基于改进层次分析法的柱上开关成套设备状态评估研究

黄智鹏，熊洽，陈家超，王东芳，张勇军

(1.广东电网有限责任公司河源供电局，广东 河源 517000；2. 智慧能源工程技术研究中心(华南理工大学 电力学院)，广东 广州 510641)

随着智能电网建设的逐步推进，配电一次设备与二次设备的结构与功能呈现出一体化与集成化的特点，配电网中一二次设备之间的界限越来越模糊[1]。柱上开关作为实现配电网自动化的主要开关设备之一，其智能化程度至关重要[2]。在当前阶段，柱上开关一二次设备兼容性、扩展性、互换性差，致使其运行维护和操作都面临一系列困难，给配电网升级改造、智能电网建设发展造成了不利影响；因此，在电网公司和设备厂家的大力推动下，一二次融合柱上开关成套设备逐渐被推广应用。

柱上开关的检修是电力系统运维过程中的必不可少的过程。目前柱上开关的检修方式主要为计划检修，虽然计划检修在一定程度上达到了排除故障的目的，但也存在故障排除不及时和经济性差等问题[3]。为了提高电力系统的安全稳定运行能力，需要对柱上开关进行状态检修[4-5]。

状态检修的重要前提是对柱上开关的状态进行准确评估。有关柱上开关的状态评估方面的研究也相继开展，文献[6]提出基于云模型的断路器综合评估方法；文献[7]在断路器的状态评估过程中引入隶属度和灰度，建立断路器的递阶层次评估模型，但无法准确确定权重系数；文献[8]针对多指标问题，提出了雷达图法评估模型，使结果更加直观，但是仅适用于指标数量较少的情况；文献[9]利用特征量优化方法分析分/合闸线圈电流特性，并应用于断路器操作机构的状态评估；文献[10-12]在断路器评估过程中，进一步改进指标权重确定方法，运用三角模糊数对指标权重进行处理。

我国的电力设备状态评估起步较晚，受传感技术限制，开关设备的状态评估主要集中在柱上开关本体的机械、电气或绝缘介质等单特性上，对于一二次融合设备而言，单一特性的评估无法真实反映设备的整体状况，因此亟需一种对一二次融合设备整体状态进行评估的方法；但目前尚未有相关文献对一二次融合设备进行相应的状态评估。

本文基于历史统计数据和层次分析法，综合考虑整体设备的各个组成部分及其历史运行状态、周围环境状态，克服层次分析法主观性较强的问题，对柱上开关成套设备进行状态评估，及时发现柱上开关设备存在的问题，为柱上开关设备的状态检修提供参考和指导。

1 柱上开关成套设备状态评估指标体系

柱上开关成套设备状态评估需要明确其组成部分及各部分的故障特性，以此确定评估指标。柱上开关成套设备作为一个高度融合的户外产品，可以在物理上将其分为开关本体、控制器以及开关与控制器连接部分。开关本体部分是连接馈线、开断电流的物理结构，其分合闸性能对电网的安全稳定运行有着直接的影响。控制器部分是柱上开关的控制中心，可实现信息采集、控制、通信等功能，当其发生故障时，将直接影响开关本体的正常工作。开关与控制器连接部分是保证控制器与开关本体信息正常传递的前提。

国际大电网会议调查结果表明，断路器的组成部分即操动机构、控制回路、主回路及其余部分的故障各占全部故障的40%、30%、20%、10%[13]。为此，在综合考虑柱上开关成套设备的结构特性基础上，提出柱上开关成套设备状态评价指标。

1.1 柱上开关成套设备开关本体指标

柱上开关成套设备开关本体部分触头的氧化或者松动，使接触电阻变大，造成运行过程中触头温度过高，最终可能导致停电。根据柱上开关的故障检修经验，触头温度能反映上述缺陷的演化过程[14]。

