基于改進(jìn)型QSPM矩陣的線路連結(jié)金具壽命評估方法

梁 偉，李勇杰，王 建，朱弘釗，劉春翔， 龔 浩，何 成，程 鵬

（1.南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3．國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011）

基于改進(jìn)型QSPM矩陣的線路連結(jié)金具壽命評估方法

梁 偉1,2，李勇杰3，王 建3，朱弘釗1,2，劉春翔1,2， 龔 浩1,2，何 成3，程 鵬1,2

（1.南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3．國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830011）

針對沙漠區(qū)域廣泛存在的輸電線路連接金具磨損問題，在改進(jìn)型QSPM矩陣的基礎(chǔ)上引入灰色理論和模糊數(shù)學(xué)方法，建立了沙漠環(huán)境、輸電走廊、線路本體特征以及連接金具特性等因素的線路連接金具壽命評估指標(biāo)體系。對沙漠地區(qū)某同走廊750kV線路吐魯番至哈密區(qū)段的連接金具進(jìn)行了壽命評估，評估計算結(jié)果與運行實際非常相似。該方法實現(xiàn)了多源影響因子的量化評估，可為同走廊的線路連接金具磨損風(fēng)險評估提供技術(shù)支撐。

線路連結(jié)金具；同走廊輸電線路；壽命評估；QSPM矩陣；灰色理論；模糊數(shù)學(xué)；指標(biāo)評價

0 引言

沙漠區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)、沙塵天氣給輸變電設(shè)備帶來了系列損傷，典型的問題有金具磨損、復(fù)合絕緣子傘裙撕裂等，其中清華大學(xué)和國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院密切合作，在復(fù)合絕緣子的傘裙撕裂機(jī)理、抗風(fēng)設(shè)計等方面展開了系列研究，為強(qiáng)風(fēng)區(qū)域輸變電設(shè)備設(shè)計提供了大量數(shù)據(jù)，但是有關(guān)沙漠金具磨損以及相關(guān)壽命評估的研究工作進(jìn)展緩慢。

沙漠金具磨損方面僅見蘆信[1]以及楊現(xiàn)臣[2]等相關(guān)的報道。蘆信在收集750 kV輸電線路所處沙漠戈壁環(huán)境的有關(guān)風(fēng)速、沙塵顆粒尺寸、沙塵濃度等信息的基礎(chǔ)上，利用風(fēng)洞研究了這些參數(shù)對金具磨損的影響[1]。楊現(xiàn)臣等通過搖擺磨損試驗和破壞載荷試驗對“U”形環(huán)進(jìn)行了大量研究，探討了金具磨損與大風(fēng)振動之間的關(guān)系[2]。風(fēng)振金具研究方面，張麗等評估了風(fēng)振作用下金具的疲勞壽命，以南京三江口長江500 kV大跨越輸電線路絕緣子導(dǎo)線金具為研究對象，分析了自振特性、風(fēng)振響應(yīng)，以及靜風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和風(fēng)振疲勞，估算輸電線絕緣子金具在風(fēng)振作用下的疲勞壽命[3-4]。環(huán)境因素對線路金具的影響方面，張秀麗等采用表面形貌分析、橫截面形貌分析、金具腐蝕物化學(xué)及物相分析、X射線衍射分析等手段測試分析了酸雨區(qū)域約10年的銹蝕金具，分析了腐蝕金具的力學(xué)特征[5]。陳軍君等分析了在運線路金具的情況，建立了酸雨環(huán)境的金具腐蝕速度模型，這些研究指出了可酸雨環(huán)境是金具鍍鋅保護(hù)膜腐蝕消耗的主導(dǎo)因素[6-7]。

影響輸電線路金具壽命的因素非常多，總結(jié)來講可以分為環(huán)境（風(fēng)速、微地形條件、沙塵環(huán)境，沙塵腐蝕性能以及荷電特性）、輸電線路因素（桿塔結(jié)構(gòu)、串型結(jié)構(gòu)和金具位置等）、金具特性（結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和表面特性）等因素，這些因素紛雜，部分因素存在一定的主觀判斷，需要進(jìn)行量化評估。有關(guān)評估方法，較為流行的如層次分析法[8-10]、模糊數(shù)學(xué)方法[11]、定量規(guī)劃矩陣法（Quantitative Strategic Planning Matrix，QSPM）[12]等。QSPM方法能夠定量而客觀地分析各種影響因素，一直得到研究者的青睞，筆者計劃采用改進(jìn)型的QSPM矩陣對同走廊輸電線路連結(jié)金具的壽命影響因素定量分類，并引入模糊數(shù)學(xué)和灰色理論對各影響因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評判，綜合分析環(huán)境、輸電線路因素以及金具特性等因素對同走廊輸電線路金具壽命的綜合影響。

