CN114418329A - 一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变压器健康状态评价技术，具体涉及一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，包括：首先建立含有一级指标和二级指标的变压器状态评价指标体系；其次选用层次分析法确定了变压器状态评价指标体系中各评价指标的主观权重，选取熵权法确定了各评价指标的客观权重，并计算出主客观权重的综合赋权；再次采用半梯形和三角形的分布函数构建了电气和油气、绝缘油中溶解气体的隶属函数，并将最终得到的权重值应用于隶属度函数中；最后计算得到变压器健康程度评估因子，表征变压器的健康状态。该方法使用层次分析法、熵权法和模糊统计法相融合的方法计算变压器指标的综合权重，最大限度减少权重受主观性差异和矩阵阶数的影响。
Description
技术领域
本发明属于变压器健康状态评价技术领域，特别涉及一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法。
背景技术
近些年，随着国家经济的发展及人民生活水平的提高，电网规模不断扩大，电力行业飞速稳定地发展，电力系统开始向大容量、特高压方向发展。为解决日益增长的用电需求，电力系统在供电安全性和可靠性等方面将会面临巨大的挑战，迫切需要开展电力设备的状态检修工作。而变压器作为电力系统的核心设备，其运行状态好坏直接影响电力供应的安全与稳定。电力变压器如果发生故障，就会造成设备损坏、大规模停电等巨大经济损失，直接影响着整个系统的安全稳定运行，甚至会产生严重的社会影响，带来无法估量的损失。因此，确保电力变压器的安全运行对整个电网的安全具有重要的意义。需要采用先进准确的评价体系来确定变压器的健康状态，以此开展变压器的状态检修，实时了解变压器的绝缘状态，及早发现潜伏性故障，对提高电力变压器的运行维护检修水平，预防和减少故障发生，具有重要意义。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供了一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，包括以下步骤：
步骤1、建立变压器评价指标体系；
步骤2、对评价指标进行归一化处理；变压器状态评价等级为：正常，注意，异常，严重；采用计算相对劣化度的手段对变压器状态进行评估；
步骤3、基于层次分析法AHP确定各指标的主观权重；
步骤4、基于熵权法确定各指标的客观权重；
步骤5、基于隶属度函数确定权重，计算得到变压器健康程度评估因子。
在上述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法中，步骤1所述变压器评价指标包括一级指标和二级指标；一级指标包括电气指标、油气指标和绝缘油中溶解气体指标；二级指标分别为电气指标包括的绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标包括的油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标包含的H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2。
在上述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法中，步骤2所述对评价指标进行归一化处理的具体步骤如下：
对于数值越大越理想的指标采用式(1)进行归一化；对于数值越小越理想的指标采用式(2)进行归一化；
式中，x为相对劣化度，其值越小说明对应指标状态越好；X为评价指标的实测数据；Xmax和Xmin为相关规程定义的最大值和最小值；当指标相对劣化度x<0时，x的值取0；当x>1时，x的值取1，使得x取值介于0～1之间。
在上述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法中，步骤3所述基于层次分析法AHP确定各指标的主观权重具体步骤如下：
步骤3.1、确定目标和评价因素集；
步骤3.2、构造判断矩阵；
利用传统的9标度法构建判断矩阵A，多名领域专家利用标度法对变压器相关定量指标重要性程度进行的评分；
