基于熵权层次法的油浸式变压器绝缘状态评价.pdf
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1、 :年 月 第 卷第 期基于熵权层次法的油浸式变压器绝缘状态评价李波,张文乾,刘维,崔德智,江军,张潮海(南京航空航天大学(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室),江苏 南京 )摘要:为有效评估油浸式变压器的绝缘状态,文中提出一种综合主观专家经验和指标退化程度的熵权层次法。首先,基于油色谱、环境温度和缺陷信息等指标构建用于绝缘状态评价的层次结构,根据专家经验对各个指标进行主观权重分配;接着,采用组合权重的方法,在指标层权重分配上引入熵权权重,从而在保留专家经验对准则层判断的情况下,对底层权重进行动态调整,体现变压器运行过程中的差异性;然后,将变压器的绝缘状态从常见的 种扩展为 种,实现对绝缘状
2、态更准确的感知;最后,台 变压器的实例分析表明,相较于仅采用主观权重或客观权重,文中提出的方法可以有效识别运行状态正常的变压器并甄别异常变压器。关键词:绝缘状态;层次分析法;熵权法;组合权重;差异化评价;油浸式变压器中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修回日期:引言油浸式电力变压器是电力系统中最重要的设备之一,对其进行有效的状态评价,及时发现并预防其潜在的故障,对电网的可靠运行有重要意义 。传统的检修策略采取定期检修的方式对变压器进行维护,可能会出现“过修”或“失修”的情况,既在状态良好的变压器上浪费人力、物力,也使得存在缺陷或故障的变压器得不到及时维修,影响电力系统运行的安全稳
3、定性 。因此对油浸式变压器进行准确的状态评价,开展有效的状态检修,是保障设备可靠运行的有效措施 。为有效地进行变压器状态评价,国内外学者进行了大量研究 。目前应用最广泛的是油浸式变压器状态评价导则 、等。此外,常见的状态评价方法有基于健康指数的方法 ,综合考虑各种指标,将变压器的老化状态用健康指数的值进行表征,但健康指数的评估仍主要依赖于专家现场经验。文献 提出了用于变压器状态评估的模糊证据融合方法,该方法考虑了指标之间的相对关系,但权重分配仍采用主观权重,未考虑变压器运行过程中的动态变化。文献 建立了用于变压器状态寿命评估的自适应模糊神经网络,可以自适应地调整权重分配结果,但模型构建过程中需
4、要大量的现场数据,在实际应用中难以满足数据量要求。文献 通过时间序列聚类的方法,对实际检测序列进行聚类分析并根据聚类结果分析设备运行状态是否异常,但该方法依赖于案例库的质量,可能出现多次评价结果不一致的情况。文献 采用多元统计控制图,将变压器的多个检测指标转换为单一的统计参量,并基于统计参量对变压器进行状态判断,该方法中失效阈值为人为设定,缺乏依据。目前以层次结构为基础的方法在变压器状态评估中有着较多的研究 。文献 建立了以故障类型为基础的层次结构,并进行权重分配,但权重分配基于统计数据,无法体现变压器的个体差异性。文献 采用层次灰关联分析法筛选关键指标,并采用筛选后的指标体系进行变压器的状态
5、评估,该方法主要目标是筛选与变压器故障相关的关键指标,但故障集的建立仍存在不足。文献 基于层级结构和优劣解距离法,融合多名专家的经验进行权重分配并进一步对变压器进行状态评估,但由于权重分配仅基于专家经验,难以体现变压器状态在运行过程中的动态变化。可以看出,目前变压器的状态评价大多依赖于专家经验或统计数据,评价结果难以体现变压器的个体差异。针对上述问题,文中提出基于熵权层次分析法的油浸式变压器绝缘状态评价方法。采用在线监测中的油中溶解气体指标,配合运行环境以及缺陷信息,构成绝缘状态评价的层次结构。根据层次分析法确定指标层的主观权重,并引入熵权权重进行修正,有效体现变压器运行过程中的个体差异与动态
