基于G1-獨立性權數(shù)法的熱帶海島環(huán)境 真空斷路器狀態(tài)評估

趙海龍，龐松嶺，霍美屹，黃廷城，黎智

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海口 570311；2.熱帶智能電網實驗室，海口 570311；3.中國電器科學研究院股份有限公司 工業(yè)產品環(huán)境適應性國家重點實驗室，廣州 510663）

電網裝備在熱帶海島高溫、高濕、高太陽輻照、高鹽霧的氣候環(huán)境下[1]容易產生老化、腐蝕、滲漏、發(fā)熱等缺陷，進而導致戶外配電設備發(fā)生絕緣失效、開關拒動、短路、污閃等故障。真空斷路器作為智能電網中的關鍵設備[2]，承擔著保護與控制的雙重功能，一旦發(fā)生故障會直接影響電網的供電可靠性[3]。同時，戶外斷路器長期運行于戶外復雜環(huán)境，且安裝位置分散、運維困難，容易受氣象環(huán)境影響產生缺陷，進而導致電網裝備故障[4]，影響電網運行。

近年來我國電力設備逐步從定期檢修模式向狀態(tài)檢修模式轉變[5]，設備狀態(tài)評估結果是制定狀態(tài)檢修策略的重要依據[6]。科學合理地評價熱帶海島環(huán)境下真空斷路器的運行狀態(tài)是提高電力設備檢修效率，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要手段。同時智能傳感[7]、物聯(lián)網[8]等技術的應用也為智能電網設備狀態(tài)評價提供了必要的數(shù)據基礎。

國內外學者針對真空開關運行狀態(tài)的評估已有不少研究。在評價指標方面，文獻[5,9-10]均選取了反映開關機械特性的振動信號、表征電氣開斷能力的電壽命、反映絕緣性能的真空度和觸頭溫度這4個狀態(tài)量構建真空斷路器的評價指標體系。文獻[11]還采用分合閘線圈電流量指標來反映操作機構運行狀態(tài)。為實現(xiàn)運行狀態(tài)的綜合評估，部分文獻在斷路器本體指標的基礎上進行了狀態(tài)參量擴充。文獻[12]提出了通過控制器無故障工作時間、溫濕度指標來反映斷路器二次設備和運行環(huán)境的狀態(tài)。文獻[13]采用環(huán)境濕度、運行年限、負荷率、負荷轉移能力等指標來反映配電開關的環(huán)境信息、運行信息和位置信息。其中，計及氣象環(huán)境因素對電力設備進行狀態(tài)評估是重要的發(fā)展趨勢[14-15]。然而，目前的研究僅考慮了環(huán)境溫濕度參量，難以準確反映特殊環(huán)境下溫度、濕度、太陽輻照、鹽霧等環(huán)境參量對電網設備健康狀態(tài)的影響。

真空斷路器狀態(tài)綜合評估是一個多指標、多層級的評估過程，評估方法主要有：層次分析法[12]、雷達圖法[11]、模糊綜合評價法[10]、灰色關聯(lián)度法和逼近理想點法[9]。然而，上述方法存在指標賦權方法單一、不同指標間重復信息過多而導致評估結果不符合實際運行情況等問題。針對上述問題，本文重點研究了基于序關系分析（G1）-獨立性權數(shù)法的戶外真空斷路器狀態(tài)綜合評估方法。首先，以我國南方熱帶島嶼為例，統(tǒng)計分析了熱帶海洋環(huán)境下電網裝備的缺陷類型和影響因素，基于分析結果，提出了涵蓋多環(huán)境參量的真空斷路器評價指標體系；接著，提出了基于G1-獨立性權數(shù)法的主客觀組合賦權方法，進而實現(xiàn)斷路器狀態(tài)綜合評估；最后，通過實例分析驗證所提指標體系和評估方法的有效性和可行性。

