CN117648591A - 一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合绝缘子状态评价技术领域，尤其涉及一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法。该方法获取高海拔地区复合绝缘子的劣化性能指标；基于多属性重要度加权的FCM聚类算法计算各劣化性能指标的权重大小；依据静态指标权重大小，由云模型计算综合确定度；根据综合确定度计算综合评估分数，利用置信度计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数，并根据运行环境指标修正指数修正综合评估分数；根据修正后的综合评估分数平均值确定复合绝缘子所处状态。本发明克服了复合绝缘子劣化性能指标模糊性和不确定性的问题，从提升了评估的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及复合绝缘子状态评价技术领域，具体涉及一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法。
背景技术
电力系统中复合绝缘子因其具有强度高、重量轻、湿闪污闪电压高、运行维护简便等明显的优势，而逐渐取代许多陶瓷绝缘子和玻璃绝缘子。硅橡胶材料独特的高键能硅氧键能保证材料良好的耐热性和耐寒性，经补强和添加剂处理的复合绝缘子的高温硫化硅橡胶(HTV)材料，能够耐电晕、耐臭氧以及耐大气老化，具备良好的憎水性、耐漏电起痕和电蚀损性能，在高压输电线路中得到了广泛的使用。据统计，复合绝缘子发生故障的原因是绝缘子的老化，一旦发生老化，复合绝缘子所具有的优异性能就会不复存在，反而成为了外绝缘中最为薄弱的环节之一，对电力系统输电线路的可靠运行造成巨大的威胁。
另一方面，近年来特高压工程发展迅速，大批复合绝缘子运行在高海拔环境，在此环境下复合绝缘子表面受到强紫外线辐射、低气压，大温差等因素作用，进一步加速了复合绝缘子的老化，同时高海拔地区较其他环境发生覆冰和雷击的概率更高。现有的复合绝缘子状态评价方法未考虑高海拔环境带来的影响，并且只考虑了多劣化性能指标的模糊性而忽略了多劣化性能指标的随机性。因此有效评价复合绝缘子在高海拔恶劣环境影响下的劣化问题必须得到高度关注，确保及时发现复合绝缘子的劣化问题并采取相关措施。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法。该方法通过多属性重要度加权的FCM聚类算法和云模型的方法进行状态评价，考虑了事物带来的随机性和模糊性，调用待评价复合绝缘子相同等级线路同一环境下的检修历史数据库，利用置信度的方法计算各种运行环境使复合绝缘子发生故障的故障率，从而计算环境修正指数并利用其进行综合确定度的修正，使得评价更加接近实际状态。可以为复合绝缘子劣化状态评价的研究提供依据，以及及时发现潜在的缺陷，进一步为电力部门针对问题复合绝缘子制定维护和更换计划。
本发明通过下述技术方案来实现。一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，包括以下步骤：
步骤1：获取高海拔地区复合绝缘子的劣化性能指标，包括静态指标和动态指标；
步骤2：定义复合绝缘子劣化状态评价等级；
步骤3：基于多属性重要度加权的FCM聚类算法计算各劣化性能指标的权重大小；
步骤4：依据静态指标权重大小，由云模型计算综合确定度；
步骤4.1：根据划定的复合绝缘子劣化状态评价等级计算各劣化性能指标的云模
型的数字特征和标准云矩阵，其中，为复合绝缘子状态等级的期望值，为
复合绝缘子状态等级的熵值，为复合绝缘子状态等级的超熵值；
步骤4.2：根据实际测得的劣化性能指标利用正向云发生器计算云模型的综合确定度；
；
式中，为0到1之间的随机数，为综合确定度，为第p个劣化性能指标的第k
个样本数据；
步骤4.3：重复步骤4.2，得到综合确定度矩阵Q；
步骤5：根据综合确定度计算综合评估分数，利用置信度计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数，并根据运行环境指标修正指数修正综合评估分数；根据修正后的综合评估分数平均值确定复合绝缘子所处状态。
进一步优选，所述静态指标包括泄漏电流、体积电阻率、表面憎水性、表面硬度和拉伸强度；所述动态指标为复合绝缘子所处环境情况，通过复合绝缘子故障情况进行量化。
进一步优选，步骤2中，将复合绝缘子劣化状态评价等级划分为Ⅰ级（无明显劣化）、Ⅱ级（轻微劣化）、Ⅲ级（明显劣化）、Ⅳ级（严重劣化）。并且对各劣化性能指标的状态分界值以四个复合绝缘子劣化状态评价等级划分。
进一步优选，步骤3中，假设数据集中样本点为，
