基于動態權重和模糊綜合評判法的健康評估模型①

彭炎亮, 李汪根, 劉 嬌, 陳 騫

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基于動態權重和模糊綜合評判法的健康評估模型①

彭炎亮, 李汪根, 劉 嬌, 陳 騫

(安徽師范大學數學計算機科學學院, 蕪湖 241000)

開關柜是電網系統中最關鍵和最復雜的設備之一, 在保證電網系統可靠安全運行中發揮著重要作用. 為更好地正確評估開關柜的健康狀態, 根據專家經驗和監測系統的實際情況, 建立了基于動態權重機制的模糊綜合評估模型. 評估模型以在線監測的非電量特征參數為基礎, 確立了綜合評估指標體系和隸屬度分布函數, 結合模糊綜合評判法和動態權重修正模型, 綜合考慮了各指標對開關柜健康狀態的不同影響, 同時著重凸出了設備的異常狀態. 另外, 利用該評估模型進行了仿真分析, 實驗結果表明評估模型具有一定的有效性和合理性, 符合電力行業的實際標準和需求,具有一定的使用價值.

開關柜; 動態權重; 模糊綜合評判法; 健康評估

開關柜在電網系統中發揮著重要作用, 是電網系統中最關鍵和最復雜的設備之一, 一旦發生故障將導致嚴重后果. 然而, 從開關柜目前運行、維護的實際情況看, 在大多數的在線監測系統中, 只實現了監測開關柜某些運行狀態參數和單因素報警的功能, 并且監測到的每一類運行狀態參數對開關柜整體健康狀態的反映都有其局限性, 不能僅僅通過單一監測指標來反映整個開關柜的運行狀態.

目前, 電網系統內對開關柜的狀態評估的研究還較少, 對電網系統內設備的狀態評估主要集中在對變壓器等大型設備的狀態評估, 近年來諸多相關學者將各種智能算法如遺傳算法[1]、人工神經網絡[2]、模糊理論[3]、小波分析[4]、灰色聚類[5]等引入變壓器的故障診斷中, 取得了比較好的效果.

開關柜的健康狀態評估研究包括: 謝靜提出的基于模糊分層理論評估算法[6]和基于突變級數法的狀態評價算法[7]. 重慶大學周念成等提出改進的拉普拉斯分值的開關柜的故障診斷方法[8]. 然而這些主要以帶電檢測方法為主, 并且沒有著重突出異常狀態.

為此, 本文以在線監測系統監測的各類非電量特征參數為主, 選擇合理、科學的評價指標體系, 建立合理的開關柜健康狀態等級, 然后運用合適的計算方法統籌兼顧評價指標體系中所有的監測指標對開關柜狀態的影響, 繼而綜合評估出開關柜的健康狀態, 便于相關工作人員更準確、合理的了解開關柜當前的健康狀態.

1　模糊綜合評判法

模糊理論是由美國控制論專家Zadeh教授1965提出, Zadeh指出現實生活中除了經典集合論中描述的“非此即彼”現象外, 還存在著一種“亦此亦彼”的模糊現象[9].

利用各種評價因素對被評判對象不同的影響, 利用某種計算方法做出最終評價的評價方法, 叫做模糊綜合評判法.

據上所述, 模糊綜合評判法[9]的主要步驟如下:

4) 構造綜合評判矩陣:

表1 四種模糊算子的關系

2 評價指標體系的建立

在開關柜狀態評估中, 監測到的某類特征數據, 往往只反映某個方面的狀態. 同時, 每一類特征量的監測對狀態的反映都有其優勢與局限性, 不能僅僅通過單一監測指標來反映整個開關柜的運行狀態.

因此, 本文針對開關柜典型故障, 結合專家經驗和當前傳感器技術發展水平等因素綜合考慮, 選取了溫度、濕度、弧光、圖像、環境溫度5個具有代表性和可測量的特征參數作為開關柜健康狀態評估的評價指標體系.

3 評語集的建立

本文中將開關柜的健康狀態分為5個等級, 從高到底依次分別為健康、正常、異常、預警、報警, 表示成集合形式為, 相應等級的開關柜狀態和評估結果說明如表2 所示.

表2 開關柜健康評估評語集

4　評價指標權重的確定

4.1 確定初始指標權重

由于目前對開關柜的健康評估處于起步階段, 對評估指標體系如何建立以及各指標的權重如何分配沒有明確的行業標準, 相關算法還在不斷的探索中. 鑒于當前的實際情況, 本文采取借鑒專家經驗的方式來確定評估模型的指標初始權重.

本文邀請5位行業專家對已建立的評估指標體系中各指標的權重進行打分, 具體結果如表3所示.

表3 指標權重專家打分表

利用5位專家給出的5種不同的權重分配方案,本文采取求平均數來確定單項指標分配權重,最后根據專家打分法求得綜合評價指標體系的初始權重為:.

