阵及权重、油箱的判断矩阵及权重。

表2  油浸式配电变压器绕组套管指标判断矩阵及权重向量

表3  油浸式配电变压器油箱指标判断矩阵及权重向量

考虑到分接开关、非电量保护、接地、绝缘油、标识等各部件的二级状态量指标数量较少，这里不再考虑降维。

根据最大特征值法对权重大小进行分析，认为权重较小的特征量对最后评估结果影响较小，从而将这些特征量剔除。本发明考虑到实际情况，设置门限值为0.1，实际操作中将权重小于或接近0.1或与其它状态量相比权重相差较大的状态量剔除。故一级指标中剔除分接开关和标志，绕组及套管的二级指标中剔除三相不平衡率、负载率和污秽水平。油箱的二级指标中剔除呼吸器硅胶颜色，配电变压器台架对地距离和锈蚀。最终形成的核心状态量评估指标体系如附图2所示（图2中第二列是一级指标、第三列是二级指标）。核心状态量评估指标按照最大特征值法重新进行权重分配，结果如表4-表8所示。

表4  油浸式配电变压器一级指标权重

表5  油浸式配电变压器绕组及套管核心状态量权重

表6  油浸式配电变压器油箱核心状态量权重

表7  油浸式配电变压器接地核心状态量权重

状态量	接地引下线外观	接地电阻
			权重	0.2	0.8

表8  油浸式配电变压器绝缘油核心状态量权重

基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，求取非核心状态量对评估结果的灵敏度的方法如下：

以某10kV油浸式配电变压器的试验及巡检数据为例，计算非核心状态量的灵敏度。变压器容量315kVA，电压10±5%/0.4kV，型号S11-M-315，接线组别Yy_no。绕组及套管的线间直流电阻AB/BC/CA为3.285/3.290/3.281 Ω，相间直流电阻Ao/Bo/Co为0.002527/0.002552/0.002547 Ω，绝缘电阻为2100MΩ，接头温度/温差为58℃/11K，负载率为82%，三相不平衡率为15%，污秽水平为无污秽，完整无破损；分接开关的分接性能操作无异常；油箱声音无异常，台架对地距离满足要求，密封无渗油，油位无异常，呼吸器硅胶颜色未变色，油温正常，锈蚀为无锈蚀；非电量保护装置绝缘电阻为1.36MΩ；接地电阻3.3Ω，接地引下线外观正常；绝缘油颜色正常，耐压试验合格；标识齐全。以此数据分析非核心状态量的灵敏度。

在所有状态量参与评估的条件下，变压器状态评估的结果为value=92.29。

设三相不平衡率的变化量Δ=5%。当三相不平衡率改变，其余状态量保持不变时，变压器状态评估的结果及三相不平衡率的灵敏度如下表所示。三相不平衡率的灵敏度的最终值：S_av=-(0.02+0.017+0.018+0.016)/4=-0.01775

表9  三相不平衡率的灵敏度

设负载率的变化量Δ=5%。当负载率改变，其余状态量保持不变时，变压器状态评估的结果及负载率的灵敏度如下表所示。负载率灵敏度的最终值（由于变化量为负时，灵敏度为0，即评估结果不发生变化，故在算灵敏度平均值时只考虑变化量为正的灵敏度）：S_av=-(0.012+0.03) /2=-0.021

表10  负载率的灵敏度

类似的，其他状态量的灵敏度如下表所示。

表11  其他状态量的灵敏度

基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，其最终结果采用以下方法得到：通过核心状态量集合计算得到配电变压器评估的初始结果，此时如果非核心状态量没有变化，该结果即为变压器状态评估的最终结果；如果非核心状态量数据与上一次评估时相比有变化，那么就要考虑非核心状态量对初始评估结果的影响。根据求取的非核心状态量对评估结果的灵敏度，对初始结果进行修正，从而得到评估最终结果。

实例分析

以上述变压器为例，采用模糊层析分析法进行状态评估，在VS2010环境下编程对该方法进行实例验证。

该变压器某次状态评估时的状态量数据如下：绕组及套管的线间直流电阻AB/BC/CA为3.371/3.378/3.367 ，相间直流电阻Ao/Bo/Co为0.002719/0.002725/0.002735，绝缘电阻为0.002719/0.002725/0.002735 M，接头温度/温差为70℃/15K，负载率为85%，三相不平衡率为20%，污秽水平为无污秽，完整无破损；分接开关的分接性能操作无异常；油箱声音无异常，台架对地距离满足要求，密封无渗油，油位无异常，呼吸器硅胶颜色未变色，油温正常，锈蚀为中度锈蚀；非电量保护装置绝缘电阻为1.33 MΩ；接地电阻3.4Ω，接地引下线外观正常；绝缘油颜色正常，耐压试验合格；标志齐全。