aij为判断标度，取值范围为：1/9～9；1表示两个元素相比，具有同样的重要性，3表示两个元素相比，前者比后者稍重要，5表示两个元素相比，前者比后者明显重要，7表示两个元素相比，前者比后者极其重要，9表示两个元素相比，前者比后者强烈重要；2，4，6，8分别表示上述相邻判断的中间值；1～9的倒数表示：若元素i和元素j的重要性之比为aij,那么元素j与元素i的重要性之比为aji＝1/aij；
步骤3.3、计算重要性排序；
根据判断矩阵A，求出最大特征和所对应的特征向量；所求特征向量即为各个评价因素重要性排序，实现权数分配；
步骤3.4、检验评判矩阵A；
通过求解检验系数CR确定矩阵A是否通过一致性检验；
步骤3.5、计算各指标的主观权重；
当判断矩阵满足一致性检验时，最大特征值对应的特征向量即为主观权重向量。
在上述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法中，步骤4所述基于熵权法确定各指标的客观权重包括：对于变压器的二级指标：电气指标包含的绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标包含的油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标包含的H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2现场采集m组数据，每组数据都有n项状态评价指标，对于电气指标和油气指标n＝6，对于绝缘油中溶解气体指标n＝5，构造状态评价指标数据矩阵Xmn：
对于第j项状态评价指标，若各组数据的状态评价指标值xij间的差异越大，则该状态评价指标在诊断过程中所起的作用就越大，即权重越大；
用熵权法确定各二级指标客观权重的步骤如下：
步骤4.1、计算状态评价指标值xij在状态评价指标量j下的比值pij：
步骤4.2、计算状态评价指标量j的熵值hj：
其中，
k＞1，且0≤hj≤1；
对于状态评价指标j，xij间的差异越大，则hj越小；xij间的差异越小，则hj越大；如果xij全部相等，则hj＝hmax＝1，此时状态评价指标j不起作用，客观权重视为0；
步骤4.3、计算状态评价指标的差异性系数gj：
gj＝1-h，(0≤hj≤1) (7)；
步骤4.4、计算各状态评价指标的客观权重qj：
最后得到组合赋值的综合权重向量Q。
在上述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法中，步骤5所述基于隶属度函数确定权重，计算得到变压器健康程度评估因子；具体步骤如下：
步骤5.1、对选取的评价指标，分别进行归一化处理；
步骤5.2、根据三角形隶属度函数，确定其隶属度函数的横坐标区间，形成隶属度矩阵；
步骤5.3、根据组合赋值得到的综合权重和隶属度矩阵，得到变压器的综合风险评估向量；
步骤5.4、将该隶属度矩阵和对应状态的期望值结合，得到基于各项评价指标的变压器健康程度评估因子，用以表征变压器的健康状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)本发明综合运用层次分析法计算各二级指标的主观权重，再运用熵权法计算各二级指标的客观权重，接着组合赋权得到各二级指标的综合权重，最后运用隶属度函数确定变压器综合评价向量和健康程度评估因子，建立了一种主客观结合的变压器健康状态评价方法；
(2)本发明采用主客观结合的方法，减少权重受主观性差异和矩阵阶数的影响，根据评估结果判断变压器的运行状况，提出改进措施，保持变压器安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明一个实施例中使用层次分析法的基本流程示意图；
图2是本发明一个实施例中使用熵权法的基本流程示意图；
图3是本发明一个实施例中构建的三角形隶属度函数；
图4是本发明一个实施例变压器健康状态综合评价方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法首先建立含有一级指标和二级指标的变压器状态评价指标体系；其次选用层次分析法确定变压器状态评价指标体系中各评价指标的主观权重，选取熵权法确定各评价指标的客观权重，并计算出主客观权重的综合赋权；再次采用半梯形和三角形的分布函数构建了电气指标和油气指标、绝缘油中溶解气体指标的隶属函数，并将最终得到的权重值应用于隶属度函数中；最后计算得到变压器健康程度评估因子，表征变压器的健康状态。具体步骤如下：
