基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的輸電線路在線監(jiān)測及可靠性評估

劉雪鋒，王紅平，鐘汶兵，畢澤民，金鑫

(云南電網(wǎng)有限責任公司玉溪供電局,云南 玉溪 653100)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟和社會不斷發(fā)展，電力剛性需求持續(xù)增加，區(qū)域骨干電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，輸電線路從數(shù)量和長度上快速增長。輸電線路覆蓋面積越來越大，所處環(huán)境越來越復(fù)雜，安全運行面臨技術(shù)性與條件性挑戰(zhàn)。因此，有必要按照“失效-異常-正常”的三元判斷模型，對輸電線路在線監(jiān)測及其可靠性進行專題研究。研究表明，數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)下，輸電線路在線監(jiān)測功能與可靠性評估，能根據(jù)相關(guān)概率對故障原因進行判斷，提高故障處理效率。不影響電力傳輸?shù)那闆r下，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的輸電線路在線監(jiān)測及可靠性評估，能實現(xiàn)更高效的連續(xù)監(jiān)測，對故障征兆進行預(yù)判，為輸電線路的缺陷和隱患處理提供決策依據(jù)。

2 輸電線路在線監(jiān)測裝置異常故障分析

FTA分析法主要是根據(jù)可靠性工程對已經(jīng)產(chǎn)生的較為復(fù)雜的系統(tǒng)故障進行判斷與分析的技術(shù)手段，經(jīng)過不同層級的逐一分解，找到故障出現(xiàn)的直接誘因與間接誘因。為保證在線裝置檢測系統(tǒng)能夠及時識別出線路中的故障，將以系統(tǒng)異常原因為切入點，通過FTA分析法創(chuàng)建在線監(jiān)測裝置故障樹圖，明晰故障監(jiān)測的原理與過程，內(nèi)容如圖1所示。

通過圖1內(nèi)容可知，能夠影響在線監(jiān)測系統(tǒng)并使其發(fā)出異常的原因通常在于外部環(huán)境的干擾、裝置本體的故障以及裝置狀態(tài)的變化。具體因素描述如下[1]。

圖1 裝置異常故障樹

2.1 外部環(huán)境

外部環(huán)境的干擾因素包含高電壓大電流、超高或超低溫、雷電等，受到這些外部環(huán)境的影響，在線監(jiān)測裝置可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變、抖動的問題。外部環(huán)境可以進一步細分為惡劣工況與環(huán)境干擾。

2.2 裝置本體

輸電線路在線監(jiān)測裝置由軟、硬件共同組成。在線監(jiān)測裝置的硬件包括電源單位、主控單位、傳感器單位、通信單位以及信號處理單位。在線監(jiān)測裝置中信號處理單元、主控單元及傳感器單元主要負責數(shù)據(jù)的采集和處理，電源單元為裝置提供能量，通信單元利用無線傳輸方式，將信息進行傳遞。在線監(jiān)測裝置在運行過程中出現(xiàn)的故障與原因有以下幾點。

一是傳感器故障，外部環(huán)境惡劣、安裝不當會影響測量效果，數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移；傳感器超壽命運行，影響測量效果的準確性與靈敏性；檢測單元出現(xiàn)故障會使傳感器徹底失效。

二是通信故障，SIM卡欠費停機、通信模塊受損會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)停斷現(xiàn)象；通信質(zhì)量不佳會造成數(shù)據(jù)在短期內(nèi)的中斷。

三是軟件故障，參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)偏差或錯誤、軟件版本內(nèi)部存在缺陷都會造成裝置數(shù)據(jù)長期或瞬時的中斷。

3 輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠性評估研究

3.1 故障識別

受到安裝位置、實施技術(shù)、外部環(huán)境等諸多因素的影響，輸電線路在線監(jiān)測裝置第一時間檢測到故障的幾率較低，即便在第一時間發(fā)現(xiàn)了故障，也很難及時對故障進行類型判斷與原因查找。因此，明晰在線監(jiān)測裝置具備非線性及非平穩(wěn)性的基礎(chǔ)上，提出了將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與裝置異常故障樹相結(jié)合的解決辦法。利用異常模式修正的方式，創(chuàng)建裝置故障概率模型，這種方法能夠有效提高故障識別率，并具備解釋性強、診斷速度快的特征。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是建立在概率理論與圖論建立概率推理有向無環(huán)圖的方法，有向無環(huán)圖由節(jié)點與有向邊共同構(gòu)成，其中，節(jié)點表示隨機變量，有向邊表示變量從起點到終點的影響。裝置故障樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，突顯出系統(tǒng)的雙向推理與強解釋性的優(yōu)勢，并以此做為可靠性評估的主要方法。

