基于改進層次分析法的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估研究

黃智鵬，熊洽，陳家超，王東芳，張勇軍

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東 河源 517000；2. 智慧能源工程技術(shù)研究中心(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院)，廣東 廣州 510641)

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進，配電一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)構(gòu)與功能呈現(xiàn)出一體化與集成化的特點，配電網(wǎng)中一二次設(shè)備之間的界限越來越模糊[1]。柱上開關(guān)作為實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化的主要開關(guān)設(shè)備之一，其智能化程度至關(guān)重要[2]。在當(dāng)前階段，柱上開關(guān)一二次設(shè)備兼容性、擴展性、互換性差，致使其運行維護和操作都面臨一系列困難，給配電網(wǎng)升級改造、智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展造成了不利影響；因此，在電網(wǎng)公司和設(shè)備廠家的大力推動下，一二次融合柱上開關(guān)成套設(shè)備逐漸被推廣應(yīng)用。

柱上開關(guān)的檢修是電力系統(tǒng)運維過程中的必不可少的過程。目前柱上開關(guān)的檢修方式主要為計劃檢修，雖然計劃檢修在一定程度上達到了排除故障的目的，但也存在故障排除不及時和經(jīng)濟性差等問題[3]。為了提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行能力，需要對柱上開關(guān)進行狀態(tài)檢修[4-5]。

狀態(tài)檢修的重要前提是對柱上開關(guān)的狀態(tài)進行準確評估。有關(guān)柱上開關(guān)的狀態(tài)評估方面的研究也相繼開展，文獻[6]提出基于云模型的斷路器綜合評估方法；文獻[7]在斷路器的狀態(tài)評估過程中引入隸屬度和灰度，建立斷路器的遞階層次評估模型，但無法準確確定權(quán)重系數(shù)；文獻[8]針對多指標問題，提出了雷達圖法評估模型，使結(jié)果更加直觀，但是僅適用于指標數(shù)量較少的情況；文獻[9]利用特征量優(yōu)化方法分析分/合閘線圈電流特性，并應(yīng)用于斷路器操作機構(gòu)的狀態(tài)評估；文獻[10-12]在斷路器評估過程中，進一步改進指標權(quán)重確定方法，運用三角模糊數(shù)對指標權(quán)重進行處理。

我國的電力設(shè)備狀態(tài)評估起步較晚，受傳感技術(shù)限制，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)評估主要集中在柱上開關(guān)本體的機械、電氣或絕緣介質(zhì)等單特性上，對于一二次融合設(shè)備而言，單一特性的評估無法真實反映設(shè)備的整體狀況，因此亟需一種對一二次融合設(shè)備整體狀態(tài)進行評估的方法；但目前尚未有相關(guān)文獻對一二次融合設(shè)備進行相應(yīng)的狀態(tài)評估。

本文基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和層次分析法，綜合考慮整體設(shè)備的各個組成部分及其歷史運行狀態(tài)、周圍環(huán)境狀態(tài)，克服層次分析法主觀性較強的問題，對柱上開關(guān)成套設(shè)備進行狀態(tài)評估，及時發(fā)現(xiàn)柱上開關(guān)設(shè)備存在的問題，為柱上開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修提供參考和指導(dǎo)。

1 柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估指標體系

柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估需要明確其組成部分及各部分的故障特性，以此確定評估指標。柱上開關(guān)成套設(shè)備作為一個高度融合的戶外產(chǎn)品，可以在物理上將其分為開關(guān)本體、控制器以及開關(guān)與控制器連接部分。開關(guān)本體部分是連接饋線、開斷電流的物理結(jié)構(gòu)，其分合閘性能對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著直接的影響?？刂破鞑糠质侵祥_關(guān)的控制中心，可實現(xiàn)信息采集、控制、通信等功能，當(dāng)其發(fā)生故障時，將直接影響開關(guān)本體的正常工作。開關(guān)與控制器連接部分是保證控制器與開關(guān)本體信息正常傳遞的前提。

國際大電網(wǎng)會議調(diào)查結(jié)果表明，斷路器的組成部分即操動機構(gòu)、控制回路、主回路及其余部分的故障各占全部故障的40%、30%、20%、10%[13]。為此，在綜合考慮柱上開關(guān)成套設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性基礎(chǔ)上，提出柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評價指標。

1.1 柱上開關(guān)成套設(shè)備開關(guān)本體指標

柱上開關(guān)成套設(shè)備開關(guān)本體部分觸頭的氧化或者松動，使接觸電阻變大，造成運行過程中觸頭溫度過高，最終可能導(dǎo)致停電。根據(jù)柱上開關(guān)的故障檢修經(jīng)驗，觸頭溫度能反映上述缺陷的演化過程[14]。

