2014年第8卷第4期 2014 Vo1.8 No.4 南方电网技术 SoUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY 输配电技术 Ttansmission&Distribution 文章编号:1674-0629(2014)04-0116—06 DOI:10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2014.04.023 中图分类号:TM421 文献标志码:A 基于熵值赋权法的配电变压器状态评估方法研究 阳东升 ,范帅 ,刘子兴 ,林呈辉 ,梁海峰 (1.贵州电力试验研究院,贵阳550002;2.华北电力大学电力工程系,河北保定071003; 3.河北安新供电公司,河北安新07160o) 摘要:当用若干个指标进行综合评估配电系统运行时,合理分配变压器评估过程中各指标的权重值是保证评估结果客 观准确的基础,也是保证评估质量的关键。通过对样本数据的分析,运用熵值客观赋权法与改进层次分析主观赋权法 相结合的方式得到评估指标的权重值,既避免了主观赋权的相悖性,又考虑了专家经验的重要性。通过对油浸式配电 变压器运行实例的分析,验证了所提方法的有效性。 关键词:配电变压器;状态评估;熵值法;改进层次分析法 Study on Condition Assessment Method of Distribution Transformer Based on Entropy Weight Method YANG Dongsheng ,FAN Shuai ,LIU Zixing ,LIN Chenghui ,LIANG Haifeng (1.Guizhou Electirc Power Testing&Research Institute,Guiyang 550002,China;2.Department of Electircal Engineering,North China Electirc Power University,Baoding,Hebei 071003,China;3.Hebei Anxin Power Supply Company,mnxin,Hebei 71600,China) Abstract:Timely and accurate grasping the state of the distribution transformer has impo ̄ant guidance signiicance to distfibutiron transformer maintenance and evaluation of power system operation isk.When a number of irndex are using to evaluate the condition of a transformer,the values of index weights are very important to the assessment results.Through the analysis of sample data,the com— bination of entropy objective weighting method and improved analytic hierrchy aprocess subjective weighting method is used to get the values of index weights in the paper.Through the analysis of an oil—immersed distribution transformer.the effectiveness of the pro— posed method is verified. Key words:distribution transformer;condiion assessment;en ̄opy metthod;improved analytic hierarchy process 为了使配电变压器保持良好的运行状态,防止 阵。经一致性检验后计算判断矩阵的特征向量,作 为指标的权重值。层次分析法对各指标间的重要程 度分析可信度较大,然而当评估指标数较多时,易 事故发生,对其健康状态进行准确的评估显得至关 重要。目前已有一些试验和监测技术被用于配电变 压器状态的评估和诊断 J,但对配电变压器状态评 估方法的研究仍然较少。用若干个指标进行综合评 估时,各指标权重值的确定是保证评估结果客观准 确的基础,也是保证评估质量的关键。文献[5]基于 故障统计数据对配电变压器状态进行评估,不能反 产生判断模糊,给出的判断矩阵很难满足一致性要 求,且针对每个专家的评价建立判断矩阵,计算量 较大,当评价指标改变时需重新建立判断矩阵。