3.2 可靠性評估

明確在線監(jiān)測裝置發(fā)生故障的實際部件與誘因后，應(yīng)對裝置進行可靠性評估，為之后在線監(jiān)測裝置的運維工作提供往期數(shù)據(jù)支持。經(jīng)統(tǒng)計得出，裝置故障狀態(tài)分為正常、異常以及故障，三個故障狀態(tài)之間存在一定模糊性。根據(jù)模糊綜合評價應(yīng)用于在線監(jiān)測裝置的可靠性評估方法[2]。因為模糊綜合評價方法能夠有效的將模糊問題進行量化處理，所以已經(jīng)受到工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實際評估方法如下。

3.2.1 創(chuàng)建裝置可靠性評價指標體系

首先，對指標集進行定義，指標中各元素含義如表1所示。N={N3，N4，N5，…，N17}，評語集V={V1，V2，V3}，評語集中V1，V2，V3分別表示裝置的正常、異常、故障狀態(tài)。

表1 節(jié)點名稱與符號注釋

3.2.2 計算可靠性評價指標權(quán)重

由于指標權(quán)重和故障概率的重要程度有關(guān)，所以將指標風險作為計算權(quán)重的主要依據(jù)。考慮到各項指標的重要程度是通過層次分析法來進行計算的，因此，首先將各項指標進行對比，并建立矩陣；其次，對矩陣進行計算，明確矩陣的相對權(quán)重及特征向量；最后，將相對權(quán)重展開一致性檢驗，確保兩項指標的結(jié)果相一致[3]。

3.2.3 確定隸屬函數(shù)

常用于權(quán)重計算的隸屬函數(shù)有梯形型、正態(tài)型、k次拋物線等，本次計算將采用中間型梯形分布。

3.2.4 創(chuàng)建模糊評價矩陣

指標代入相應(yīng)公式得到模糊評價矩陣，矩陣R如下所示。

(1)

式中，rij指的是i指標對j評語的隸屬度；n表示數(shù)量；m表示評語數(shù)量。

3.2.5 得出評價結(jié)果

將模糊評價矩陣和權(quán)重矩陣進行乘運算，就是模型的評價結(jié)果，矩陣如下所示。

b2，…，bm)

(2)

按照隸屬度最大的原則，將評價結(jié)果B的最大值與評語相對應(yīng)就是最終的評價結(jié)果。

4 輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠性評估步驟描述

結(jié)合上述研究與規(guī)定，得出輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠性評估的運行步驟，過程如圖2所示。

步驟1：結(jié)合裝置監(jiān)測到的頻率和特性，通過在線監(jiān)測裝置獲取實時前推時間的數(shù)據(jù)集。

步驟2：檢查數(shù)據(jù)是否重復(fù)、缺失以及跳變，如存在異常情況就進入下一步驟，如不存在則回到步驟1。

步驟3：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)展開異常模式判斷，有多種異常模式并存的概率。

步驟4：將故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)為先驗概率，并完成故障貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的計算。

步驟5：以裝置異常模式為補充性信息，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算得出的結(jié)果進行修正。

步驟6：對異常模式數(shù)據(jù)量占正常數(shù)據(jù)量的比重進行計算，即對模糊指標得分的計算。

步驟7：結(jié)合模糊指標得分與異常故障的概率，創(chuàng)建模糊評價矩陣。

步驟8：通過模糊評級矩陣與權(quán)重矩陣的乘運算，得出在線監(jiān)測裝置的可靠性評價結(jié)果。

5 結(jié)語

通過研究在線監(jiān)測裝置在故障異常模式與其相關(guān)的關(guān)系中，結(jié)合FTA、模糊評價法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動下輸電線路在線監(jiān)測裝置對于故障識別與可靠性評估的原則和方法。此方法可以有效提高裝置可靠性評估的自動化、實時性、精準性水平，及時提供故障原因，提高輸電線路缺陷和隱患處理效率。