CN106651189A - 一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，包括以下步骤：首先将变压器状态评价系统分为三个层次即数据层、变压器层和变电站层。第一层，构建基于变压器监测试验数据的数据层的评价系统，将变压器分为五个部件系统，对每个部件系统分别求出该部件评价的关键系数，从而构建关于五个部件的评价参数体系；第二层，将变压器性能评价分为四个主要的方面，利用关联规则分别建立变压器部件评价数据、故障数据、缺陷数据和性能的评价模型，求取性能评价的关键系数矩阵；第三层，将某市的某电压等级的多个变电站主变压器性能评价数据和供电负荷数据融合，建立变压器状态评价系统。该分层评价模型，提高了变压器评价的系统性和准确性，保障了电网的安全运行。

Description

一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法

【技术领域】

本发明涉及电力设备状态评价技术，特别涉及一种基于多层复合规则的变压器状态评价体系构建的方法。

【背景技术】

电力设备的安全高效运行关系到国民经济的发展以及每个人生活的方方面面，而电力变压器作为电网运行中主要的变电设备之一，它的健康安全是电网稳定运行的必要保障。随着电网迅速发展，越来越多的单台高电压、大容量的电力变压器投入到电网运行中，与此同时，由于制造、运输、安装和维修质量等因素造成的变压器故障严重的威胁着整个电力系统的安全运行，因此，对变压器运行状态的正确评价是保障变压器安全运行的重要保证。准确客观的状态评价是安排检修计划和更换变压器的重要依据，对于减少检修和设备更换节约费用支出具有重要意义。

传统的电力变压器状态评价规则一般都存在评价规则单一、可读性和应用性不强的弊端，不能针对不同的关注层次设计更加合适的评价准则和评价参数体系，从而导致变压器状态评价不够全面，从而不能正确的指导变压器的检修维护和更换。

【发明内容】

本发明目的是提供一种基于多层复合规则的变压器状态评价体系构建的方法，以降低对变压器进行检修的所需的人力、物力和更换变压器需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，包括以下步骤：

(1)计算变压器部件的主要状态评价参量矩阵

(1.1)采集变压器主要部件的各个参量，归一化后构成p×n阶数据矩阵X＝(X₁，X₂，…,X_p)，其中，p为参量的个数，n为样本个数；

(1.2)对步骤(1.1)构建的数据矩阵X进行标准化、正交化，得到相关系数矩阵R，求相关系数矩阵R的特征值μ₁,μ₂,…,μ_p和特征向量α₁,α₂,…,α_p；

(1.3)根据步骤(1.2)得到的相关系数矩阵的特征值确定主成分参数的个数m；

(1.4)根据步骤(1.3)的结果，对m个主成分加权，计算主成分分数，得到单个部件的p个参量的权重，根据该权重确定变压器单个部件的关键系数体系；

(1.5)重复以上步骤，得到变压器主要部件的关键系数体系，构成变压器主要状态评价参量矩阵；

(2)以步骤(1)计算的变压器部件的主要状态评价参量矩阵和变压器四个主要性能为输入，利用关联规则的方法，建立变压器性能评价参数体系，求解变压器评价性能关于部件的关系度矩阵；

(3)将以上所有数据汇总对变电站进行评价。

所述变压器主要部件包括本体、套管、分接开关、油箱和非电量保护系统，其中，本体的主要参数包括：H₂含量、C₂H₂含量、总烃含量、油微水、油击穿电压、油介损、绕线直流电阻、绕组介损、铁芯接地电流、吸收比、绕组泄漏电阻、运行电压、过负荷、油中糠醛含量、纸绝缘聚合度；套管主要参数包括：套管介损、套管电容量、套管末屏绝缘电阻、H₂含量、C₂H₂含量、总烃、套管外绝缘抗污水平；分接开关主要的参数包括：过度电阻、油微水、油击穿电压、分接开关操作数比、有载分接开关性能；油箱的主要参量是顶层油温；非电量保护的主要参考量包括：压力释放阀信号回路绝缘电阻、重瓦斯信号回路绝缘电阻、温度计信号回路绝缘电阻、轻瓦斯信号回路绝缘电阻。

