基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法

李卓，覃启铭，林其友，杜鸣亮，舒日高

（国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司，安徽芜湖 241000）

分层聚类算法指按照集合信息所属层次对数据对象进行分解的处理方法。根据分解操作策略的不同，分层聚类算法又可分为分裂分层聚类、凝聚分层聚类两部分。

若采用自下而上的处理策略，首先应将所有相似对象列为一个固定类单元，再按照既定度量条件，将小的类单元合并成一个大的通用类型，直至所有信息对象都能完全存在于一个独立类型集合中[1-2]。

若采用自上而下的处理策略，首先将固定类单元中的相似对象解完全提取出来，再按照分层凝聚的反向处理策略，将这些对象信息归结于同一类型文件之中。

在电导现象频繁的电力传输系统中，避雷器设备的运行能力会受到交变传输电流的干扰，甚至设备会直接损坏。为避免上述情况的出现，传统动作协调型检测方法通过控制电压传输极值的方式，确定相邻运行簇组织之间的电量差数值，再以此为基础，更改感应电流的实际传输方向。然而该方法并不能辅助检测主机准确记录避雷器设备的实际运行情况，没有起到足够的运行维护作用。为解决该问题，设计基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法，按照避雷器运行簇之间的物理距离水平，计算电阻率、交流泄漏电流的具体数值，从而实现对运行检测电压量的合理调节与控制。

1 基于分层聚类算法的避雷器运行组网

避雷器运行组网由运行簇距离确定、聚类似然值估计、组网分支长度优化三个处理环节组成，通过分层聚类算法实现，具体操作方法如下。

1.1 避雷器运行簇距离计算

在避雷器应用过程中，运行簇是指负载分层聚类能力的检测节点。由于外界电量作用程度的不同，运行簇节点之间的物理距离数值也有所不同。一般情况下，运行簇距离越大，避雷器元件两端所负载的物理电压水平也就越高。然而随着电量传输能力的改变，避雷器设备不可能时刻保持完全稳定的承载状态，这也是电导现象发生不受控制几率的主要原因[3-4]。为使避雷器设备在运行过程中具备更强的电量承载能力，电网环境能够长期保持相对稳定的状态，应在已知簇距离数值的基础上，重新规划各级分层聚类节点所处的位置。

设x代表水平方向上的电子传输量，y代表竖直方向上的电子传输量，联立上述物理量，可将避雷器运行簇距离计算结果表示为：

式（1）中，α1、α2分别代表两个不同的电导率系数，λ代表避雷器元件两端的物理电压负载条件，ΔT代表单位检测时长。

1.2 聚类似然值估计

似然值估计是分层聚类算法应用的关键处理环节，可在运行簇距离值的支持下，协调与规划避雷器设备的运行能力，使挑选出的状态检测参量完全符合分层聚类算法的实际应用需求。避雷器元件的运行能力受到传输电压量、传输电流量两项物理指标的直接影响[5-6]。为获取聚类似然值的估计结果，将传输电压量表示为U，为避雷器设备元件结构体提供正常运行的外在保障，此时，电压量数值越大，避雷器设备的运行能力越强。传输电流量表示为I，作为附属变量，该项物理指标的变化始终与传输电压量保持一致。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将聚类似然值估计结果表示为：

式（2）中，kmin代表最小的避雷器运行协调指标，kmax代表最大的避雷器运行协调指标，代表运行电阻量均值，β代表电子接入系数，l代表运行电量干扰误差，q代表避雷器设备的物理带电系数。

1.3 组网分支长度优化

避雷器运行组网是一个相对封闭的分层聚类空间，若已知运行簇距离数值，聚类似然值估计结果可直接影响避雷器设备的实际运行能力及母线、计数器、接地线等物理设备的工作能力[7-8]。为避免分层聚类算法受到过量约束，应优化组网分支的长度数值，调试传输母线、避雷器等多个设备。

通常情况下，传输母线横向贯穿避雷器设备顶部，直接接收高压电网输出的感应电子量，并将其反馈至下级设备应用元件中[9-10]。

如图1 所示，避雷器设备必须与计数器结构相连。准确连接接地线装置后，计数器成为唯一可干预避雷器运行能力的物理设备元件。

图1 避雷器运行组网分支的长度优化原理

2 避雷器运行状态检测方法

在运行组网环境中，设置电阻率，确定交流泄漏电流值及运行检测电压量，设计基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法。

2.1 电阻率设置

避雷器电阻率设置并非一个独立的处理环节，须考虑电网中多个感应电阻共同配合下的电量运行环境。

电量运行环境是指一个闭合的电子传输网络。如图2 所示，电阻R1、R2、R3在避雷器元件的作用下并联于电路右侧，三者的物理电阻数值无须完全相等，但其两端负载的物理电压数值必须时刻保持一致[11-12]。底端变阻设备重新收集所有流经感应电阻的传输电流，整合成交变电流的形式，反馈至C类耗电元件中，最终借助接地线，离开避雷器设备的控制范围。

