基于AHP-EW的变压器健康状态画像研究_张立柱.pdf

2023 1期 基于 的变压器健康状态画像研究张立柱，高慧，张林峰，李雅文，武同宝（国网泰安供电公司，山东 泰安 ）摘要：由于变压器内部结构复杂，涉及数据海量、价值密度低及状态评价主观臆断性强，使得变压器的使用门槛较高，维护过程中也较难对其精准定位，因此为方便设备管理人员及时掌握变压器的健康状态，构建了一套变压器状态评价指标体系，并采用层次分析法和熵权法确定指标综合权重，使得画像结果更客观、可靠，完成变压器定期检修到状态检修的转变，为电力运维人员提供较好的指导作用。关键词：配电变压器；评价指标体系；层次分析法；熵权法；健康状态画像中图分类号：，（，）：，：；基金项目：国网山东省电力公司科技项目“融合画像展示及智能决策的供电服务数据地图系统研究”（编号 ）收稿日期：作者简介：张立柱（），通信作者，研究方向为配电设备检修及精益化运维；高慧（），高级经济师，研究方向为配网调度、配电设备监测及客户优质服务；张林峰（），硕士，副高级工程师，研究方向为配网调度、配电设备监测及配电自动化运维；李雅文（），硕士，副高级工程师，研究方向为配电二次运检、配电设备监测及抢修指挥；武同宝（），副高级工程师，研究方向为供电可靠性管理。引言变压器是电力系统中重要的输配电设备，为保障它的稳定运行，电力系统会定期进行检修，然而在没有判断其健康状态的情况下，这种检修方式效率不高且耗费大量的人力，运维效果不佳。变压器健康状态画像是决定其检修决策的基础。变压器状态画像的主要目的是准确评价变压 器 的 健 康 状 态，指 导 相 关 人 员 及 时 进 行 精 准 抢修。电力行业在进行设备健康状态画像时，很多是通过设备负载率、油温等指标是否超过阈值来判定，并给予相应的健康分值，然后根据配电网相关设备的评价标准判断变压器的运行状态。但这种方法有一个弊端，那就是在确定指标的权重时，过于依赖专家经验，导致画像结果不精确。近年来，为了能更准确地评估设备运行状态，很多学者在这方面进行了大量研究。文献 在得到设备的状态量指标后，通过关联规则技术对各状态量间的隐含关系进行分析，得出权重系数，实现设备健康画像。文献在研究营配数据融合的基础上，提出配电网运行状态的评估指标体系，然后用 方法计算各指标权重因子，进行配电网运行状态画像。文献 采用改进的均值算法对配电网多源数据进行聚类分析，然后结合雷达图评价方法，实现运维事件序列的关联挖掘与展示。文献 利用模糊层次分析法建立联系度评价模型，从而实现对变压器健康状态的评价。文献 引入模糊理论建立综合指标评价模型，但单一权重问题导致个别参数异常，最终影响评价结果。本文综合考虑变压器的电气试验数据、绝缘油特性和油中溶解气体多项指标数据，构建设备状态评价指标体系，然后运用层次分析法和熵权法确定指标组合权重，最终 以 可 视 化 的 方 式 实 现 变 压 器 健 康 状 态 画 像 的展示。指标体系构建变压器健康状态涉及因素众多，而且各个因素的影响程度也不尽相同。本文在遵循指标体系构建原则的基础理论研究电工技术 中国电工网上，建立能反映变压器健康状态的评价指标体系。指标体系构建原则在构建变压器状态画像指标体系时，要严格遵循以下原则。（）有效性原则。评价指标要和变压器的运行状态密切相关，能反映变压器的工作状况。（）易获取性原则。评价指标要能简单获取或容易检测，技术上可行，便于操作。（）相对独立性原则。应最大程度去除冗余特征，保证各指标间的相对独立性，避免评价指标之间相互重叠。（）一致性原则。指标体系中所有的评价指标都应和评价目标相一致，不应包含与评价目标无关的指标，也不应包含意义相互冲突的指标。（）系统性原则。指标体系要能从整体上反映变压器的运行工况。指标体系本节将变压器多维特征进行整合，提取能反映变压器健康状态且容易计算的各个状态量作为评价指标，构建配电变压器健康状态评价指标体系，包含目标层、准则层和指标层。其中，准则层包含电气试验数据、绝缘油特性和油中溶解气体含量，并从各准则层中选取部分状态量作为底层指标，依据国家电网公司导则文件 进行各项指标的计算。构建的指标体系见表。