1 線路連接金具壽命評估指標(biāo)因素

輸電線路走廊氣候多變，連接金具工作環(huán)境復(fù)雜，沙漠區(qū)域的輸電走廊環(huán)境更加惡劣。沙漠區(qū)域風(fēng)速較大，持續(xù)時間長，風(fēng)偏振動嚴(yán)重；沙塵暴發(fā)生時，會形成高電位和強(qiáng)電場，抬升了輸電線路的電位；輸電走廊地形地貌環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)速風(fēng)向多變，氣象條件惡劣；輸電線路參數(shù)以及連接金具特征參量不盡相同，這些因素均影響著線路連接金具的運行壽命評估。

1.1 沙漠特征環(huán)境因素

沙漠特征環(huán)境因素主要包括沙塵腐蝕、沙塵磨損等因素，分別描述如下：

1）沙塵腐蝕因素：沙塵中PM2.5和總懸浮微粒的可溶性離子平均濃度的總和分別為67.17 μg·m-3和 202.72 μg·m-3，占總質(zhì)量的 11.5%和 9.1%；濃度較大的Ca2+、Na+離子容易腐蝕金具，沙塵環(huán)境高腐蝕導(dǎo)致線路金具磨損因素之一，用V1表示。

2）沙塵磨損因素：沙塵直接參與線路連接金具的磨損行為，用V2表示。

3）沙塵電場環(huán)境因素：沙塵暴發(fā)生時，可以形成高電位和強(qiáng)電場，抬升了輸電線路的導(dǎo)線金具電位，強(qiáng)電場環(huán)境用V3表示。

1.2 輸電走廊特征

輸電走廊主要包括地形地貌因素、風(fēng)向以及其他氣象因素等，描述如下：

1）走廊地形地貌因素：對于某特定走廊的輸電線路，同走廊的地形地貌影響著風(fēng)速和風(fēng)向等。某條線路連接金具磨損的地形分布特征如圖1所示，取同走廊的地形地貌因素為環(huán)境外因指標(biāo)，用V4表示。

圖1 線路連接金具磨損的地形分布特征Fig.1 Terrain distribution characteristics of abrasion on coupling hardware in transmission lines

2）風(fēng)速風(fēng)向因素：從新疆達(dá)坂城區(qū)域某監(jiān)測站獲取的數(shù)據(jù)，極大風(fēng)速超過45 m/s，最大風(fēng)速超過33 m/s，根據(jù)蘆信[1]以及楊現(xiàn)臣[2]等的研究，風(fēng)速因素是導(dǎo)致線路金具磨損因素之一，作為同走廊環(huán)境外因指標(biāo)因素之一，用V5表示。

3）溫度因素：沙漠區(qū)域溫度的劇烈變化，大溫差會加劇復(fù)合絕緣子兩端金具密封性能失效，或者金具材料結(jié)構(gòu)失效，用V6表示。

1.3 輸電線路特征因素

輸電線路特征因素主要包括桿塔高度、桿塔結(jié)構(gòu)、線路檔距、絕緣子串型等，以下分別做分類描述：

1）桿塔高度因素：同樣走廊環(huán)境特征，桿塔高度不同，決定了絕緣子風(fēng)振不同，連接金具振動幅度不盡相同，桿塔高度因素用V7表示。

2）桿塔結(jié)構(gòu)因素：桿塔結(jié)構(gòu)不同，如直線塔和轉(zhuǎn)角塔在結(jié)構(gòu)造型上差別巨大。連接金具所受應(yīng)力也不同，因此取桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)為線路連接金具運行壽命的線路特征因素，用V8表示。

3）線路檔距：超高壓輸電線路的高桿塔、大檔距、交叉跨越、同塔多回、導(dǎo)線換相等應(yīng)用越來越多，連接金具形式和所受應(yīng)力各異，因此檔距因素也是線路連接金具運行壽命的線路特征因素之一，用V9表示。