1 熱帶海島環(huán)境缺陷類型分析

為充分了解熱帶海島環(huán)境對配電設備運行的影響，本文從電網公司資產管理系統(tǒng)獲取了海南電網2014年至2018年電力設備的缺陷數(shù)據進行統(tǒng)計分析。在熱帶海島環(huán)境下，電網裝備的典型缺陷主要有老化、腐蝕、發(fā)熱異常、滲漏等。

1.1 老化

2014年至2018年，海南電網電力設備老化缺陷涉及35 kV及以上變電站149座、線路85條；10 kV及以下線路450條。海南電網配電設備老化缺陷主要包括開關機構與本體連桿處橡膠套老化破損、二次回路老化、密封圈老化、10 V變壓器絕緣套管破損脫落等。電氣設備的老化程度主要與服役環(huán)境的溫度、濕度、鹽霧、污染介質以及負載率等因素有關。

1.2 腐蝕

2014年至2018年，海南地區(qū)存在大面積電力設備銹蝕、卡澀缺陷，涉及35 kV及以上變電站85座、線路34條；10 kV以下線路195條。其中，在缺陷部件中，柱上真空斷路器因銹蝕、卡澀而造成的機構異常缺陷占比43%，是受熱帶海島特殊氣候環(huán)境影響最大的設備之一。斷路器腐蝕缺陷主要體現(xiàn)在兩個方面，一是本體表面、底座螺絲和閉鎖裝置等腐蝕嚴重；二是開關機構銹蝕、卡澀，接線端子銹蝕嚴重。

1.3 發(fā)熱異常

海南電網設備發(fā)熱異常缺陷涉及35 kV及以上變電站227座、線路8條；10 kV以下線路133條。發(fā)熱異常缺陷主要發(fā)生在設備本體以及接頭處，主要原因在于設備長期受到高溫、高濕、鹽霧、雨淋等氣象條件，接頭容易發(fā)生氧化、腐蝕，形成氧化膜，導致連接處接觸電阻變大而引起發(fā)熱；施工工藝未達到標準；濕熱環(huán)境會降低電力設備的散熱能力，導致設備熱量累積、升溫等。

1.4 滲漏

海南地區(qū)電力設備滲漏缺陷涉及35 kV及以上變電站172座，10 kV以下線路32條。滲漏缺陷，如SF6斷路器氣體滲漏、變壓器漏油等，其原因主要是密封件老化和生產工藝問題。在熱帶海島環(huán)境影響，尤其是高溫環(huán)境下，橡膠密封件容易出現(xiàn)老化、塑性變形、龜裂等問題，最終失去效應導致氣體或液體滲漏。

綜上所述，高溫、高濕、高輻照、高鹽霧環(huán)境導致的老化、腐蝕、發(fā)熱異常、滲漏等缺陷是海南地區(qū)常見的電力設備缺陷類型，平均每年發(fā)生1363起。其中在緊急和重大程度的缺陷中，10 kV及以下設備占比分別達到80%和58%。海南島不同地市的缺陷程度不同，分布情況如圖1所示，圖中數(shù)據來源于海南電網資產管理系統(tǒng)在2014年至2018年期間對各市縣局電網設備的缺陷統(tǒng)計。

圖1 海南島緊急、重大缺陷區(qū)域分布 Fig.1 Distribution map of emergency and major defects in Hainan Island

由圖1可以看出，文昌、海口、三亞、瓊海等地的電氣設備缺陷問題最為明顯，海南島東北部和南部沿海地區(qū)的缺陷問題要高于其他地區(qū)，這是由于海南島受熱帶季風氣候影響，東北部沿海地區(qū)迎風坡雨量多，西部沿海背風、雨量少。由上述分析可知，電氣設備缺陷問題受氣象環(huán)境因素影響較大。

通過上述統(tǒng)計分析可知，熱帶海島的高溫、高濕、高輻照、高鹽霧環(huán)境對電力設備運行狀態(tài)有顯著影響。因此，有必要選取全面、合適的氣象環(huán)境參量，實現(xiàn)真空斷路器的狀態(tài)綜合評估，為真空斷路器的狀態(tài)檢修奠定基礎。

