基于多源信息融合的10 kV電纜狀態(tài)評估算法的研究與應用

摘要：配電10 kV電纜的大量應用為運檢工作帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。對電纜進行實時檢測，掌握電纜的狀態(tài)信息，開展對電纜的狀態(tài)評估和狀態(tài)檢修，已經成為了亟待解決的問題?；诖?，提出一種基于多源信息融合的10 kV電纜狀態(tài)評估算法。融合多源信息，建立了配電電纜運行狀態(tài)評價指標體系；利用改進的組合權重計算方法來確定各指標的權重，并通過該權重，使用模糊綜合評價方法來對電纜的狀態(tài)進行評估；最后，用算例分析的方式驗證了該算法能準確地評估電纜狀態(tài)。

關鍵詞：配電電纜" 多源信息" 模糊綜合評價" 狀態(tài)評估

Research an[A2] d Application of 10kV Cable State Evaluation Algorithm Based on Multi-Source Information Fusion

DU Lin" CHEN Keyang" TAO Gang

Guizhou Power Grid Co.， Ltd. Gui'an Power Supply Bureau， Guiyang， Guizhou Province， 550029 China

Abstract： The widespread use of 10kV cables for power distribution have brought serious challenges to the operation and inspection work. It has become an urgent problem to solve real-time detection of cables， grasp the status information of cables， and carry out status assessment and maintenance of cables. Based on this， a 10kV cable state evaluation algorithm based on multi-source information fusion is proposed， and the evaluation index system of open distribution cable operational status is established by fusion of multi-source information. The weight of each index is determined by an improved combined weight calculation method， and the status of the cable is evaluated by fuzzy comprehensive evaluation method based on these weight. Finally， the algorithm's ability to accurately evaluate cable status was verified through case analysis.

Key Words： Distribution cable; Multi-source information; Fuzzy comprehensive evaluation; State evaluation

配電10 kV電纜因占地面積小、安裝敷設方便、良好的耐熱和電氣性能而被廣泛應用于城市配電網中。但在實際運行中，電纜因受到外力破壞、安裝工藝、運行情況的影響而經常發(fā)生電纜事故，導致配電網無法正常穩(wěn)定運行。利用多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測的方式，可以更全面地掌握電纜真實的運行狀況，為確保電纜的安全與穩(wěn)定運行提供重要支持。

電力電纜狀態(tài)評估是基于高壓電纜領域進行研究的，配電電纜領域的相關研究還有大片空白，配電電纜與高壓電纜在使用和構成方面存在的差異導致直接用高壓電纜的評估方法來評估配電電纜是不可行的。目前，電力運維部門執(zhí)行的是定期檢修機制，屬于離線實驗[1]。但是，定期檢修使用的設備大多為手持式檢測儀器，無法實時的獲取電纜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也不能長時間對電纜進行狀態(tài)的監(jiān)測。

本文綜合考慮配電電纜的運行環(huán)境，提出一種基于多源信息融合的10 kV電纜狀態(tài)評估算法。通過融合多種信息來源，本文構建了配電電纜運行狀態(tài)的評價指標體系。利用優(yōu)化后的多種權重計算方法確定每個指標的權重，并基于這些權重用模糊綜合評價法對電纜的狀態(tài)進行綜合評估[2-3][A4] 。算例分析更是驗證了基于多源信息融合的10 kV電纜狀態(tài)評估算法是有效和可靠的，能夠更準確地評估電纜狀態(tài)，為電纜檢修和維護提供依據(jù)支撐。

1 電纜運行狀態(tài)評價指標體系

1.1在線監(jiān)測方面

1.1.1 局部放電

電纜的絕緣材料發(fā)生劣化時，電場強度會超過絕緣的耐受極限，從而引發(fā)局部放電現(xiàn)象。局部放電伴隨有聲、光、熱等不良物理效應，其被電力行業(yè)權威機構公認為是評估電纜狀態(tài)的最有效方法之一。

1.1.2 電纜溫度

電纜故障或線路負載過重時，電纜的運行溫度會逐漸升高。隨著溫度的上升，電纜的絕緣性能會改變，表現(xiàn)為絕緣性消失，從而導致電纜無法正常運行。溫度升高還會降低電纜的承載流量的能力，進而對線路的經濟效益產生不利影響。

1.1.3 電壓偏差

電纜線路的運行電壓過高，會造成電纜狀態(tài)差的部分發(fā)生擊穿或閃絡，導致電纜無法正常工作；電壓太低，會導致電纜線路出現(xiàn)更多的能量損耗，導致電纜溫度升高，長時間的高溫運行會加速電纜絕緣材料的老化，最終影響電纜的正常工作狀態(tài)。

1.2外部環(huán)境信息方面

環(huán)境的溫度和濕度也是評估電纜狀態(tài)的重要因素。過高的環(huán)境溫度會影響電纜的散熱和絕緣性能，過高的濕度則會導致電纜絕緣的下降，從而影響其正常運行。

1.3歷史數(shù)據(jù)方面

電纜的歷史數(shù)據(jù)信息包括電纜的工作年限和電纜的檢修記錄數(shù)據(jù)。電纜工作時間越長，電纜的惡化狀態(tài)越明顯。電纜壽命周期有“浴盆曲線”的特征，尤其在運行年限達到5～30年之間，電纜的老化過程更加明顯[3]。

