電力通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)設(shè)備的多維健康評(píng)估模型研究

高偉,楊林貴

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030021)

1 引言

電力通信網(wǎng)服務(wù)于電力行業(yè)，廣泛應(yīng)用于法、輸、配、用電端，包含有多種通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1-3]。實(shí)際工程中通常需要采集電力通信設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)的電力通信設(shè)備數(shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其中PMIS 系統(tǒng)(電信管理系統(tǒng))包含有電力項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，PMIS系統(tǒng)(電信管理系統(tǒng))是通信集約化、規(guī)范化、專業(yè)化管理的重要技術(shù)支撐系統(tǒng)。具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、資源管理、運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)功能，能夠采集和整合包括站名、設(shè)備類型、調(diào)試周期、設(shè)備容量數(shù)據(jù)等等。地理信息系統(tǒng)是電力通信設(shè)備數(shù)據(jù)中環(huán)境數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，包括設(shè)備運(yùn)行溫度、濕度、防塵條件、接地條件等。這些系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中生成大量、快速增長(zhǎng)且類型豐富的數(shù)據(jù)，這為從多個(gè)角度綜合評(píng)估設(shè)備健康程度提供了可能性[4-6]。

不同系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)不同指標(biāo)表征電力通信設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(設(shè)備健康狀態(tài))，而不同指標(biāo)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的影響不同，這就需要通過(guò)科學(xué)客觀的方法計(jì)算不同指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而得出設(shè)備的綜合健康狀態(tài)評(píng)價(jià)[7-8]。設(shè)備健康度評(píng)估可以為識(shí)別脆弱設(shè)備和設(shè)備故障預(yù)警提供重要信息，發(fā)揮重要作用，從而提高電網(wǎng)可靠性，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何對(duì)電力通信設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和處理，獲取有用的數(shù)據(jù)信息來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)備的綜合健康狀態(tài)，從而輔助電力通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)[9-10]。

目前，研究人員通常通過(guò)熵權(quán)法和層次分析法來(lái)確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用最優(yōu)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，從而保證能夠狀態(tài)矩陣在滿足一致性檢驗(yàn)的同時(shí)，不需要額外調(diào)整[10-11]。此外為避免熵權(quán)法和層次分析法得到的結(jié)果相差較大造成的權(quán)重不平衡，有研究人員引入博弈論優(yōu)化加權(quán)過(guò)程，通過(guò)比較各指標(biāo)的重要程度，得出了各指標(biāo)的重要程度順序，從而計(jì)算出了設(shè)備各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)的權(quán)重，得到了各指標(biāo)對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的影響[8-11]。然而，上述方法部分依賴于專家的評(píng)分和評(píng)價(jià)，這一評(píng)價(jià)機(jī)制將會(huì)引入主觀性，可能導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況不一致。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種電力通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備健康狀態(tài)的綜合評(píng)估方法。通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集中的每個(gè)設(shè)備記錄視為一個(gè)向量，計(jì)算所有向量之間的平均距離。依次刪除索引集中的數(shù)據(jù)索引，再次計(jì)算向量間的平均距離，與刪除索引前的結(jié)果進(jìn)行比較，最后兩次計(jì)算結(jié)果的差異作為判斷對(duì)應(yīng)索引重要度的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)計(jì)算的權(quán)重評(píng)估設(shè)備的健康狀況。該方法克服了傳統(tǒng)方法依賴專家主觀評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)，使得本文提出的方法得到的設(shè)備健康狀況更客觀、更真實(shí)。

2 電力通信設(shè)備健康評(píng)估模型

電力通信設(shè)備的健康狀態(tài)程度主要受到設(shè)備故障、報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境等多種因素的影響，基于通信設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，本文提出的電力通信設(shè)備健康評(píng)估模型如圖1所示。

圖1 設(shè)備健康評(píng)估模型示意圖

其中，故障次數(shù)和平均故障持續(xù)時(shí)間直接反映了設(shè)備的健康狀況，歷史故障數(shù)量越多，故障持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)備的健康狀況就越差。設(shè)備報(bào)警不一定代表故障的發(fā)生，但報(bào)警的次數(shù)也能在一定程度上反映設(shè)備的健康狀況。設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間決定了設(shè)備的老化程度。異常電壓持續(xù)時(shí)間是指器件超過(guò)正常電壓閾值的時(shí)間長(zhǎng)度。溫度和濕度異常的持續(xù)時(shí)間反映了設(shè)備的工作環(huán)境，設(shè)備在異常的電壓、溫度和濕度下長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備健康狀況下降。

以健康評(píng)估模型中選取的健康狀態(tài)影響因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在實(shí)際評(píng)估過(guò)程中，這些指標(biāo)對(duì)電力通信設(shè)備健康程度的重要性是不同的，同一指標(biāo)對(duì)不同類型設(shè)備健康程度的重要性，也可能因不同類型設(shè)備的工作時(shí)間和環(huán)境不同而不同。為了獲得合理的健康程度評(píng)價(jià)結(jié)果，需要計(jì)算不同類型設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算與健康狀態(tài)評(píng)估分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

傳統(tǒng)評(píng)估方法依賴專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行打分，得到的結(jié)果受主觀因素影響較大，這是因?yàn)閷＜业倪x擇對(duì)結(jié)果有較大影響。基于健康評(píng)估模型，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從而使結(jié)果更加客觀、真實(shí)。

假設(shè)本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成集合P，同類型設(shè)備的多條記錄構(gòu)成數(shù)據(jù)集X，將X中的每條記錄視為一個(gè)向量，所有向量之間的平均距離DP按下式計(jì)算：

