一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法与流程

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，我国的电力供应形势日益紧张，在全国各地仅因电网系统故障造成的经济损失就高达上万亿，分析其的主要原因是对电网系统的故障不能够及时处理。

因我国电力企业长期以来一直执行全国统一的定期检修制度，其本质特征是单纯以时间周期为基础。这种模式明显存在不考虑设备的实际状况、检修过程中针对性不强、掌握设备状态不够、不符合现有电力设备寿命的故障规律、产生超量检修之类的负效应等不良问题，显然，检修体制是否完善直接影响电力设备的可靠性水平，因此通过对电力设备的运行健康状态特性进行建模，对于其合理使用和维修、故障预测以及配电管理等操作，有着极为重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法， 能够实现对电力设备的运行健康状态进行建模，便于对其进行合理使用和维修、故障预测以 及配电管理等操作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法，该包括以下步骤：

（1）建立一级指标物元及其判断矩阵；

（2）建立二级指标物元及其判断矩阵；

（3）利用可拓学原理构造一级、二级指标物元的经典域和节域；

（4）利用可拓学原理计算各级指标物元的关联度；

（5）综合各级指标物元关联度获取电力设备的健康状态；

所述步骤（1）建立一级指标物元和所述步骤（2）建立二级指标物元，包括：按照功能划分、结构划分的方式建立；

所述步骤（3）一级、二级指标物元的经典域和节域，包括：通过统计学方法计算并结合专家经验以及参考相关电力设备的国家标准以及企业标准绘制评分函数进行打分获得。

优选的，所述步骤（1）和所述步骤（2）的判断矩阵采用层次分析法的原理，按照判断矩阵1~9级标度原则判断同一层次上两元素之间的重要关系，得到判断矩阵，再通过本级各指标之间的相互比较，得到该级指标判断矩阵及权重。

优选的，所述步骤（3）的经典域包括：良好、较好、一般、注意，其中，良好：0.85~1；较好：0.75~0.85；一般：0.6~0.75；注意：0~0.6。

优选的，所述步骤（3）的节域取值范围为：0~1。

优选的，所述步骤（4）计算各级指标物元的关联度，包括：

每个评估指标物元关于不同划分等级的改进初等关联函数为：

其中ρ(x,x₀,X)与ρ(x,x₀,X₀)分别为指标值x与经典域X₀和节域X的右侧距，D(x,x₀,X)表征指标值x与经典域X₀和节域X的位值；

将电缆线路状态目标评估等级划分为m个等级区间，含有n个指标的评估体系关联度矩阵C为：

其中K(x_ij)表示关联系数；

将各指标关联度矩阵C进行规范化处理：

其中K(x_ij)表示关联系数，max(|K(x_i•)|)表征第i行元素最大绝对值；

根据电缆线路评估问题的需求，对于包含s个指标的评估物元综合关联度的计算公式为：

其中ω_i为第i个评估物元对应的指标权重，k(x_i)表征关联矩阵的规范化处理。

本发明提供了一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法，该方法首先建立各级的指标物元及其判断矩阵，然后采用可拓学方法对各级指标物元进行经典域和节域的构造，最后再根据可拓学原理计算各级指标物元的关联度最终得到对应电力设备的健康状态，该方法能够使得工作人员及时了解对应的电力设备的健康状况，从而便于对其进行合理使用和维修、故障预测以及配电管理等操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1 为本发明实施例提供的对电力设备进行健康状态评估的建模方法的流程示意图；

图 2 为本发明实施例提供的电缆线路的物元分层模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法，如图 1 所示，该方法包括：

步骤 S1、建立一级指标物元及其判断矩阵。

要实现对于电力电缆健康状态准确、全面地评估，需要准确把握能反映其运行状态的状态量，并结合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，建立了电缆线路状态评估指标体系。评估指标体系分为二级，二级指标即为状态量，如图 2 所示。第一级指标包括：电缆本体、电缆终端、电缆中间接头、接地系统、电缆通道、辅助设施；采用层次分析法的原理，按照判断矩阵1~9级标度原则判断同一层次上两元素之间的重要关系，得到判断矩阵，通过一级指标各指标之间的相互比较，得到的一级指标判断矩阵及权重如表1所示。