2基于多源信息融合的綜合評估方法

多源信息融合是用數(shù)學方法對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進行處理與分析，為后續(xù)決策提供支持。該過程將不同來源、不同形式的信息進行綜合處理，以便對目標進行更精準的描述。與依賴單一傳感器信息的評估方法相比，多源信息融合具有顯著優(yōu)勢：它能夠減少模糊性，提高決策的可信度；增強系統(tǒng)的容錯能力，提升系統(tǒng)的可靠性；通過信息的冗余性和互補性，增強系統(tǒng)的魯棒性等。為了實現(xiàn)電纜狀態(tài)評估的準確性，必須對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)信息進行融合，構建電纜狀態(tài)評價的多層次指標體系，從而全面、實時地了解電纜的運行狀態(tài)，為電纜運行檢修提供科學依據(jù)[4]。

本文運用模糊理論構建信息融合的證據(jù)體系，進行特征層的融合分析。模糊綜合評價法能夠有效處理不確定信息，將決策過程中的模糊性以數(shù)學形式進行表達。在電纜設備的特征參數(shù)中，普遍存在模糊性，這種模糊性嚴重影響對電纜狀態(tài)評估的不確定性[5]。依據(jù)現(xiàn)行標準，選擇能夠反映電纜狀態(tài)的關鍵特征量，建立了電纜狀態(tài)評估的指標體系。本節(jié)通過改進的組合權重計算方法，確定各個指標的權重。該方法兼顧專家經驗的主觀權重和客觀數(shù)據(jù)的權重，從而通過模糊綜合評價法對電纜的狀態(tài)進行綜合評估。

3 基于改進主客觀權重的指標賦權

3.1層次分析法確定主觀權重

層次分析法通過專家的經驗對待評估的特征量進行兩兩比較，并將比較結果填入一致性判斷矩陣，從而計算出各特征量在其中的占比。層次分析法的步驟是構建判斷矩陣、一致性檢驗，以確保專家的判斷沒有沖突。一致性校驗的公式如[A5] 下。

式（1）中：CI為一致性指數(shù)，為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的大小（即評價指標的個數(shù)）；CR為一致性比率，用來判斷矩陣的一致性是否可以接受的標準；RI為隨機一致性指數(shù)，是根據(jù)矩陣的規(guī)模n給出的一個常數(shù)。

3.2反熵權法確定客觀權重

為了避免人為主觀因素的影響，從樣本數(shù)據(jù)規(guī)律來確定權重，才能反映指標的客觀權重，并衡量信息的不確定性。利用熵權法，可以求取指標的客觀權重。但熵權法對指標的差異程度較為敏感，導致權重指標分配太小，容易出現(xiàn)極端權重。因此，本文采用改進的反熵權法確定客觀權重，能更好的體現(xiàn)指標間的差異。

式（2）中：，且。反熵權法與熵權法特性相反，當某個指標的反熵值越大時，代表指標的無序程度也大，從而權重值也越大。

假設存在個評估對象、個評估指標，建立的指標評價矩陣為，指標代表第個評估對象下指標的值。各指標的反熵如下。

式（3）中：，計算權重。

3.3主客觀權重組合賦權

對于一級評價指標，權重采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）法，獲取該指標的權重；對于二級指標，權重采用“AHP+反熵權法”，該指標的權重向量，則綜合權重為

式（4）中：為AHP主觀賦權；為反熵權法客觀賦權。

4 基于模糊理論的綜合評估

4.1確定研究對象的指標集

把對配電電纜的影響因素看作是一個多因素的集合，把能夠表征各種狀況屬性的對象叫做評價指標集，記為。

4.2建立評語集

按照《電纜線路狀態(tài)評價導則》（Q/GDW 456—2010），將電纜評價狀態(tài)分為“正[A6] 常”“注意”“異?！薄皣乐亍?個風險狀態(tài)。評估結果的評語集表示為

4.3 確定模糊評判矩陣

根據(jù)所評判的因素，把量化后的指標帶入三角形隸屬度函數(shù)，得到該指標的隸屬度，對多個指標進行隸屬度的計算，得到如下模糊關系矩陣：

4.4 確定權重因素向量

分析各影響因素對評判結果的重要程度，從而確定因素的權重的分配。根據(jù)3.1節(jié)中的主客觀權重確定方法，確定最終權重為

4.5 綜合評判結果的計算

對于評判指標，選用加權平均型算子來求取模糊綜合評判結果B。

4.6 評判結果分析

設評估的結果為，利用最大隸屬度原則，取，評判結果隸屬于第等級。

5 結語

本文提出的基于多源信息融合的10 kV電纜狀態(tài)評估算法為電力配電電纜的狀態(tài)評估提供了融合電纜在線檢測信息、環(huán)境運行信息與歷史數(shù)據(jù)的方式，結合改進的組合權重計算方法和模糊綜合評價法的新思路和方法，能夠更加準確地評估電纜的運行狀態(tài)，為電纜的實時監(jiān)測與檢修提供可靠依據(jù)的同時，也為電力企業(yè)提供科學的決策支持。

電纜狀態(tài)受到多種復雜因素的影響，現(xiàn)有的評估體系尚未能覆蓋所有可能的影響因素。未來應進一步拓展數(shù)據(jù)采集的范圍和深度，引入更多類型的傳感器和實時監(jiān)測技術，并在此基礎上進一步優(yōu)化信息融合算法和完善評價指標體系，才能讓電纜狀態(tài)適應更復雜、更動態(tài)的電力系統(tǒng)環(huán)境，進一步推動電力行業(yè)智能化、數(shù)字化的發(fā)展。

參考文獻

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