趙 越，馬小波

（山西電力超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030032）

高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)模糊綜合評(píng)估

趙 越，馬小波

（山西電力超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030032）

為了使高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估更準(zhǔn)確可靠，提高其診斷精度，提出了運(yùn)用層次分析法、熵權(quán)理論與模糊綜合評(píng)判相結(jié)合的高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估方法。該方法首先由模糊數(shù)學(xué)確定各因素的隸屬函數(shù)，其次通過(guò)層次分析法、熵權(quán)理論確定高壓斷路器運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)的綜合權(quán)重，最后結(jié)合指標(biāo)權(quán)重與評(píng)判矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算得到高壓斷路器的綜合運(yùn)行狀態(tài)。以SF6高壓斷路器為例，驗(yàn)證該方法合理有效。

高壓斷路器；狀態(tài)評(píng)估；模糊綜合評(píng)判；層次分析；熵權(quán)

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備之一，在電網(wǎng)中起控制與保護(hù)的雙重作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓斷路器運(yùn)行狀況的判斷是通過(guò)定期維修或停電預(yù)防性試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和專家的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估[1-2]。但是，實(shí)踐證明通過(guò)靜態(tài)評(píng)估的高壓斷路器在實(shí)際應(yīng)用中并不能保證其安全可靠運(yùn)行。

文獻(xiàn)[3]應(yīng)用層次分析法可以有效解決評(píng)價(jià)、排序、指標(biāo)綜合等一系列問(wèn)題，但是方法的實(shí)施過(guò)程中主觀臆斷性太強(qiáng)，可能影響最后的批判結(jié)果。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用突變理論，通過(guò)選擇代表性的狀態(tài)特征量，利用歸一公式內(nèi)在的作用機(jī)理決定各自權(quán)重，建立狀態(tài)評(píng)判模型，以減少主觀性，使分析、決策和評(píng)判更趨于實(shí)際。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了將熵權(quán)法用于高壓斷路器狀態(tài)評(píng)估中因素權(quán)重確定的方法，使高壓斷路器狀態(tài)評(píng)估模型中評(píng)價(jià)因素的權(quán)重更合理，評(píng)估結(jié)果更具有可信度。

1 模糊綜合評(píng)估

模糊綜合評(píng)價(jià)法[5]是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)估方法。該方法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題，適合各種非確定性問(wèn)題的解決。

用模糊綜合評(píng)判的方法進(jìn)行決策的關(guān)鍵是：決策因素的選擇、評(píng)價(jià)等級(jí)的確定、權(quán)系數(shù)的分配、評(píng)價(jià)模型的建立以及評(píng)價(jià)結(jié)果的處理和使用。具體步驟如下。

a)建立評(píng)判因素集。因素集是影響評(píng)估對(duì)象的各因素所組成的一個(gè)集合。用Uj表示，即：U=（u1，u2，…，un），各元素ui即代表各影響因素。

b)建立評(píng)判等級(jí)集。等級(jí)集合是評(píng)估者對(duì)評(píng)估對(duì)象可能作出的各種總的評(píng)估結(jié)果所組成的集合。用V 表示，即V= （v1，v2，v3，…，vm）。

e)模糊綜合評(píng)判。評(píng)判結(jié)果B=A。R=（b1，b2，…，bn），其中“?！笔悄：阕?。bj稱為一級(jí)模糊綜合評(píng)判結(jié)果，表示按U中因素的所有等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)集中第j個(gè)等級(jí)的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則，確定被評(píng)價(jià)對(duì)象所屬評(píng)判等級(jí)。

2 評(píng)估因素權(quán)重的確定

a)層次分析法[6]（AnalyticalHierarchy Process，AHP），是在1973年由美國(guó)數(shù)學(xué)家A.L.Saaty提出的，它是一種分析多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，是能將定性分析與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。該方法確定主觀權(quán)重步驟如下。

首先，建立層次結(jié)構(gòu)模型，確定目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素集。其次，構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣表示針對(duì)上一層次某因素而言，本層次與之有關(guān)的各因素之間的相對(duì)重要性。通過(guò)元素的兩兩比較，采用1—9標(biāo)度進(jìn)行標(biāo)度，標(biāo)度的含義見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義

然后是計(jì)算重要性排序，它是根據(jù)A—U判斷矩陣，求出最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評(píng)價(jià)因素重要性排序，即權(quán)重分配。最后，一致性檢驗(yàn)，可通過(guò)一致性公式來(lái)求

式中：CR——判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；

RI——判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于1—9階判斷矩陣，RI值列于表2。

CI——判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)數(shù)分配是合理的，否則需要調(diào)整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止。

b)“熵”（Entropy）的概念最初產(chǎn)生于熱力學(xué)[7]，它被用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一種不可逆現(xiàn)象，后來(lái)在信息論中用熵來(lái)表示事物出現(xiàn)的不確定性。1948年，維納和申農(nóng)創(chuàng)立了信息論，申農(nóng)把通信過(guò)程中信息源的信號(hào)不確定性稱為信息熵。

信息熵在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了更多的應(yīng)用。在信息論中，信息是系統(tǒng)有序程度的一個(gè)度量，熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的一個(gè)度量，二者絕對(duì)值相等、符號(hào)相反。當(dāng)系統(tǒng)可能處于幾種不同狀態(tài)，每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率為 pi，（i=1，2，…，m）時(shí)，該系統(tǒng)的熵定義為