变压器主要性能包括：绝缘性能、油性能、老化性能、运行工况。

步骤(1.1)中，对采集的变压器主要部件的各个参量按照以下公式进行归一化：

其中，x₀为状态量的实际值，x_max为状态量的最优值，x_min为状态量的警戒值，k为劣化程度，X为归一化后的状态量数据。

步骤(1.3)的具体方法为：

特征值μ_i的累积贡献率记为

若μ₁,μ₂,…,μ_m的累积贡献率属于85％-95％置信区间，则确定有m个主成分表示原始的p个参量，记为F＝(F₁,F₂,…,F_m)^T，

式中，表示因子载荷矩阵。

步骤(1.4)的具体方法为：

对m个主成分加权，计算主成分分数并得到单状态量的权重H，将权重作为单状态量的排序依据，计算如下：

式中，ω＝(ω₁,ω₂,…ω_m)为主成分对分数的权重；

H＝(h₁,h₂,…,h_p)＝(μ₁α₁，μ₂α₂，…，μ_mα_m)^T

式中，H＝(h₁,h₂,…,h_p)表示单状态量对分数的权重；H越大，相关性越强，参量越是关键；

根据权重排序，获得q个变压器数据层面评价的关键系数体系y＝(y₁，y₂，…y_p)(q<m)，从而获得部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T，表示第一个部件有q₁个关键评价系数。

步骤(2)的具体方法为：

(2.1)建立事务数据库I＝{变压器故障及缺陷}，包括：部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T、故障统计数据、紧急重大缺陷统计数据、一般缺陷统计数据、网公司缺陷库数据；

(2.2)建立项集G_ij＝{第i种性能u_i发生故障时第j个部件出现劣化}和项集Z_i＝{第i种性能u_i发生故障}，其中，G_ij和Z_i为项集G和Z中的元素；S(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的支持度；P(G_ij∪Z_i)表示I中包含G_ij和Z_i的条件概率；σ(G_ij∪Z_i)表示G_ij和Z_i的支持度计数；

(2.4)计算评价性能的关联度矩阵R：

式中，R(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的置信度，为矩阵R中的一个元素，P(G_ij)表示I中包含G_ij的概率，σ(G_ij)表示G_ij的支持度计数；

(2.5)计算性能评价和部件优劣之间的关联度矩阵R＝[R_ij]，(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4,5)，R_ij表示第j个部件与第i个性能之间的关系度系数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明以变压器主要部件的参量和主要性能为输入，通过求解评价性能与部件的关系度矩阵，最终对变压器的运行状态进行评价，经过与人口评价机制相比，结果基本吻合，且避免了人工评价的主观性、节省了变压器评价的人力和时间消耗。

【附图说明】

图1为本发明的结构框图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施实例仅仅是本发明一部分实施实例，而不是全部的实施实例。包括以下步骤：

步骤1：收集某市多个变电站主变压器的部件数据信息和性能数据；

步骤2：将上述所有变压器数据交由专业工作人员做出评价，用于验证模型；

步骤3：建立数据层面的变压器状态评价体系计算数据层面评价的关键系数；

步骤4：建立变压器层面的变压器状态评价体系计算变压器部件与性能的关系度系数矩阵；

步骤5：将各个变电站变压器计算的结果数据汇总建立变电站层面的评价体系。

以下结合具体示例中的具体实现过程对上述方案中的各个步骤进行详细阐述。

收集某市多个变电站主变压器的部件数据信息和性能数据，主要是收集某市110kV变电站的#1主变压器的五个主要的部件数据和四个主要的评价性能数据，数据的来源主要是现场检修作业试验报告和在线监测系统数据。

五个主要的部件包括：本体、套管、分接开关、油箱和非电量保护系统。各个主要的部件又是由多个小部件构成：本体是传统检修的主要参数包括H₂含量、C₂H₂含量、总烃含量、油微水、油击穿电压、油介损、绕线直流电阻、绕组介损、铁芯接地电流、吸收比、绕组泄漏电阻、运行电压、过负荷、油中糠醛含量、纸绝缘聚合度；套管主要参数包括套管介损、套管电容量、套管末屏绝缘电阻、H₂含量、C₂H₂含量、总烃、套管外绝缘抗污水平(爬电比距)；分接开关主要的参数包括过度电阻、油微水、油击穿电压、分接开关操作数比、有载分接开关性能；油箱的主要参量是顶层油温；非电量保护的主要参考量为压力释放阀信号回路绝缘电阻、重瓦斯信号回路绝缘电阻、温度计信号回路绝缘电阻、轻瓦斯信号回路绝缘电阻。

四个主要的性能评价数据是指：绝缘性能、油性能、老化性能、运行工况，这也是评价一台变压器状态主要考虑的四个方面。性能评价数据获取的主要来源是将上述部件数据交由某市供电局权威工作人员，根据指标数据和国家电网状态评价导则对变压器进行评价得出。变压器的性能数据主要是用于进行模型和实际效果的对比。