2 真空斷路器評價指標體系

隨著斷路器狀態(tài)評價技術的發(fā)展，越來越多的研究將運行環(huán)境因素列為斷路器的重要評價參量。文獻[12-13]將環(huán)境溫度和濕度作為斷路器的評價指標；文獻[16]綜合考慮了溫度、濕度、污穢度等參量，對集成式隔離斷路器狀態(tài)進行了綜合評估。然而，當前研究只考慮了溫濕度等基本的環(huán)境狀態(tài)參量，難以評估特殊氣候環(huán)境下真空斷路器的運行特點。因此，本節(jié)基于熱帶海島電網裝備的缺陷數(shù)據分析，選取了環(huán)境溫度、濕度、太陽輻照度、鹽霧濃度、雨量等指標作為真空斷路器運行環(huán)境的評價參量，對其進行狀態(tài)評估。其中，真空斷路器的評價指標體系包括開關本體部分和運行環(huán)境部分。

2.1 開關本體評價指標

據統(tǒng)計，操動機構、控制回路、主回路是真空斷路器故障率最高的部件[9]，其故障原因主要包括操動機構失靈、觸頭燒蝕、滅弧室真空度下降、隔離觸頭接觸不良等。因此，結合真空斷路器的運行經驗以及相關研究成果[5,9-11]，選取表征機械故障特性的振動信號、反映電流開斷能力的電壽命、表征電氣絕緣性能的真空度和觸頭溫度這4個狀態(tài)參量作為真空斷路器本體部分的狀態(tài)評價指標[5]，各指標的數(shù)據獲取和計算方法見文獻[11]。

2.2 運行環(huán)境評價指標

根據對海南電網歷史缺陷數(shù)據的統(tǒng)計分析可知，高溫、高濕、高輻照、高鹽霧等環(huán)境因素是海南電網裝備典型缺陷的重要誘因。根據缺陷分析結果，構建了表征真空斷路器運行環(huán)境的狀態(tài)評價指標體系。

1）環(huán)境溫度。環(huán)境溫度是設備老化、腐蝕、滲漏等缺陷的重要影響因素，環(huán)境溫度還直接影響設備與外界的熱量交換[17]，進而影響設備自身的溫度。高溫環(huán)境會加速設備材料老化、金屬腐蝕、密封件變形失效過程，加劇設備熱量累積，是影響真空斷路器運行狀態(tài)的重要參量。

2）濕度。熱帶海島的濕熱海洋大氣環(huán)境空氣濕度非常大，金屬材料表面容易形成一定厚度的水膜，導致銹蝕加劇。長期戶外運行狀態(tài)下的真空斷路器本體表面、操動機構、底座、航空插頭等均容易在高濕環(huán)境下發(fā)生銹蝕。

3）太陽輻照度。長期高太陽輻照會引起戶外斷路器的防護涂層失去光澤、變色、粉化、開裂、脫落等，最終導致涂層下的金屬發(fā)生老化，嚴重時會影響斷路器的絕緣性能和機械性能。

4）鹽霧濃度。海島環(huán)境下空氣的含鹽量高，鹽霧中的氯離子與高濕大氣環(huán)境共同作用，加速配電開關設備金屬部分的腐蝕破壞，導致機械部件和操動機構卡澀、失靈等缺陷或故障。

5）雨量。海島濕熱環(huán)境下，戶外斷路器容易在下雨等多種氣象條件下發(fā)生金屬接頭氧化、腐蝕，形成氧化膜，導致連接處接觸電阻變大而引起設備異常發(fā)熱。

此外，上述5個服役環(huán)境因素對真空斷路器運行狀態(tài)的影響是通過設備服役時間的增加逐漸累積的[17]，因此，本文還設置了服役年限作為評價指標，以表征在不同服役年限下氣候環(huán)境因素對真空斷路器的影響。真空斷路器評價指標體系如圖2所示。