表1电力电缆一级指标判断矩阵及权重向量

步骤 S2、建立二级指标物元及其判断矩阵。

第二级指标包括：属于电缆本体的线路负荷、绝缘电阻、电缆变形、埋深、 防火阻燃，属于电缆终端的污秽、防火阻燃、破损和温度，属于电缆中间接头的防火阻燃、 破损、温度、运行环境，属于接地系统的接地引下线、接地电阻，属于电缆通道的电缆井、电缆管沟环境，属于辅助设施的牢固程度、标识齐全、锈蚀程度。

同理，建立各一级指标的二级指标判断矩阵，采用最大特征值法求出各个部件相应的状态量的权重，如表2所示：

表2 二级指标（状态量）权重

步骤S3、利用可拓学原理构造一级、二级指标物元的经典域和节域。

由于电缆线路状态量指标单位各不相同，因此需要一个统一的衡量尺度对设备的状态量进行评估。本实施例根据状态量指标的劣化程度用得分对状态量指标进行0~1量化，以0.6作为危险阈值，1为理想状态，并以此对电缆线路各个部件状态进行打分。

状态量指标分为定性指标和定量指标两类。对于定性指标采用专家经验法，根据对设备状态的影响进行打分，分数越高表明设备运行状态越好；对于定量指标评分模型采用线性分段函数，参考相关设备的国家标准以及企业标准绘制评分函数进行打分，将评估结果分为4个状态，分别为：良好、较好、一般和注意。

本实施例收集了某10kV电缆线路故障样本数据，通过统计学方法计算出各个二级物元的量值的数学期望和均方差，然后，再构造各个物元的经典域和节域，根据电缆线路状态划分标准和相关的试验规程以及专家经验等，可以给出各个指标的经典域和节域。

电缆本体指标的经典域和节域，如表3所示：

表3 电缆本体指标的经典域和节域

电缆终端指标的经典域和节域，如表4所示：

表4电缆终端指标的经典域和节域

电缆中间接头指标的经典域和节域，如表5所示：

表5 电缆中间接头指标的经典域和节域

接地系统指标的经典域和节域，如表6所示：

表6接地系统指标的经典域和节域

电缆通道指标的经典域和节域，如表7所示：

表7 电缆通道指标的经典域和节域

辅助设施指标的经典域和节域，如表8所示：

表8 辅助设施指标的经典域和节域

步骤S4、利用可拓学原理计算各级指标物元的关联度。

根据物元模型，在电缆线路运行状态评估体系中，可以把评估目标看作是目标物元，评估目标下面包含若干一级指标，可以把每个一级指标看作是一个一级指标物元；每个一级指标下面都包括若干个二级指标，每个二级指标可看作是一个二级指标物元；因此，指标物元分层体系与电缆线路状态评估指标体系是一一对应的。

假设某个指标物元的经典域X0=[a, b]，节域X=[c, d]，其中，X0⊂X体现了电缆线路评估指标的特有性质。根据电缆线路运行状态的原始样本数据，通过正态拟合方法就能够求得各个指标物元的经典域；根据原始样本数据中各个指标的最大值和最小值便能够确定每一个指标物元的节域。

在电缆线路健康状态分层评估中，因为经过标准化处理的指标值的最优点一般情况下靠近等级区间的右侧，所以在这里引入右侧距的概念，指标值x与区间X0的右侧距为：

在电缆线路状态评估划分等级区间当中，靠近等级最优或最差区域的经典域与节域有公共端点，为了避免经典域X0与节域X存在公共点的问题，可以将靠近等级最优区域的经典域上限取小于但是接近上限的值，将靠近等级最差区域的经典域下界取大于但是接近下限的值。指标值x与经典域X0和节域X的位值为：

