一种对开关柜进行健康状态评估的方法与流程

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于对开关柜进行健康状态评估的方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，我国的电力供应形势日益紧张，国家电力工业的迅速发展说明全国发、输、配电的容量在不断增加，电力系统在日益扩大，当然需要的电力设备也越来越多，电力设备故障一直是危及电力系统安全的主要因素，保证电力系统运行可靠性，对发展国民经济尤其重要，为此，必须实时监测电力设备的运行状态，及时检查出内部的早期故障，防止事故于未然。

在各种电力设备中，开关柜是电网系统中重要的电气设备，开关柜的健康运行关系到配电网安全可靠性，因此，努力防止和减少开关柜的故障和事故的发生，保证开关柜的正常运行，是电力系统迫切需要解决的课题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于对开关柜进行健康状态评估的方法，能够实现对开关柜的运行健康状态进行准确的评估，便于对其进行合理使用和维修、故障预测以及管理等操作。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种用于对开关柜进行健康状态评估的方法，该包括以下步骤：

（1）建立指标物元分层模型；

（2）确定指标物元经典域和节域以及评估指标体系的权重；

（3）对二级指标物元进行评估，计算其关联度，完成对二级指标物元的评估；

（4）综合二级指标物元的评估结果，计算对应一级指标物元的关联度，完成对一级指标物元的评估；

（5）综合一级指标物元的评估结果，计算目标物元的关联度，完成目标物元的评估；

（6）根据最终的综合评分获得开关柜健康状态；

所述一级指标物元包括：本体、附件、操动系统及控制回路、辅助部件、标识；

所述二级指标物元包括：属于本体的主回路直流电阻、绝缘电阻、导电连接点相对温差或温升、放电声音、 SF6仪表指示，属于附件的绝缘电阻、污秽、完整、凝露，属于操动系统及控制回路的绝缘电阻、 分合闸操作、联跳功能、五防功能、辅助开关投切情况，属于辅助部件的接地引下线外观、接地电阻、带电显示器、仪表指示，属于标识的标识齐全；

所述经典域包括：良好、较好、一般、注意，其中，良好：0.85~1；较好：0.75~0.85；一般：0.6~0.75；注意：0~0.6；

所述节域取值范围为：0~1。

优选的，所述步骤（2）评估指标体系的权重，包括：采用层次分析法，按照判断矩阵1~9级标度原则来判断同一层次上两元素之间的重要关系得到判断矩阵，结合专家经验法得到评估指标体系的权重。

优选的，所述步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）计算其关联度，包括：

每个评估指标物元关于不同划分等级的改进初等关联函数为：

其中ρ(x,x₀,X)与ρ(x,x₀,X₀)分别为指标值x与经典域X₀和节域X的右侧距，D(x,x₀,X)表征指标值x与经典域X₀和节域X的位值；

将开关柜状态目标评估等级划分为m个等级区间，含有n个指标的评估体系关联度矩阵C为：

其中K(x_ij)表示关联系数；

将各指标关联度矩阵C进行规范化处理：

其中K(x_ij)表示关联系数，max(|K(x_i•)|)表征第i行元素最大绝对值；

根据开关柜评估问题的需求，对于包含s个指标的评估物元综合关联度的计算公式为：

其中ω_i为第i个评估物元对应的指标权重，k(x_i)表征关联矩阵的规范化处理；

优选的，所述步骤（6）根据最终的综合评分获得开关柜健康状包括：结合所述经典域：良好、较好、一般、注意的四种状态及计算得到的所述关联度进行评判。

本发明提供了一种对开关柜进行健康状态评估的方法，该方法基于层次分析法获得各层次的判断矩阵，结合专家经验法得到评估指标体系的权重，最后采用可拓学方法得到开关柜的健康状态评估，对开关柜健康状态做出及时、准确的评估， 能够使得工作人员及时了解对应的开关柜的健康状况，从而便于对其进行合理使用和维修、故障预测以及配电管理等操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1 为本发明实施例提供的对开关柜进行健康状态评估的方法的流程示意图；

图 2 为本发明实施例提供的开关柜的物元分层模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种对开关柜进行健康状态评估的方法，如图 1 所示，该方法包括：