圖2 真空斷路器綜合評價指標體系 Fig.2 Comprehensive evaluation index system of vacuum circuit breaker

3 基于G1-獨立性權數(shù)法的狀態(tài)評估方法

由于真空斷路器狀態(tài)評價指標體系包含不同類型的多個指標，指標之間不可避免地會存在部分信息重復。因此本文提出一種G1-獨立性權數(shù)法的組合賦權方法，通過G1法對指標進行主觀賦權，通過獨立性權數(shù)法對指標進行客觀賦權，通過組合賦權計算指標的綜合權重，標準化處理的指標與相應綜合權重的乘積之和即為斷路器的狀態(tài)評估值，進而根據評估值的大小得到狀態(tài)評估結果。采用主客觀權重融合的方法，能夠降低人為主觀因素對真空斷路器狀態(tài)評估結果的影響，同時獨立性權數(shù)法能夠在一定程度上減小指標間信息重復的問題，進而保證評價結果客觀有效。

3.1 G1法確定主觀權重

采用G1法確定真空斷路器狀態(tài)評價指標的主觀權重。G1法靈活可調、操作簡單，無需進行一致性校驗，相比于層次分析法更適合評價指標多的場景，能夠快速準確地確定指標的主觀權重。G1法確定指標權重的步驟如下：

1）根據斷路器實際運行要求和專家經驗，按重要程度由高到低確定所有指標的序關系，排序后的結果記為：

式中：m為指標個數(shù)；Xj(j=1,2,…,m)為按重要程度由高到低排序后的第j個指標。

2）根據專家經驗判斷確定相鄰兩個評估指標的重要程度之比，記rj為指標Xj的重要程度值wj與指標Xj+1的重要程度wj+1之比，rj的取值及其含義見表1。

表1 rj的賦值參考 Tab.1 Assignment reference table of rj

3）根據相鄰指標間的重要程度比值rj，可計算各指標的重要程度值wj，見式(2)—(3)：

通過式（2）可計算得到第m個指標的重要程度值，再通過式（3）依次前推計算可得到第m-1、m-2、…、1個指標的重要程度值。

4）對指標的重要程度值進行歸一化計算，將歸一化處理結果作為指標的主觀權重值，如式（4）。

式中：Wj為指標Xj的主觀權重值。

3.2 獨立性權數(shù)法確定客觀權重

獨立性權數(shù)法是一種根據多元回歸分析法計算復相關系數(shù)進而確定指標客觀權重的方法[18]。復相關系數(shù)是度量一個因變量與一組因變量間重復相關程度的重要指標[19]，若指標Xj與其他指標的復相關系數(shù)越大，表明指標包含的重復信息越多，則指標Xj的客觀權重應越小越好，以減小重復信息量對評估結果的影響。采用復相關系數(shù)的倒數(shù)進行歸一化處理的結果作為客觀權重，能夠有效解決真空斷路器多個評價指標之間信息重復的問題。采用獨立性權數(shù)法計算指標客觀權重的步驟如下。

1）指標數(shù)據的標準化處理。采用多指標對斷路器運行狀態(tài)進行綜合評估，為消除各指標量綱和數(shù)量級不同的影響，先對指標數(shù)據進行標準化處理。假定待評估的真空斷路器共n個，評價指標共m項，將第i臺真空斷路器的第j項指標實測值記為xij，如式（5）：

式中：X為n個真空斷路器的評價指標的原始數(shù)據矩陣。

真空斷路器的開關本體指標（振動信號、電壽命、真空度、觸頭溫度）的標準化處理公式見式（6）：

式中：ijx′表示第i臺真空斷路器第j項指標歸一化的指標值，數(shù)值越大,則指標狀態(tài)越優(yōu)，且規(guī)定0≤與分別為第j項指標最高等級運行區(qū)間的左邊界值和最低等級運行區(qū)間的右邊界值[5]。