,分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的第k个样本数据，每个样本点包含p个
劣化性能指标，n为1个劣化性能指标的数据个数。第i个分类的聚类中心为,，分别为第i个分类的第1，2,…,p个劣化性能
指标的聚类中心，c为聚类数目；其中，目标函数的计算公式为：
；
其中，表示目标函数，表示隶属度，表示聚类中心，表示权重，表示第j
个劣化性能指标第k个样本数据和第i个分类的聚类中心的隶属度，表示模糊指数，为欧式距离；
，，
表示第j个劣化性能指标的权重，表示第j个劣化性能指标的第k个样本数据，表示第i
个分类的第j个劣化性能指标的聚类中心。
进一步优选，步骤3所述计算各劣化性能指标的权重大小的过程如下：
步骤3.1：初始化隶属度矩阵，满足，，设置各
个劣化性能指标的初始权重均相等，为1/p；
步骤3.2：设定和不变，利用下式更新迭代计算聚类中心矩阵；
；
其中，表示的转置，；
步骤3.3：设定和不变，同时为了改善容易陷入局部极值点的问题，对隶属度
迭代函数进行基于负指数函数的重新构建；利用下式更新迭代计算隶属度矩阵；
；
其中，表示第个劣化性能指标的第k个样本数据，表示第h个分类的第个劣
化性能指标的聚类中心，表示灵敏度系数，式中；
步骤3.4：设定和不变，利用下式更新迭代计算劣化性能指标权重矩阵，；
；
步骤3.5：如果目标函数第t次迭代减目标函数第t-1次迭代的范数小于等
于迭代阈值，即，则继续进行下一步骤，否则返回步骤3.2重新开始迭代，
直至小于等于预先设定的迭代阈值；
步骤3.6：得到通过设定迭代阈值的劣化性能指标权重矩阵。
进一步优选，步骤5具体包括以下子步骤：
步骤5.1：确定高海拔地区造成复合绝缘子退役的运行环境指标，所述运行环境指标包括：雷暴、覆冰、污闪、外力和高原典型环境变化，所述高原典型环境变化包括低气压、强辐照、大温差等环境变化造成的影响；高原环境相对于低海拔环境，气压、辐照和温差都会随着海拔的升高而变化，且变化较大，使得绝缘子运行的环境更加恶劣，加速绝缘子的老化以及加大绝缘子发生故障的几率，因此考虑气压、辐照和温差这几个典型高原环境变化带来的影响对评估进行修正。
步骤5.2：查询相同等级线路同一环境下复合绝缘子检修历史数据库，根据历史数
据库利用置信度进行运行环境指标量化；
；
式中，为第种运行环境指标，为复合绝缘子退役，是一个相
对值，表示对的依赖程度，值越大，依赖程度越高；表示同时包含和的事
件数量；表示包含的事件数量；
步骤5.3：计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数。为减少运行环境的偶然性对修正的影响，通过专家评分减少其偶然性，评分满分为10分。运行环境指标对复合绝缘子的损伤率和运行环境指标修正指数按下式计算；
；
；
式中，为第种运行环境指标的评价分数，分数越低环境越恶劣；为运行环境
指标对复合绝缘子的损伤率；为运行环境指标修正指数。
步骤5.4：根据综合确定度矩阵Q和劣化性能指标权重矩阵W计算得到综合评估结
果向量，分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的综合评估
结果；
步骤5.5：计算运行环境指标修正指数修正后的综合评估分数；
；
；
式中，R为劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数；为运
行环境指标修正指数修正后的劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估
分数; 为分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的复合绝缘子劣化状态评价等级
对应的分数；
步骤5.6：由于是生成的随机数，因此多次重复计算求平均值得到平均综合评
估分数，并根据所得分数确定复合绝缘子所处状态；
；
其中，表示第j次重复计算复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数。
本发明的有益效果：基于多属性重要度加权的FCM聚类算法获得劣化状态评估指标的权重，该算法可以根据实际情况，对不同属性赋予不同的权重，更好地反映各劣化性能指标对聚类结果的贡献程度，同时考虑了劣化性能指标之间的相关性。通过对高海拔复合绝缘子的运行环境进行指标量化求运行环境指标修正指数，使得评价结果更加接近真实状态。本发明克服了复合绝缘子劣化性能指标模糊性和不确定性的问题，综合考虑了电气性能、物理性能和高海拔运行环境给复合绝缘子带来的影响，从提升了评估的可靠性，可以快速准确判断出高海拔环境下复合绝缘子的状态，可以为复合绝缘子劣化评价的研究提供依据，以及及时发现潜在的缺陷，有利于电力部门快速针对问题复合绝缘子制定维护和更换计划。
