文中，盧振鵬，朱博云，吳金輝，譚坤僑

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

文中，盧振鵬，朱博云，吳金輝，譚坤僑

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)直接影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為了正確的評(píng)估運(yùn)行中架空輸電線路的可靠性，提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法?；贐ayes網(wǎng)絡(luò)建立的架空線評(píng)估數(shù)學(xué)模型不僅可以得出輸電線路及各部件的4種運(yùn)行狀態(tài)概率，還可以很清楚的看到各部件對(duì)輸電線路運(yùn)行的影響，便于線路的狀態(tài)檢修，另外，針對(duì)傳統(tǒng)傳統(tǒng)的重要度計(jì)算過(guò)于主觀或客觀的不足，在計(jì)算權(quán)重時(shí)提出了一種主客觀賦權(quán)法。通過(guò)實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該模型的有效性。

架空輸電線路；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；狀態(tài)評(píng)估；主客觀賦權(quán)法

1 引言

輸電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要功能是傳輸電能，輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的好壞對(duì)提高電力系統(tǒng)安全性有著十分重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估已取得一定的成果。文獻(xiàn)[1]考慮環(huán)境對(duì)輸電線路故障的影響，建立了輸電線路可靠度計(jì)算分段串聯(lián)模型，運(yùn)用簡(jiǎn)單界限理論計(jì)算出可靠度的上下界；文獻(xiàn)[2]應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了架空輸電線路狀態(tài)評(píng)估數(shù)學(xué)模型，但未考慮客觀因素影響，且線路單元不夠全面；文獻(xiàn)[3]提出考慮日常維護(hù)對(duì)線路可靠性影響的可靠性評(píng)估模型，運(yùn)用馬爾科夫隨機(jī)過(guò)程理論可計(jì)算出輸電線路可靠性指標(biāo)；文獻(xiàn)[4]介紹了一種新的輸電線路熱老化評(píng)估方法，可預(yù)測(cè)線路抗張強(qiáng)度的損失，這個(gè)對(duì)線路定期檢查和維修很有幫助。這些線路評(píng)估的方法沒(méi)有考慮到架空輸電線路的各個(gè)方面，并且對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的確定都太客觀或者主觀。因此本文提出一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法，構(gòu)建線路以及各部件的評(píng)估模型，并采用主客觀賦權(quán)法確定線路各指標(biāo)，最終得出架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是Peral于1986年提出的一種基于不確定性知識(shí)的表達(dá)和推理方法，被認(rèn)為是近10年來(lái)在人工智能領(lǐng)域最重要的研究成果之一。作為一種基于概率的不確定性推理方法，在處理不確定性知識(shí)的智能化系統(tǒng)中已得到重要的應(yīng)用，一種對(duì)概率關(guān)系進(jìn)行有向地圖解與描述的方法，它為知識(shí)提供了一種直接地圖解可視化方法。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型是一種基于概率分析、圖論的不確定性知識(shí)和推理模型，是將因果知識(shí)和概率知識(shí)相結(jié)合的信息表示框架，是一種有向無(wú)環(huán)圖。如一個(gè)簡(jiǎn)單的Bayes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)W→X→Y→Z，想知道Z存在條件下，W發(fā)生的概率p(W|Z)，由條件概率的公式，可得:

(1)

p(W,X,Y,Z)就是Bayes網(wǎng)絡(luò)決定的聯(lián)合概率分布，因系統(tǒng)中的狀態(tài)數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)呈指數(shù)分布，直接計(jì)算概率分布一般不可行，因此有必要在網(wǎng)絡(luò)中引入條件獨(dú)立關(guān)系，可使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化。

3 狀態(tài)評(píng)估模型

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估主要是對(duì)桿塔、絕緣子、金具、導(dǎo)線和地線、基礎(chǔ)、接地裝置、通道環(huán)境、附屬設(shè)施8個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)分別進(jìn)行評(píng)估如圖1,得出這8個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)概率,然后根據(jù)這8個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)對(duì)整個(gè)架空輸電線路進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估,最后得出整個(gè)架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)概率。

