基于關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合的輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)

周育忠，林正平，吳爭(zhēng)榮

（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510663）

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中發(fā)生故障頻率最高的區(qū)域，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)集約化、科學(xué)化、一體化管理的目的。尤其是在新技術(shù)、新設(shè)備廣泛使用的情況下，開展?fàn)顟B(tài)檢修可有效地提高檢修工作的效果[1]。狀態(tài)維修可以有效的解決目前電力行業(yè)的維修工作量和維修人員短缺的問題，減少維修工作的強(qiáng)度，從而達(dá)到更好的檢修效果。輸電線路狀態(tài)檢修是根據(jù)輸電設(shè)備的工作狀況，綜合考慮安全、環(huán)境、成本等多種因素，對(duì)特定維修方案進(jìn)行合理的調(diào)整。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)維護(hù)時(shí)，必須嚴(yán)格監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)，預(yù)測(cè)和控制變化的趨勢(shì)，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

現(xiàn)階段輸電線路管理與維護(hù)工作中使用的較為頻繁的狀態(tài)檢修技術(shù)主要應(yīng)用了YOLO v3算法、巡檢機(jī)器人以及5G通信等技術(shù)，然而上述現(xiàn)有的檢修方法具有較強(qiáng)的盲目性，因此傳統(tǒng)技術(shù)具有狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果精度較低、維修效果不佳等問題，其主要原因是檢修技術(shù)難以從海量數(shù)據(jù)中找到與檢測(cè)結(jié)果有幫助的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，或輸電線路存在不完整或不確定的情況，為此將關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法應(yīng)用到輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中。

關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法將關(guān)聯(lián)規(guī)則和信息融合兩種算法結(jié)合在一起，其中關(guān)聯(lián)規(guī)則是在日志數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)載體中，經(jīng)常出現(xiàn)的模式、相關(guān)性或因果關(guān)系。關(guān)聯(lián)規(guī)則的提取主要是利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在海量的事件記錄數(shù)據(jù)庫中找到這些頻繁的規(guī)律。而信息融合是一種信息處理技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)特征將同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。通過關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法的應(yīng)用，以期能夠提高輸電線路的狀態(tài)檢修效果。

1 輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)置輸電線路狀態(tài)與檢修判斷標(biāo)準(zhǔn)

輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)可以分為正常、注意、異常和嚴(yán)重四種狀態(tài)，正常狀態(tài)下輸電線路狀態(tài)量在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，若輸電線路中的部分狀態(tài)量超過標(biāo)準(zhǔn)限值但不高于標(biāo)準(zhǔn)限值的5%，且輸電線路可繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)判定輸電線路的狀態(tài)為注意狀態(tài)。若線路中超過一半的狀態(tài)量超過標(biāo)準(zhǔn)限值的8%，則輸電線路處于異常狀態(tài)，而線路中80%的狀態(tài)量高于標(biāo)準(zhǔn)限值的10%，此時(shí)認(rèn)為輸電線路處于嚴(yán)重狀態(tài)[2]。需檢測(cè)的輸電線路狀態(tài)量包括電壓波幅、電流波幅、三相電壓穩(wěn)定系數(shù)等，其中電壓波幅狀態(tài)量的標(biāo)準(zhǔn)限值范圍設(shè)置為：

其中U和Urated分別為輸電線路的實(shí)際電壓和額定電壓，另外電流波幅標(biāo)準(zhǔn)限值范圍設(shè)置為[0.5Arated,1.5Arated]，四種運(yùn)行狀態(tài)下電壓穩(wěn)定系數(shù)的范圍分別為[0.8,1.0]、[0.6,0.8]、[0.4,0.6]和[0,0.4]。除此之外，線路上不同元件故障對(duì)輸電線路的影響程度不同，因此產(chǎn)生的檢修等級(jí)存在差異，其中部分元件檢修等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置情況，如圖1所示。