顯然，當(dāng)pi=1/m，（i=1，2，…，m），即概率相等時(shí)，熵取得最大值為

設(shè)有m個(gè)待評(píng)項(xiàng)目，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣R=（rij）mn，對(duì)于j=1，2，…，n，信息熵為

可見(jiàn)，如果某個(gè)指標(biāo)的熵Ej越小，就表明其指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用越大，其權(quán)重就應(yīng)越大；某個(gè)指標(biāo)的熵Ej越大，就表明其指標(biāo)值的變異程度越小，提供的信息量越少，在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用越小，其權(quán)重也就越小。在具體分析過(guò)程中，可根據(jù)各指標(biāo)值的變異程度，利用熵來(lái)計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，利用各個(gè)指標(biāo)權(quán)重對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，從而得出較為客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 評(píng)估模型

本文著重于高壓斷路器評(píng)估方法的研究，以高壓系統(tǒng)中普遍使用的SF6高壓斷路器為評(píng)估對(duì)象，其指標(biāo)體系如表3所示。

表3 高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系

4 評(píng)估因素隸屬度的確定

本文采用廣泛應(yīng)用的半梯形分布函數(shù)和三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)確立分布中包含的參數(shù)以確定隸屬度[8]。其隸屬函數(shù)分布圖如圖1所示。

圖1 半梯形和三角形隸屬函數(shù)分布圖

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集XT=｛x1，x2，…，xm｝，評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)V= ｛v1，v2，…，vm｝，設(shè)vj和vj+1為相鄰兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且vj+1＞vj，則隸屬度函數(shù)為

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，生成隸屬函數(shù)

5 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證該模糊綜合評(píng)判方法在斷路器中應(yīng)用的可行性和有效性，本文對(duì)AQ1-EE型SF6進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判計(jì)算，主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。該斷路器工作9年，累計(jì)動(dòng)作次數(shù)118次，試驗(yàn)測(cè)得合閘不同期和分閘不同期分別為1.0 ms和0.9 ms，剛分速度和剛合速度為4.4 m/s和3.8 m/s，分/合閘線圈直流電阻為 215 Ω，實(shí)際現(xiàn)實(shí)壓力為0.655 MPa，滅弧室濕度為89×10-6，合閘線圈最低動(dòng)作電壓為120 V，105 V一次回路對(duì)地絕緣為7 500 MΩ，環(huán)境溫度為20℃，氣體壓力單位為MPa。

表4 AQ1-EE SF6斷路器主要技術(shù)參數(shù)

表5 SF6斷路器氣體壓力表MPa

根據(jù)B=A。 R=（b1，b2，…，bn）計(jì)算得到電氣特性模糊評(píng)判結(jié)果為

機(jī)械特性模糊評(píng)判結(jié)果為

絕緣特性模糊評(píng)判結(jié)果為

其他因素采用模糊統(tǒng)計(jì)的方法，得到模糊評(píng)判結(jié)果為

將上述所得各種評(píng)判結(jié)果作為評(píng)判因素，進(jìn)行高一級(jí)的綜合評(píng)判，得到

對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，得到結(jié)果為

根據(jù)最大隸屬度原則，可知該斷路器整體運(yùn)行狀態(tài)處于評(píng)語(yǔ)“優(yōu)”階段，表示斷路器運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，可以較大程度地延期檢修。實(shí)際運(yùn)行與檢修情況也同高壓斷路器模糊綜合評(píng)判模型所得結(jié)果基本吻合。

6 結(jié)論

本文結(jié)合高壓斷路器實(shí)際運(yùn)行情況，提出了高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。選擇了以高壓斷路器的電氣特性、機(jī)械特性、絕緣特性、環(huán)境特性及外觀狀況等因素作為高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估的內(nèi)容，分別對(duì)其進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，找出運(yùn)行狀態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)，可以有效地減少過(guò)早或不必要的停電試驗(yàn)和檢修，減少維護(hù)工作量，降低維修費(fèi)用，同時(shí)還可以在檢修時(shí)提高檢修的針對(duì)性。

［1］ 方可行.斷路器故障與監(jiān)測(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.163-175．

［2］ 許婧，王晶，高峰，等.電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（8）：48-52．

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Fuzzy Comprehensive Evaluation on the Operation of High Voltage Breakers

ZHAO yue，MA Xiao-bo
（Shanxi Extra（Ultra）High Voltage Company，Taiyuan，Shanxi 030032，China）

A new evaluating method，which is based on AHP,entropy theory and fuzzy comprehensive evaluation,is put forward in order to assess the operational conditions of high voltage breakers more accurately and reliably,thus,improving its diagnostic accuracy.The process consists of the following stages:firstly,the membership function of each factor is identified by fuzzy mathematics；secondly,based on AHP and entropy theory,the comprehensive weight of high-voltage breakers’operation parameters are identified；finally,the comprehensive running state of HVCB is computed by index weight and evaluation matrix.Take SF6highvoltage breakers for example,the method is verified to be rational and effective.

high-voltage breakers； condition assessment； fuzzy comprehensive evaluation； analytical hierarchy process;entropy weight

O519

A

1671-0320（2011）04-0001-04

2011-04-12，

2011-05-23

趙 越（1980-），男，山西平遙人，2002年畢業(yè)于華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)，助理工程師，從事變電運(yùn)行工作；

馬小波（1979-），男，山東安丘人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事變電運(yùn)行工作。