文 献[10—11]应用灰色关联法确定指标权重,可以避 免专家意见不统一造成的权重分配错误,但该方法 中分辨系数的确定是难点之一。 本文通过运用熵值客观赋权法与改进层次分析 主观赋权法相结合的方式综合得到评估指标的权重 值,既避免主观赋权的相悖性,又考虑专家经验的 重要性。通过对油浸式配电变压器运行实例的分 析,验证所提方法的有效性。 映个体配电变压器的实际状态。文献[6—7]的方法 是由专家依据指标的主观重要程度直接给出其权重, 结论获取容易但当目标较多时难以做到客观合理, 且不易保证判断标准的一致性。文献[8—9]采用层 次分析法,专家对于评估体系中各层次的因素进行 两两比较判断,通过引人合适的标度,得到判断矩 第4期 阳东升,等:基于熵值赋权法的配电变压器状态评估方法研究 1 状态评估指标权重的确定 状态评估指标权重的确定大体可分为主观赋权 法和客观赋权法2种。主观赋权法主要由专家根据 经验得到,其优点是计算简单,但主观随意性较 大;客观赋权法通过对统计数据本身的客观信息进 行提取分析,以确定指标权重的大小,但不可避免 的缺陷是确定的权值有时与指标的实际重要程度 相悖。 1.1 配电变压器评估指标的选取 为尽量使评估指标全面、真实地反映配电变压 器的运行状态,考虑到配电变压器状态评估的可操 作性,选择以变压器部件为分类标准的包含试验信 息、运行信息、巡检信息的状态参量。根据配电变 压器故障的形成机理,以及相关标准 J,建立层次 型的配电变压器状态评估指标体系。 以油浸式配电变压器为例,一级指标(以部件分 类):绕组及套管 。、分接开关 、油箱墨、非电 量保护 、接地 、绝缘油 、标识X7;一级指 标又包括若干二级指标,其层次结构如表1所示。 表1 油浸式配电变压器评估指标体系 Tab.1 Oil-Immersed Distribution Transformer Evaluation Index System 1.2客观权重的确定 熵值法是一种客观赋权法,它利用了原始数据 提供的信息,在实践应用中是一种简单可行的 方法。 采用信息熵来反映各指标数据变化量大小对权 重的影响,即当某一指标状态量数据变化量较大 时,该指标的权重也应加大。在具体的评估过程 中,对于主观权重差别不大的各指标而言,状态量 数据本身的变化更能反映指标的相对重要性。因 此,有必要根据状态量数据的变化量来确定各指标 间的动态权重,并对主观权重进行修正。 设有m个待评组,n项评估指标的指标数据矩 阵为 : Xl1 X12 X2l X22 X= Xil X 1 Xm2 对于第 项指标,若各待评对象的指标值x ,间 的差距越大,则该指标在综合评价中所起的作用就 越大;反之,作用越小。在信息论中,信息熵是系 砌 .统无序程度的度量,其表达式为 : n n ej:一k∑p(x )1n p(x ) (2) 式中:X 为第i个状态值(共有m个状态);P(X ) 为出现第i个状态值的概率,在指标数据矩阵 中,某指标值差异程度越大,信息熵越小,则该指 标的权重越大;反之亦然。所以,可根据各指标的 差异程度,利用信息熵。对各指标初步给定的权重 进行调整,以做到动态赋权。以下介绍熵值法调整 权重的步骤。 1)构建样本矩阵,如式(1)所示。 2)计算指标值X ,在指标 下的比值p(x ,): p(x“)= 。 (3) ∑ i=1 3)计算指标-『的熵值ej: ej=-k∑p(x )ln p(x ), (4) l=l 式中,k=l/ln( ),k>1,且0≤ej≤1。 南方电网技术 第8卷 4)计算指标 的差异性系数g : gj=1一 (0≤gj≤1)。 (5) 对于给定的指标 ,x 的差异性越小,则ej越大; 当x 全部相等时,ej=e…=1,此时指标 几乎无 作用;当各待评的指标值相差越大时,该项指标对 于待评对象比较所起的作用越大。当gj越大时,指 标越重要。 5)计算权重: = 。 (6) J=1∑ 1.3主观权重的确定 使用层次分析法时,一致性检验必不可少。在 实际判断时,一般凭着大致的估计来调整判断矩阵, 带有随意性,通常要通过多次调整才能满足一致性 检验。为了解决这个问题,利用最优传递矩阵,对 一般的层次分析法进行了改进,使之满足一致性要 求,直接求出相对权重,即改进的层次分析法。 设某个评判问题有m个因素,组成集合G= {G ,…,G },r个专家组成集合S={S ,…, S,},由 中各专家对G中的各项因素进行综合评 估,构造判断矩阵。若以 表示专家评估的总体 标准差,则有: c (7) 其计算结果存在2种情况:o- <1和存在 ,≥1。 若 <1,可认为专家组的意见较统一,此时用 各专家判断值的算术平均值作为群组判断的结果; 若存在 ≥1,则表明专家的意见分歧较大,此 时不能用各专家判断值的算术平均值作为群组判 断的结果。