基于數(shù)據(jù)挖掘的變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

沈曉東

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城市供電分公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

隨著電網(wǎng)發(fā)展向“智能、高效、可靠、綠色”方向轉(zhuǎn)變及電力企業(yè)管理向精益化方向轉(zhuǎn)變，對(duì)電力企業(yè)的設(shè)備管理提出更高要求。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司印發(fā)了《國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控工作規(guī)范（試行）》，突出預(yù)防為主，深化風(fēng)險(xiǎn)管理，努力構(gòu)建全面覆蓋、縱向貫通、橫向協(xié)同、責(zé)任明確、閉環(huán)落實(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控工作機(jī)制核心思路[1-2]。基于PMS一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，將全縣變電設(shè)備管理系統(tǒng)、設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)等系統(tǒng)信息統(tǒng)一匯集于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，各類數(shù)據(jù)之間形成了關(guān)聯(lián)，為分析設(shè)備狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐。分析了疑似家族性缺陷、氣象環(huán)境與變電運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)模型。

1 分析變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)備固有質(zhì)量關(guān)聯(lián)關(guān)系

部分設(shè)備由于設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制作工藝等因素存在家族性缺陷，導(dǎo)致投運(yùn)后設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大，因此，判斷設(shè)備是否存在質(zhì)量缺陷對(duì)于評(píng)估設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

1.1 變電設(shè)備缺陷率分析

1.1.1 運(yùn)行年限與變電設(shè)備缺陷率關(guān)系

使用經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，變電設(shè)備在整個(gè)服役期限內(nèi)，其缺陷率變化符合浴盆曲線規(guī)律，其形狀兩邊高，中間低凹平坦，形似一個(gè)浴盆[3-4]。早期故障期和耗損故障期缺陷率較高，偶然故障區(qū)缺陷率較低，若不分運(yùn)行年限統(tǒng)計(jì)設(shè)備的平均缺陷率作為標(biāo)準(zhǔn)，則此平均缺陷率將高于在偶然故障區(qū)運(yùn)行的正常設(shè)備缺陷率，低于在早期故障期和耗損故障期缺陷區(qū)運(yùn)行的正常設(shè)備缺陷率，可能導(dǎo)致設(shè)備誤判，因此，可按浴盆曲線統(tǒng)計(jì)作為判斷設(shè)備家族缺陷參照標(biāo)準(zhǔn)（按運(yùn)行年限統(tǒng)計(jì)），避免誤判。

1.1.2 變電設(shè)備缺陷部位與缺陷率關(guān)系

變電設(shè)備部件通常是由不同電氣廠商生產(chǎn)的，所以不同部件發(fā)生的缺陷概率也不同，因此，疑似家族性缺陷分析應(yīng)區(qū)分部件。

1.1.3 變電設(shè)備電壓等級(jí)與缺陷率關(guān)系

變電設(shè)備電壓等級(jí)越高，對(duì)設(shè)備材質(zhì)、設(shè)計(jì)等要求越嚴(yán)格，因此，電壓等級(jí)高的設(shè)備，通常缺陷率越低。各電壓等級(jí)年缺陷率不一樣，隨著電壓等級(jí)升高，年缺陷次數(shù)下降，因此應(yīng)按不同電壓等級(jí)分別統(tǒng)計(jì)[5-6]。

綜上分析可知，應(yīng)將變電設(shè)備電壓等級(jí)、運(yùn)行年限、設(shè)備不同部分三方面因素納入家族性缺陷分析考慮范圍。

1.2 變電設(shè)備疑似家族性缺陷診斷

變電設(shè)備疑似家族性缺陷主要表現(xiàn)為某一廠家、型號(hào)的變電設(shè)備故障率高于平均水平或在某個(gè)階段故障率明顯提高。因此提出以電力設(shè)備年平均故障率為參照，對(duì)電力設(shè)備家族性缺陷予以告警。