在上式当中，ρ(x,x0, X)和ρ(x,x0 X0)分别为指标值x与经典域X0和节域X的右侧距。

关联函数是可拓学描述事物的量化工具，对于电缆线路健康状态分层评估问题，可拓评价物元模型关联函数的构造方法有所变化。对于不同划分等级区域，通常采用同一关联函数计算式。但在最优或最差等级区域内，也就是靠近最高或最低值时，要求ρ(x,X)= ρ(x,X0)= -1；如果继续采用相同的关联函数计算式，那么关联函数值为0，但是此时x并不是等级最优区域或者最差区域的临界值。因此，当数值靠近等级最优区域或最差区域的最高值或最低值时，采用同一关联函数来计算该元素与区间套的关联程度是不合理的。这里对这种情况下的关联函数进行了改进，采用右侧距替代距，最优点x0选为靠近经典域上限的位置，将靠近等级最优区域的经典域上限取小于但是接近上限的值，将靠近等级最差区域的经典域下界取大于但是接近下限的值，这样就可以保证经典域X0与节域X没有公共点。

每个评估指标物元关于不同划分等级的改进初等关联函数为：

其中与分别为指标值x与经典域X₀和节域X的右侧距，表征指标值x与经典域X₀和节域X的位值；

如果将电缆线路状态目标评估等级划分为m个等级区间，那么含有n个指标的评估体系关联度矩阵C为：

其中K(x_ij)表示关联系数；

将各指标关联度矩阵C进行规范化处理：

其中K(x_ij)表示关联系数，max(|K(x_i•)|)表征第i行元素最大绝对值；

根据电缆线路评估问题的需求，对于包含s个指标的评估物元综合关联度的计算公式为：

其中ω_i为第i个评估物元对应的指标权重，k(x_i)表征关联矩阵的规范化处理。

在本发明实施例的一个具体应用场景中，以某中压电缆线路的试验及巡检数据为算例，计算其最终各种状态相应的隶属度。该线路铺设的电缆型号是LSN 10/3.1-3X9.5m。该段线路负荷为额定负荷的70%；绝缘电阻试验与初值比较没有显著差别；电缆外形有两处轻微破损；防火阻燃与埋深都满足设计要求；电缆终端表面有污秽，略有破损，相间温度差为7K，接头温度为70℃，防火阻燃措施完善；电缆中间接头无异常发热，运行环境优良，中间头无明显破损，防火阻燃满足要求；接地引下线外观良好，接地电阻为8.7Ω；电缆井无积水、则无，基础无破损，电缆管沟无积水、无下沉，电缆线路保护区运行环境正常，防火阻燃满足设计要求；辅助设施安装牢固，但有中度锈蚀。标识安装高度未达到要求。

根据该段电缆线路的实际健康状态得到各部件状态量得分如表9所示：

表9 各部件状态量得分

电缆本体指标的关联矩阵如表10所示：

表10 电缆本体指标的关联矩阵

电缆终端指标的关联矩阵，如表11所示：

表11电缆终端指标的关联矩阵

电缆中间接头指标的关联矩阵，如表12所示：

表12 电缆中间接头指标的关联矩阵

接地系统指标的关联矩阵，如下表13所示：

表13接地系统指标的关联矩阵

电缆通道指标的关联矩阵，如下表14所示：

表14 电缆通道指标的关联矩阵

辅助设施指标的关联矩阵，如表15所示：

表15 辅助设施指标的关联矩阵

步骤 S5、综合各级指标物元关联度获取电力设备的健康状态。

将各二级指标按照各自权重加权之后可得到一级指标权重，同理可得到该段电缆线路最终的关联度向量最终的综合评判结果为：[0.0669,-0.0639,-0.2513,-0.2578]。结合四种状态评判，与良好状态的关联度为0.0669；与较好状态的关联度是-0.0639；与一般状态的关联度是-0.2513；与注意状态的 关联度是-0.2578。因此，可证明该段电缆线路运行在正常状态。

综上， 本发明实施例提供了一种对电力设备进行健康状态评估的建模方法，该方法首先建立各级的指标物元及其判断矩阵，然后采用可拓学方法对各级指标物元进行经典域和节域的构造，最后再根据可拓学原理计算各级指标物元的关联度最终得到对应电力设备的健康状态， 该方法能够使得工作人员及时了解对应的电力设备的健康状况，从而便于对其进行合理使用和维修、故障预测以及配电管理等操作。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。