根据附图2的核心状态量进行状态评估得到的初始评估结果如下表所示。

表12  配电变压器核心状态量评估结果

由于非核心状态量数据发生了变化，所以要根据非核心状态量的灵敏度对评估的结果进行修正。

绕组及套管三相不平衡率的修正结果：

Δvalue1=-0.01775×5=-0.08875；

绕组及套管负载率的修正结果：

Δvalue2=-0.021×3=-0.063；

油箱锈蚀的修正结果：

Δvalue3=-0.62；

最终变压器的评估结果为：

value=90.20-0.08875-0.063-0.62=89.428；

可见，采用该方法得到的配电变压器的状态评估结果为89.428，变压器状态为正常。

同时，可以根据附图1中所有状态量进行评估，其得到的评估结果为89.85，变压器状态也为正常。两个结果相比偏差不大，因此，该算例验证了所提方法的有效性。

Claims (4)

1.一种基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，其特征是，所述方法首先通过最大特征值法对影响配电变压器状态的各状态量进行分析和筛选，得到评估配电变压器的核心状态量集合；然后利用核心状态量计算得到配电变压器评估的初始结果；最后求取非核心状态量对评估结果的灵敏度，并根据灵敏度，考虑有变化的非核心状态量对初始结果进行修正，得到评估的最终结果。

2.根据权利要求1所述的基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，其特征是，所述方法按照以下步骤进行：

a.通过最大特征值法对影响配电变压器状态的各状态量进行分析和筛选，得到评估配电变压器的核心状态量集合，具体方法如下：

①构造判断矩阵

建立配电变压器状态评估指标体系的层次结构模型，假定R层中元素R_k与下一层中A₁，A₂，…A_m有联系，相对于R_k，A₁，A₂，…A_m的权重分别为w₁，w₂，…w_m，权重之和为1，则判断矩阵A可以表示为：

式中，a_ij表示对于R_k而言，A_i对A_j相对重要性的数值表现；

②制作打分表格，采用专家打分的方式，将配电变压器状态评估指标两两比较，确定a_ij的值，得出比较后的判断矩阵，然后求解判断矩阵的最大特征根和它对应的特征向量，特征向量的各分量即为各指标相对某一目标的权重； 

③权重排序

根据求解得到的各指标的权重，设置一个门限值，选取权重大于门限值的指标，形成核心指标，由核心指标组成的状态量集合即为核心状态量集合；

b.利用核心状态量，采用模糊层次分析法对配电变压器的状态进行评估，得到评估的初始结果P₀；

c.求取非核心状态量对评估结果的灵敏度：

设给定增量k，将某非核心状态量变化k%，采用模糊层次分析法求取变化后的配电变压器评估结果，设为P，则灵敏度为S=（P-P₀）/k；计算不同k值时对应的不同S值，并取这些S的平均值为该非核心状态量对评估结果的最终灵敏度；其中，最终灵敏度是非零的S的平均值；k为正值时表示某状态量增加，负值时表示减少；

d.考虑非核心状态量的变化，根据有变化的非核心状态量对评估结果的灵敏度对初始结果进行修正，得到评估的最终结果：

设非核心状态量i实际变化为k_i%，已知根据核心状态量得到的初始评估结果P₀，则修正后的最终结果为P=P₀+∑(S_i*k_i)，S_i为非核心状态量i的灵敏度。

3.根据权利要求2所述的基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，其特征是，采用模糊层次分析法对配电变压器的状态进行评估的具体步骤如下：

①建立评判因素集

把选定的状态参量作为评判因素，建立配电设备运行状态评判因素集，用U_j来表示，U_j=（u₁, u₂, u₃,…u_n）；

②建立评判等级集

将配网设备的运行状态划分为“良好”、“正常”、 “可疑”、“异常”、“危险”五种情况，即评判等级集为：V={良好，正常，可疑，异常、危险}={v₁, v₂, v₃, v₄, v₅}；

③建立评判因素权重集

对各个评判因素u_i赋予相应的权重系数w_i (i=1, 2, 3,…,n)，则评判因素权重集为W=(w₁, w₂,…,w_n)，权重系数必须满足归一化条件：；

④构造模糊评判矩阵

对评判对象按评判因素集中第i个因素u_i进评判，对应评价等级集中第j个元素v_j的隶属程度为r_ij，则第i个元素u_i的评判结果可用模糊集合R_i=(r_i1，, r_i2,，r_i3,…,，r_in)表示，以各因素评价集的隶属度为行组成模糊评判矩阵R；

⑤模糊综合评判

评判结果为B=A·R=(b₁, ，b₂,，…, ，b_n)，其中“·”是模糊算子，B_j称为一级模糊综合评判结果，表示按U中因素的所有等级进行综合评价时，评价对象对评价等级中第j个等级的隶属度，根据最大隶属度原则，确定被评价对象所属评判等级。

4.根据权利要求3所述的基于核心状态量集合的配电变压器状态评估方法，其特征是，判断矩阵中的元素a_ij表示对于配电变压器的状态而言，状态量A_i对A_j的相对重要性；a_ij采用1～9级标度方法，其标度值和对应的含义如下：

标度值1：表示A_i与A_j具有同样重要性；

标度值3：表示A_i比A_j稍微重要；

标度值5：表示A_i比A_j明显重要；

标度值7：表示A_i比A_j很重要；

标度值9：表示A_i比A_j极其重要；

标度值2，4，6，8：表示上述两相邻判断的中值；

据此可得：a_ii=1，a_ij=1/a_ji (i, j=1, 2…m)，即状态量A_j对A_i的相对重要性a_ji是A_i与A_j比较标度a_ij的倒数。