基于數(shù)據(jù)平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)出變電設(shè)備在不同電壓等級(jí)、運(yùn)行年限以及部件的平均故障率。將不同廠家、型號(hào)的變電設(shè)備使用年份的故障率與平均故障率進(jìn)行對(duì)比，如果超出某一閾值，則可能為疑似家族性缺陷。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，變電設(shè)備故障率高于平均故障率主要有兩種情況，一種是廠家變電設(shè)備自投入使用以來(lái)，故障率幾乎一直高于平均故障率；另一種是在幾年后，由于材料、設(shè)計(jì)的缺陷的爆發(fā)，故障率大幅提升。

1.3 變電設(shè)備疑似家族性缺陷診斷結(jié)果修正

變電設(shè)備缺陷率高于平均缺陷率有可能并不是設(shè)備家族性缺陷引起的，有可能由于變電設(shè)備數(shù)量或施工導(dǎo)致的缺陷等，因此需對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正[4-6]。

根據(jù)變電設(shè)備族缺陷特點(diǎn)分析，設(shè)備年平均缺陷率指標(biāo)可反映這批同型號(hào)某部件缺陷率是否高于正常設(shè)備缺陷率。但有時(shí)該設(shè)備年平均缺陷率比標(biāo)準(zhǔn)缺陷率偏高，可能由僅某幾個(gè)設(shè)備多次發(fā)生缺陷情況造成的，可能導(dǎo)致設(shè)備家族性缺陷誤判，在實(shí)際運(yùn)用中多次遇到此情況，本文采用修正系數(shù)對(duì)這種情況修正，修正系數(shù)反應(yīng)同一型號(hào)部件中多個(gè)設(shè)備多次發(fā)生過(guò)缺陷程度。

若某型號(hào)變電設(shè)備N個(gè)缺陷發(fā)生于M臺(tái)設(shè)備上（N≥M），則修正系數(shù)指標(biāo)為：

修正系數(shù)下限為1，修正系數(shù)越高表示設(shè)備家族性缺陷誤判可能性越高。

本文采用修正系數(shù)改正統(tǒng)計(jì)的設(shè)備年平均缺陷率，修正系數(shù)取為，將其年度缺陷率除以，然后將其和年平均缺陷率對(duì)比，如果高于閾值，則變電設(shè)備存在家族性缺陷。

2 分析設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與溫度、風(fēng)速等因素量化關(guān)系

惡劣的天氣狀態(tài)，重負(fù)荷率會(huì)引起電力設(shè)備絕緣性能短時(shí)降低、線路晃動(dòng)、承重等，而導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生故障，變電運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大[7-8]。

2.1 分析變電設(shè)備與氣象因素方法

溫度、風(fēng)速、降雨量之間互相關(guān)系比較復(fù)雜，單獨(dú)分析某一因素時(shí)，會(huì)受到其他氣象因素干擾。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，溫度、風(fēng)速、降雨量、濕度互相影響呈正態(tài)分布，可互相抵消其影響，因此可以解耦單獨(dú)分析溫度、風(fēng)速、降雨量、濕度與變電設(shè)備故障關(guān)系[8-11]。

為了準(zhǔn)確反應(yīng)溫度、風(fēng)速等氣象因素與電力設(shè)備使用可靠性之間的關(guān)聯(lián)性，以溫度為例，溫度故障率反映不同溫度對(duì)變電設(shè)備可靠性定量影響。溫度故障率描述如下：

若溫度在T攝氏度時(shí)發(fā)生故障次數(shù)為A，T攝氏度出現(xiàn)次數(shù)為B,則溫度故障率為：

2.2 建立氣象與故障率之間函數(shù)關(guān)系

本文選取響水地區(qū)2013年1月至2015年1月110 kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)故障，及其對(duì)應(yīng)天氣數(shù)據(jù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，響水溫度波動(dòng)范圍在-8～40 ℃之間，溫度故障率曲線呈現(xiàn)兩邊高，中間低的特點(diǎn)。通過(guò)插值最小二乘擬合，溫度與故障率呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系：