圖1 輸電線路狀態(tài)檢修等級(jí)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)輸電線路狀態(tài)與檢修等級(jí)的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化處理，作為輸電線路運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)與檢修方式選擇的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 構(gòu)建輸電線路數(shù)學(xué)模型

輸電線路可以分為架空和高壓電纜兩個(gè)部分，輸電線路上安裝了絕緣子、金具、接地裝置等設(shè)備，其中絕緣子可以用來阻斷電弧作用，隔離電纜和外部環(huán)境，金具用于連接導(dǎo)線[3]。在正常狀態(tài)下，輸電線路的運(yùn)行滿足如式(2)所示：

式(2)中UA、UB、IA和IB分別表示的是輸電線路上任意節(jié)點(diǎn)A和B的電壓值和電流值，變量φ和ζ分別為電流的傳播常數(shù)和輸電線路阻抗，d為節(jié)點(diǎn)A和B之間的距離。將公式2表示的輸電線路運(yùn)行原理代入到結(jié)構(gòu)模型中，得出輸電線路數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果。

1.3 利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)

定義X和Y分別為關(guān)聯(lián)規(guī)則的前項(xiàng)和后項(xiàng)，設(shè)置支持度、置信度和相關(guān)度作為衡量關(guān)聯(lián)規(guī)則的度量指標(biāo)，其中支持度的度量結(jié)果可以表示為：

其中W(X)和W(Y)分別表示的僅存在X或Y的事務(wù)數(shù)。若計(jì)算得出ηx的值小于1，則證明X和Y之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即關(guān)聯(lián)規(guī)則的前項(xiàng)與后項(xiàng)的出現(xiàn)概率是互逆的，該關(guān)聯(lián)規(guī)則不符合客觀聯(lián)系，需對(duì)該關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行過濾處理[4]。在輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則可表示為：

式(5)中ηs,0、ηz,0和ηx,0分別為設(shè)置的數(shù)據(jù)挖掘閾值。利用設(shè)置的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以構(gòu)建的輸電線路結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，按照?qǐng)D2表示流程挖掘輸電線路的實(shí)時(shí)狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖2 利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)流程圖

當(dāng)輸電線路滿足狄里赫利條件時(shí)，則輸電線路電壓狀態(tài)數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果可以表示為：

其中φ和ψ分別表示的是輸電線路電壓諧波的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)系數(shù)，μ為直流分量，ω和t分別表示的是角頻率和輸電線路的運(yùn)行時(shí)間。那么電流狀態(tài)數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果如式(7)所示：

式(7)中Rall為輸電線路中的總電阻。同理可以得出輸電線路中導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線張力、輸電導(dǎo)線隱性容量等狀態(tài)量的挖掘結(jié)果，挖掘結(jié)果可以量化表示為：

式(8)中l(wèi)和S對(duì)應(yīng)的是導(dǎo)線長(zhǎng)度和截面積，G和θ分別為導(dǎo)線自重和連接傾角，Kelastic和Kp分別為導(dǎo)線的彈性系數(shù)和溫度膨脹系數(shù)，ΔT為導(dǎo)線溫度差，Imax和I分別為輸電線路最大載流量和實(shí)時(shí)電流值。在關(guān)聯(lián)規(guī)則的約束下，通過數(shù)據(jù)挖掘算法的運(yùn)行得出輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集結(jié)果。

1.4 輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合處理

采用加權(quán)信息融合的方式對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的初始輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，由于輸電線路狀態(tài)量包含電壓、電流等多種類型，因此需要在融合處理之前對(duì)初始挖掘數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，處理過程可以描述為：

其中qmin和qmax為輸電線路狀態(tài)量的最小值和最大值，q0為初始挖掘數(shù)據(jù)。根據(jù)多元函數(shù)極值理論，計(jì)算輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的加權(quán)因子為：

其中χ為挖掘狀態(tài)數(shù)據(jù)的方差，nq為挖掘數(shù)據(jù)數(shù)量，那么將輸電線路狀態(tài)量數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果與加權(quán)因子代入到式11中，即可得出輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合處理結(jié)果。

