基于模糊證據理論的六氟化硫電氣設備絕緣性能評估研究

金綦慶，汪 濤，楊正剛，張成誠，胡 敏

（1.西南油氣田公司天然氣凈化總廠(chǎng)，重慶 400020；
2.重慶科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，重慶 401331）

隨著(zhù)計算機技術(shù)、人工智能和測試技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應用，國內外對有關(guān)設備狀態(tài)評估展開(kāi)了一系列研究。張立功、黃城等用DR檢測技術(shù)實(shí)現了對GIS中設備內部結構的可視化診斷，能對其內部缺陷進(jìn)行有效地初步診斷[1-2]。王濤云等在GIS中設備狀態(tài)評估中采用可拓分析理論，對于其狀態(tài)評估中各指標的權重問(wèn)題運用熵值法理論得到有效解決[3]。律方成等采用了一種基于超聲波傳感器的識別方案，其識別率達到了80%左右[4]。趙云峰、陳兢、賀翔、王濤云等將Petri網(wǎng)理論與模糊推理規則有機結合在一起，通過(guò)模糊和證據理論對絕緣進(jìn)行狀態(tài)評估[5-14]；
劉勇業(yè)等則將特征氣體作為模糊Petri網(wǎng)的輸入庫所，建立GIS中設備絕緣故障診斷模型，利用Petri網(wǎng)分析GIS中設備缺陷類(lèi)型的置信度[15-16]。在現有的研究工作中，六氟化硫電氣設備狀態(tài)監測的發(fā)展方向主要是基于人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的大規模專(zhuān)家系統[17]，而對六氟化硫電氣設備進(jìn)行狀態(tài)評估的相對較少。因此，加大對六氟化硫電氣設備狀態(tài)評估研究十分重要。

1.1 特征量的選取

六氟化硫電氣設備絕緣狀態(tài)與氣體狀態(tài)有關(guān)，主要包括六氟化硫氣體的微水含量、氣體的壓力（密度）、氣體成分等[18]，故選擇滅弧室微水量、其他氣室微水量、氣體泄漏率和分解產(chǎn)物作為評價(jià)六氟化硫電氣設備絕緣性能的4個(gè)特征量。

1.2 模糊試驗法確定隸屬度

針對六氟化硫電氣設備絕緣性能4個(gè)特征量確定其隸屬度時(shí)采用模糊統計試驗的方法。邀請28位專(zhuān)家填寫(xiě)如表1所示的調查表，以確定各特征量隸屬度，從而得到單因素評判矩陣。

表1 六氟化硫電氣設備滅弧室微水含量對應的狀態(tài)單位：μL/L

六氟化硫電氣設備的4個(gè)特征量越小越優(yōu)，故選擇式（1）作為歸一化函數

其中，f（x）為隸屬函數自變量；
x為參量原始數據；
b為規程中規定的閾值。

根據國家電網(wǎng)公司變電檢測管理規定：有電弧分解物隔室的運行中微水含量要求不大于300μL/L，無(wú)電弧分解物隔室的微水含量不超過(guò)500μL/L，氣體泄漏率不超過(guò)1%，分解產(chǎn)物不超過(guò)10μL/L，由此可知各特征量閾值。

由式（1）可以得到表1相應的歸一化值，其他氣室微水量、氣體泄漏率和分解產(chǎn)物類(lèi)似。

1.3 特征類(lèi)型的選取

六氟化硫電氣設備絕緣狀態(tài)界限不是特別明顯，因此對六氟化硫電氣設備的不同絕緣狀態(tài)進(jìn)行描述時(shí)可用信息熵。信息熵是描述系統混亂的程度，熵值越高系統越混亂。不同方面的有序程度可以用不同的熵進(jìn)行描述?？梢詫⑾到y信息熵定義為：設W是一個(gè)可測集合類(lèi)v生成的代數和，具有p測度，p（W）=1的勒貝格空間，且其有限劃分C={Ci}中互不相容集合的形式可以用W表示，即

本文通過(guò)采用小波能量譜熵、功率譜熵、奇異譜熵、小波空間狀態(tài)特征譜熵的特征來(lái)描述六氟化硫電氣設備的絕緣狀態(tài)。

1.4 隸屬度函數類(lèi)型的確定

由于六氟化硫電氣設備不同絕緣情況下，同一熵特征均服從高斯分布，因此隸屬度函數可選擇高斯型，即

其中，a、b分別為期望和均方差，為了得到隸屬度函數矩陣，采用樣本參數估計的方法。

表2—表5為六氟化硫電氣設備特征量功率譜熵對應的a、b值。

表2 小波能量譜熵在不同情況下的期望和均方差

表3 功率譜熵在不同情況下的期望和均方差

表4 奇異譜熵在不同情況下的期望和均方差

表5 小波空間狀態(tài)特征熵在不同情況下的期望和均方差

首先，對4個(gè)特征量的樣本數據提取4種熵特征，確定出隸屬度函數的參數，再融合不同特征量的數。例如，提取某六氟化硫電氣設備各絕緣狀態(tài)下的微水量，得到該樣本小波能量譜、功率譜、奇異譜和小波空間譜，然后代入式（4）可得到各絕緣狀態(tài)隸屬度值：

各熵值之間相互支持的程度通過(guò)隸屬度間偏差大小來(lái)衡量，定義dij越大兩不同熵值之間的支持度就越低，dij越小兩不同熵值之間的支持度就越高。因此，同一特征量不同算法的融合度函數可定義為

為了保證達到最大的可信度，確定第i個(gè)熵值其他熵值的相融度時(shí)，可取與第i個(gè)特征熵值相融度中最小的其他熵值，即得到：

設第i個(gè)特征量的權系數可由si在總相融度中所占的比重確定，即

由此得到權重系數向量為

融合后的滅弧氣室微水量屬于各絕緣狀態(tài)的隸屬度為

通過(guò)上述方法，就完成了某一個(gè)特征量的絕緣性能評價(jià)的融合，以此類(lèi)推可得到另外3個(gè)特征量絕緣狀態(tài)判別的結果，然后利用證據理論進(jìn)行絕緣判別。

同時(shí)，由于提取了六氟化硫電氣設備絕緣性能的M類(lèi)特征，基本信任分配函數對應為m1，m2，...，mM，并且每類(lèi)特征都與相同的K類(lèi)絕緣狀態(tài)對應，因此，基本信任分配函數的焦元也相同。

基本信任分配函數的值可由融合后的隸屬度值轉化得到，為滿(mǎn)足∑m（Ai）=1，可由式（7）來(lái)確定：

由于存在多類(lèi)特征，進(jìn)行兩兩融合時(shí)采用證據理論，即對m1，m2，m3，m4兩兩融合得到：

根據以上判斷，該六氟化硫電氣設備絕緣類(lèi)型為良好，并且與實(shí)際情況相符。同時(shí)，也可采用同樣的方法對于其他樣本數據進(jìn)行識別。篇幅有限不一一列舉。

利用連續采樣六氟化硫電氣設備的4個(gè)特征量進(jìn)行分析判斷，通過(guò)大量的測試數據，得到相應的評判范本。然后將需要測試的六氟化硫電氣設備參數利用該范本進(jìn)行絕緣能力判別。本文綜合考慮各類(lèi)特征間的相互關(guān)系，避免產(chǎn)生融合過(guò)程中的主觀(guān)化，提出了基于模糊證據理論的識別方法，該方法能對各種情況下的六氟化硫電氣設備特征進(jìn)行有效融合，并通過(guò)實(shí)驗證明了該方法的有效性。