S1建立变压器评价指标体系。电力变压器的内绝缘状态的劣化主要受电和热方面的影响，劣化严重可能会发展成为故障，因此选取指标要能反映两方面的影响。电气指标、油气指标和油中溶解气体分析(DGA)含量能反映变压器中电和热的影响，是进行变压器状态评估的常用指标。本发明建立两级状态评价体系，一级指标为电气指标、油气指标和绝缘油中溶解气体指标，二级指标分别为电气指标包含的绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标包含的油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标包含的H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2。
S2对评价指标进行归一化处理。本实施例建立变压器状态评价等级为＝{正常，注意，异常，严重}，采用计算相对劣化度的手段对变压器状态进行评估。对于值越大越理想的指标采用式(1)进行归一化；对于值越小越理想的指标采用式(2)进行归一化。
式(1)(2)中，x为相对劣化度，其值越小说明对应指标状态越好；X为评价指标的实测数据；Xmax和Xmin为相关规程定义的最大值和最小值。值得注意的是，当指标相对劣化度x<0时，x的值取0；当x>1时，x的值取1，使得x取值介于0～1之间。
S3基于层次分析法确定各指标的主观权重。层次分析法(AHP)，是一种定量分析的方法，它能够客观地描述人们的主观判断，适合运用在工程多目标决策等问题，属于运筹学的范畴。其基本原理是分为目标层、准则层和方案层，根据多种准则判断其相对重要性，对不同方案进行评估，给出各自的权重分量，最后综合出各方案的优先程度，最后达到最终目标。它是一种有效的权重构造方法。
其主要步骤如下：
(1)确定目标和评价因素集
(2)构造判断矩阵
利用传统的9标度法构建判断矩阵A，多名领域专家利用标度法对变压器相关定量指标的重要性程度进行评分。
aij为判断标度，取值范围为：1/9～9。1表示两个元素相比，具有同样的重要性，3表示两个元素相比，前者比后者稍重要，5表示两个元素相比，前者比后者明显重要，7表示两个元素相比，前者比后者极其重要，9表示两个元素相比，前者比后者强烈重要。2，4，6，8表示上述相邻判断的中间值。1～9的倒数表示：若元素i和元素j的重要性之比为aij,那么元素j与元素i的重要性之比为aji＝1/aij。
(3)计算重要性排序
根据判断矩阵A，求出最大特征跟所对应的特征向量。所求特征向量即为各个评价因素重要性排序，此步骤为权数分配过程。
(4)检验评判矩阵A
上述计算得到的特征向量是所求的权数，需要通过求解检验系数CR确定矩阵A是否通过一致性检验。
(5)计算各指标的主观权重
当判断矩阵满足一致性检验时，最大特征值对应的特征向量即为主观权重向量。
S4基于熵权法确定各指标的客观权重。在信息论中，熵是对不确定性的一种度量，可以用于度量已知数据所包含的有效信息量和确定权重。根据熵的特性，我们可以通过计算熵值来判断变压器某个状态信息量的离散程度。当状态评价指标的离散程度越大时，熵值越小，说明该状态信息提供的有效信息量越大，其权重也应越大。
设对于变压器的二级指标：电气指标：绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标：油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标：H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2，现场采集m组数据，每组数据都有n项状态评价指标。对于电气和油气，n＝6，对于绝缘油中溶解气体指标，n＝5。构造状态评价指标数据矩阵Xmn：
对于第j项状态评价指标，若各组数据的状态评价指标值xij间的差异越大，则该状态评价指标在诊断过程中所起的作用就越大，即权重越大。
用熵权法确定各二级指标客观权重的步骤如下：
1)计算状态评价指标值xij在状态评价指标量j下的比值pij：
2)计算状态评价指标量j的熵值hj：
其中，
k＞1，且0≤hj≤1；
对于状态评价指标j，xij间的差异越大，则hj越小；xij间的差异越小，则hj越大；如果xij全部相等，则hj＝hmax＝1，此时状态评价指标j几乎不起作用，即客观权重可视为0。总之，当hj小时，状态评价指标j越重要，其客观权重越大。
3)计算状态评价指标的差异性系数gj：
gj＝1-hj，(0≤hj≤1) (7)
