基于層次分析法與改進D-S理論的閥水冷系統(tǒng)狀態(tài)評估

楊群,齊鵬洋,李昊,劉釗

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

近年來,我國用電量的急劇增長和源荷分布不均衡的發(fā)展現(xiàn)狀,使具有輸送距離遠、容量大、損耗低等優(yōu)勢的特高壓輸電建設快速發(fā)展[1],與之配套的換流站投運數(shù)量不斷增多。作為換流站核心設備的換流閥在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量,其冷卻系統(tǒng)可靠性顯得至關重要。電氣設備常用的冷卻方式主要有水冷、自然風冷、強迫風冷[2],而換流閥大都采用去離子水進行冷卻降溫[3],因此及時掌控換流閥水冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)對保障其穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

目前,在換流站設備運行狀態(tài)方面,已開展多方面研究:文獻[4]通過增加切換開關乙炔在線監(jiān)測裝置、油耐壓測量裝置等,利用直流控制保護系統(tǒng)綜合判斷,實現(xiàn)了對換流變壓器分接開關運行狀態(tài)在線監(jiān)測和評估;文獻[5]利用多頻率點等效溫升試驗方法,通過等效計算阻尼電容器實際工作時的損耗,并選擇合適的試驗頻率和電流,能夠準確評估阻尼電容器實際運行狀態(tài);文獻[6]提出了一種基于多狀態(tài)數(shù)據(jù)均衡與極端梯度提升的特高壓換流閥狀態(tài)評估方法,文獻[7]提出了一種基于故障本征證據(jù)和特征指標的換流變壓器狀態(tài)評估方法,通過兩次評估,大大提高了換流變壓器故障判定的準確率;文獻[8]基于熵權(quán)灰關聯(lián)分析法建立了空冷器的狀態(tài)評估方法,對準確分析空冷器故障原因具有一定的指導價值;針對特高壓換流閥狀態(tài)評估中原始數(shù)據(jù)不均衡、模型難以解釋等問題,文獻[9]提出了一種基于輕量梯度提升機與夏普利加法解釋歸因分析的特高壓換流閥狀態(tài)評估方法,為換流閥狀態(tài)評估結(jié)果提供了依據(jù)與支撐。上述文獻從不同方面對換流站主設備運行狀態(tài)進行研究,以期實現(xiàn)對其狀態(tài)準確評估,而對主設備散熱進而保障其可靠運行的閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估方面的研究還比較匱乏。

本文研究換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成,選取其主要歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)指標,構(gòu)建閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估指標體系。通過三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合以及專家調(diào)查法確定不同數(shù)據(jù)指標的隸屬度、利用層次分析法確定各個指標權(quán)重。在此基礎上建立基于改進D-S理論的閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估模型,并通過算例對模型進行驗證,為運維人員及時掌控閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)、保障其可靠運行提供借鑒。

1 換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成分析

在特高壓輸電系統(tǒng)中,閥水冷系統(tǒng)作為換流閥冷卻設備,主要是把閥體等元件運行過程中產(chǎn)生的大量熱量帶走,保障各個元件在溫度允許范圍內(nèi)運行。根據(jù)作用和結(jié)構(gòu)布局,閥水冷系統(tǒng)可分為內(nèi)水冷系統(tǒng)和外水冷系統(tǒng),前者屬于密閉系統(tǒng),采用密閉循環(huán)方式對換流閥進行散熱,主要由主循環(huán)回路、去離子回路、氮氣穩(wěn)壓回路和補水回路等組成;后者屬于開放式系統(tǒng),主要由噴淋泵、冷卻塔、水處理單元等構(gòu)成,通過噴淋泵對內(nèi)冷水管道進行噴淋散熱,利用冷卻塔風扇將交換的熱量排出,形成一個周而復始的循環(huán)系統(tǒng)[10-11],整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 換流閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成

閥水冷系統(tǒng)長期運行過程中,由于電化學腐蝕、水中雜質(zhì)積累等原因,會造成如均壓電極銹垢、濾芯堵塞,如圖2所示,從而影響整個閥水冷系統(tǒng)的冷卻能力,給換流站的可靠性埋下隱患。

(a)均壓電極銹垢

2 閥水冷系統(tǒng)狀態(tài)評估指標體系

2.1 評估指標體系構(gòu)成

為了對所選指標便于構(gòu)建判斷矩陣和分配權(quán)重,準確對閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)做出評估,選取反映閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的典型指標,將其分為歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),具體評估指標體系如圖3所示。

圖3 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估指標體系構(gòu)成

圖3中,歷史數(shù)據(jù)由系統(tǒng)投運時間、運行時間、告警次數(shù)等構(gòu)成,主要根據(jù)系統(tǒng)前期投運和后期運維檢修記錄得到。實時數(shù)據(jù)由設備運行環(huán)境參數(shù)、設備自身參數(shù)等構(gòu)成,主要通過安裝各類傳感器和壓力表計等進行實時采集,傳輸至后端系統(tǒng)得到。