本发明综合考虑复合绝缘子的高海拔恶劣运行环境和状态评估多劣化性能指标模糊性和随机性，最终得到复合伞裙绝缘子的劣化状态，对绝缘子的劣化状态评估具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明实施例中泄漏电流的标准云图。
图3是本发明实施例中体积电阻率的标准云图。
图4是本发明实施例中表面憎水性的标准云图。
图5是本发明实施例中表面硬度的标准云图。
图6是本发明实施例中拉伸强度的标准云图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细阐明。
如图1所示，本实施例提供的一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，包括以下步骤：
步骤1：获取高海拔地区复合绝缘子的劣化性能指标，包括静态指标和动态指标。静态指标反应复合绝缘子的可靠性和固有属性，可综合量化复合绝缘子的可靠性，本发明选取的静态指标包括泄漏电流、体积电阻率、表面憎水性、表面硬度和拉伸强度。动态指标为复合绝缘子所处环境情况，可通过复合绝缘子故障情况进行量化。
步骤2：定义复合绝缘子劣化状态评价等级。将复合绝缘子劣化状态评价等级划分为Ⅰ级（无明显劣化）、Ⅱ级（轻微劣化）、Ⅲ级（明显劣化）、Ⅳ级（严重劣化）。并且对各劣化性能指标的状态分界值以四个复合绝缘子劣化状态评价等级划分。具体如表1所示：
表1复合绝缘子劣化状态评价等级的状态分界
步骤3：基于多属性重要度加权的FCM聚类算法计算各劣化性能指标的权重大小。
假设数据集中样本点为，, 分别为第1，
2,…,p个劣化性能指标的第k个样本数据，每个样本点包含p个劣化性能指标，n为1个劣化
性能指标的数据个数。第i个分类的聚类中心为,，分别为第i个分类的第1，2,…,p个劣化性能指标的聚类中心，c为聚类数目；其
中，目标函数的计算公式为：
；
其中，表示目标函数，表示隶属度，表示聚类中心，表示权重，表示第j
个劣化性能指标第k个样本数据和第i个分类的聚类中心的隶属度，表示模糊指数，为欧式距离；
，，
表示第j个劣化性能指标的权重，表示第j个劣化性能指标的第k个样本数据，表示第i
个分类的第j个劣化性能指标的聚类中心。
计算各劣化性能指标的权重大小的过程如下：
步骤3.1：初始化隶属度矩阵，满足，，设置各
个劣化性能指标的初始权重均相等，为1/p；
步骤3.2：设定和不变，利用下式更新迭代计算聚类中心矩阵；
；
其中，表示的转置，；
步骤3.3：设定和不变，同时为了改善容易陷入局部极值点的问题，对隶属度
迭代函数进行基于负指数函数的重新构建；利用下式更新迭代计算隶属度矩阵；
；
其中，表示第个劣化性能指标的第k个样本数据，表示第h个分类的第个劣
化性能指标的聚类中心，表示灵敏度系数，式中；
步骤3.4：设定和不变，利用下式更新迭代计算劣化性能指标权重矩阵，；
；
步骤3.5：如果目标函数第t次迭代减目标函数第t-1次迭代的范数小于等
于迭代阈值，即，则继续进行下一步骤，否则返回步骤3.2重新开始迭代，
直至小于等于预先设定的迭代阈值；
步骤3.6：得到通过设定迭代阈值的劣化性能指标权重矩阵。
步骤4：依据静态指标权重大小，由云模型计算综合确定度；
步骤4.1：根据划定的复合绝缘子劣化状态评价等级计算各劣化性能指标的云模
型的数字特征（如表２所示）和标准云矩阵；
；
其中，为复合绝缘子状态等级的期望值，为复合绝缘子状态等级的熵值，
为复合绝缘子状态等级的超熵值，和分别为复合绝缘子劣化状态评价等级的状态
分界的最大分界值和最小分界值，c为常数；
表2劣化性能指标的云模型的数字特征
步骤4.2：根据实际测得的劣化性能指标利用正向云发生器计算云模型的综合确
定度,得到如图2-图6所示各劣化性能指标的标准云图；
；
式中，为0到1之间的随机数，为综合确定度，为第p个劣化性能指标的第k
个样本数据；
步骤4.3：重复步骤4.2，得到综合确定度矩阵Q。
步骤5:根据综合确定度计算综合评估分数，利用置信度计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数，并根据运行环境指标修正指数修正综合评估分数；根据修正后的综合评估分数平均值确定复合绝缘子所处状态。具体包括以下子步骤：
步骤5.1:确定高海拔地区造成复合绝缘子退役的运行环境指标，所述运行环境指标包括：雷暴、覆冰、污闪、外力和高原典型环境变化，所述高原典型环境变化包括低气压、强辐照、大温差等环境变化造成的影响；高原环境相对于低海拔环境，气压、辐照和温差都会随着海拔的升高而变化，且变化较大，使得绝缘子运行的环境更加恶劣，加速绝缘子的老化以及加大绝缘子发生故障的几率，因此考虑气压、辐照和温差这几个典型高原环境变化带来的影响对评估进行修正。