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，響水風(fēng)速波動(dòng)范圍在0～18 m/s之間，故障率隨風(fēng)速增大而快速上升，設(shè)備使用運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)急劇降低。通過(guò)插值最小二乘法擬合，風(fēng)速與風(fēng)速故障率呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，10分鐘降雨強(qiáng)度與變電設(shè)備使用可靠性密切相關(guān)，10分鐘降雨強(qiáng)度越大，變電設(shè)備故障率越高，江蘇省10分鐘降雨強(qiáng)度在0～18 mm，通過(guò)插值最小二乘擬合，10分鐘降雨量與降雨量故障率呈現(xiàn)線性關(guān)系：

3 基于數(shù)據(jù)挖掘的變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)軟件開發(fā)系統(tǒng)

本軟件評(píng)估系統(tǒng)主要有兩大功能：一是為將各廠家、型號(hào)變電設(shè)備疑似家族性缺陷情況提供電力公司設(shè)備采購(gòu)管理部門，可作為供電公司采購(gòu)相關(guān)設(shè)備的參考，可保障變電設(shè)備及其部件的質(zhì)量；二是為將變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供公司檢修、運(yùn)維、調(diào)度人員，及時(shí)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，安排巡視檢修。變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)軟件開發(fā)可大大提升變電設(shè)備精益化管理[12-15]。

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

為了能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行變電設(shè)備家族性缺陷評(píng)估，本系統(tǒng)主要采取客戶端/后臺(tái)服務(wù)器結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)由變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)、變電設(shè)備家族性缺陷評(píng)估系統(tǒng)和DB2數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成。通過(guò)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，儲(chǔ)存變電設(shè)備缺陷、臺(tái)賬等相關(guān)數(shù)據(jù)；后臺(tái)服務(wù)器主要進(jìn)行算法計(jì)算等，將計(jì)算好的結(jié)果送到計(jì)算機(jī)界面。變電設(shè)備疑似家族性缺陷識(shí)別的基本要求，本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖 1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)Fig .1 Software system platform architecture

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

本文軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Eclipse，采用Java編程語(yǔ)言，選擇了DB2數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.1 Eclipse的介紹

Eclipse最初由IBM開發(fā)，主要目標(biāo)可以為IBM相關(guān)開發(fā)產(chǎn)品提供平臺(tái)支持，解決不同開發(fā)工具產(chǎn)品中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的最通用元素的重復(fù)問題，可以讓用戶在不同平臺(tái)之間切換更加便捷。Eclipse是一個(gè)基于 Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)。并且為Java 使用者創(chuàng)造了免費(fèi)使用Java集成開發(fā)環(huán)境的機(jī)會(huì)。因此，Eclipse成為了眾多Java開發(fā)者的首選。

3.2.2 DB2數(shù)據(jù)庫(kù)的介紹

DB2是IBM 公司開發(fā)的一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通常使用在大型開發(fā)系統(tǒng)中。DB2數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的伸縮性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用在大型機(jī)，而且可以應(yīng)用在單用戶環(huán)境，并且還可以用在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)下，例如OS/400、OS/390、Windows等。DB2數(shù)據(jù)庫(kù)安全性較好，執(zhí)行能力能力較強(qiáng)，并且具有SQL命令等一些基本功能。因此，DB2數(shù)據(jù)庫(kù)可以為各種企業(yè)提供安全、穩(wěn)定、便捷的企業(yè)數(shù)據(jù)管理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前DB2 數(shù)據(jù)庫(kù)全世界企業(yè)數(shù)據(jù)有70%存放在DB2數(shù)據(jù)庫(kù)。由于電力企業(yè)數(shù)據(jù)種類多，并且涉及國(guó)家機(jī)密等因素，因此，大多數(shù)電力企業(yè)選擇較為成熟、安全性能好的DB2 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存放海量電力企業(yè)數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)主要功能模塊介紹