可以有2种做法:一是请意见与大多 数专家相悖的专家修改自己的判断,使之满足条 件 <1,然后按其过程计算各因素相对权重; 二是沿用现有的各判断并对其进行数学处理使之 更加符合实际。 从客观上讲,专家组不可能处于同一尺度,因 此必须考虑专家个体之间的差异性,可以引人专家 权威度这个概念来表征这种差异。但是,专家权威 度是一个更为模糊的概念,不好衡量。因而本文没 有考虑专家组成员的个体差异,即认为所选取的专 家组成员专家权威度一样。 1.4主客观权重的组合赋权 为了克服主观权重法的不足,可以利用客观权 重法¨ 。但客观权重法过分依赖于客观数据,而 忽视了专家在确定权重中应有的重要性,计算出的 结果也往往不尽如人意或相差较远。从而,权重的 正确确定应该是评价指标客观信息与评价者主观判 断两者综合的反映,应该把各评价指标的主、客观 权重进行综合,才能更好地反映各指标的实际权 重。在实践中,人们一般采用线性加权组合法来确 定评价指标的权重,即: 03i=8ai+(1—8)JB ,I『=1,…,n。 (8) 式中: 、 分别为第.,个指标的客观和主观权重; 6为各评价指标主、客观权重的偏好系数。对于线性 加权组合法来说,计算最终评价指标权重的关键是 确定主、客观权重的偏好系数6_l -121。考虑电气设 备状态评估的实际情况,尤其是目前配电设备的状 态量历史数据不多,因此应重视专家打分的权重, 即主观权重;因此在简化处理时,可以将6取为 0.5,即认为主观权重和客观权重同等重要,综合权 重为二者的算术平均值。随着状态评估工作的开展, 在状态量数据大量积累后,可以进一步采用历史数 据拟合的方式确定 值,达到更客观可信的目的。 2 实例验证 现有来自某城区配电变压器(型号为SBH15・M一 315/10)2009--2013年的各部件试验信息、运行信 息、巡检信息数据。根据行业标准相关规定 j,建 立了配电变压器状态量评分规则,以6O分为作为 危险限值,100分为满分,根据状态量的劣化程度 可得出具体分值,如表2一表4所示。 2.1客观权重确定 变压器电气试验项目的部分数据如表1所示。 根据1.2节中所述计算模型公式(1)--(6),电气 试验项目指标权重值确定过程如下: 1)用采集到的数据经过量化评分得到评分值并 构造矩阵 ; m 2)计算各评价指标和∑ 并生成矩阵H= [H ],然后根据每组数据中各指标 在指标整体中的比值得到矩阵P( ); 3)由公式(4)计算各指标的熵值e ; 4)由公式(5)计算出每项指标的差异系数gj; 5)由公式(6)计算出各指标的客观权重值 。 第4期 阳东升,等:基于熵值赋权法的配电变压器状态评估方法研究 119 表4配电变压器分接开、非电量保护、标识、接地装置、绝缘油数据 Tab.4 Distribution Transformer Tap Switch、Non-electrical Protection、identification、Earthing Device、Dielectric Oil Data 根据上述步骤可得到直流电阻、绝缘电阻、接 2.2主观权重确定 头温度、负载率、三相不平衡率、污秽水平及完整 根据文献[8],可以得到绕组及套管主观权重 的客观权重值oL,(绕组及套管权重值)为: 卢 、油箱主观权重卢。、接地主观权重卢 及绝缘油 l 11(0.116 7,0.010 8,0.006 9,0009 6, 主观权重 : 0.202 2,0.326 9,0326 9.) 1=(0.15,0.15,0.15,0.15,0.1,0.15, 根据表3变压器油箱部分数据,可得到油箱的 0.15); 声音、对地距离、密封、油位、呼吸器硅胶颜色、 /33=(0.17,0.17,0.17,0.17,0.06,0.11,0.15) 油温、锈蚀的客观权重值OL : =(O.4,Q 6); :(Q 2,Q 8)。 OL3=(0,0,0.119 9,0.140 8,0.033 0, 2.3组合权重的确定 0.339 4,0.367 0) 如前所述,将6取为0.5,即综合权重是主观 变压器分接开关、非电量保护、标识、接地装 权重和客观权重的算术平均值,根据式(9)得到的 置、绝缘油数据如表4所示。由于分接开关、非电 计算结果如表5一表8所示。 量保护、标识三个部件只有一个状态量,所以权重 按照相似步骤可以得到绕组及套管、分接开 :、 、O/ 都为1。计算可得到接地装置、绝缘油 关、油箱、非电量保护、接地、绝缘油、标识7个 的客观权重值 、Ot 分别为:Ot =(0.947 5, 方面的变压器权重 , =(0.175 l,0.212 3, 0.052 5),Ot =(1,0)。 0.086 7,0.060 4,0.286 4,0.129 1,0.050 0)。 120 南方电网技术 第8卷 3配电变压器运行状态评估 评判方法模型选用模糊综合评判法,权系数矩 阵为2.3节计算结果,采用最近一次数据进行状态 评估,状态评估隶属度函数如图1所示。 