图2 电阻率设置环境

设d1、d2分别代表两个不同避雷器的运行电量系数，联立式（2），可将电阻率设置结果定义为：

式（3）中，χ代表既定的运行电压负载条件，代表电导率特征值。

2.2 交流泄漏电流值

交流泄露电流是指避雷器设备在运行状态下，因为极限击穿作用，产生的传输电流变化量。分层聚类算法中，极限击穿作用越明显，交流泄露电流的物理数值越大。不考虑其他干扰条件，交流泄露电流的计算数值受到检测节点时间的影响，两个检测节点时间的物理差值越大，避雷器设备对于极限击穿作用的抑制能力越强[13-14]。

设t1、t2分别代表两个不同的时间节点，在分层聚类算法的影响下，t1、t2始终不能完全相等。在上述物理量的支持下，联立式（3），可将交流泄露电流计算式定义为：

式（4）中，Δx代表单位时间内的击穿电子变化量，f代表避雷器运行电子检测系数，代表传输电子量特征值。

2.3 运行检测电压量

运行检测电压是避雷器设备的外在物理条件。若已知交流泄露电流，电阻率系数值可直接影响运行检测电压量的计算结果。运行检测是指一种动态表现过程，在分层聚类算法的影响下，避雷器设备承载的电阻率越高，整个电路环境中的检测电压数值越稳定，最终获得的检测电量系数越多[15-16]。

设b代表避雷器运行电量的实际表现系数，b′代表系数b的补充说明条件，根据分层聚类算法，b和b′之间始终存在一定的系数差值，联立式（4），可将运行检测电压量定义为：

式（5）中，ξ代表单位时间内的避雷器运行电子量提取系数，m代表最小的电量检测指标数值。至此，完成各项物理系数指标的计算与处理，在不考虑其他干扰条件的情况下，顺利应用基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法。

3 实验结果比对

将图3 所示的避雷器装置放置于既定建筑物结构体顶端，调试感应电压，使其物理数值水平逐渐趋于稳定。在此情况下，获取大量的传输电压与电流数值，将其平均分成两部分，其中一部分作为实验组数据分析指标，另一部分作为对照组数据分析指标。在实验过程中，实验组设备主机搭载基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法，对照组设备主机搭载传统动作协调型检测方法。

图3 避雷器装置

QRT 指标反映了检测主机记录避雷器设备运行能力的准确性，QRT 指标数值越大，检测主机的记录准确性越高，反之则越低。表1 记录了实验组、对照组QRT 指标数值的具体变化情况。

表1 QRT指标对比

表1 中，QRT 指标始终不断上升，但实验前期的数值上升幅度明显小于实验后期。对照组QRT 指标的数值则在稳定一段时间后，开始逐渐下降。整个实验过程中的最大数值结果达到了50.03%，远低于实验组数值水平。

RSC 指标描述了检测主机对于避雷器运行状态的保障能力。RSC 指标数值越大，检测主机对于避雷器运行状态的保障能力越强，实验约束条件如下：

当信号发射机和接收机处于定点传输模式时，模块不再按照通电时设置的信道和地址进行数据传输，而是按照用户临时添加的信道和地址进行数据传输。与透明传输不同，定点传输的发送方需要在数据前加多个字节作为目标地址和目标通道，发送数据格式（HEX）为地址+信道+数据。完成定点传输需要具备以下条件：

1）接收器本身的地址与通道发送器数据中指定的地址相同。

2）发送方将目标地址指定为侦听地址，指定通道上的模块可以接收数据。

3）同一信道的接收地址固定。

详细的实验数值如表2 所示。

表2 RSC指标对比

分析表2 可知，实验组RSC 指标的数值在一段时间的波动性变化后，开始连续下降。对照组RSC指标的数值则先下降、后上升。从极限值表达来看，实验组最大值67.9%与对照组最大值38.9%相比，上升了29.0%。

上述实验结果表明，应用基于分层聚类算法的避雷器运行状态检测方法后，QRT 指标、RSC 指标均出现明显上升，增强了检测主机对于避雷器设备运行能力的记录准确性，有效保障了避雷器设备运行状态。

4 结束语

在分层聚类算法的作用下，避雷器运行状态检测方法可根据运行簇距离结果，优化组网分支长度，妥善计算出交流泄漏电流值、运行检测电压量系数的数量级水平。从实用性角度来看，QRT 指标与RSC 指标数值的增大，可增强检测主机对于避雷器设备运行能力的记录准确性，有效保障了避雷器运行状态，满足实际应用需求。