4）絕緣子串型：絕緣子串型主要為I串、V串或反V串等，串型不一樣，連接金具形式和所受應(yīng)力也會改變，絕緣子串型因素用V10表示。

1.4 線路連接金具特性因素

線路連接金具特性因素包括材料、表面特性、結(jié)構(gòu)等，描述如下：

1）材料因素：不同金具材料，防止磨損的能力不盡相同，材料因素用V11表示。

2）表面因素：為了應(yīng)對金具的磨損，除了材料改進(jìn)之外，表面處理工藝以及防磨鍍層等的使用，提升了金具的耐磨水平，表面因素用V12表示。

3）金具結(jié)構(gòu)因素：連接金具結(jié)構(gòu)的特征因素，用V13表示。

2 技術(shù)原理

QSPM矩陣是一種重要分析方面，能夠綜合、系統(tǒng)和客觀地分析評估各種影響因素。本文采用改進(jìn)型的QSPM矩陣對輸電線路連結(jié)金具的壽命影響因素定量分類，引入了模糊數(shù)學(xué)和灰色理論對各影響因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評判，計劃將沙漠地區(qū)某同走廊750 kV線路的連接金具進(jìn)行分區(qū)段評估，根據(jù)各區(qū)段及各專家的評分建立相關(guān)的矩陣，可定量顯示輸電線路的連接金具壽命。

2.1 改進(jìn)型QSPM矩陣

針對線路連接金具壽命評估指標(biāo)因素，可建立相應(yīng)的專家打分矩陣，邀請相關(guān)專家對線路各區(qū)段連接金具壽命評估進(jìn)行打分并統(tǒng)計，如表1，Ui代表輸電線路各區(qū)段，m代表線路區(qū)段數(shù)量；Ei代表專家，i代表數(shù)量，i=1，2，…，n。

表1 線路區(qū)段連接金具壽命評分矩陣Table 1 Score matrix of life Evaluation on coupling hardware in transmission lines

由于傳統(tǒng)QSPM矩陣是通過專家對各線路區(qū)段連接金具壽命進(jìn)行評分，會存在主觀性和局限性，較大的依賴專家對線路金具情況的熟悉了解、主觀判斷和經(jīng)驗假設(shè)。針對上述缺陷，將傳統(tǒng)的專家評分替換為連接金具壽命評估指標(biāo)因素評分，以各項直接或間接影響輸電線路連接金具壽命評估的指標(biāo)因素為基礎(chǔ)，進(jìn)行因素權(quán)重評分，并建立基于指標(biāo)因素的連接金具壽命評估體系，通過對改進(jìn)后的QSPM矩陣進(jìn)行結(jié)果評判，從而對待評估的整條線路連接金具壽命進(jìn)行定量、多元和綜合性的管理評估。

以沙漠地區(qū)某同走廊750 kV線路的連接金具為例，取吐魯番至哈密線路為連接金具壽命評估對象。按照此線路連接金具運行狀態(tài)的五年統(tǒng)計值為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，將線路走廊劃分為10段，分別為各區(qū)段做編號①～⑩，矩陣?yán)镉?U1，U2，…，U10表示；各連接金具壽命評估指標(biāo)因素用 V1，V2，…，V13表示，建立改進(jìn)型QSPM矩陣：

表2 輸電線路區(qū)段金具壽命指標(biāo)矩陣Table 2 Index matrix of life Evaluation on coupling hardware in transmission lines

2.2 改進(jìn)型QSPM矩陣驗證

依據(jù)表2矩陣，首先需對各指標(biāo)因素的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗和計算綜合權(quán)重，判斷矩陣如表3所示。

表3 指標(biāo)因素比較Table 3 Estimation of index factor

評分結(jié)果建立指標(biāo)因素判斷矩陣如表4所示。

表4 指標(biāo)因素判斷矩陣Table 4 Judgement matrix of index factor

其中，Vij=1/Vji，如 V12=1/V21；Wi為各影響量計算出的權(quán)重，ΣWi=1。影響量判斷矩陣用于各影響量一致性檢驗和計算綜合權(quán)重Wi：

2.3 確定評價等級和灰色權(quán)矩陣

筆者在改進(jìn)型QSPM矩陣的基礎(chǔ)上引入灰色理論和模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行線路連接金具壽命評估指標(biāo)矩陣的最終結(jié)果打分評判，力求用更加客觀、科學(xué)、合理的評價方法對矩陣進(jìn)行改進(jìn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)QSPM矩陣在定量上的局限性，最終結(jié)果打分也會對線路的線路連接金具壽命評估有較為直觀和科學(xué)的評價分值。