圖1 架空輸電線路的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

A～H分別表示桿塔、絕緣子、金具、導(dǎo)線和地線、基礎(chǔ)、接地裝置、通道環(huán)境、附屬設(shè)施8個(gè)部件，每一個(gè)部件都有各自的子事件。如桿塔可劃分為A1,A2,…,A9,9個(gè)子事件的含義見(jiàn)表1。

表1 桿塔各子事件的含義

再將每個(gè)子事件定義4個(gè)狀態(tài)，即良好狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)。運(yùn)行工作人員根據(jù)相應(yīng)狀態(tài)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，把每個(gè)桿塔部件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，每一個(gè)桿塔子事件的權(quán)重(對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響概率)用本文提出的主客觀賦權(quán)法求出。最后根據(jù)模型的計(jì)算方法求出各種狀態(tài)的運(yùn)行概率。

4 模型算法

4.1 模型的數(shù)學(xué)算法

本文算法以桿塔為例，假設(shè)相應(yīng)子事件的桿塔總數(shù)為A1,A2,…,A9，根據(jù)桿塔的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及工作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)所評(píng)估的線路的資料進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，得出桿塔九個(gè)子事件良好狀態(tài)的個(gè)數(shù)分別是L1,L2,…,L9；注意狀態(tài)的個(gè)數(shù)分別是Z1,Z2,…,Z9；異常狀態(tài)的個(gè)數(shù)分別是Y1,Y2,…,Y9；嚴(yán)重狀態(tài)的個(gè)數(shù)分別是E1,E2,…,E9，由此得出桿塔每個(gè)子事件的狀態(tài)概率。

則桿塔第i個(gè)子事件的狀態(tài)概率如下：

良好狀態(tài)概率：

(2)

桿塔的良好狀態(tài)概率則為：

(3)

依次可以求出桿塔注意狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)的概率。

由于不是所有線路上不是所有的桿塔都是鐵塔或者拉線塔，也就是說(shuō)不是所有的桿塔都包括這9個(gè)基本事件，因此，根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)得出的運(yùn)行狀態(tài)概率必須進(jìn)行歸一化處理。即：

桿塔良好運(yùn)行狀態(tài)概率：

(4)

根據(jù)前面介紹的評(píng)估數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算出輸電線路各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)概率，再求出各部件對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的影響度，假設(shè)為Ra，Rb，Rc，Rd，Re，Rf，Rg，Rh，則線路運(yùn)行狀態(tài)概率為：

p(l)=p(AL)Ra+p(BL)Rb+p(CL)Rc+p(DL)Rd+p(EL)Re+p(FL)Rf+p(GL)Rg+p(HL)Rh

(5)

依次可以分別求出桿塔注意運(yùn)行狀態(tài)概率p(z),異常運(yùn)行狀態(tài)概率p(y),嚴(yán)重運(yùn)行狀態(tài)概率p(e)。

4.2 權(quán)重的計(jì)算

由于人為的不確定性，方法結(jié)構(gòu)、選用的差異性，以及分析視角的不同，不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)同一評(píng)價(jià)對(duì)象得到不一樣的結(jié)果，因此本文提出一種主客觀組合賦權(quán)法。

(1)層次分析法(APH)

APH法的基本思想是把一些復(fù)雜的問(wèn)題分解成多個(gè)元素，將這些元素按支配關(guān)系形成有序的遞階層結(jié)構(gòu)按照一定的比例標(biāo)度見(jiàn)表2，通過(guò)兩兩互相比較判斷定量化形成一個(gè)判斷矩陣。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及含義

由于判斷矩陣中的每列基本反映了權(quán)值的分配情況，因此可以采用所有列向量的算術(shù)平均值來(lái)計(jì)算權(quán)向量，即

(6)

(2)均方差法

該方法是用同一指標(biāo)觀測(cè)值之間的差異程度來(lái)反映其重要度，該方法不帶任何主觀色彩。其主要思路是根據(jù)多條線路各部件評(píng)分建立指標(biāo)值矩陣，再以均方差法計(jì)算權(quán)重，即

(7)

其中

(8)

(9)

最終根據(jù)不同地區(qū)的線路運(yùn)行特點(diǎn)，采用一個(gè)合適的經(jīng)驗(yàn)因子綜合主客觀權(quán)重，即

(10)