6、特征,进而能够更准确地评估变压器的实际绝缘状态。变压器绝缘状态评估总体流程文中采取的油浸式变压器绝缘状态评价流程如图 所示,核心内容为熵权修正的层次分析法。图 油浸式变压器绝缘状态评价流程 层次分析法是用于解决多目标决策问题的定量和定性结合的方法。该方法能够有效分析目标准则体系层次之间的关系,应用广泛 。采用层次分析法进行权重分配的第一步是确定层次分析结构,文中用于变压器绝缘状态评价的层次结构如图 所示。该结构分为目标层、准则层、指标层三部分。目标层即变压器的绝缘状态;准则层对应变压器指标的各个大类,包括油中溶解气体、运行环境和历史信息;指标层为对应准则层中每个大类的具体状态量指标。图 油浸式
7、变压器绝缘状态评价层次结构 基于熵权层次法的绝缘状态评价为有效利用专家经验和现场实际数据对变压器绝缘状态进行评价,文中采取熵权层次分析法进行权重分配,具体步骤如图 所示。基于熵权层次分析法的权重分配以层次分析法为主体,经熵权法修正,对指标层中各个指标的权重进行调整。首先基于专家经验,依照层次分析法的一般流程,构建各个层次之间的评价矩阵并进行静态权重的分配。其次,对各指标进行归一化处理,消除量纲的影响,并根据熵权法的思想,对底层指标进行动态权重分配。最后,采用组合权重的方图 基于熵权层次分析法的权重分配 法,结合底层的静态权重与动态权重,得到各指标的最终权重。基于层次分析法的常权权重分配基于层次
8、分析法进行静态权重分配的第二步为根据专家经验,对层次结构中同层的不同元素关于上一层某个准则的重要性进行评价,形成评价矩阵,对同层中不同指标到上一层的权重进行分配。对于图 所示变压器绝缘状态评价层次结构,设根据专家经验对同层任意 个指标进行重要性量化,可得到评估矩阵 :()矩阵 为正互反矩阵,其元素采用九标度法确定。对于元素 ,其值代表第 个元素对第 个元素的重要度。由于实际应用中,构造的评估矩阵 不一定为正互反矩阵,因此须对其进行一致性检验:()()式中:为一致性指标;为一致性比率;为 的最大特征值;为 的阶数;为平均随机一致性指标,按表 取值。表 不同矩阵阶数下 的取值 矩阵阶数矩阵阶数 对
9、图 所示变压器绝缘状态评价层次结构,按照表 进行编号,并设准则层到目标层的评价矩阵为 ,油中溶解气体指标层对应的评价矩阵为 。此外,运行环境和历史信息均只包含一个指标,无须建立评价矩阵。表 层次分析结构对应的编号分配 准则层编号评价指标层编号油中溶解气体 总烃 总烃产气速率 产气速率 运行环境温度 历史信息缺陷信息 根据文献 构建各层对应的评价矩阵,可以得到 的耦合矩阵 和 的耦合矩阵 分别为:()()根据式()和式()可得矩阵 和 对应的 和,如表 所示。由表 可以看出,矩阵 和 的 均小于 ,所构建的评价矩阵满足一致性要求。表 矩阵 和 的一致性检验指标 矩阵 进而,可得到层次结构中各个指
10、标的权重分配,如表 所示。表 基于层次分析法的权重分配 准则层权重评价指标层相对权重油中溶解气体 总烃 总烃产气速率 产气速率 运行环境 温度 历史信息 缺陷信息 基于熵权法的动态权重分配采用层次分析法进行权重分配可以体现出专家经验对于各个指标的重要度的认知,但同样由于矩阵的构建依赖于专家经验,带有较大主观性,难以体现个体的客观差异性。同时,层次分析法确定的权重为常权权重,在指标发生突变时可能会导致评价结果出现偏差甚至失效。因此,为使权重分配更能体现实际情况,文中引入熵权法 对层次分析法中的指标层权重分配进行修正。在信息论中,熵值的大小反映了信息无序化的程度,其值越小,系统无序化程度越低,说明
11、该指标可以提供的信息更多。采用熵权法对各指标的权重分配进行调整,当某个指标的值增大时,会动态调整其权重增大,从而有效体现变压器绝缘状态变化情况。此外,在进行熵值计算时,各个指标在数值上一般存在着较大的差距,为消除这种差异带来的影响,首先要对各个指标进行阈值归一化处理。设准则层共有 个准则,第 个准则对应的指标层中有 个指标,设第 个准则中的第 个指标为。计算各个指标的归一化数值,对于正向指标,归一化数值计算对应式();对于负向指标,归一化数值计算对应式()。,(),()式中:为指标 对应的具体值;为 对应的归李波 等:基于熵权层次法的油浸式变压器绝缘状态评价一化值;,、,分别为指标 对应的取值
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