真空斷路器運行環(huán)境指標（環(huán)境溫度、濕度、太陽輻照度、鹽霧濃度、雨量、服役年限）的標準化處理公式為：

式中：ijx′數(shù)值越大，表示指標狀態(tài)越優(yōu)；Xj為矩陣X的第j列。

2）計算指標的復相關系數(shù)。指標Xj的復相關系數(shù)Rj的計算公式為：

式中：表示矩陣X中除去Xj的剩余矩陣；為矩陣X的平均值。

3）對復相關系數(shù)的倒數(shù)進行標準化處理得到指標的客觀權重值，處理公式為：

式中：σj表示指標Xj的客觀權重值。

3.3 組合權重

G1法算得的指標主觀權重和獨立性權數(shù)法算得的客觀權重可通過最小二乘法進行組合優(yōu)化[20]，目標函數(shù)為：

式（10）中：jθ為指標的綜合權重值。

約束條件為：

求解上述模型可得到指標的最優(yōu)組合權重值。

3.4 計算狀態(tài)評估值與確定評估結果

根據前述計算得到的指標標準化結果和指標組合權重值，可計算第i臺真空斷路器的狀態(tài)評估數(shù)值（百分制）Pi，如式（13）所示：

參照國家電網公司《配網設備狀態(tài)評價導則》（Q/GDW645—2011）[21]將真空斷路器的狀態(tài)評估結果等級劃分為正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)及嚴重狀態(tài)4級，見表2。

表2 真空斷路器的狀態(tài)評估結果等級 Tab.2 Vacuum circuit breaker status assessment result level

根據式（13）計算真空斷路器的狀態(tài)評估值后，根據表2的對應關系即可得到真空斷路器的狀態(tài)評估結果。

4 算例分析

4.1 真空斷路器原始數(shù)據

為了驗證基于G1-獨立性權數(shù)法的真空斷路器狀態(tài)評估方法的可行性，選取了海南地區(qū)15臺柱上真空斷路器數(shù)據進行實例分析。其中5臺典型真空斷路器的原始指標數(shù)據見表3。斷路器本體指標數(shù)據來源于現(xiàn)場監(jiān)測結果，環(huán)境指標數(shù)據來源于當?shù)貧庀缶职l(fā)布的數(shù)據，服役年限數(shù)據從設備臺賬中獲取。

表3 典型真空斷路器的原始指標數(shù)據 Tab.3 Raw index data of a typical vacuum circuit

4.2 評估指標組合權重的確定

邀請真空斷路器研發(fā)與運維的相關專家采用G1法確定指標重要程度排序以及相鄰兩個評估指標的重要程度之比，見表4。

表4 評估指標重要程度之比 Tab.4 Ratio of importance of evaluation indicators

按照式（2）—（4）可計算得到指標主觀權重。

同時，將表3中真空斷路器的原始指標數(shù)據按照式（6）和式（7）進行標準化處理，其中斷路器本體各項指標的參考樣本區(qū)間參見文獻[5]和表2，標準化處理結果見表5。

表5 典型真空斷路器的標準化處理結果 Tab.5 Standardized processing results of a typical vacuum circuit

根據真空斷路器運行數(shù)據的標準化處理結果，采用獨立性權數(shù)法進行客觀賦權，按照式（8）和式（9）可計算得到指標客觀權重。采用最小二乘法進行組合優(yōu)化，按照式（10）—（12）可算得指標的最優(yōu)組合權重值，見表6。

表6 評價指標權重值對比 Tab. 6 Comparison of evaluation index weight values %

4.3 斷路器狀態(tài)評估結果

根據表6的指標標準化處理結果，以及表6的指標權重值，按照式（13）可計算得到基于G1-獨立性權數(shù)法的真空斷路器狀態(tài)評估結果。此外，為方便對比分析文中所提評價指標體系和評估方法的有效性，本節(jié)按照文獻[5,9-10]所選取的指標體系（即僅考慮開關本體的4個指標），采用G1-獨立性權數(shù)法進行狀態(tài)評估，以對比不同指標體系的評價結果差異，評估結果見表7。