此外，柱上開關(guān)的累計動作次數(shù)以及累計運行時間都將影響柱上開關(guān)的電壽命[15]。當(dāng)柱上開關(guān)的電壽命結(jié)束時，將無法可靠地開斷故障電流。電壽命通常通過觸頭的電磨損程度間接反映，觸頭電磨損程度又由開斷電流、開斷次數(shù)、觸頭絕緣特性以及燃弧時間等決定的；因此，電壽命可由每次分、合閘的開斷電流和總的開斷次數(shù)來表征?？紤]到不同開關(guān)的差異性，本文采用相對電磨損X2來表征電壽命，即

(1)

式中NI為開斷電流為I時，柱上開關(guān)的額定開斷次數(shù)。

同時，柱上開關(guān)相對于其他設(shè)備具有較多的機械部件，其運行的安全可靠性很大程度上都取決于其機械特性的好壞；因此，本文還選取機械特性中的分合閘時間作為開關(guān)本體指標。

1.2 柱上開關(guān)成套設(shè)備控制器指標

柱上開關(guān)控制器部分主要由控制芯片及功能模塊組成，其電壓電流較小，容易受周圍環(huán)境影響?？刂破鞑糠值臏?、濕度超出其承受范圍，將導(dǎo)致控制不靈敏，甚至導(dǎo)致開關(guān)誤動或者拒動[16]。溫、濕度超標將破壞材料的表面絕緣能力，如在高溫、高濕地區(qū)，易發(fā)生二次回路絕緣老化進而導(dǎo)致短路；同時，二次回路的故障將進一步導(dǎo)致溫、濕度的變化。因此，控制器內(nèi)的溫、濕度在一定程度上反映了柱上開關(guān)的狀態(tài)，應(yīng)密切關(guān)注控制器溫、濕度。

隨著柱上開關(guān)控制器的智能化發(fā)展，廠家為控制器提供了豐富的自檢功能。通過實時監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)控制器中軟、硬件的故障，并進行記錄、上傳?？梢肟刂破鳠o故障工作時間Y3作為柱上開關(guān)控制器指標，即

(2)

式中：T為運行時間;n為故障次數(shù)。

1.3 柱上開關(guān)成套設(shè)備開關(guān)與控制器連接指標

基于歷史故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)可靠性進行分析是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)可靠性分析的主要方法[17-18]。鑒于柱上開關(guān)與控制器連接部分電氣量難以直接獲取，為了保證狀態(tài)評估的客觀性，給狀態(tài)評估提供一個歷史運行情況的參考，可選取連接部分的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行評估。柱上開關(guān)與控制器連接指標包括累計斷開次數(shù)和累計斷開時間。

柱上開關(guān)成套設(shè)備開關(guān)與控制器連接回路運行環(huán)境差，很容易發(fā)生絕緣下降的情況。實際運行中,絕緣下降而未達到告警設(shè)定值時,絕緣檢測裝置并不發(fā)出告警信號,致使這類絕緣下降狀況不能得到及時處理而長期存在。基于此，在對柱上開關(guān)進行評估時，需考慮開關(guān)與控制器連接回路的絕緣狀況。按照二次回路檢修規(guī)程，其絕緣電阻應(yīng)不小于1 MΩ。

2 柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估模型

在柱上開關(guān)的狀態(tài)評估過程中，歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以作為歷史運行情況的參考，是柱上開關(guān)運行狀態(tài)的客觀反映。柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估體系是一個相互關(guān)聯(lián)、相互制約的體系，層次分析法是研究此類復(fù)雜體系的定性與定量化方法。本文結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，建立基于層次分析法的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估模型，其評估流程如圖1所示。

圖1 柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估流程Fig.1 Status evaluation process of complete equipment of pole-mounted switch

2.1 設(shè)備狀態(tài)評價指標的預(yù)處理

假設(shè)對J臺成套設(shè)備進行評估，對于第j(j=1,2,…,J)臺成套設(shè)備的觸頭溫度指標X1j、控制器溫度指標Y1j、控制器濕度指標Y2j，分別按照式(3)至式(5)進行預(yù)處理：

(3)

(4)

(5)

對于第j臺成套設(shè)備的相對電磨損指標X2j、分閘時間指標X3j、合閘時間指標X4j，分別按照式(6)至式(8)進行預(yù)處理：

(6)

(7)

(8)

對于第j臺成套設(shè)備的控制器無故障工作時間指標Y3j、累計斷開次數(shù)指標Z1j、累計斷開時間指標Z2j，分別按照式(9)至式(11)進行預(yù)處理：

(9)

(10)

(11)

對于第j臺成套設(shè)備的開關(guān)與控制器連接回路絕緣電阻指標Z3j，按式(12)進行預(yù)處理，即

(12)