灰色理論是同時包含已知信息和未知信息的系統(tǒng)，認(rèn)為輸電線路連接金具壽命評估指標(biāo)因素的行為現(xiàn)象盡管是多源、模糊的，數(shù)據(jù)是復(fù)雜且獨立的，但畢竟是有序的，所有數(shù)據(jù)集合在一起就組成事物的表象，是有整體功能的。因此灰色理論的應(yīng)用，就是從雜亂中尋找出規(guī)律[12]。同時，灰色理論建立的是生成數(shù)據(jù)模型，不是原始數(shù)據(jù)模型，通過分析線路連接金具壽命評估各指標(biāo)因素的關(guān)聯(lián)性和其值的測度，用“灰數(shù)據(jù)”來處理各影響量的隨機(jī)性和不確定性，并發(fā)現(xiàn)規(guī)律，使數(shù)據(jù)系統(tǒng)的灰度不斷減小，白度逐漸增加，直至認(rèn)識系統(tǒng)的規(guī)律性。模糊數(shù)學(xué)是給QSPM矩陣中一些定性指標(biāo)定量化提供數(shù)學(xué)賦值，能夠解決不同影響量之間的邏輯性和權(quán)重對比關(guān)系。

首先采用線路連接金具壽命評估方法，對輸電線路的線路連接金具壽命評估分為A、B、C、D四個等級，A級為風(fēng)險等級最低。為方便矩陣運算，這里用9分制對四個等級進(jìn)行賦值，四個等級分別對應(yīng)9、7、5、3四個分值，由此建立評價等級集合為

同時，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)建立矩陣：

aij代表第j個輸電線路區(qū)段的第i項線路連接金具壽命評估指標(biāo)因素的具體打分值，打分采用9分制。

根據(jù)文獻(xiàn)，結(jié)合評價等級P，選取常用白化權(quán)函數(shù)[12]：

其中，n=1，2，3，4，x1=9，x2=7，x3=5，x4=3；則矩陣灰色評估權(quán)值：

得到灰色權(quán)矩陣 R（rij）m×4[10]，

由方程式1的指標(biāo)因素綜合權(quán)重Wi和灰色權(quán)矩陣進(jìn)行復(fù)合運算，得出模糊綜合評判矩陣[11]：

再有B和評價等級集合P進(jìn)行復(fù)合運算，即可得此條線路的線路連接金具壽命評估的最終評價結(jié)果：

3 輸電線路連接金具壽命評估體系應(yīng)用

3.1 構(gòu)建輸電線路連接金具壽命評估體系

以沙漠地區(qū)某同走廊750 kV線路的連接金具為例，取吐魯番至哈密線路為連接金具壽命評估對象。按照此走廊的線路連接金具運行狀態(tài)的五年統(tǒng)計值為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，將線路走廊劃分為10段。再依據(jù)上述連接金具運行壽命的建立因素表，如表5所示。

由表4可知，輸電線路連接金具運行壽命指標(biāo)因素較多，這在評判模型應(yīng)用中會帶來信息“重疊、抵消和忽略”的結(jié)果，一方面，各指標(biāo)因素權(quán)重很難準(zhǔn)確分配；另一方面，為滿足矩陣一致性判斷，各指標(biāo)因素分配的權(quán)重必然很小，在一點程度上影響分配的客觀性，甚至很難得出結(jié)果。因此，需根據(jù)各影響量的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行分層分類。以輸電線路實際情況為基礎(chǔ)，并根據(jù)指標(biāo)因素的本質(zhì)特性、對線路連接金具壽命評估的內(nèi)因和外因影響等，將指標(biāo)因素歸為四大類，如表5。對指標(biāo)因素進(jìn)行歸類有利于線路連接金具壽命評估的結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化，是輸電線路連接金具運行壽命評估從“自身因素”和“外界因素”之間的有機(jī)結(jié)合。

3.2 專家評判

邀請省級運檢公司、電力科學(xué)研究院、送變電公司以及省級質(zhì)檢單位等共10位專家進(jìn)行問卷調(diào)查，對沙漠地區(qū)某同走廊750 kV線路因素之間的相互影響力和吸引力進(jìn)行評分，評分依據(jù)參考?xì)v年線路連接金具的運行統(tǒng)計、入網(wǎng)試驗及經(jīng)驗分析。打分標(biāo)準(zhǔn)按照表4，得出影響量判斷矩陣，并利用方程式（1）算出各影響量權(quán)重W。以下對四類指標(biāo)因素分別進(jìn)行一致性判斷（表6-表8）：

由表6-表9得出，各指標(biāo)因素判斷矩陣滿足一致性檢驗，因素之間協(xié)調(diào)性通過檢驗。指標(biāo)因素權(quán)重集合為W，對W做歸一化處理：

表5 連接金具壽命評估指標(biāo)因素Table 5 Index factor of life evaluation on coupling hardware

表6 沙漠環(huán)境特征指標(biāo)因素判斷矩陣Table 6 Judgement matrix of index factor on desert environment

表7 輸電走廊特征指標(biāo)因素判斷矩陣Table 7 Judgement matrix of index factor on transmission corridors

表8 輸電線路特征指標(biāo)因素判斷矩陣Table 8 Judgement matrix of index factor on transmission line characteristics