步骤5.2：查询相同等级线路同一环境下复合绝缘子检修历史数据库，根据历史数
据库利用置信度进行运行环境指标量化；
；
式中，为第种运行环境指标，为复合绝缘子退役，是一个相
对值，表示对的依赖程度，值越大，依赖程度越高；表示同时包含和的事
件数量；表示包含的事件数量；
步骤5.3：计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数。为减少运行环境的偶然性对修正的影响，通过专家评分减少其偶然性，评分满分为10分。运行环境指标对复合绝缘子的损伤率和运行环境指标修正指数按下式计算；
；
；
式中，为第种运行环境指标的评价分数，分数越低环境越恶劣；为运行环境
指标对复合绝缘子的损伤率；为运行环境指标修正指数。
本实施例中，
；
。
步骤5.4:根据综合确定度矩阵Q和劣化性能指标权重矩阵W计算得到综合评估结
果向量，分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的综合评估
结果。本实施例中综合评估结果向量；
步骤5.5，计算运行环境指标修正指数修正后的综合评估分数；
；
；
式中，R为劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数；为运
行环境指标修正指数修正后的劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估
分数; 为分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的复合绝缘子劣化状态评价等级
对应的分数，等级级对应分数分；
步骤5.6，由于是生成的随机数，因此多次重复计算求平均值得到平均综合评
估分数，并根据所得分数确定复合绝缘子所处状态；
；
其中，表示第j次重复计算复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数，本
实施例计算得到。
当该复合绝缘子的平均综合评估分数时，评价其为“Ⅰ级无明显劣化，可
继续运行，每6年跟踪检测”；当该复合绝缘子的平均综合评估分数时，评价其为
“Ⅱ级轻微劣化，可继续运行，每3年跟踪检测”；当该复合绝缘子的平均综合评估分数时，评价其为“Ⅲ级明显劣化，可继续运行，每年须跟踪检测”；当该复合绝缘子
的平均综合评估分数时，评价其为“Ⅳ级严重劣化，需立即更换”。
由得到的平均综合评估分数分析可知，与实际复合绝缘子状态的评估结果相一致。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取高海拔地区复合绝缘子的劣化性能指标，包括静态指标和动态指标；
步骤2：定义复合绝缘子劣化状态评价等级；
步骤3：基于多属性重要度加权的FCM聚类算法计算各劣化性能指标的权重大小；
步骤4：依据静态指标权重大小，由云模型计算综合确定度；
步骤4.1：根据划定的复合绝缘子劣化状态评价等级设定各劣化性能指标的云模型的数字特征和标准云矩阵，其中，/>为复合绝缘子状态等级的期望值，/>为复合绝缘子状态等级的熵值，/>为复合绝缘子状态等级的超熵值；
步骤4.2：根据实际测得的劣化性能指标利用正向云发生器计算云模型的综合确定度；
；
式中，为0到1之间的随机数，/>为综合确定度，/>为第p个劣化性能指标的第k个样本数据；
步骤4.3：重复步骤4.2，得到综合确定度矩阵Q；
步骤5：根据综合确定度计算综合评估分数，利用置信度计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数，并根据运行环境指标修正指数修正综合评估分数；根据修正后的综合评估分数平均值确定复合绝缘子所处状态。
2.根据权利要求1所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，静态指标包括泄漏电流、体积电阻率、表面憎水性、表面硬度和拉伸强度；动态指标为复合绝缘子所处环境情况，通过复合绝缘子故障情况进行量化。
3.根据权利要求1所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，步骤2中，将复合绝缘子劣化状态评价等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级；并且对各劣化性能指标的状态分界值以四个复合绝缘子劣化状态评价等级划分。