首先，以某台变压器为例，将该变压器的上述五个主要部件的各个参量数据进行归一化的预处理，根据公式(1)将五个部件包含的参量进行归一化：

其中，x₀为状态量的实际值，x_max为状态量的最优值，x_min为状态量的警戒值，k为劣化程度，X为归一化后的状态量数据。

然后，将归一化后作为建立好的状态量评价数据特征提取模型的输入：

a)由部件基础量的监测数据得到p×n阶数据矩阵X＝(X₁，X₂，…,X_p)，其中n表示样本个数，p表示基础量的个数，X₁，X₂，…,X_p表示p个基础参量对应的样本；

b)对该数据进行标准化、正交化，得到相关系数矩阵R＝XX^T，求R的特征值和特征向量得(特征值按照由小到大的顺序排列)：μ₁,μ₂,…,μ_p及α₁,α₂,…,α_p；

c)确定主成分的个数及计算公式

特征值μ_i的累积贡献率记为

若μ₁,μ₂,…,μ_m的累积贡献率属于85％-95％置信区间，则确定有m个主成分表示原始的p个参量，记为F＝(F₁,F₂,…,F_m)^T,

式中：表示因子载荷矩阵。

d)计算分数确定关键系数：

对m个主成分加权，计算主成分分数并得到单状态量的权重H，将权重作为单状态量的排序依据，计算如下：

式中ω＝(ω₁,ω₂,…ω_m)为主成分对分数的权重，由(5)式可得到单状态量对分数的权重H：

H＝(h₁,h₂,…,h_p)＝(μ₁α₁，μ₂α₂，…，μ_mα_m)^T (6)

式中H＝(h₁,h₂,…,h_p)表示单状态量对分数的权重。将H归一化至[0,1]，得到单状态量主参数的提取方法：H越大的，相关性越强，参量越是关键。根据权重排序，获得q个变压器数据层面评价的关键系数体系y＝(y₁，y₂，…y_p)(q<m)，从而获得部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T，其中表示第一个部件有q₁个关键评价系数，依次类推。

上述步骤可以得出该变压器的五个主要部件的分别对应的主要状态评价参量即变压器部件的主要状态评价参量矩阵。

然后，以上述变压器部件主要状态评价参数矩阵、变压器四个主要性能为输入，利用关联规则的方法和思想，建立该变压器性能评价参数体系，求解评价性能关于部件的关系度矩阵：

a)建立事务数据库I＝{变压器故障及缺陷}，包括：部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T、故障统计数据、紧急重大缺陷统计数据、一般缺陷统计数据、网公司缺陷库数据；

b)项集G_ij＝{第i种性能u_i发生故障时第j个部件出现劣化}；

c)项集Z_i＝{第i种性能u_i发生故障}；

式中G_ij和Z_i为项集G和Z中的元素；S(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的支持度；P(G_ij∪Z_i)表示I中包含G_ij和Z_i的条件概率；σ(G_ij∪Z_i)表示G_ij和Z_i的支持度计数。进而得到评价性能的关联度矩阵R：

式中R(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的置信度，为矩阵R中的一个元素，P(G_ij)表示I中包含G_ij的概率，σ(G_ij)表示G_ij的支持度计数。

由式(7)和式(8)可以得到性能评价和部件优劣之间的关联度矩阵R＝[R_ij]，(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4,5)R_ij表示第j个部件与第i个性能之间的关系度系数，由变压器监测及试验数据和计算所得的关系度系数矩阵R，就可以对单台变压器的单一性能准确评价。

将上述四个性能的评价结果数据与供电局工作人员评价数据进行对比分析，可以得出该方法对单台变压器性能的评价与人工扣分制的评价机制获得的结果基本吻合，而且避免了人工评价的主观性、节省了变压器评价的人力和时间消耗。利用上述方法，对其他变电站相同等级的变压器数据进行相同的操作获得该市110kV等级变压站主变压器的评价参数集合。

最后，将上述获得的该市110kV等级变电站的变压器评价集合数据进行汇总，结合线路负荷数据，利用多层关联规则，求解该市110kV等级变电站的主变压器评价参数体系。

Claims (7)