式中：Z3min為規(guī)程中絕緣電阻的閾值，一般為1 MΩ；Z3max為上限值，一般認為絕緣電阻超過10 MΩ則為絕緣狀態(tài)優(yōu)良。

2.2 設(shè)備狀態(tài)評估指標的權(quán)重

評估指標權(quán)重是該指標在設(shè)備狀態(tài)評判中影響程度的直接反映。不同指標采用不同權(quán)重能夠確保重要指標劣化，并能直觀地反映到整體設(shè)備的評估狀態(tài)中[19]。根據(jù)已經(jīng)建立的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估指標體系，按以下方法對指標權(quán)重進行具體計算：

a)一級指標權(quán)重值。設(shè)備狀態(tài)評估指標權(quán)重的計算過程為：首先獲取柱上開關(guān)成套設(shè)備的歷史故障原因統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括開關(guān)本體故障次數(shù)CX、控制器故障次數(shù)CY、開關(guān)與控制器連接故障次數(shù)CZ；然后計算一級指標(開關(guān)本體指標、控制器指標、開關(guān)與控制器連接指標)的權(quán)重值。

(13)

(14)

(15)

式(8)—(10)中aX、aY、aZ分別為開關(guān)本體指標、控制器指標、開關(guān)和控制器連接指標權(quán)重值。

b)二級指標權(quán)重值。層次分析法是指將與設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的元素分解成目標、指標、對象等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的分析決策方法[20]，計算過程包括：①構(gòu)建評估系統(tǒng)的遞階層次架構(gòu)。結(jié)合評價指標特點，根據(jù)上文所構(gòu)建的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估指標體系，構(gòu)建包含目標層、指標層和對象層的遞階層次架構(gòu)，如圖2所示。②構(gòu)建判斷矩陣。在評估系統(tǒng)的遞階層次架構(gòu)中，對同一層級的各指標根據(jù)其兩兩之間的重要程度，結(jié)合專家意見采用九級標度法構(gòu)建判斷矩陣。在實際運行過程中，由于柱上開關(guān)成套設(shè)備的運行狀況與自身狀態(tài)的劣化，在不同時期對其進行評估時應(yīng)考慮不同的側(cè)重點；所以應(yīng)綜合設(shè)備情況與專家意見構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)九級標度法，得出判斷矩陣

(16)

式中:aij為第i個指標和第j個指標的相對重要性標度，aij>0，取值為1～9，數(shù)值越大，表示2個因素相比，一個因素比另一因素的重要性程度越大；y為該層級的指標數(shù)量。③對判斷矩陣進行一致性校驗。判斷矩陣的構(gòu)建過程是將人對事物的主觀看法的數(shù)值化過程，存在主觀性過強的缺點，故②中的判斷矩陣可能存在不合理的情況；因此，需要對判斷矩陣進行一致性校驗，其校驗過程為：

CI=(λmax-y)/(y-1).

(17)

CR=CI/RI.

(18)

式(17)—(18)中：CI為一致性指標；CR為一致性比率；λmax為判斷矩陣的最大特征值；RI為平均隨機一致性指標，RI只與y有關(guān)，其取值見表1。利用式(12)、(13)進行計算，當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣具有良好的一致性，否則需要根據(jù)實際情況對判斷矩陣進行調(diào)整，使其通過一致性檢驗。④二級指標權(quán)重計算。經(jīng)過上述處理得到的判斷矩陣，求其最大特征向量并進行標準化便得到二級指標的權(quán)重。二級指標的權(quán)重即為標準化后向量中的數(shù)值。

圖2 柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估指標體系Fig.2 Status evaluation index system of complete equipment of pole-mounted switch

表1 平均隨機一致性指標的取值Tab.1 Values of average random consistency index

c)綜合權(quán)重值。對上述過程得到的一級權(quán)重以及二級權(quán)重，相應(yīng)相乘并進行標準化，得到最終的綜合權(quán)重。

2.3 計算狀態(tài)評估值并確定設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果

(19)

式中γ1、γ2……γ10分別為各指標的綜合權(quán)重值。

設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果包括良好、一般、異常、嚴重。若設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果為良好，則無需進行檢修；若設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果為一般，則需要密切觀察；若設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果為異常，則需要安排檢修；若設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果為嚴重，則需要進行設(shè)備更換。

對于第j臺柱上開關(guān)成套設(shè)備，根據(jù)工程運行經(jīng)驗，若其狀態(tài)評估值Pj=-1，則該設(shè)備評估結(jié)果為嚴重；若其狀態(tài)評估值Pj=0，則該設(shè)備評估結(jié)果為異常；若其狀態(tài)評估值0

3 算例分析

以我國某市5套ZW20型10 kV柱上斷路器成套設(shè)備為例進行計算，其原始指標數(shù)據(jù)見表2。對原始指標數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到指標的預(yù)處理結(jié)果見表3。

計算一級指標的權(quán)重，計算結(jié)果分別為aX=0.50、aY=0.28，aZ=0.21。

表2 柱上開關(guān)指標原始數(shù)據(jù)Tab.2 Raw data of indicators of pole-mounted switch

表3 指標的預(yù)處理結(jié)果Tab.3 Preprocessing results of indicators

根據(jù)實際情況得到

經(jīng)計算，矩陣A的最大特征值λmax=10.22。

判斷矩陣的一致性指標CI和一致性比率CR的計算如下:

CI=(λmax-y)/(y-1)=(10.22-10)/9=0.024，

CR=CI/RI=0.024/1.49=0.016.