危险 异常可疑正常良好 (0.O0 0,0.000 0,0.000 0,0.000 0,1.000 0)。 油箱的评价判式:B =(0.000 0,0.000 0, 0.336 l,0.245 8,0.418 1)。非电量保护的评价判 式:B :(0.000 0,0.000 0,0.000 0,0.600 0, 0.400 0)。接地的评价判式:B5=(0.000 0,0.000 0, 0.133 5,0.092 7,0.773 8)。绝缘油的评价判式:B6: (0.0000,0.000 0,0.000 0,0.(11300,1.000 0)。标识 隶 属 的评价判式:B =(0.000 0,o_000 0,0.000 0,0.000 0, 1.000 0)。 10 20 30 40 5O 60 70 80 9o 100 度 表7接地装置的组合赋权 Tab.7 Earthing Device of the Combination Weighting 得分 图1 配电变压器状态评估隶属度函数 Fig.1 The Membership Function of Distribution Transformer Condition Assessment 将原始状态量转化后,代入相应的隶属度函 数,得评判矩阵R (下标1表示绕组及套管,矩阵 表8绝缘油的组合赋权 Tab.8 Dielectric Oil of the Combination Weighting 的行元素分别对应危险、异常、可疑、正常、良好 5种状态): Q 000 0 Q 000 0 O.0O0 0 Q 790 7 Q 209 3 0.00OO(100O0 0_00O0 0.0000 1.0000 Q0OO 0 Q0000 Q5000 Q50O 0 Q00o0 Rl= Q00o0 Q0000 Q0OO 0 Q000 0 1.00o0 根据以上计算结果得到变压器的评判矩阵 ,: 0.000 0 0.000 0 0.314 1 0.180 8 0.5()5 1 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 1.0()0 0 0.()00 0 0.000 0 O_336 1 0.245 8 0.418 1 Q00o0 Q00O 0 Q0OO0 Q00O0 1.000 0 0.000 0 0.0000 0.0000 0.00O 0 1.00O0 Q0000 Q0000 1.000 0 Q0000 QO000 结合已求得的绕组及套管组合权重 。,则绕组 及套管的评价判式:B = R1=(0.000 0,0.000 0, 0.314 1,0.180 8,0.505 1)。 gT- ̄ .0.0Oo 0 o.000 0 0.000 0 0.600 0 0.400 0 0.000 0 0.000 0 0.133 5 0.092 7 0.773 8 0.000 0 O.000 O 0.0o0 0 O.O00 0 1.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 0.000 0 l_000 0 同理可得,分接开关的评价判式:B:: 第4期 阳东升,等:基于熵值赋权法的配电变压器状态评估方法研究 121 从而得到变压器的状态评价结果: Br=∞rR =(0.000 0,0.000 0,0.122 3, 0.115 8,0.761 9)。 对上述结果进行反模糊化计算,可得变压器状 态得分为87.48分,判定变压器整体处于正常状 态。分析原始数据,除变压器套管完整及油箱锈蚀 达到注意值,接地装置的接地电阻接近注意值之 外,其余指标都处于较好水平。实际情况是配电变 压器持续运行较长时间后,其各项数据稍有下降, 但整个变压器处于正常的运行状态。 4 结语 通过对大量样本数据的分析,运用熵值客观赋 权法对配电变压器综合评估指标中的定量指标进行 了权值确定。考虑到变压器运行的特殊性,状态评 估时需考虑专家的经验,因此将客观赋权法和主观 赋权法得到的权值结果进行了综合。实例验证表 明,运用本文所得到的组合权值,对配电变压器进 行状态评估所得结果符合实际,验证了所提方法的 有效性。 参考文献: YOUNG Zaidey,Mohd Aizam.Hannah.TNB Experience in Condition Assessment and Life Management of Distribution Pow— er Transofrmers l C I//2Oth International Conference on Elec— tricity Distribution.Prague,Czech Republic,2009:1—4. 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