5 實(shí)例驗(yàn)證

宜昌某110kV架空輸電線路，線路全長(zhǎng)8.45km。根據(jù)工作人員對(duì)該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算，得出桿塔各部件子事件的判斷矩陣近似為

矩陣的第1行至第8行分別代表?xiàng)U塔、絕緣子、金具、導(dǎo)地線、基礎(chǔ)、接地裝置、通道環(huán)境、附屬設(shè)施8各部件子事件的權(quán)重。再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的資料得出各部件的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3中的架空輸電線路各部件的運(yùn)行狀態(tài)概率，可以看出整條線路中的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)及時(shí)檢查并檢修這些環(huán)節(jié)的部件。由層次分析法得出架空輸電線路各部件的重要度見(jiàn)表4。

表3 架空輸電線路各部件運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估結(jié)果

表4 架空輸電線路各部件層次分析法求出的重要度

根據(jù)對(duì)多條線路部件的資料統(tǒng)計(jì)打分，經(jīng)均方差法計(jì)算得出各部件的重要度見(jiàn)表5。

表5 架空輸電線路各部件均方差法求出的重要度

比較表4和表5可以看出，層次分析法和均方差法求出各部件的權(quán)重有一定的區(qū)別，如基礎(chǔ)、通道環(huán)境、附屬設(shè)施都有很大變化，這主要是由于外破越來(lái)越嚴(yán)重導(dǎo)致而成的。

經(jīng)分析比較，取經(jīng)驗(yàn)因子為0.6較為合適。則架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)概率見(jiàn)表6。

表6 架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)概率

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)可知，線路整體可靠性較高，與實(shí)際情況相符。當(dāng)線路處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)后向推理技術(shù)可以向前推出各部件發(fā)生故障的概率。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型，是根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論建立的。該模型可以求出架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)概率以及各部件的運(yùn)行狀態(tài)概率，并可以計(jì)算出不正常運(yùn)行狀態(tài)是各部件發(fā)生故障的概率，從而分析出線路薄弱的地方，給工作人員的檢修工作帶來(lái)了極大方便。另外本文在確定各部件權(quán)重時(shí)，既利用了大量的歷史數(shù)據(jù)，又考慮了決策者的先驗(yàn)知識(shí)，是一個(gè)很合理的解決方案。

[1] 牛春節(jié).高壓架空輸電線路可靠性評(píng)估方法的研究[D].華北電力大學(xué),2008.

[2] 韓富春，董邦洲，賈雷亮，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估[J] .電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008,20(1):101-104.

[3] 賀金定，賀星棋.考慮可修多狀態(tài)的輸電線路可靠性評(píng)估模型[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(4): 11-14,53.

[4] Md.Mafijul Islam Bhuiyan,Petr Musilek,etl.Evaluating thermal aging characteristics of electric power transmission lines[J] .Electrical and Computer Engineering(CCECE),2010 23rd Canadian Conference,2010,1-4.

Operation State Evaluation of Overhead Transmission Lines Based on Bayesian Network

WENZhong,LUZhen-peng,ZHUBo-yun,WUJin-hui,TANKun-qiao

(School of Electrical Engineering &Renewable Energy,Three Gorge University,Yichang 443002,China)

The running state of overhead transmission lines directly affects the reliability of the entire power system operation.In order to assess the reliability of the running overhead transmission lines correctly,a method for operation state evaluation of overhead transmission lines based on Bayesian network was presented.The math model of the evaluation of overhead transmission lines based on Bayesian network can not only carry out four kinds of the state probability of overhead transmission lines and each part of lines but also can see the impact of every component of overhead transmission lines clearly,which is easy to the state maintenance of overhead transmission lines.In addition,aiming at the shortcoming of subjective or objective method of the importance calculation,proposes a subjective and objective method to calculate the importance was proposed.The evaluation method can make correct assessment according to the calculation of a example.

overhead transmission lines;Bayesian network;state evaluation；subjective and objective method

1004-289X(2015)05-0041-04

TM72

B

2015-04-08

文中，(男，1968-)，副教授，主要從事輸電工程方向。