其中，M是X中的記錄數(shù)，n是P中的索引數(shù)，xi是X中的第一個(gè)記錄，Pk是P中的第k個(gè)索引，xi(Pk)是xi中Pk的值。

維度的值的大小在很大程度上影響向量間平均距離的計(jì)算結(jié)果。然而，由于電力通信設(shè)備健康評(píng)估模型中考慮了各種指標(biāo)，不同指標(biāo)之間的量值差異會(huì)很明顯。比如一臺(tái)設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)一般不會(huì)太多，但平均故障時(shí)間可能會(huì)大很多。如果直接計(jì)算平均距離，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何預(yù)處理，那么Dp將主要由較大的指標(biāo)決定。

為了避免不同指標(biāo)的量值不同造成的偏差，在計(jì)算Dp之前，需要對(duì)X中各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。由于評(píng)估模型中選定的指標(biāo)與設(shè)備的健康狀況呈負(fù)相關(guān)，因此根據(jù)以下公式對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

其中，xi(pk)是xi(pk)的歸一化結(jié)果，min(pk)是歷史數(shù)據(jù)pk中的最小值，max(pk)是最大值。

刪除P中的一個(gè)索引Pa以獲得新的索引集p-{pa}。計(jì)算所有矢量之間的平均距離：

按照這種方法，依次刪除P 中的各個(gè)指標(biāo)，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的重要性。每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可以通過(guò)歸一化每個(gè)指標(biāo)的重要性來(lái)獲得。

為了評(píng)價(jià)i 設(shè)備的綜合健康程度，需要計(jì)算單個(gè)指標(biāo)Pk的設(shè)備健康程度Hik：

i設(shè)備的綜合健康度評(píng)價(jià)Hi可以通過(guò)加權(quán)Hik和wk得到：

3.2 算例分析和討論

本文采用一組電力通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)集，進(jìn)行設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和分析。數(shù)據(jù)集X由一段時(shí)間內(nèi)變電站中各類電力通信設(shè)備的運(yùn)行記錄組成，本文模型選取了7個(gè)不同的指標(biāo)，如表1所示。

表1 設(shè)備數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)公式(1-3)，計(jì)算設(shè)備編號(hào)的各指標(biāo)的重要性值如圖2所示，根據(jù)公式(4)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重如圖3所示。

圖2 各指標(biāo)的重要性值

圖3 各指標(biāo)的權(quán)重

由圖2和圖3的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在本文模型選擇的指標(biāo)中，設(shè)備的健康程度主要取決于歷史故障次數(shù)和異常電壓持續(xù)時(shí)間，其中故障次數(shù)最為重要，無(wú)故障記錄的設(shè)備健康程度評(píng)價(jià)結(jié)果，都要高于有故障記錄的設(shè)備，各個(gè)指標(biāo)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的影響程度排序如下所示：故障次數(shù)＞平均故障持續(xù)時(shí)間(小時(shí))＞警報(bào)數(shù)量＞運(yùn)行時(shí)間(年)＞異常溫度持續(xù)時(shí)間(小時(shí))＞異常濕度持續(xù)時(shí)間(小時(shí))＞異常電壓持續(xù)時(shí)間(小時(shí))。其中報(bào)警次數(shù)、異常溫度持續(xù)時(shí)間和異常濕度持續(xù)時(shí)間的權(quán)重較小，不會(huì)對(duì)設(shè)備的健康程度產(chǎn)生很大影響。

根據(jù)公式(5-6)計(jì)算設(shè)備健康程度，如表3所示；并將設(shè)備評(píng)價(jià)結(jié)果排名降序排列，如圖4所示。

圖4 設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果示意圖

表3 變電站設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

如表3和如圖4所示是各個(gè)設(shè)備的健康評(píng)估結(jié)果示意圖，由圖中可以清晰的看出故障次數(shù)決定了設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，即故障次數(shù)越多的設(shè)備越容易再次出現(xiàn)故障，根據(jù)圖4的結(jié)果，就可以清晰的得到變電站內(nèi)15種設(shè)備的健康狀態(tài)排序，制定合理的維護(hù)和檢修計(jì)劃，對(duì)于健康狀態(tài)評(píng)估分?jǐn)?shù)最低的設(shè)備1、13、11則可以考慮進(jìn)行更換，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力通信設(shè)備健康評(píng)估可以在脆弱設(shè)備識(shí)別和設(shè)備故障預(yù)警領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義，但是現(xiàn)有設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估方法通?；趯＜抑R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有一定主觀性，有可能導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與設(shè)備實(shí)際工況具有較大差距。為此本文基于PMIS、電信管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等系統(tǒng)存儲(chǔ)的大量設(shè)備數(shù)據(jù)，從不同角度表征電力通信設(shè)備健康狀態(tài)，提出了一種電力通信設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的多維健康評(píng)估方法，得出以下幾個(gè)主要結(jié)論：

(1)本文提出的設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)評(píng)估模型能夠根據(jù)不同設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估打分，在得到各個(gè)指標(biāo)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)影響程度的同時(shí)，得到設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)排名，為設(shè)備維護(hù)、檢修工作提供定量依據(jù)。結(jié)果表明設(shè)備的健康程度主要取決于歷史故障次數(shù)和異常電壓持續(xù)時(shí)間，其中故障次數(shù)最為重要，報(bào)警次數(shù)、異常溫度持續(xù)時(shí)間和異常濕度持續(xù)時(shí)間的權(quán)重較小，不會(huì)對(duì)設(shè)備的健康程度產(chǎn)生很大影響。

(2)通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)設(shè)備健康程度，實(shí)例分析結(jié)果與實(shí)際情況相符。與傳統(tǒng)的依賴于專家打分的方法相比，該方法得到的結(jié)果更加客觀，對(duì)提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。