為了能夠?qū)Ω唢L(fēng)險(xiǎn)家族性缺陷變電設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別評(píng)估，本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)總體功能模塊架構(gòu)如圖2所示，主要包括用戶管理模塊，設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)及信息管理系統(tǒng)，變電設(shè)備家族性缺陷評(píng)估，評(píng)估結(jié)果推送。下面將一一介紹其功能。

（1）用戶管理模塊。用戶管理模塊可以設(shè)置用戶的權(quán)限級(jí)別，也可以新增或刪除用戶，可以保證系統(tǒng)一定的保密性。

（2）變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)。變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)功能為管理缺陷信息，變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)可以采集公司的設(shè)備缺陷信息。主要包括設(shè)備種類、缺陷部件部位、缺陷的原因、缺陷描述等的措施等內(nèi)容。因此，變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)是家族性缺陷挖掘分析重要的數(shù)據(jù)來(lái)源。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)及信息管理系統(tǒng)。DB2數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了大量的變電設(shè)備臺(tái)賬，并與變電設(shè)備缺陷管理系統(tǒng)中缺陷信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。并且可以查詢并管理監(jiān)變電設(shè)備相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及臺(tái)賬信息。信息管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)新增變電設(shè)備臺(tái)賬的輸入、退運(yùn)的變電設(shè)備臺(tái)賬的刪除以及一些變電設(shè)備臺(tái)賬變動(dòng)的修改。

（4）變電設(shè)備允許風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。主要包括對(duì)設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，通過(guò)調(diào)用DB2數(shù)據(jù)庫(kù)中缺陷信息及相關(guān)臺(tái)賬，利用變電設(shè)備家族性缺陷識(shí)別算法，給出變電設(shè)備疑似家族性缺陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。同時(shí)，分析氣象因素對(duì)變電設(shè)備運(yùn)行影響，給出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（5）評(píng)估結(jié)果推送。結(jié)果推送分兩類，一類提供給設(shè)備管理部門，反映某個(gè)變電設(shè)備生產(chǎn)廠家的總體質(zhì)量，并反映某一型號(hào)變壓的質(zhì)量水平。另一類提供運(yùn)行維護(hù)部門，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警，有目標(biāo)的強(qiáng)化維護(hù)管理，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

3.4 變電設(shè)備關(guān)聯(lián)因素評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

系統(tǒng)中以公司數(shù)據(jù)庫(kù)缺陷數(shù)據(jù)按設(shè)備運(yùn)行年限電壓等級(jí)部件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均缺陷率作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)公司電壓等級(jí)10 kV及以上變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，主要對(duì)變電設(shè)備疑似家族性缺陷風(fēng)險(xiǎn)分析、變電設(shè)備氣象運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

以變壓器為例，如圖3所示，正運(yùn)行在高風(fēng)險(xiǎn)家族性缺陷變電設(shè)備，此信息可發(fā)往公司檢修運(yùn)維部門。

圖2 軟件系統(tǒng)總體功能模塊架構(gòu)Fig .2 Software system overall functional module architecture

對(duì)變電設(shè)備氣象因素和家族性缺陷因素綜合估，如圖4所示，可以看出變電設(shè)備關(guān)聯(lián)因素分析結(jié)果。

圖3 正運(yùn)行在高風(fēng)險(xiǎn)家族性缺陷變電設(shè)備Fig .3 Operating in high-risk familial defect substation equipment

圖4 變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Fig .4 Operational risk level of substation equipment

4 結(jié)論

本文基于PMS數(shù)據(jù)設(shè)備臺(tái)賬，利用數(shù)據(jù)挖掘，分析變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)備家族性缺陷、氣象因素邏輯關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，開發(fā)了變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)軟件平臺(tái)，為設(shè)備采購(gòu)部門提供了廠家、型號(hào)的質(zhì)量信息，為運(yùn)行維護(hù)部門提供了變電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，便于及早檢修。顯著提高了公司電力技術(shù)監(jiān)督管理水平。