參考某換流站運行經(jīng)驗和運維要求,選取閥水冷系統(tǒng)評估指標期望值如表1、表2所示,其中表1投運時間是指初次投運開始到目前為止總的運行時間,檢修時間是指本次檢修距離最近一次檢修的時間間隔,檢修次數(shù)和告警次數(shù)以及系統(tǒng)缺陷數(shù)是1年內(nèi)各自的總次數(shù)。

表1 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)指標期望值

表2 閥水冷系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)指標期望值

備注:歷史數(shù)據(jù)指標期望值是離散變量,各個指標期望值包含上限值和下限值。

備注:實時數(shù)據(jù)指標期望值是連續(xù)變量,主要參考換流站閥水冷系統(tǒng)實際工程得到,各個指標期望值包含上限值和下限值。

2.2 隸屬度確定

為了得到準確的評估結(jié)果,本文將閥冷系統(tǒng)運行狀態(tài)分為正常、異常、故障,以反映閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的各種指標為元素組成因素集u={u1,u2,…,ui}(i=1,2,…,m),形成評語集v={v1,v2,v3}={正常,異常,故障}。對第i個因素ui做出評判,其對vj(j=1,2,3)的隸屬度為rij,從而得到ui的單因素評價集ri=(ri1,ri2,ri3),即評語集v上的模糊子集,其中rij通過隸屬函數(shù)得到。

目前常用的隸屬函數(shù)主要有梯形分布、三角形分布、正態(tài)分布等,由于三角形隸屬函數(shù)形狀簡單,與其他較復雜的隸屬函數(shù)得出的結(jié)果差別較小,因此本文將三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合,確定實時數(shù)據(jù)中各指標的隸屬度,具體模型如圖4所示。歷史數(shù)據(jù)通過文獻[12]中專家調(diào)查法得到各指標的隸屬度。

圖4 三角形與半梯形隸屬度計算模型

由于閥水冷系統(tǒng)各元件隨著運行時間增加會逐漸老化,因此圖4中引入相對劣化率[13]。相對劣化率是1個定量指標,能夠反映元件實際狀態(tài)與故障狀態(tài)相比的相對劣化程度,取值范圍為0～1,參考文獻[13],此處取0.3,0.5,0.7作為閥水冷系統(tǒng)3種運行狀態(tài)下的邊界。

由圖4可得相應的隸屬函數(shù)為

式中:uv1(x)—uv3(x)表示實時數(shù)據(jù)中各指標劣化率為x時對應于狀態(tài)v1—v3的隸屬函數(shù)。

3 狀態(tài)評估模型構(gòu)建

3.1 基于層次分析法評估因素權(quán)重的確定

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)建立在專家咨詢基礎上,將復雜系統(tǒng)中各種指標劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?把多層次、多指標的權(quán)重賦值簡化為各指標重要性的兩兩比較,是一種定性與定量相結(jié)合的多目標決策分析方法,具有將非定量事件定量化的優(yōu)點[14],本文采用AHP構(gòu)建各因素之間的判斷矩陣N為

式中:uij代表評估因素ui對uj(j=1,2,…,m)的相對重要性數(shù)值。

3.2 基于改進D-S理論評估模型的構(gòu)建

3.2.1 D-S理論分析

D-S(Dempster-Shafer)理論也稱D-S證據(jù)理論,以證據(jù)的方式來表征不確定性,通過對同一識別框架上的各證據(jù)體進行融合推理,從不精確和不完整信息中得到可能性最大的結(jié)論,具有不依賴先驗信息、同時處理隨機和認知不確定性的優(yōu)勢[15]。該理論涉及3個重要函數(shù)[16-18],即基本信任分配函數(shù)mass、似然函數(shù)Pl、信任函數(shù)Bel,基本表達式如下:

1)給定一識別框架Θ,則函數(shù)mass:2Θ→[0,1],滿足

(3)

式中:m(A)為Θ上A的mass函數(shù),表示對A的信任程度,且使得m(A)>0的A稱為焦元;?表示空集。

2)似然函數(shù)為

(4)

組成的信任區(qū)間為[Bel(A),Pl(A)],表示當前證據(jù)對A的信任程度,對單一因素集則有m(A)=Bel(A)=Pl(A)。

3)信任函數(shù)為

(5)

對于?A?Θ,識別框架Θ上的有限個mass函數(shù)m1,m2,…,mi,相應的焦元為A11,A12,…,A1j,…,Ai1,Ai2,…,Aij(i=1,2,…,m;j=1,2,…n),則根據(jù)D-S理論,可得可信度分配函數(shù)為

3.2.2 改進D-S理論評估模型構(gòu)建

D-S理論合成規(guī)則中,通常假設各證據(jù)重要程度相同,即給定同一Θ上基于不同證據(jù)的Bel,若證據(jù)不是完全沖突的,則可以利用D-S合成規(guī)則得出一個新的Bel;但在證據(jù)嚴重沖突情況下,直接運用傳統(tǒng)D-S理論,結(jié)果往往出現(xiàn)評估失效現(xiàn)象?；诖?本文引入描述證據(jù)重要程度的權(quán)重系數(shù)對D-S理論進行改進,具體如下。