按照上述流程，將關(guān)聯(lián)規(guī)則約束下所有輸電線路狀態(tài)的挖掘結(jié)果進(jìn)行融合處理，完成初始挖掘數(shù)據(jù)的融合處理操作。

1.5 檢測(cè)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)與異常位置

根據(jù)輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合處理結(jié)果，確定輸電線路的狀態(tài)量，通過與設(shè)置輸電線路狀態(tài)的比對(duì)，即可確定當(dāng)前輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)[5]。針對(duì)注意、異常和嚴(yán)重三種運(yùn)行狀態(tài)的輸電線路，需利用圖3原理確定輸電線路中的異常位置，也就是狀態(tài)檢修位置。

圖3 輸電線路異常定位原理圖

在已知輸電線路節(jié)點(diǎn)位置的情況下，可以得出已知節(jié)點(diǎn)與異常點(diǎn)之間的距離為：

式(12)中τM和τN分別為異常點(diǎn)信號(hào)到達(dá)輸電線路兩側(cè)M和N的時(shí)間，vc為光速，Kc和Kj分別為相對(duì)磁導(dǎo)系數(shù)和介電系數(shù)。那么輸電線路異常點(diǎn)的定位結(jié)果如式(13)所示：

式(13)中(xM,yM)為輸電線路中節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)值，Dabnormal,x和Dabnormal,y表示節(jié)點(diǎn)M與異常點(diǎn)之間距離的水平和豎直分量。由此得出輸電線路運(yùn)行狀態(tài)與異常位置的檢測(cè)結(jié)果。

1.6 實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)檢修

通過對(duì)輸電線路異常點(diǎn)的定位，可以確定異常位置上安裝的元件類型，并通過與檢修判斷標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)，采取合理的狀態(tài)檢修方案。以桿塔檢修為例，針對(duì)塔桿傾角故障，采用倒拉的方法進(jìn)行維修處理。在完成反拉后，將拉絲進(jìn)行牽引，拉到合適的角度，然后按照塔腳與基面分離后的間隙位置，填入一定厚度的鋼板，然后用混凝土填充。對(duì)部分混凝土桿出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換有缺陷的部分。采用抱桿暫時(shí)代替需要替換的桿段，在完成受力后，將存在異常的桿段拆下，將新桿段抬起，然后進(jìn)行焊口的焊接和抱箍的安裝。對(duì)塔材丟失、塔材部分彎曲等問題，采用塔材替換，在確定塔材原位尺寸后，選擇角鋼加工、打孔，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位安裝、替換。對(duì)鋼絲散股、斷股等問題，可用纏繞、綁扎修補(bǔ)；對(duì)嚴(yán)重腐蝕的鋼絲，要進(jìn)行整體更換。如果橫桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)或變形，則要進(jìn)行斷電更換，打上臨時(shí)的纜索，懸掛吊索，將電線放下，擰緊提升的鋼索并施加壓力，拆卸舊的橫桿，將新的橫桿抬到合適的位置。重復(fù)狀態(tài)檢測(cè)操作，若狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果顯示為正常，則證明輸電線路狀態(tài)檢修工作完成，否則需要反復(fù)執(zhí)行檢修操作，直到輸電線路恢復(fù)到正常狀態(tài)為止。

2 檢修效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

2.1 研究輸電線路概況

實(shí)驗(yàn)選擇某地區(qū)220kv的輸電線路作為研究對(duì)象，該輸電線路的連接情況如圖4所示。

圖4 研究輸電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

選擇的輸電線路由3條母線、2臺(tái)變壓器以及5條輸電子線路組成，線路中內(nèi)置了5個(gè)絕緣子和6個(gè)金具。輸電線路總長(zhǎng)度為45.7km，于2019年建成并投入使用，按照4年檢修一次的計(jì)劃進(jìn)行檢修。輸電線路在正常狀態(tài)下的運(yùn)行電壓為220kv，電流值為150kA，電壓穩(wěn)定系數(shù)為0.8。