4.2 動態權重機制

在傳統的模糊綜合評判法中, 各指標權重一旦使用某種方法確定以后就一直保持不變. 但當某項評價指標超過預警值甚至報警值時, 有可能會因為原來該指標分配的權重比較小, 經模糊算子綜合計算后得到開關柜依然處于正常狀態的結果, 造成其異常信息被淹沒, 顯然, 這樣的結果是不合理也是不符合實際需求的.

因此, 在開關柜健康狀態綜合評估中, 應充分考慮異常信息被淹沒的情況, 適當的對指標權重進行調整, 使得異常信息能夠在綜合評估結果中得到凸出.

① 指標預警的權重自適應修正

在本文設計的在線綜合輔助系統中, 每項監測指標都設有預警值和報警值, 當這些監測值超過對應的預警值或報警值時, 系統會發出對應的報警提示, 提醒運維人員加強對該指標的關注程度, 視具體情況進行處理.

那么當某項評價指標的監測值超過預警值時, 其在正確評價當前開關柜健康狀態中的重要性應增加, 成為綜合評價開關柜健康狀態的關鍵指標, 應當適當地對其指標權重進行修正, 凸顯其對開關柜安全的重要影響, 便于工作人員關注到開關柜安全指標的趨勢變化, 起到預警作用.

當開關柜監測指標中出現n個異常指標的監測值越過了預警值, 記其異常指標序號集合記為A, 監測值在正常范圍內的指標為m個, 其序號集合為B. 對超過預警值的異常指標的權重值按式(1)進行調整[10].

其余監測值在正常范圍內的指標權重也需要按式(2)進行調整.

(2)

可以發現式(2)滿足式(3), 上述權重調整機制保持了評價指標體系權重的整體平衡性.

(3)

②報警指標的重懲罰修正

當開關柜的某些評價指標的監測值超過了其規定的危險報警值, 表明系統進入了一定程度的危險狀態, 開關柜的整體狀態應引起工作人員的高度注意. 為避免由于初始指標權重較小, 危險信息在綜合計算的時候造成信息淹沒, 必須對初始權重進行必要的修正, 充分凸顯系統的危險狀態.

當開關柜的綜合評價指標中有k個指標的監測值越過了其對應的報警值, 記其下標集合為C. 危險評價指標的權重按式(4)進行修正.

(4)

式(4)的報警指標權重修正模型只對超過報警值的指標權重進行了調整, 而對其他處于正常范圍內的評價指標權重未做修改. 這種重懲罰機制能夠充分凸顯危險指標所反映的危險信息, 雖然調整后所有評價指標權重之和大于1, 但是這是出于盡可能避免開關柜發生事故的目的, 符合實際安全需求.

③自定義權重修正

除了預警和報警兩種權重調整機制外, 對系統初始化時求出的權重還應根據行業標準的發展、不同設備特性以及檢修人員的經驗等因素做適當的調整, 使得綜合評估的結果盡可能反映開關柜實際的健康狀態, 確保開關柜可靠安全地運行.

自定義修正權重應保持綜合指標之間的權重平衡, 假設有h個評價指標需要進行自定義修正, 記其下標集合為D, 權重調整機制如式(5)所示:

(6)

5 建立隸屬度函數

根據我國開關柜的共用技術要求GB/T 11022-2011和行業專家的經驗列出了不同狀態等級下各評價指標的參數范圍[11], 如表4所示.

表4 評語集對應的各指標參數范圍

隸屬度函數的確定方法有多種, 本文采用指派法, 設計出分布如圖1所示的梯形函數與三角行函數相結合的隸屬度函數, 計算簡單方便, 符合實際使用的需求.

假設應對五個評價等級中各項指標的區間臨界值, 具體對應關系如表5所示.

表5 評語集區間臨界值對應表

根據圖1中設計的隸屬度函數分布圖, 設計出各評價等級所對應的隸屬度函數如表6所示.

表6 評語集對應的各指標參數范圍

結合表4中的各等級指標的參考值和表6中的隸屬度函數表達式, 可求出綜合評估指標體系中每個評價指標對應5個評語集的具體隸屬度函數.

6 最大隸屬度原則有效性討論

在綜合評價計算得到評價結果后, 本文采用最大隸屬度原則選取隸屬度最大值對應的等級作為最后綜合評價的等級. 這種方法計算簡單, 也易于理解, 但同時也容易丟失信息, 可能會導致評估的結果不合理. 所以, 對綜合評估的結果做最大隸屬度有效性驗證十分必要[12]. 設:

(7)

表7 最大隸屬度原則有效性與值對應表

表7 最大隸屬度原則有效性與值對應表

最大隸屬度原則有效性 完全有效 非常有效 比較有效 低效 完全無效

7 仿真分析

基于Java語言編程實現了上述基于動態權重的模糊綜合評判模型, 模擬產生多組數據對評估模型的評估效果進行了檢驗. 表8列舉幾組具有代表性的評價指標監測值.

表8 仿真綜合評估結果表

表8中最終評估結果可用如圖2所示的雷達圖展示, 該圖能夠形象地展示出每個指標集綜合反映的開關柜健康狀態及在各狀態等級中所占的比重, 這有助于更加準確地判斷開關柜當前的健康狀態.