設識別框架Θ={A1,A2,…,Aj},對應的i個證據(jù)形成的基本可信度分配矩陣為

利用本文所述AHP法得到各個證據(jù)的權(quán)重向量為β=[β1,β2,…,βi],則Aj的第i個基本可信度分配函數(shù)為βimi(Ai)。將可信度最大的證據(jù)視為首要證據(jù),權(quán)為1,其他證據(jù)相對于首要證據(jù)的證據(jù)權(quán)為ωi,令第x條為首要證據(jù),則第j條次要證據(jù)轉(zhuǎn)換后的證據(jù)基本概率分配為

(8)

各條證據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可利用D-S理論得到第j個狀態(tài)概率分配函數(shù)模型為

m(j)=m1(j)⊕m2(j)⊕…⊕mi(j)

(9)

該模型所得最大概率對應的狀態(tài)即為最終評估結(jié)論,上述評估流程如圖5所示。

圖5 基于AHP與改進D-S理論的狀態(tài)評估流程

圖5中,評估指標由前述所選閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)指標構(gòu)成,利用AHP法得到各個證據(jù)的判斷矩陣,計算其特征值,其中最大特征值λi對應的特征向量即為各個證據(jù)的權(quán)重,進而計算基本可信度分配函數(shù)βimi(Aj),選取可信度最大的證據(jù)為首要證據(jù),以首要證據(jù)為基準對其他證據(jù)進行轉(zhuǎn)換,通過D-S理論得到第j個狀態(tài)概率,則最大概率對應的狀態(tài)即為最終評估結(jié)論。

4 算例分析

以寧夏某±800 kV特高壓直流輸電工程換流站為例,通過采集閥水冷系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),基于本文所給AHP和改進D-S理論,對其運行狀態(tài)進行評估,具體參數(shù)選取如表3—表4所示。

表3 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)評估指標測試值

表4 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)評估指標測試值

依據(jù)本文前述三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合以及專家調(diào)查確定實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)隸屬度如表5—表6所示。

表5 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)評估指標隸屬度

表6 閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)評估指標隸屬度

利用D-S理論和改進后D-S理論對表5—表6隸屬度數(shù)據(jù)分別進行評估,選取最大評估值對應的狀態(tài)為該閥水冷系統(tǒng)此時運行狀態(tài),所得結(jié)果如表7所示。

表7 基于D-S理論的閥水冷系統(tǒng)狀態(tài)評估對比

備注:運行狀態(tài)評估值由D-S理論改進前后模型計算得到,且對于同一模型最大值對應的狀態(tài)為閥水冷系統(tǒng)最終評估結(jié)論。

盡管基于D-S理論改進前的模型和改進后的模型最終評估結(jié)論一致,但改進前模型所得異常和正常運行狀態(tài)評估值差值僅為0.011,小于改進后異常和正常運行狀態(tài)評估值差值0.094,因此基于D-S理論改進前的模型會使評估狀態(tài)區(qū)分不明顯,甚至可能造成最終評估結(jié)論錯誤,而基于D-S理論改進后的模型更能準確得到評估結(jié)果,在不同評估狀態(tài)的識別方面具有一定的優(yōu)勢。

為了進一步驗證本文所給改進D-S理論評估閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的準確度,利用智能清洗裝置對該系統(tǒng)濾芯進行清洗,清洗后所得實時數(shù)據(jù)如表8所示。同樣基于上述評估流程,所得評估結(jié)果為[正常,異常,故障]=[0.596,0.325,0.079],則此時閥水冷系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。

表8 閥水冷系統(tǒng)濾芯清洗指標實時測試值

由濾芯清洗前后數(shù)據(jù)和評估結(jié)果可知,評估結(jié)果各個數(shù)據(jù)之間差值比較明顯,其中正常與故障狀態(tài)差值最大,達到0.517(0.596-0.079=0.517),能夠顯著區(qū)分閥水冷系統(tǒng)不同運行狀態(tài)。此外,濾芯清洗后閥水冷系統(tǒng)出水溫度明顯升高、管道流速增大,閥水冷系統(tǒng)降溫能力得到增強,系統(tǒng)由異常狀態(tài)恢復至正常狀態(tài),因此濾芯對閥水冷系統(tǒng)正常運行起著十分重要的作用。

5 結(jié) 論

1)通過研究換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成,選取主要歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)指標,構(gòu)建了閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估指標體系。

2)利用層次分析法確定了各個指標權(quán)重,建立了基于改進D-S理論的閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài)評估模型。

3)利用實際工程中閥水冷系統(tǒng)主要指標數(shù)據(jù)對模型進行了驗證,并以濾芯清洗前后數(shù)據(jù)為例對評估結(jié)果進行了對比。

4)所建模型評估結(jié)果對運維人員掌握閥水冷系統(tǒng)運行狀態(tài),及時采取措施處理異常問題,保障閥水冷系統(tǒng)可靠運行具有較大的實際指導價值。