步骤 S1、建立指标物元分层模型。

要实现对于开关柜健康状态准确、全面地评估，需要准确把握能反映其运行状态的状态量，并结合状态评估的可操作性，形成了包含试验信息、运行信息、巡检信息的状态量集合，建立了开关柜状态评估指标体系。评估指标体系分为二级，二级指标即为状态量，如图 2 所示。第一级指标包括：本体、附件、操动系统及控制回路、辅助部件、标识；第二级指标包括：属于本体的主回路直流电阻、绝缘电阻、导电连接点相对温差或温升、放电声音、 SF6仪表指示，属于附件的绝缘电阻、污秽、完整、凝露，属于操动系统及控制回路的绝缘电阻、 分合闸操作、联跳功能、五防功能、辅助开关投切情况，属于辅助部件的接地引下线外观、接地电阻、带电显示器、仪表指示，属于标识的标识齐全。

步骤 S2、确定指标物元经典域和节域以及确定评估指标体系的权重。

采用层次分析法的原理，按照判断矩阵1~9级标度原则判断同一层次上两元素之间的重要关系，得到判断矩阵，通过一级指标各指标之间的相互比较，得到的一级指标判断矩阵及权重如表1所示。

表1一级指标判断矩阵及权重向量

同理，依据专家打分，建立各一级指标的二级指标判断矩阵，采用最大特征值法可以求出各个部件相应的状态量的权重，表2所示：

表2 二级指标（状态量）权重

由于开关柜状态量指标单位各不相同，因此需要一个统一的衡量尺度对设备的状态量进行评估。本实施例根据状态量指标的劣化程度用得分对状态量指标进行0~1量化，以0.6作为危险阈值，1为理想状态，并以此对开关柜各个部件状态进行打分。

状态量指标分为定性指标和定量指标两类。对于定性指标采用专家经验法，根据对设备状态的影响进行打分，分数越高表明设备运行状态越好；对于定量指标评分模型采用线性分段函数，参考相关设备的国家标准以及企业标准绘制评分函数进行打分，将评估结果分为4个状态，分别为：良好、较好、一般和注意。

本实施例收集了某10kV开关柜故障样本数据，通过统计学方法计算出各个二级物元的量值的数学期望和均方差，然后，再构造各个物元的经典域和节域，根据开关柜状态划分标准和相关的试验规程以及专家经验等，可以给出各个指标的经典域和节域。

开关柜本体指标的经典域和节域，如表3所示：

表3 开关柜本体指标的经典域和节域

开关柜附件指标的经典域和节域，如表4所示：

表4附件指标的经典域和节域

操动系统及控制回路指标的经典域和节域，如表5所示：

表5 操动系统及控制回路指标的经典域和节域

辅助部件指标的经典域和节域，如表6所示：

表6辅助部件指标的经典域和节域

标识指标的经典域和节域，如表7所示：

表7 标识指标的经典域和节域

步骤S3、对二级指标物元进行评估，计算其关联度，完成对二级指标物元的评估。

根据物元模型，在开关柜运行状态评估体系中，可以把评估目标看作是目标物元，评估目标下面包含若干一级指标，可以把每个一级指标看作是一个一级指标物元；每个一级指标下面都包括若干个二级指标，每个二级指标可看作是一个二级指标物元；因此，指标物元分层体系与开关柜状态评估指标体系是一一对应的。

假设某个指标物元的经典域X0=[a, b]，节域X=[c, d]，其中，X0⊂X体现了开关柜评估指标的特有性质。根据开关柜运行状态的原始样本数据，通过正态拟合方法就能够求得各个指标物元的经典域；根据原始样本数据中各个指标的最大值和最小值便能够确定每一个指标物元的节域。

在开关柜健康状态分层评估中，因为经过标准化处理的指标值的最优点一般情况下靠近等级区间的右侧，所以在这里引入右侧距的概念，指标值x与区间X0的右侧距为：

在开关柜状态评估划分等级区间当中，靠近等级最优或最差区域的经典域与节域有公共端点，为了避免经典域X0与节域X存在公共点的问题，可以将靠近等级最优区域的经典域上限取小于但是接近上限的值，将靠近等级最差区域的经典域下界取大于但是接近下限的值。指标值x与经典域X0和节域X的位值为：