4)计算各状态评价指标的客观权重qj：
最后得到组合赋值的综合权重向量Q。
S5基于隶属度函数确定权重，计算得到变压器健康程度评估因子。对选取的评价指标，分别归一化处理这些评价指标，根据三角形隶属度函数，确定其隶属度函数的横坐标区间，形成隶属度矩阵。
根据组合赋值得到的综合权重和隶属度矩阵，得到变压器的综合风险评估向量，将该隶属度和对应状态的期望值结合，得到基于各项评价指标的变压器健康程度评估因子，可以表征变压器的健康状态。
具体实施时，本实施例建立的状态评价体系中，电气指标和油气指标、绝缘油中溶解气体指标都属于一级指标，它们是从不同的角度反映变压器的健康状态，从程度上来说应该被视为同等重要，因此电气指标和油气指标、绝缘油中溶解气体指标的权重分配定为B＝(0.5，0.5)。现对一台三相有载变压器进行健康状态评估。
S3.1电气指标和油气指标主观权重的确定；
根据行业专家给出的评价结果，根据AHP层次分析法的判断尺度构造A判断矩阵。
再求得各向量的主观权重向量：Q1(电气、油气)＝[0.10 0.08 0.27 0.37 0.14 0.04]，根据结果可知介耗值tanδ所占权重最大，经计算得，CI＝0.10，CR＝0.08<0.10，判断矩阵A通过一致性检验，说明权数分配是合理的，各向量的权重分配具有参考价值。
S3.2绝缘油中溶解气体指标主观权重的确定；
根据行业专家给出的评价结果，根据AHP层次分析法的判断尺度构造A判断矩阵，即A2。
再求得各向量的主观权重分配Q1(DGA)＝[0.34 0.16 0.10 0.07 0.33]，经计算得，CI＝0.01，CR＝0.008<0.10，判断矩阵A通过一致性检验，说明权数分配是合理的，各向量的权重分配具有参考价值。
S4.1电气和油气指标客观权重的确定；
各状态评价指标的客观权重qj(电气、油气)：
即电气和油气指标客观权重为Q2(电气、油气)＝[0.17 0.15 0.17 0.22 0.15 0.14]。
S4.2绝缘油中溶解气体指标客观权重的确定；
计算各状态评价指标的客观权重qj(DGA)：
即绝缘油中溶解气体指标客观权重为Q2(DGA)＝[0.15 0.13 0.24 0.23 0.25]。
对于电气和油气指标，根据主观权重Q1和客观权重Q2的权重分配B＝(0.5，0.5)，取平均值得到综合权重Q电气、油气＝[0.14 0.12 0.22 0.29 0.14 0.09]。
对于绝缘油中溶解气体指标，根据主观权重Q1和客观权重Q2的权重分配B＝(0.5，0.5)，取平均值得到综合权重QDGA＝[0.25 0.14 0.17 0.15 0.29]。
根据电气指标和油气指标、绝缘油中溶解气体的权重分配，最终可得到组合赋权为Q＝[0.07 0.06 0.11 0.14 0.07 0.05 0.13 0.07 0.09 0.07 0.14]。S5基于隶属度函数确定评价结果
由各个二级指标的实测值代入隶属函数表达式，可得隶属度矩阵V：
由组合赋权Q和隶属度矩阵V，得变压器综合评价向量W为：
W＝Q·V＝(0.17 0.36 0.27 0.20) (14)
变压器健康程度评估因子R为：
R＝0.17*0.1+0.36×0.35+0.27×0.65+0.20×0＝0.32 (15)
对比表1，W的子向量0.36、0.27和0.20均处于0.2-0.5区间，均对应变压器健康状态为“注意”，0.17对应变压器的“正常”状态。健康程度评估因子R为0.32，对应“注意”状态。综合判断，该变压器的健康状态为“注意”。根据评估结果推断，该变压器可继续运行，但需加强监视，同时着重检查绝缘油是否存在受潮，保持变压器安全稳定运行。
表1 变压器状态评价等级与相对劣化度
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、建立变压器评价指标体系；
步骤2、对评价指标进行归一化处理；变压器状态评价等级为：正常，注意，异常，严重；采用计算相对劣化度的手段对变压器状态进行评估；
步骤3、基于层次分析法AHP确定各指标的主观权重；
步骤4、基于熵权法确定各指标的客观权重；
步骤5、基于隶属度函数确定权重，计算得到变压器健康程度评估因子。