此外，柱上开关的累计动作次数以及累计运行时间都将影响柱上开关的电寿命[15]。当柱上开关的电寿命结束时，将无法可靠地开断故障电流。电寿命通常通过触头的电磨损程度间接反映，触头电磨损程度又由开断电流、开断次数、触头绝缘特性以及燃弧时间等决定的；因此，电寿命可由每次分、合闸的开断电流和总的开断次数来表征。考虑到不同开关的差异性，本文采用相对电磨损X2来表征电寿命，即

(1)

式中NI为开断电流为I时，柱上开关的额定开断次数。

同时，柱上开关相对于其他设备具有较多的机械部件，其运行的安全可靠性很大程度上都取决于其机械特性的好坏；因此，本文还选取机械特性中的分合闸时间作为开关本体指标。

1.2 柱上开关成套设备控制器指标

柱上开关控制器部分主要由控制芯片及功能模块组成，其电压电流较小，容易受周围环境影响。控制器部分的温、湿度超出其承受范围，将导致控制不灵敏，甚至导致开关误动或者拒动[16]。温、湿度超标将破坏材料的表面绝缘能力，如在高温、高湿地区，易发生二次回路绝缘老化进而导致短路；同时，二次回路的故障将进一步导致温、湿度的变化。因此，控制器内的温、湿度在一定程度上反映了柱上开关的状态，应密切关注控制器温、湿度。

随着柱上开关控制器的智能化发展，厂家为控制器提供了丰富的自检功能。通过实时监测可以及时发现控制器中软、硬件的故障，并进行记录、上传。可引入控制器无故障工作时间Y3作为柱上开关控制器指标，即

(2)

式中：T为运行时间;n为故障次数。

1.3 柱上开关成套设备开关与控制器连接指标

基于历史故障统计数据对配电网可靠性进行分析是传统电力系统可靠性分析的主要方法[17-18]。鉴于柱上开关与控制器连接部分电气量难以直接获取，为了保证状态评估的客观性，给状态评估提供一个历史运行情况的参考，可选取连接部分的历史统计数据进行评估。柱上开关与控制器连接指标包括累计断开次数和累计断开时间。

柱上开关成套设备开关与控制器连接回路运行环境差，很容易发生绝缘下降的情况。实际运行中,绝缘下降而未达到告警设定值时,绝缘检测装置并不发出告警信号,致使这类绝缘下降状况不能得到及时处理而长期存在。基于此，在对柱上开关进行评估时，需考虑开关与控制器连接回路的绝缘状况。按照二次回路检修规程，其绝缘电阻应不小于1 MΩ。

2 柱上开关成套设备状态评估模型

在柱上开关的状态评估过程中，历史统计数据可以作为历史运行情况的参考，是柱上开关运行状态的客观反映。柱上开关成套设备状态评估体系是一个相互关联、相互制约的体系，层次分析法是研究此类复杂体系的定性与定量化方法。本文结合历史数据，建立基于层次分析法的柱上开关成套设备状态评估模型，其评估流程如图1所示。

图1 柱上开关成套设备状态评估流程Fig.1 Status evaluation process of complete equipment of pole-mounted switch

2.1 设备状态评价指标的预处理

假设对J台成套设备进行评估，对于第j(j=1,2,…,J)台成套设备的触头温度指标X1j、控制器温度指标Y1j、控制器湿度指标Y2j，分别按照式(3)至式(5)进行预处理：

(3)

(4)

(5)

对于第j台成套设备的相对电磨损指标X2j、分闸时间指标X3j、合闸时间指标X4j，分别按照式(6)至式(8)进行预处理：

(6)

(7)

(8)

对于第j台成套设备的控制器无故障工作时间指标Y3j、累计断开次数指标Z1j、累计断开时间指标Z2j，分别按照式(9)至式(11)进行预处理：

(9)

(10)

(11)

对于第j台成套设备的开关与控制器连接回路绝缘电阻指标Z3j，按式(12)进行预处理，即

(12)