在上式当中，ρ(x,x0, X)和ρ(x,x0 X0)分别为指标值x与经典域X0和节域X的右侧距。

关联函数是可拓学描述事物的量化工具，对于开关柜健康状态分层评估问题，可拓评价物元模型关联函数的构造方法有所变化。对于不同划分等级区域，通常采用同一关联函数计算式。但在最优或最差等级区域内，也就是靠近最高或最低值时，要求ρ(x,X)= ρ(x,X0)= -1；如果继续采用相同的关联函数计算式，那么关联函数值为0，但是此时x并不是等级最优区域或者最差区域的临界值。因此，当数值靠近等级最优区域或最差区域的最高值或最低值时，采用同一关联函数来计算该元素与区间套的关联程度是不合理的。这里对这种情况下的关联函数进行了改进，采用右侧距替代距，最优点x0选为靠近经典域上限的位置，将靠近等级最优区域的经典域上限取小于但是接近上限的值，将靠近等级最差区域的经典域下界取大于但是接近下限的值，这样就可以保证经典域X0与节域X没有公共点。

每个评估指标物元关于不同划分等级的改进初等关联函数为：

其中与分别为指标值x与经典域X₀和节域X的右侧距，表征指标值x与经典域X₀和节域X的位值；

如果将开关柜状态目标评估等级划分为m个等级区间，那么含有n个指标的评估体系关联度矩阵C为：

其中K(x_ij)表示关联系数；

将各指标关联度矩阵C进行规范化处理：

其中K(x_ij)表示关联系数，max(|K(x_i•)|)表征第i行元素最大绝对值；

根据开关柜评估问题的需求，对于包含s个指标的评估物元综合关联度的计算公式为：

其中ω_i为第i个评估物元对应的指标权重，k(x_i)表征关联矩阵的规范化处理。

步骤S4、综合二级指标物元的评估结果，计算对应一级指标物元的关联度，完成对一级指标物元的评估。

综合步骤S3获得的二级指标物元的评估结果采用与步骤S3相同的方法计算对应一级指标物元的关联度，完成对一级指标物元的评估。

步骤S5、综合一级指标物元的评估结果，计算目标物元的关联度，完成目标物元的评估。

综合步骤S4获得的一级指标物元的评估结果采用与步骤S3相同的方法计算目标物元的关联度，完成目标物元的评估。

在本发明实施例的一个具体应用场景中，以某变电站低压开关柜的试验及巡检数据为算例，计算其最终各种状态相应的关联度。该开关柜绝缘电阻阻值折算到20℃时为350MΩ，主回路直流电阻满足设计要求，导电连接点相对温差为9K，接头温度为70℃。无异常放电声音，气压表指示在标准范围内；附件绝缘电阻折算到20℃，一次绝缘电阻为1100 MΩ，二次绝缘电阻阻值为12 MΩ；有较为轻微污秽，绝缘件表面轻微破损；加热器温湿度控制器运行正常；操动系统及控制回路绝缘电阻阻值为2.5 MΩ，分合闸操作正常，联跳功能正常完好，五防功能与辅助开关投切情况正常；辅助部件接地引下线外观满足设计要求，接地电阻3Ω，带电显示器正常工作，仪表指示正常；标识略微破损。

根据该低压开关柜的实际健康状态得到各部件状态量得分如表8所示。

表8 各部件状态量得分

根据各部件得分情况，可以得到各个二级指标对应的关联度矩阵如表9所示.

表9 开关柜本体指标的关联矩阵

开关柜附件指标的关联矩阵如表10所示。

表10附件指标的关联矩阵

操动系统及控制回路指标关联矩阵，如表11所示.

表11操动系统及控制回路指标的关联矩阵

辅助部件指标的关联矩阵，如表12所示：

表12辅助部件指标的关联矩阵

标识指标的关联矩阵，如表13所示.

表13 标识指标的关联矩阵

步骤 S6、根据最终的综合评分获得开关柜健康状态。

将各二级指标按照各自权重加权之后可得到一级指标权重，同理可得到该段开关柜最终的关联度向量最终的综合评判结果为：[0.0958,-0.0039,-0.2913,-0.2543]。结合四种状态评判，与良好状态的关联度为0.0958；与较好状态的关联度是-0.0039；与一般状态的关联度是-0.2913；与注意状态的关联度是-0.2543。因此，可证明该段开关柜运行在正常状态。

综上，本发明实施例提供了一种对开关柜进行健康状态评估的方法，该方法基于层次分析法获得各层次的判断矩阵，结合专家经验法得到估指标体系的权重，最后采用可拓学方法得到开关柜的健康状态评估， 对开关柜健康状态做出及时、准确的评估， 能够使得工作人员及时了解对应的开关柜的健康状况， 从而便于对其进行合理使用和维修、故障预测以及配电管理等操作。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。