表7中，方案1為計及環(huán)境數(shù)據的指標體系，采用G1法評估；方案2為計及環(huán)境數(shù)據的指標體系，采用獨立性權數(shù)法評估；方案3為文獻[5,9-10]所選取的指標體系，采用G1-獨立性權數(shù)法評估；方案4為計及環(huán)境數(shù)據的指標體系，采用G1-獨立性權數(shù)法評估。

表7 斷路器的評估結果對比 Tab.7 Comparison of evaluation results of circuit breakers

通過雷達圖將斷路器各指標標準化處理結果與各斷路器的平均指標水平對比，可直觀體現(xiàn)該真空斷路器的運行狀態(tài)，圖3給出了斷路器A、B運行狀態(tài)與平均指標水平的對比雷達圖。

圖3 斷路器A、B與平均水平指標對比雷達圖 Fig.3 Comparison between index value of circuit breakers with average value in a radar map

由表7和圖3的真空斷路器評估結果可以看出：

1）對比斷路器A和斷路器B的指標數(shù)據可知，斷路器A和B的開關本體指標數(shù)據都高于平均水平，運行情況良好。若按照方案3的不計及環(huán)境狀態(tài)的真空斷路器評估指標體系來進行評估，斷路器A和B均處于正常狀態(tài)。而采用計及氣候環(huán)境因素的評價指標體系進行評估時（方案1、2、4），斷路器A為正常狀態(tài)；而斷路器B由于運行環(huán)境狀態(tài)明顯低于平均水平，總體評估結果為注意狀態(tài)，可提醒運維人員在設備巡視過程中多加關注。采用本文所提的評價指標體系能夠有效反映出真空斷路器的運行環(huán)境狀態(tài)，進而及時發(fā)現(xiàn)和預防在高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下可能導致的真空斷路器缺陷，指導熱帶海島地區(qū)斷路器的智能化和差異化運維。

2）對比不同案例下斷路器C的評估結果可知，采用G1法進行評估時，斷路器C為異常狀態(tài)；采用G1-獨立性權數(shù)法進行評估時，斷路器C為嚴重狀態(tài)。實際上斷路器C現(xiàn)場檢測的觸頭溫度為76 ℃，已嚴重發(fā)熱，需及時更換，所以G1-獨立性權數(shù)法的評估結果更準確。僅采用G1法時，由于運行環(huán)境等指標相關性大、重復信息多，導致斷路器C的評價結果比實際情況好。而采用G1-獨立性權數(shù)法則能夠有效降低相關性大的指標權重，避免指標間的重復性信息導致評估結果不夠客觀準確的情況發(fā)生。

3）斷路器D的開關本體指標處于注意向異常過渡的階段，濕度、太陽輻照度等服役環(huán)境狀態(tài)也較為惡劣，4種方案的評價結果均為異常狀態(tài)；斷路器E的振動信號、真空度和電壽命指標均處于較惡劣的狀態(tài)，同時由于安裝位置離海近，鹽霧濃度高，運行環(huán)境較為惡劣，4種方案的評價結果均為嚴重狀態(tài)。可以看出，評估結果與實際運行情況基本相符，所提的指標體系和評估方法具有一定的可行性和有效性。

5 結論

1）高溫、高濕、高輻照、高鹽霧環(huán)境導致電力設備出現(xiàn)老化、腐蝕、發(fā)熱異常、滲漏等缺陷，占電網設備總缺陷數(shù)量的64%。

2）綜合評價真空斷路器運行狀態(tài)的重要指標包括振動信號、電壽命、真空度、觸頭溫度、環(huán)境溫度、濕度、太陽輻照度、鹽霧濃度、雨量和服役年限。

3）G1-獨立性權數(shù)法綜合計及了專家主觀經驗和數(shù)據客觀規(guī)律，能夠有效降低指標間重復信息對真空斷路器評估的影響，保證了狀態(tài)評價結果的客觀性和準確性，通過算例分析得到評估結果與實際運行情況相符。