表9 連接金具特性指標(biāo)因素判斷矩陣Table 9 Judgement matrix of index factor on coupling hardware characteristics

3.3 評估指標(biāo)因素評分矩陣

按照待評估線路的10個區(qū)段，每個區(qū)段分別針對各項指標(biāo)因素進(jìn)行打分，打分結(jié)果形成13×10的矩陣F。以同走廊的地形地貌特征分析為例，山頂發(fā)生連接金具磨損行為嚴(yán)重，評分均最低，山平原地形連接金具磨損行為均較輕，此類區(qū)段評分較高。結(jié)合線路地形現(xiàn)場勘測實際，對地形地貌指標(biāo)因素打分結(jié)果為 F4=[8，7，7，8，9，7，6，7，8，8]。

綜上，同理對10個區(qū)段線路分別做以上指標(biāo)因素打分，最后得分統(tǒng)計為矩陣F，如表10所示。

表10 指標(biāo)因素統(tǒng)計矩陣Table 10 Statistical matrix of index factor

3.4 計算評價結(jié)果

根據(jù)方程式（4）－（7），可算出矩陣 F 的灰色權(quán)矩陣R：

根據(jù)方程式（8），聯(lián)合式（10）得出

B=W·R=[0.3448，0.3838，0.2486，0.0228]

由方程式（9）得出最終評價結(jié)果：

此走廊輸電線路線路連接金具壽命評分為S=7.0574＞7，屬于等級 B，風(fēng)險等級較低，存在 1～2 次金具磨損導(dǎo)致的運行風(fēng)險。根據(jù)此走廊輸電線路五年線路的運行結(jié)果顯示存在連接金具壽命風(fēng)險為2次，評估結(jié)果同樣為等級B，評估得分應(yīng)偏低，與本文矩陣統(tǒng)計評分較為一致。由于輸電線路長度較長、跨度較大，且金具防止磨損措施及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷改進(jìn)，地形地貌環(huán)境等信息隨時間或社會生活進(jìn)步也會隨之變化，但本文提供方法拓展性強(qiáng)，不受輸電線路長度和地域限制，例如輸電線路長度可擴(kuò)展為無限長，區(qū)域分段可增加為n，線路連接金具壽命評估指標(biāo)因素可根據(jù)實際和標(biāo)準(zhǔn)的改變相應(yīng)增加為m，只需對矩陣行列進(jìn)行改變即可運算。

4 結(jié) 論

1）在改進(jìn)型QSPM矩陣的基礎(chǔ)上引入灰色理論和模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了線路連接金具的壽命評估，建立了沙漠環(huán)境、輸電走廊、線路本體特征以及連接金具特性等因素的線路連接金具壽命評估指標(biāo)體系；

2）以沙漠地區(qū)某同走廊750kV線路的連接金具為例，取吐魯番至哈密線路為連接金具壽命評估對象，將線路走廊劃分為10段，進(jìn)行了該區(qū)段線路連接金具的壽命評估；

3）壽命評估評分與運行結(jié)果非常相似，該方法實現(xiàn)了多源影響因子量化評估，可為線路連接金具磨損風(fēng)險提供技術(shù)咨詢。

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Life Evaluation Methods of Coupling Hardware in Transmission Lines Based on Improved QSPM Matrix

LIANG Wei1,2，LI Yongjie3，WANG Jian3，ZHU Hongzhao1,2，LIU Chunxiang1,2，GONG Hao1,2，HE Cheng3，CHENG Peng1,2
（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，China； 2.Wuhan NARI Limited Liability Company，State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China； 3.Electric Power Research Institute State of Grid Xinjiang Electric Power Company，Urumqi 830011，China）

In allusion to the widespread abrasion on coupling hardware of transmission lines in desert areas，based on improved QSPM matrix，grey theory and fuzzy mathematics method are applied to establish life evaluation indicator system of coupling hardware，and these factors include desert environment，corridor surroundings，transmission line characteristics，and coupling hardware features，etc.With life evaluation of the coupling hardware in 750 kV transmission lines in a corridor between Turpan and Hami，the evaluation results are in alignment to actual operation.This method has achieved the multi－source quantitative assessment of the impact factors，which can provide the technological support for risk assessment on abrasion on coupling hardware in transmission lines.

coupling hardware for transmission line；transmission lines in a corridor；life evaluation；QSPM matrix；grey theory；fuzzy mathematics；evaluation index

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.036

2017－03－22

梁 偉（1983—），男，工程師，從事輸電線路運維技術(shù)工作。

國網(wǎng)新疆電力公司科技項目（編號：5230DK15009K）。