表变压器健康状态评价指标体系目标层准则层指标层配电变压器运行状态评价（）电气试验（）吸收比（）直阻不平衡率（）绕阻介损（）铁芯接地电流（）绝缘油特性（）油中微水质量分数（）击穿电压（）油的介质损耗（）油中溶解气体（）氢气含量（）乙炔含量（）总烃含量（）指标权重设定方法本文提出的变压器健康状态画像主要包括设备特征标签提取、指标权重赋值和画像展示。在指标权重赋值过程中，选 择 将 层 次 分 析 法（，）和熵权法（，）相结合，充分利用它们主、客观赋权的优点，实现变压器状态评价指标的权重计算。基于层次分析法的权重计算方法层次分析法（）是一项用来解决多目标、多层次且难以完全用定量的方法去解决的主观赋权法。它首先将复杂目标分解成多个子目标，不同层的目标划分粒度不同，按照目标层、准则层和指标层的结构构建模型，然后计算各项指标权重，最终得出优化的决策。（）构造判断矩阵。设准则层为，对应的指标层元素为，由评价者给出在准则下相对于的重要性形成判断矩阵。判断矩阵的构造方法有三标度法和九标度法，本文采用互反性标度，即指标相对于指标的相对重要性来度量，取值为及其倒数，见表。表 判断矩阵标度取值方法重要性定义标度重要性定义标度指标和指标同等重要 指标比指标稍微不重要指标比指标稍微重要 指标比指标明显不重要指标比指标明显重要 指标比指标非常不重要指标比指标非常重要 指标比指标绝对不重要指标比指标绝对重要（）基于特征根法计算判断矩阵的特征值和特征向量。判断矩阵的最大特征值对应的特征向量是该层指标的权重值。（）一致性检验。在实际评价变压器状态的各个指标时可能会出现评价片面或模糊的情况，为使各指标重要性度量保持一致，需对判断矩阵进行一致性检验。一致性指标和一致性比率为：（）（）式中，为判断矩阵的最大特征值；为矩阵阶数；为判断矩阵的平均随机一致性指标。其中值的规定见表。如果.，那么表明检测结果符合要求。表平均随机一致性指标阶数阶数 基于熵权法的权重计算方法熵权法是基于熵原理的客观赋权法。通过熵值来判断各项指标的离散程度，信息熵越小，指标的离散程度越大，该指标的权重就越大，能解决由指标差异性引起的权重计算问题，可有效提升评价可信度。利用熵权法计算指标权重的具体过程如下。（）构建评价指标矩阵。假设有个评级对象和个评价指标，则评价矩阵为：（）电工技术理论研究2023 1期 由于各指标单位不尽相同，因此需对数据进行归一化处理：（）（）（）（）（）对归一化后的各项指标进行比重变换：（；）（）（）计算各项指标的熵值：（）（）（）计算各项指标的权重：（）（）（）基于 的组合权重计算方法考虑到主、客观赋权法在确定指标权重时的优缺点，将层次分析法和熵权法相结合，充分利用两种赋权法的优点，同时又弥补了二者的不足，从而更加科学、合理地确定变压器状态评价指标权重，使得最终的画像结果更加真实、可信。设层次分析法计算得到的权重向量为，由熵权法得到的权重向量为，则综合权重向量为：（）（）式中，和分别为层次分析法和熵权法的权重比例系数，由相关专家根据经验给出。画像建模过程设备画像的基础是指标体系的构建。本文根据国家电网公司导则文件进行各指标的计算，得到单项指标值，然后依据专家的知识和经验对各个指标建立分段评估准则，得到相应的指标得分。同时，将层次分析法和熵权法相结合，计算单项指标权重，最终得到健康状态综合得分，实现变 压 器 运 行 状 态 画 像。变 压 器 画 像 建 模 过 程 如 图所示。获取变压器运行状态数据构建评价指标体系计算单项指标值计算单项指标得分利用 AHP 和 EW 计算单项指标权重根据指标权重计算所有指标得分计算运行状态评价综合得分变压器运行状态画像展示图 1 变压器画像建模过程本文采用百分制对变压器状态进行评分，分数越低，表明变压器发生故障的概率越高。根据评分结果，将变压器状态画像的健康程度分为个级别，分别是正常、亚健康和病态。其中得分 的为正常，得分 的为亚健康，得分 的为病态。各个健康程度的具体含义见表。表 变压器状态画像类别画像类别含义正常表示变压器处于稳定期，执行正常的运维策略即可亚健康表示变压器处 于 波 动 期，且 有 可 能 转 为 病 态 画 像。需重视已有的缺陷，并严格执行巡检流程病态表示变压器处于危险期，极易可能发生 故 障。