1.一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)计算变压器部件的主要状态评价参量矩阵；

(1.1)采集变压器主要部件的各个参量，归一化后构成p×n阶数据矩阵X＝(X₁，X₂，…,X_p)，其中，p为参量的个数，n为样本个数；

(1.2)对步骤(1.1)构建的数据矩阵X进行标准化、正交化，得到相关系数矩阵R，求相关系数矩阵R的特征值μ₁,μ₂,…,μ_p和特征向量α₁,α₂,…,α_p；

(1.3)根据步骤(1.2)得到的相关系数矩阵的特征值确定主成分参数的个数m；

(1.4)根据步骤(1.3)的结果，对m个主成分加权，计算主成分分数，得到单个部件的p个参量的权重，根据该权重确定变压器单个部件的关键系数体系；

(1.5)重复以上步骤，得到变压器主要部件的关键系数体系，构成变压器主要状态评价参量矩阵；

(2)以步骤(1)计算的变压器部件的主要状态评价参量矩阵和变压器四个主要性能为输入，利用关联规则的方法，建立变压器性能评价参数体系，求解变压器评价性能关于部件的关系度矩阵；

(3)将以上所有数据汇总对变电站进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：所述变压器主要部件包括本体、套管、分接开关、油箱和非电量保护系统，其中，本体的主要参数包括：H₂含量、C₂H₂含量、总烃含量、油微水、油击穿电压、油介损、绕线直流电阻、绕组介损、铁芯接地电流、吸收比、绕组泄漏电阻、运行电压、过负荷、油中糠醛含量、纸绝缘聚合度；套管主要参数包括：套管介损、套管电容量、套管末屏绝缘电阻、H₂含量、C₂H₂含量、总烃、套管外绝缘抗污水平；分接开关主要的参数包括：过度电阻、油微水、油击穿电压、分接开关操作数比、有载分接开关性能；油箱的主要参量是顶层油温；非电量保护的主要参考量包括：压力释放阀信号回路绝缘电阻、重瓦斯信号回路绝缘电阻、温度计信号回路绝缘电阻、轻瓦斯信号回路绝缘电阻。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：变压器主要性能包括：绝缘性能、油性能、老化性能、运行工况。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：步骤(1.1)中，对采集的变压器主要部件的各个参量按照以下公式进行归一化：

其中，x₀为状态量的实际值，x_max为状态量的最优值，x_min为状态量的警戒值，k为劣化程度，X为归一化后的状态量数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：步骤(1.3)的具体方法为：

特征值μ_i的累积贡献率记为

若μ₁,μ₂,…,μ_m的累积贡献率属于85％-95％置信区间，则确定有m个主成分表示原始的p个参量，记为F＝(F₁,F₂,…,F_m)^T，

式中，表示因子载荷矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：步骤(1.4)的具体方法为：

对m个主成分加权，计算主成分分数并得到单状态量的权重H，将权重作为单状态量的排序依据，计算如下：

式中，ω＝(ω₁,ω₂,…ω_m)为主成分对分数的权重；

H＝(h₁,h₂,…,h_p)＝(μ₁α₁,μ₂α₂,…,μ_mα_m)^T

式中，H＝(h₁,h₂,…,h_p)表示单状态量对分数的权重；H越大，相关性越强，参量越是关键；

根据权重排序，获得q个变压器数据层面评价的关键系数体系y＝(y₁,y₂,…y_p)(q<m)，从而获得部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T，其中表示第一个部件有q₁个关键评价系数。

7.根据权利要求1所述的一种基于多层复合规则的变压器状态评价方法，其特征在于：步骤(2)的具体方法为：

(2.1)建立事务数据库I＝{变压器故障及缺陷}，包括：部件评价系数矩阵Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,Y₄,Y₅)^T、故障统计数据、紧急重大缺陷统计数据、一般缺陷统计数据、网公司缺陷库数据；

(2.2)建立项集G_ij＝{第i种性能u_i发生故障时第j个部件出现劣化}和项集Z_i＝{第i种性能u_i发生故障}，其中，G_ij和Z_i集G和Z中的元素；S(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的支持度；P(G_ij∪Z_i)表示I中包含G_ij和Z_i的条件概率；σ(G_ij∪Z_i)表示G_ij和Z_i的支持度计数；

(2.4)计算评价性能的关联度矩阵R：

式中，R(G_ij→Z_i)表示G_ij和Z_i同时发生的置信度，为矩阵R中的一个元素，P(G_ij)表示I中包含G_ij的概率，σ(G_ij)表示G_ij的支持度计数；

(2.5)计算性能评价和部件优劣之间的关联度矩阵R＝[R_ij]，(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4,5)，R_ij表示第j个部件与第i个性能之间的关系度系数。