式中：Z3min为规程中绝缘电阻的阈值，一般为1 MΩ；Z3max为上限值，一般认为绝缘电阻超过10 MΩ则为绝缘状态优良。

2.2 设备状态评估指标的权重

评估指标权重是该指标在设备状态评判中影响程度的直接反映。不同指标采用不同权重能够确保重要指标劣化，并能直观地反映到整体设备的评估状态中[19]。根据已经建立的柱上开关成套设备状态评估指标体系，按以下方法对指标权重进行具体计算：

a)一级指标权重值。设备状态评估指标权重的计算过程为：首先获取柱上开关成套设备的历史故障原因统计数据，包括开关本体故障次数CX、控制器故障次数CY、开关与控制器连接故障次数CZ；然后计算一级指标(开关本体指标、控制器指标、开关与控制器连接指标)的权重值。

(13)

(14)

(15)

式(8)—(10)中aX、aY、aZ分别为开关本体指标、控制器指标、开关和控制器连接指标权重值。

b)二级指标权重值。层次分析法是指将与设备状态有关的元素分解成目标、指标、对象等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的分析决策方法[20]，计算过程包括：①构建评估系统的递阶层次架构。结合评价指标特点，根据上文所构建的柱上开关成套设备状态评估指标体系，构建包含目标层、指标层和对象层的递阶层次架构，如图2所示。②构建判断矩阵。在评估系统的递阶层次架构中，对同一层级的各指标根据其两两之间的重要程度，结合专家意见采用九级标度法构建判断矩阵。在实际运行过程中，由于柱上开关成套设备的运行状况与自身状态的劣化，在不同时期对其进行评估时应考虑不同的侧重点；所以应综合设备情况与专家意见构建判断矩阵。根据九级标度法，得出判断矩阵

(16)

式中:aij为第i个指标和第j个指标的相对重要性标度，aij>0，取值为1～9，数值越大，表示2个因素相比，一个因素比另一因素的重要性程度越大；y为该层级的指标数量。③对判断矩阵进行一致性校验。判断矩阵的构建过程是将人对事物的主观看法的数值化过程，存在主观性过强的缺点，故②中的判断矩阵可能存在不合理的情况；因此，需要对判断矩阵进行一致性校验，其校验过程为：

CI=(λmax-y)/(y-1).

(17)

CR=CI/RI.

(18)

式(17)—(18)中：CI为一致性指标；CR为一致性比率；λmax为判断矩阵的最大特征值；RI为平均随机一致性指标，RI只与y有关，其取值见表1。利用式(12)、(13)进行计算，当CR<0.1时，判断矩阵具有良好的一致性，否则需要根据实际情况对判断矩阵进行调整，使其通过一致性检验。④二级指标权重计算。经过上述处理得到的判断矩阵，求其最大特征向量并进行标准化便得到二级指标的权重。二级指标的权重即为标准化后向量中的数值。

图2 柱上开关成套设备状态评估指标体系Fig.2 Status evaluation index system of complete equipment of pole-mounted switch

表1 平均随机一致性指标的取值Tab.1 Values of average random consistency index

c)综合权重值。对上述过程得到的一级权重以及二级权重，相应相乘并进行标准化，得到最终的综合权重。

2.3 计算状态评估值并确定设备状态评估结果

(19)

式中γ1、γ2……γ10分别为各指标的综合权重值。

设备状态评估结果包括良好、一般、异常、严重。若设备状态评估结果为良好，则无需进行检修；若设备状态评估结果为一般，则需要密切观察；若设备状态评估结果为异常，则需要安排检修；若设备状态评估结果为严重，则需要进行设备更换。