需 提高变压器的巡检频率和检查范围实例分析为验证本文所提方法的有效性，以江西省某台额定电压为 ，型号为 的油浸式配电变压器为例，整理了该变压器预防性试验数据，见表。表 变压器试验数据指标参数值 从表的变压器健康状态评价指标体系可知，准则层对于目标层各指标权重组成的集合为，指标层对于准则层各指标权重组成的集合为：，针对该配电变压器，采用表的互反性标度取值方法，对准则层因素两两之间的相对重要程度、不同准则层对应的指标层因素两两之间的相对重要程度进行打分。本文以准则层因素之间的相对重要程度评分为例，给出准则层对于目标层的判断矩阵：（）然后通过 节介绍的层次分析法求权步骤求出最大特征值 和 对 应 的 特 征 向 量，得 到 准 则 层 各 因 素 的 权 重向量：.，.，.理论研究电工技术 中国电工网根据式（）、式（）求得一致性比率.，结果符合要求。利用同样的方法可求出指标层因素对于各个准则层的相对重要性权重向量为：.，.，.，.，.，.，.，.根据 节介绍的熵权法计算指标权重的方法，对各项底层指标进行标准化处理，获得各指标的熵权，指标层对于各个准则层的相对重要性权重向量为：.，.，.，.，.，.，.，.根据式（）确定最终的合理权重值。由专家意见可知，取 时，可更加合理地将层次分析法和熵权法相结合，去除两种方法单独计算时不利因素的影响。最终得到的各指标权重见表。表 组合权重目标层准则层准则层组合权重指标层指标层组合权重配电变压器健康状态评价（）.利用相关导则定义的指标评分公式，由表变压器状态实测数据得到底层单项指标得分，同时结合上面的指标综合权重，逐层向上计算，得到准则层和目标层得分：（）（）（）（）式中，（）为指标体系中第 层某指标（）的得分；为指标（）的第层子指标的个数；（）为（）的层子指标的得分；（）为（）的层子指标的权重。利用上述计算方法得知该变压器处于病态，发生故障的概率较大，且与设备实际状态相符，证明了本文所提方法的有效性。为了使电力运维人员掌握不同状态类别的变压器特征，对于得到的准则层指标进行可视化展示，形成不同变压器的健康状态画像，如图所示。从图可看出，正常画像中各准则层因素分数较高，亚健康画像和病态画像整体分数较低。若变压器处于亚健康状态，则应特别注意已存在的缺陷，并严格遵循巡检流程。若变压器处于病态，则表示它很有可能发生故障，应提高检查频率，优先安排相应的运维策略。图 2 三类变压器画像油中溶解气体电气试验绝缘油特性（c）病态画像油中溶解气体电气试验绝缘油特性（a）正常画像油中溶解气体电气试验绝缘油特性（b）亚健康画像结语本文提出一种基于组合权重的配电变压器健康状态画像方法。从电气试验、绝缘油特性和油中溶解气体个维度，选取变压器状态密切相关的主要指标，构建层次化指标体系，结合层次分析法和熵权法的优点，采用组合赋权的方式计算变压器指标权重，避免了单一权重导致的权重变差，综合评价变压器的健康状态，实现变压器健康状态画像。该方法有助于运维人员掌握变压器的运行状态，实现差异化管控，提高变压器管控效率，为今后电力运维人员提供了有效参考。参考文献 刘灏，魏玉芳一起 主变压器倒送电保护动作原因分析水电站机电技术，（）：刘倩变压器检修技术及其在电力电气维修中的运用山东工业技术，（）：张晗，常安，王奇，等 基于多源信息的变压器状态评价方案研究与应用高压电器，（）：王金龙，赵京鹤，池明赫电力变压器综合状态的模糊评价方法研究变压器，（）：范李平，张晓辉，苏伟基于大数据挖掘的变电设备故障预警研究及应用电力大数据，（）：叶海峰基于画像的变压器精细化管控策略研究微型电脑应用，（）：，童莹 基于营配数据融合的配电网运行状态评估及发展态势预判 长沙：湖南大学，陈楠 基于大数据平台的配电网数据挖掘及应用研究 济南：山东大学，杨映滋，罗日成，黄知明，等模糊集对分析在大型变压器状态评价中的应用 电气技术，（）：，廖瑞金，王谦，骆思佳，等基于模糊综合评判的电力变压器运行状态评估模型 电力系统自动化，（）：配网设备状态评价导则 刘龙洋，冯焱冲，陈政，等基于层次分析法的配网线路防雷方案评 估 研 究与 应 用 机 械 与 电 子，（）：，张泽宇，李锡忠，费旋，等 基于主客观组合赋权法的配电台区低电压多层次多指标权重设计 电工技术，（）：电工技术理论研究