基于貝葉斯網絡的架空輸電線路運行狀態評估

文中，盧振鵬，朱博云，吳金輝，譚坤僑

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

基于貝葉斯網絡的架空輸電線路運行狀態評估

文中，盧振鵬，朱博云，吳金輝，譚坤僑

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

架空輸電線路的運行狀態直接影響著電力系統運行的可靠性，為了正確的評估運行中架空輸電線路的可靠性，提出了一種基于貝葉斯網絡架空輸電線路運行狀態評估方法。基于Bayes網絡建立的架空線評估數學模型不僅可以得出輸電線路及各部件的4種運行狀態概率，還可以很清楚的看到各部件對輸電線路運行的影響，便于線路的狀態檢修，另外，針對傳統傳統的重要度計算過于主觀或客觀的不足，在計算權重時提出了一種主客觀賦權法。通過實例計算驗證了該模型的有效性。

架空輸電線路；貝葉斯網絡；狀態評估；主客觀賦權法

1 引言

輸電線路作為電力系統的重要組成部分，它的主要功能是傳輸電能，輸電線路運行狀態的好壞對提高電力系統安全性有著十分重要的意義。目前國內外輸電線路運行狀態評估已取得一定的成果。文獻[1]考慮環境對輸電線路故障的影響，建立了輸電線路可靠度計算分段串聯模型，運用簡單界限理論計算出可靠度的上下界；文獻[2]應用貝葉斯網絡建立了架空輸電線路狀態評估數學模型，但未考慮客觀因素影響，且線路單元不夠全面；文獻[3]提出考慮日常維護對線路可靠性影響的可靠性評估模型，運用馬爾科夫隨機過程理論可計算出輸電線路可靠性指標；文獻[4]介紹了一種新的輸電線路熱老化評估方法，可預測線路抗張強度的損失，這個對線路定期檢查和維修很有幫助。這些線路評估的方法沒有考慮到架空輸電線路的各個方面，并且對于指標權重的確定都太客觀或者主觀。因此本文提出一種基于貝葉斯網絡的架空輸電線路運行狀態評估方法，構建線路以及各部件的評估模型，并采用主客觀賦權法確定線路各指標，最終得出架空輸電線路運行狀態評估結果。

2 貝葉斯網絡

貝葉斯網絡技術是Peral于1986年提出的一種基于不確定性知識的表達和推理方法，被認為是近10年來在人工智能領域最重要的研究成果之一。作為一種基于概率的不確定性推理方法，在處理不確定性知識的智能化系統中已得到重要的應用，一種對概率關系進行有向地圖解與描述的方法，它為知識提供了一種直接地圖解可視化方法。

貝葉斯網絡模型是一種基于概率分析、圖論的不確定性知識和推理模型，是將因果知識和概率知識相結合的信息表示框架，是一種有向無環圖。如一個簡單的Bayes網絡結構W→X→Y→Z，想知道Z存在條件下，W發生的概率p(W|Z)，由條件概率的公式，可得:

(1)

p(W,X,Y,Z)就是Bayes網絡決定的聯合概率分布，因系統中的狀態數與節點數呈指數分布，直接計算概率分布一般不可行，因此有必要在網絡中引入條件獨立關系，可使計算過程簡化。

3 狀態評估模型

基于貝葉斯網絡的架空輸電線路的運行狀態評估主要是對桿塔、絕緣子、金具、導線和地線、基礎、接地裝置、通道環境、附屬設施8個部件的運行狀態分別進行評估如圖1,得出這8個部件的運行狀態概率,然后根據這8個部件的運行狀態來對整個架空輸電線路進行運行狀態評估,最后得出整個架空輸電線路的運行狀態概率。

圖1 架空輸電線路的貝葉斯網絡

A～H分別表示桿塔、絕緣子、金具、導線和地線、基礎、接地裝置、通道環境、附屬設施8個部件，每一個部件都有各自的子事件。如桿塔可劃分為A1,A2,…,A9,9個子事件的含義見表1。

表1 桿塔各子事件的含義

再將每個子事件定義4個狀態，即良好狀態、注意狀態、異常狀態和嚴重狀態。運行工作人員根據相應狀態的評估標準，把每個桿塔部件的數據進行分類統計，每一個桿塔子事件的權重(對運行狀態的影響概率)用本文提出的主客觀賦權法求出。最后根據模型的計算方法求出各種狀態的運行概率。

4 模型算法

4.1 模型的數學算法

本文算法以桿塔為例，假設相應子事件的桿塔總數為A1,A2,…,A9，根據桿塔的評估標準以及工作人員的運行經驗，對所評估的線路的資料進行分類統計，得出桿塔九個子事件良好狀態的個數分別是L1,L2,…,L9；注意狀態的個數分別是Z1,Z2,…,Z9；異常狀態的個數分別是Y1,Y2,…,Y9；嚴重狀態的個數分別是E1,E2,…,E9，由此得出桿塔每個子事件的狀態概率。

則桿塔第i個子事件的狀態概率如下：

良好狀態概率：

(2)

桿塔的良好狀態概率則為：

(3)

依次可以求出桿塔注意狀態、異常狀態、嚴重狀態的概率。

由于不是所有線路上不是所有的桿塔都是鐵塔或者拉線塔，也就是說不是所有的桿塔都包括這9個基本事件，因此，根據貝葉斯網絡得出的運行狀態概率必須進行歸一化處理。即：

桿塔良好運行狀態概率：

(4)