2.根据权利要求1所述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：步骤1所述变压器评价指标包括一级指标和二级指标；一级指标包括电气指标、油气指标和绝缘油中溶解气体指标；二级指标分别为电气指标包括的绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标包括的油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标包含的H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2。
3.根据权利要求1所述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：步骤2所述对评价指标进行归一化处理的具体步骤如下：
对于数值越大越理想的指标采用式(1)进行归一化；对于数值越小越理想的指标采用式(2)进行归一化；
式中，x为相对劣化度，其值越小说明对应指标状态越好；X为评价指标的实测数据；Xmax和Xmin为相关规程定义的最大值和最小值；当指标相对劣化度x<0时，x的值取0；当x>1时，x的值取1，使得x取值介于0～1之间。
4.根据权利要求1所述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：步骤3所述基于层次分析法AHP确定各指标的主观权重具体步骤如下：
步骤3.1、确定目标和评价因素集；
步骤3.2、构造判断矩阵；
利用传统的9标度法构建判断矩阵A，多名领域专家利用标度法对变压器相关定量指标重要性程度进行的评分；
aij为判断标度，取值范围为：1/9～9；1表示两个元素相比，具有同样的重要性，3表示两个元素相比，前者比后者稍重要，5表示两个元素相比，前者比后者明显重要，7表示两个元素相比，前者比后者极其重要，9表示两个元素相比，前者比后者强烈重要；2，4，6，8分别表示上述相邻判断的中间值；1～9的倒数表示：若元素i和元素j的重要性之比为aij,那么元素j与元素i的重要性之比为aji＝1/aij；
步骤3.3、计算重要性排序；
根据判断矩阵A，求出最大特征和所对应的特征向量；所求特征向量即为各个评价因素重要性排序，实现权数分配；
步骤3.4、检验评判矩阵A；
通过求解检验系数CR确定矩阵A是否通过一致性检验；
步骤3.5、计算各指标的主观权重；
当判断矩阵满足一致性检验时，最大特征值对应的特征向量即为主观权重向量。
5.根据权利要求1所述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：步骤4所述基于熵权法确定各指标的客观权重包括：对于变压器的二级指标：电气指标包含的绝缘电阻、绕组绝缘电阻吸收比、泄漏电流和绕组绝缘指标，油气指标包含的油中微水含量和绝缘油介损，绝缘油中溶解气体指标包含的H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2现场采集m组数据，每组数据都有n项状态评价指标，对于电气指标和油气指标n＝6，对于绝缘油中溶解气体指标n＝5，构造状态评价指标数据矩阵Xmn：
对于第j项状态评价指标，若各组数据的状态评价指标值xij间的差异越大，则该状态评价指标在诊断过程中所起的作用就越大，即权重越大；
用熵权法确定各二级指标客观权重的步骤如下：
步骤4.1、计算状态评价指标值xij在状态评价指标量j下的比值pij：
步骤4.2、计算状态评价指标量j的熵值hj：
其中，
k＞1，且0≤hj≤1；
对于状态评价指标j，xij间的差异越大，则hj越小；xij间的差异越小，则hj越大；如果xij全部相等，则hj＝hmax＝1，此时状态评价指标j不起作用，客观权重视为0；
步骤4.3、计算状态评价指标的差异性系数gj：
gj＝1-h，(0≤hj≤1) (7)；
步骤4.4、计算各状态评价指标的客观权重qj：
最后得到组合赋值的综合权重向量Q。
6.根据权利要求1所述主客观结合的变压器健康状态综合评价方法，其特征在于：步骤5所述基于隶属度函数确定权重，计算得到变压器健康程度评估因子；具体步骤如下：
步骤5.1、对选取的评价指标，分别进行归一化处理；
步骤5.2、根据三角形隶属度函数，确定其隶属度函数的横坐标区间，形成隶属度矩阵；
步骤5.3、根据组合赋值得到的综合权重和隶属度矩阵，得到变压器的综合风险评估向量；
步骤5.4、将该隶属度矩阵和对应状态的期望值结合，得到基于各项评价指标的变压器健康程度评估因子，用以表征变压器的健康状态。
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