由計算結(jié)果可知，CR<0.1，矩陣滿足一致性要求。

計算指標的綜合權(quán)重值，結(jié)果見表4。

表4 設(shè)備狀態(tài)評價指標權(quán)重Tab.4 Weights of equipment state evaluation indicators

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)評價指標處理結(jié)果和權(quán)重計算狀態(tài)評估值，結(jié)果見表5。

表5 設(shè)備狀態(tài)評價指標處理結(jié)果Tab.5 Processing results of equipment state evaluation indicators

由表5可知：柱上開關(guān)3、4狀態(tài)優(yōu)良，與其運行時間短、故障少等運行情況相符；隨著運行年限增長及相應(yīng)環(huán)境的惡化，柱上開關(guān)2狀態(tài)趨于劣化；柱上開關(guān)5由于觸頭溫度過高導(dǎo)致狀態(tài)異常，需進行檢修；柱上開關(guān)1因為相對磨損嚴重，指標評估結(jié)果為嚴重，急需進行更換。

利用傳統(tǒng)的層次分析法時基于專家打分進行評估，計算結(jié)果見表6。

表6 傳統(tǒng)的層次分析法處理結(jié)果Tab.6 Processing results of traditional analytic hierarchy process

對柱上開關(guān)的單一特性(如開關(guān)本體)進行評估，評估結(jié)果見表7。

表7 設(shè)備單一特性狀態(tài)評價結(jié)果Tab.7 Evaluation results of single characteristic state of equipment

將表5—7進行對比分析可知：在采用傳統(tǒng)的層次分析法進行分析時，與本文方法相比，主要的不同為柱上開關(guān)3的評估結(jié)果由優(yōu)于柱上開關(guān)4變成劣于柱上開關(guān)4。變化的主要原因是采用傳統(tǒng)的層次分析法時，指標權(quán)重只考慮了專家的經(jīng)驗，帶有較強的主觀性，造成開關(guān)本體以外的指標權(quán)重較高；當(dāng)對柱上開關(guān)的單一特性進行評估時，由于忽略了控制器等指標，易造成類似柱上開關(guān)2由狀態(tài)一般變?yōu)閮?yōu)良的情況，實際生產(chǎn)中，由于柱上開關(guān)2的控制器溫、濕度過高，以及二次回路斷開次數(shù)與時間較多，作為一體化設(shè)備，其狀態(tài)評估值應(yīng)該較低，當(dāng)達到一定程度時，應(yīng)予以檢修。

在柱上開關(guān)成套設(shè)備的綜合評估中，應(yīng)綜合考慮各部分的指標情況，在確定權(quán)重的過程中，應(yīng)綜合考慮專家經(jīng)驗及開關(guān)的歷史運行數(shù)據(jù)，以適應(yīng)柱上開關(guān)不同指標對柱上開關(guān)狀態(tài)的影響程度差異。由此可見，本文提出的柱上開關(guān)評估方法可以更為準確地對柱上開關(guān)成套設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估。

4 結(jié)束語

在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，柱上開關(guān)設(shè)備逐步朝向一體化發(fā)展，針對當(dāng)前的柱上開關(guān)狀態(tài)評估主要集中在單一特性評估的現(xiàn)象，本文提出了基于歷史數(shù)據(jù)和層次分析法的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估方法。選取觸頭溫度、相對電磨損、分合閘時間、控制器溫度、控制器濕度、控制器無故障工作時間、開關(guān)與控制器連接累計斷開次數(shù)、開關(guān)與控制器連接累計斷開時間、開關(guān)與控制器連接回路絕緣電阻為主要評估指標，然后基于歷史數(shù)據(jù)和層次分析法確定指標權(quán)重，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)評價指標處理結(jié)果、權(quán)重計算狀態(tài)評估值確定設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果。

經(jīng)過算例驗證，本文所提的柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評估方法有效，能夠?qū)χ祥_關(guān)成套設(shè)備進行客觀性與主觀性相結(jié)合的評估，評估結(jié)果符合真實情況。但是，由于當(dāng)前的柱上開關(guān)成套設(shè)備的一二次情況尚未能達到完全融合程度，本文所取的評估指標仍需進一步優(yōu)化選擇，以進一步提高評估的準確性與真實性。