4.根据权利要求1所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，步骤3中，数据集中样本点为，/>, />分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的第k个样本数据，每个样本点包含p个劣化性能指标，n为1个劣化性能指标的数据个数；第i个分类的聚类中心为/>,/>，分别为第i个分类的第1，2,…,p个劣化性能指标的聚类中心，c为聚类数目；目标函数的计算公式为：
；
其中，表示目标函数，/>表示隶属度，/>表示聚类中心，/>表示权重，/>表示第j个劣化性能指标第k个样本数据和第i个分类的聚类中心/>的隶属度，/>表示模糊指数，为欧式距离；
，/>，/>表示第j个劣化性能指标的权重，/>表示第j个劣化性能指标的第k个样本数据，/>表示第i个分类的第j个劣化性能指标的聚类中心。
5.根据权利要求4所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，步骤3所述计算各劣化性能指标的权重大小的过程如下：
步骤3.1：初始化隶属度矩阵，满足/>，/>，设置各个劣化性能指标的初始权重均相等，为1/p；
步骤3.2：设定和/>不变，利用下式更新迭代计算聚类中心矩阵/>；
；
其中，表示/>的转置，/>；
步骤3.3：设定和/>不变，同时为了改善容易陷入局部极值点的问题，对隶属度迭代函数进行基于负指数函数的重新构建；利用下式更新迭代计算隶属度矩阵/>；
；
其中，表示第/>个劣化性能指标的第k个样本数据，/>表示第h个分类的第/>个劣化性能指标的聚类中心，/>表示灵敏度系数，式中/>；
步骤3.4：设定和/>不变，利用下式更新迭代计算劣化性能指标权重矩阵/>，；
；
步骤3.5：如果目标函数第t次迭代减目标函数第t-1次迭代/>的范数小于等于迭代阈值/>，即/>，则继续进行下一步骤，否则返回步骤3.2重新开始迭代，直至小于等于预先设定的迭代阈值/>；
步骤3.6：得到通过设定迭代阈值的劣化性能指标权重矩阵。
6.根据权利要求1所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，步骤5中对综合确定度进行高海拔环境因素修正，具体包括以下子步骤：
步骤5.1：确定高海拔地区造成复合绝缘子退役的运行环境指标；
步骤5.2：查询相同等级线路同一环境下复合绝缘子检修历史数据库，根据历史数据库利用置信度进行运行环境指标量化；
步骤5.3：计算高海拔环境下复合绝缘子的运行环境指标修正指数；
步骤5.4：根据综合确定度矩阵Q和劣化性能指标权重矩阵W计算得到综合评估结果向量；
步骤5.5：计算运行环境指标修正指数修正后的综合评估分数；
步骤5.6：多次重复计算求平均值得到平均综合评估分数，并根据平均综合评估分数确定复合绝缘子所处状态。
7.根据权利要求6所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，所述运行环境指标包括：雷暴、覆冰、污闪、外力和高原典型环境变化，所述高原典型环境变化包括低气压、强辐照和大温差。
8.根据权利要求6所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，根据历史数据库利用置信度进行运行环境指标量化的公式如下：
；
式中，为第/>种运行环境指标，/>为复合绝缘子退役，/>是一个相对值，表示/>对/>的依赖程度；/>表示同时包含/>和/>的事件数量；/>表示包含/>的事件数量。
9.根据权利要求8所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，运行环境指标修正指数按下式计算；
；
；
式中，为第/>种运行环境指标的评价分数；/>为运行环境指标对复合绝缘子的损伤率；/>为运行环境指标修正指数。
10.根据权利要求9所述的计及高海拔环境影响的复合绝缘子劣化状态评价方法，其特征在于，综合评估结果向量，/>分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的综合评估结果;
按下式计算运行环境指标修正指数修正后的综合评估分数：
；
；
式中，R为劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数；为运行环境指标修正指数修正后的劣化性能指标对复合绝缘子劣化状态评价等级的综合评估分数;为分别为第1，2,…,p个劣化性能指标的复合绝缘子劣化状态评价等级对应的分数。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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