对于第j台柱上开关成套设备，根据工程运行经验，若其状态评估值Pj=-1，则该设备评估结果为严重；若其状态评估值Pj=0，则该设备评估结果为异常；若其状态评估值0

3 算例分析

以我国某市5套ZW20型10 kV柱上断路器成套设备为例进行计算，其原始指标数据见表2。对原始指标数据进行预处理，得到指标的预处理结果见表3。

计算一级指标的权重，计算结果分别为aX=0.50、aY=0.28，aZ=0.21。

表2 柱上开关指标原始数据Tab.2 Raw data of indicators of pole-mounted switch

表3 指标的预处理结果Tab.3 Preprocessing results of indicators

根据实际情况得到

经计算，矩阵A的最大特征值λmax=10.22。

判断矩阵的一致性指标CI和一致性比率CR的计算如下:

CI=(λmax-y)/(y-1)=(10.22-10)/9=0.024，

CR=CI/RI=0.024/1.49=0.016.

由计算结果可知，CR<0.1，矩阵满足一致性要求。

计算指标的综合权重值，结果见表4。

表4 设备状态评价指标权重Tab.4 Weights of equipment state evaluation indicators

根据设备状态评价指标处理结果和权重计算状态评估值，结果见表5。

表5 设备状态评价指标处理结果Tab.5 Processing results of equipment state evaluation indicators

由表5可知：柱上开关3、4状态优良，与其运行时间短、故障少等运行情况相符；随着运行年限增长及相应环境的恶化，柱上开关2状态趋于劣化；柱上开关5由于触头温度过高导致状态异常，需进行检修；柱上开关1因为相对磨损严重，指标评估结果为严重，急需进行更换。

利用传统的层次分析法时基于专家打分进行评估，计算结果见表6。

表6 传统的层次分析法处理结果Tab.6 Processing results of traditional analytic hierarchy process

对柱上开关的单一特性(如开关本体)进行评估，评估结果见表7。

表7 设备单一特性状态评价结果Tab.7 Evaluation results of single characteristic state of equipment

将表5—7进行对比分析可知：在采用传统的层次分析法进行分析时，与本文方法相比，主要的不同为柱上开关3的评估结果由优于柱上开关4变成劣于柱上开关4。变化的主要原因是采用传统的层次分析法时，指标权重只考虑了专家的经验，带有较强的主观性，造成开关本体以外的指标权重较高；当对柱上开关的单一特性进行评估时，由于忽略了控制器等指标，易造成类似柱上开关2由状态一般变为优良的情况，实际生产中，由于柱上开关2的控制器温、湿度过高，以及二次回路断开次数与时间较多，作为一体化设备，其状态评估值应该较低，当达到一定程度时，应予以检修。

在柱上开关成套设备的综合评估中，应综合考虑各部分的指标情况，在确定权重的过程中，应综合考虑专家经验及开关的历史运行数据，以适应柱上开关不同指标对柱上开关状态的影响程度差异。由此可见，本文提出的柱上开关评估方法可以更为准确地对柱上开关成套设备的运行状态进行评估。

4 结束语

在智能电网建设背景下，柱上开关设备逐步朝向一体化发展，针对当前的柱上开关状态评估主要集中在单一特性评估的现象，本文提出了基于历史数据和层次分析法的柱上开关成套设备状态评估方法。选取触头温度、相对电磨损、分合闸时间、控制器温度、控制器湿度、控制器无故障工作时间、开关与控制器连接累计断开次数、开关与控制器连接累计断开时间、开关与控制器连接回路绝缘电阻为主要评估指标，然后基于历史数据和层次分析法确定指标权重，并根据设备状态评价指标处理结果、权重计算状态评估值确定设备状态评估结果。

经过算例验证，本文所提的柱上开关成套设备状态评估方法有效，能够对柱上开关成套设备进行客观性与主观性相结合的评估，评估结果符合真实情况。但是，由于当前的柱上开关成套设备的一二次情况尚未能达到完全融合程度，本文所取的评估指标仍需进一步优化选择，以进一步提高评估的准确性与真实性。