①指瀕臨越界時顯示異常

從評估的結果可以看出, 因為所有指標值都未超過預警值, 所以各指標的初始權重并未進行修正, 但由于所有指標值都非常接近指標的預警值, 所以這種情況也應該引起重視, 確實需要慎重對待和處理. 最終綜合評估結果為異常狀態, 起到了警示作用, 評估結果符合行業標準和實際情況, 表明該綜合評估模型具有一定的有效性, 滿足實際需求.

圖2 仿真綜合評估結果雷達圖

②異常信息得到充分凸顯

按上述建立的動態修正權重機制, 應對指標集的初始權重進行適當調整. 調整后的權重為, 依然滿足, 屬于動態平衡權重修正. 從評價的結果可以看出, 四種算子分別計算的結果中正常狀態的隸屬度和預警狀態的隸屬度所占比較大, 因為在評價指標集中除溫度異常外, 其他指標均處于正常范圍內, 評價結果合理地體現了這一情況. 由于評價指標集中溫度指標的監測值超過了其預警值, 權重修正模型正確合理地增大了溫度所占的權重, 所以綜合評價的結果為預警狀態, 比較合理, 符合實際情況. 同時也充分凸顯了系統中出現的異常狀況, 增加了開關柜檢修人員的注意, 為其決策提供參考依據.

按上述建立的動態修正權重機制, 應對指標集的初始權重進行適當調整. 調整后的權重為, 顯而易見,, 并不是動態平衡的權重修正, 但是這是也對存在危險情況的特殊處理, 符合實際工作的需要. 從評價的結果可以看出, 超過報警值的監測指標權重被大大提高, 凸顯出了開關柜當前的危險狀態, 雖然其權重總和超過了1, 但這是在危險極端情況下使用的非常手段, 符合保證開關柜安全、可靠運行的初衷. 最后的綜合評估結果為開關柜當前處于報警階段, 充分反映出了開關柜處于危險狀態, 需要開關柜檢修人員對開關柜進行必要的處理, 評價結果比較合理, 符合實際情況.

據上所述, 動態權重修正機制使得開關柜中出現的異常狀態得到了充分的凸顯, 有助于相關工作人員正確判斷開關柜的健康狀態, 及時發現開關柜的異常狀態, 進而及時進行處理, 盡力避免事故的發生.

③模糊算子的選取

從表8中四個指標集的評估結果可以看出, 每個指標集經不同綜合評判算子計算后得到評估等級基本一致, 但存在其最大隸屬度有效性不同的現象. 通常, 我們都選擇評估結果有效性最高的評估結果作為開關柜健康狀態綜合評估的最終結果. 另外, 經分析還發現, 對于正常范圍內的待評價指標集, 通常加權平均型算子計算的評估結果對應的有效性最高, 而當有指標值超過預警值或報警值時, 主因素突出型算子計算的結果有效性最高, 正好符合有異常情況時需要著重考慮異常情況的基本原則. 綜上所述, 應用該基于動態權重的開關柜健康狀態評估模型對開關柜進行狀態評估時, 若所有評價指標都在正常范圍內, 綜合評估應采用加權平均型算子, 若有指標出現預警或報警時, 綜合評估應采用主因素突出型算子.

8　結語

本文根據專家經驗和監測系統實際情況, 構建了開關柜健康狀態綜合評價指標體系, 將開關柜的健康狀態分為五個等級, 建立了梯形與三角形相結合的隸屬度分布函數, 根據模糊理論的基本原理, 建立了基于動態權重機制的綜合模糊評估模型, 并利用該評估模型進行了仿真實驗分析, 分析結果表明基于動態權重和模糊綜合評判法的開關柜健康狀態綜合評估模型是有效和合理的, 具有一定的使用價值.

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12 盧嵐.安全工程.天津:天津大學出版社,2002.

Health Assessment Model Based on Dynamic Weight and Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

PENG Yan-Liang, LI Wang-Gen, LIU Jiao, CHEN Qian

(School of Mathematics and Computer Science, Anhwei Normal University, Wuhu 241000, China)

The switchgear is one of the most critical and complex equipment in a power system, and plays an important role in ensuring the safe and reliable operation of the grid system. In order to better assess the health status of the switch cabinet, according to expert experience and the actual situation of monitoring system, this paper establishes a fuzzy comprehensive evaluation model based on a dynamic weighted mechanism. The evaluation model establishes a comprehensive evaluation index system and a membership degree distribution function based on non-electric characteristic parameters, combined with fuzzy comprehensive evaluation method and the dynamic weight correction model, considering the different effects of each index of health condition of the switchgear, and emphasizing the abnormal state of the equipment. In addition, the simulation analysis is carried out by using the evaluation model. The experimental results show that the evaluation model is effective and reasonable, and conforms to the actual standard and demand of the electric power industry.

switch cabinet; fuzzy comprehensive evaluation; dynamic weight; state estimation

2016-04-11;收到修改稿時間:2016-05-08

[10.15888/j.cnki.csa.005503]