2.2 設(shè)定輸電線路運(yùn)行狀態(tài)

輸電線路在初始狀態(tài)下處于正常運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，通過電力設(shè)備替換、調(diào)整線路連接方式等手段，控制輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。表1為部分輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)定情況。

表1中的輸電線路運(yùn)行狀態(tài)利用線路開關(guān)進(jìn)行控制，即將異常設(shè)備與正常設(shè)備同時(shí)連接到輸電線路中，通過開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。

表1 輸電線路運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定表

2.3 描述實(shí)驗(yàn)過程

設(shè)置研究輸電線路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)位置上安裝智能電壓表和智能電流表，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路的電力運(yùn)行參數(shù)。通過關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法的運(yùn)行，得出輸電線路狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果。圖5表示的是輸電線路在Z1組別狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果。

圖5 輸電線路狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果

此次實(shí)驗(yàn)分別從狀態(tài)檢測(cè)精度和檢修效果兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置輸電線路電壓檢測(cè)誤差、電流檢測(cè)誤差和異常點(diǎn)檢測(cè)位置誤差、指標(biāo)，用來反映優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的狀態(tài)檢測(cè)精度，其數(shù)值結(jié)果如下：

式(14)中U和A為輸電線路的電壓和電流，角標(biāo)set和testing表示的是設(shè)置值和檢測(cè)值，(xset,yset)和(xtesting,ytesting)分別為異常點(diǎn)的設(shè)置位置坐標(biāo)和檢測(cè)位置坐標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的檢修效果測(cè)試就是將檢修技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的維修工作中，統(tǒng)計(jì)輸電線路電壓與電流的超限量，計(jì)算公式如下：

式(15)中Umax、Umin、Amax和Amin分別表示輸電線路實(shí)際電壓和電流的最大值和最小值，Uupper、Ulower、Aupper和Alower為電壓和電流的上下限值。為了保證輸電線路狀態(tài)的檢測(cè)精度和檢修效果，設(shè)定電壓、電流和異常點(diǎn)位置的檢測(cè)誤差指標(biāo)的最大值分別為0.5kV、0.5kA和1.0，電壓和電流的超限量不大于0。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出反映輸電線路狀態(tài)檢測(cè)精度的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 輸電線路狀態(tài)檢測(cè)精度測(cè)試數(shù)據(jù)表

將表1和表2中的數(shù)據(jù)代入到式(14)中，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)輸電線路電壓、電流和異常點(diǎn)位置的平均檢測(cè)誤差分別為0.27kV、0.24kA和0.89。通過基于關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合的輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)的應(yīng)用，得出輸電線路電壓和電流的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 狀態(tài)檢修后輸電線路參數(shù)波形圖

將圖6中的數(shù)據(jù)代入到式(15)中，計(jì)算得出ΔU和ΔA的值均低于0，即經(jīng)過檢修輸電線路的電壓和電流均處于正常范圍內(nèi)，由此證明優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的檢修效果良好。

3 結(jié)語

輸電線路的異常故障具有很強(qiáng)的規(guī)律性和分散性，其故障的成因和規(guī)律各不相同，為輸電線路的狀態(tài)檢修工作帶來較大挑戰(zhàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)利用關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法，精準(zhǔn)判斷當(dāng)前線路的運(yùn)行狀態(tài)、檢修等級(jí)以及檢修位置，針對(duì)不同的異常類型選用合適的檢修方案實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路非正常狀態(tài)的檢修，直到輸電線路檢測(cè)結(jié)果顯示當(dāng)前線路處于正常狀態(tài)。通過關(guān)聯(lián)規(guī)則信息融合算法的應(yīng)用，為輸電線路狀態(tài)的判定提供充足的數(shù)據(jù)支持，間接的提高了輸電線路的狀態(tài)檢修效果。