根據前面介紹的評估數學模型可以計算出輸電線路各個部件的運行狀態概率，再求出各部件對輸電線路運行狀態的影響度，假設為Ra，Rb，Rc，Rd，Re，Rf，Rg，Rh，則線路運行狀態概率為：

p(l)=p(AL)Ra+p(BL)Rb+p(CL)Rc+p(DL)Rd+p(EL)Re+p(FL)Rf+p(GL)Rg+p(HL)Rh

(5)

依次可以分別求出桿塔注意運行狀態概率p(z),異常運行狀態概率p(y),嚴重運行狀態概率p(e)。

4.2 權重的計算

由于人為的不確定性，方法結構、選用的差異性，以及分析視角的不同，不同的評價方法對同一評價對象得到不一樣的結果，因此本文提出一種主客觀組合賦權法。

(1)層次分析法(APH)

APH法的基本思想是把一些復雜的問題分解成多個元素，將這些元素按支配關系形成有序的遞階層結構按照一定的比例標度見表2，通過兩兩互相比較判斷定量化形成一個判斷矩陣。

表2 判斷矩陣標度及含義

由于判斷矩陣中的每列基本反映了權值的分配情況，因此可以采用所有列向量的算術平均值來計算權向量，即

(6)

(2)均方差法

該方法是用同一指標觀測值之間的差異程度來反映其重要度，該方法不帶任何主觀色彩。其主要思路是根據多條線路各部件評分建立指標值矩陣，再以均方差法計算權重，即

(7)

其中

(8)

(9)

最終根據不同地區的線路運行特點，采用一個合適的經驗因子綜合主客觀權重，即

(10)

5 實例驗證

宜昌某110kV架空輸電線路，線路全長8.45km。根據工作人員對該地區的經驗以及計算，得出桿塔各部件子事件的判斷矩陣近似為

矩陣的第1行至第8行分別代表桿塔、絕緣子、金具、導地線、基礎、接地裝置、通道環境、附屬設施8各部件子事件的權重。再結合現場統計的資料得出各部件的運行結果見表3。

由表3中的架空輸電線路各部件的運行狀態概率，可以看出整條線路中的薄弱環節，應及時檢查并檢修這些環節的部件。由層次分析法得出架空輸電線路各部件的重要度見表4。

表3 架空輸電線路各部件運行狀態評估結果

表4 架空輸電線路各部件層次分析法求出的重要度

根據對多條線路部件的資料統計打分，經均方差法計算得出各部件的重要度見表5。

表5 架空輸電線路各部件均方差法求出的重要度

比較表4和表5可以看出，層次分析法和均方差法求出各部件的權重有一定的區別，如基礎、通道環境、附屬設施都有很大變化，這主要是由于外破越來越嚴重導致而成的。

經分析比較，取經驗因子為0.6較為合適。則架空輸電線路的運行狀態概率見表6。

表6 架空輸電線路的運行狀態概率

根據表6中的數據可知，線路整體可靠性較高，與實際情況相符。當線路處于不正常運行狀態時，根據后向推理技術可以向前推出各部件發生故障的概率。

6 結語

本文提出的架空輸電線路運行狀態評估模型，是根據貝葉斯網絡理論建立的。該模型可以求出架空輸電線路運行狀態概率以及各部件的運行狀態概率，并可以計算出不正常運行狀態是各部件發生故障的概率，從而分析出線路薄弱的地方，給工作人員的檢修工作帶來了極大方便。另外本文在確定各部件權重時，既利用了大量的歷史數據，又考慮了決策者的先驗知識，是一個很合理的解決方案。

[1] 牛春節.高壓架空輸電線路可靠性評估方法的研究[D].華北電力大學,2008.

[2] 韓富春，董邦洲，賈雷亮，等.基于貝葉斯網絡的架空輸電線路運行狀態評估[J] .電力系統及其自動化學報,2008,20(1):101-104.

[3] 賀金定，賀星棋.考慮可修多狀態的輸電線路可靠性評估模型[J].電力系統保護與控制，2010,38(4): 11-14,53.

[4] Md.Mafijul Islam Bhuiyan,Petr Musilek,etl.Evaluating thermal aging characteristics of electric power transmission lines[J] .Electrical and Computer Engineering(CCECE),2010 23rd Canadian Conference,2010,1-4.

Operation State Evaluation of Overhead Transmission Lines Based on Bayesian Network

WENZhong,LUZhen-peng,ZHUBo-yun,WUJin-hui,TANKun-qiao

(School of Electrical Engineering &Renewable Energy,Three Gorge University,Yichang 443002,China)

The running state of overhead transmission lines directly affects the reliability of the entire power system operation.In order to assess the reliability of the running overhead transmission lines correctly,a method for operation state evaluation of overhead transmission lines based on Bayesian network was presented.The math model of the evaluation of overhead transmission lines based on Bayesian network can not only carry out four kinds of the state probability of overhead transmission lines and each part of lines but also can see the impact of every component of overhead transmission lines clearly,which is easy to the state maintenance of overhead transmission lines.In addition,aiming at the shortcoming of subjective or objective method of the importance calculation,proposes a subjective and objective method to calculate the importance was proposed.The evaluation method can make correct assessment according to the calculation of a example.

overhead transmission lines;Bayesian network;state evaluation；subjective and objective method

1004-289X(2015)05-0041-04

TM72

B

2015-04-08

文中，(男，1968-)，副教授，主要從事輸電工程方向。