模糊聚类法在继电保护状态检修中的应用

吕文超，吕飞鹏，张新峰

（四川大学电气信息学院，成都610065）

目前，我国的继电保护设备以计划检修为主，但这种不考虑设备情况单纯按周期检修的方式，不免出现以下弊端：如“过剩检修”[1]，“维修不足”，盲目检修等，并且，检修期间的停电会对国民生活生产造成影响。所以，无论从电力系统自身的发展还是满足国民需求上，准确掌握继电保护设备状态、适时实施检修的状态检修方式都是一种趋势。

文献[2]表明，我国输变电设备的状态检修尚处在起步阶段，全面实施状态检修是一个庞大的系统工程，既是在线检测、通信、状态诊断技术的变革，也是电力系统管理模式的变革[3]。目前，全面实施状态检修还存在诸多问题，比如：状态信息采集的实时性和准确性如何保证，实施状态检修过分依赖在线检测系统，对于设备健康状态评估缺乏有效的方法，检测分析技术人员缺乏横向联系，难以形成跨专业的检修系统，缺乏状态检修总体策略的研究等。

随着智能电网技术的不断发展，目前的微机保护设备大多都具备在线传递数据和自检功能[4]，文献[5]表明可将保护数据和自检信息回传到电力SCADA 系统中，为状态检修提供了重要依据。本文综合两种信息采集方法，运用模糊数学法处理数据，提出一种状态评估模型，通过实例证明了该方法的可行性，现介绍如下。

1 设备状态信息的采集

数据采集方法分为在线、离线两种。通常的在线采集方法需额外安装在线采集信息的硬件装置，而此过程不免停电，且耗资巨大，所以本文通过电力SCADA 系统，深度挖掘继电保护装置状态数据，实现不停电采集设备状态信息，保证数据的实时性和准确性，能有效避免停电带来的不便。

微机保护装置自带的智能诊断功能，网络监控和通信功能，为二次设备的在线监测提供了技术支持。文献[6]表明保护装置可通过自身监测软件对装置的I/O 接口、A/D 转换、存储器、电源、CPU等插件进行状态诊断。可以采用比较法、校验法、编码法、监视定时器法、特征字法等测试方法，使保护装置可通过加载诊断程序，自动测试每台设备和部件的状态，依靠电力通信功能，变电站自动化系统可将查询结果上传至监控主站。目前，可以在线获得的数据主要有介损、泄漏电流、局部放电等。

对常规继电保护设备实施在线监测存在较大困难。原因在于二次回路由大量继电器和连接电缆组成，点多、分散，要实现在线监测继电器和回路接线状态，不仅技术难度过大，也不经济。所以，继保设备状态的全面监测需要检修工人的离线检修记录做辅助。

离线数据采集主要包括工人的巡检、例行试验和诊断试验获得的数据，如二次保险熔断、直流回路绝缘等情况。离线采集数据能有效弥补在线监测的技术盲点，避免全网实施在线监测带来的高成本问题。目前，离线监测的主要技术手段有：利用便携设备常规测量，红外、紫外监测技术等。部分设备状态信息量的采集见表1。

表1 状态信息量采集Fig.1 State distribution of the relay equipment

2 数据模糊聚类分析

电气设备的状态评估是实施状态检修的基础，此环节直接关系到状态检修能否正常进行。本文应用模糊C 均值聚类FCM（fuzzy C-means clustering）算法[7]对数据进行模糊聚类分析，结合专家评判法，对设备状态进行评估，避免了根据参数限值进行状态评估而导致误差过大的弊端。

模糊聚类的基本思想是通过不断地调整每组的聚类中心，使得非相似性指标的目标函数达到最小，即找到模糊划分矩阵（uij）c×n及类的中心B = {v1，…，vc}使得给定的目标函数最小。

式中，d（xj，vi）表示样本数据xj与中心vi的距离。记

将数据集X 划分成c 类的FCM 算法迭代过程如下。

步骤1 取定c，2≤c＜n，取定m，初始化矩阵U（0）∈Mfc，设置循环次数s=0，1…

步骤2 用U=Us计算c 个向量vi=

步骤3 修改U=U（s+1）∈Mfc。记dij=d（xj，vi），对每个固定的i，如果对所有样本点1≤j≤n，都有dij＞0，则

否则，如果dij＞0，则uij=0，uij∈[0，1]，且表明样本xi只属于其中的某一类，不能同时属于两类以上表明每一类至少含有一个样本。

步骤4 取定任意小的实数ε，如果范数则停止循环，否则，令s=s+1 并返回步骤2。

依据上述算法，本文将采集到的数据聚类成七个模糊集[8]，分别与继电保护设备的故障模式（良好、一般良好、一般、一般注意、注意、注意不良、不良）一一对应，建立设备状态参量与设备健康状态的量化关系，改变了以往单一的逻辑（正常-故障）判断模式，使得检修人员能有效的监测设备状态变化，为制定检修计划提供重要参考。继电保护设备状态分布如图1 所示。

图1 保护设备状态分布Fig.1 State distribution of relay equipment

3 状态评估系统设计

根据设备历史检修记录，建立设备历史故障信息数据库，其中应包括每种设备的典型（正常与非正常）状态信息，并由专业人员依据检修结果对数据库进行维护。系统将输入的状态量经模糊化处理后与数据库中信息集合进行贴近度[8]匹配，查出最接近的情况，为故障状态的确定提供依据；若库中没有对应的故障信息，或贴近度低于阈值，则需及时更新数据库状态。流程如图2 所示。

图2 状态评估系统流程Fig.2 Flow chart of state assessment system

状态检修的难点是设备状态的量化评价，通常无法直接得到设备的寿命模型，必须通过分析设备运行的状态参数来间接得出设备当前的健康状态。每个状态量都可以不同程度地反映设备状态，运用模糊数学方法，赋予每个状态量一个权重系数，采用加权平均法对不同状态量的同一分类指标进行状态量的综合，从而准确掌握设备的当前状态公式表示。

每台设备出现的各种故障征兆可构成一个集合，即因素集。用状态向量表示为

式中：n 表示征兆的数目；ki为模糊变量，其隶属度表示为μki（xi），令

由这些征兆对应设备的状态矩阵（判断集）为

式中：m 表示设备状态种类的数目；dj为模糊变量，其隶属度函数为μdj（yj），令

对单个因素ki（i=1，2，…，n）的评判，得到D上的模糊集（ri1，ri2，…，rin），它是由K 到D 的一个模糊映射

因为设备状态与故障征兆之间表现出错综复杂的关系，同一种状态往往对应着多种故障征兆，同一种故障征兆又可能对应着多种设备状态，本文结合模糊统计法和专家经验法确定模糊评判元素rij，即请各位专家独立认真思考各个设备状态的定义，参考继电保护设备状态检修规程，分别给出他们认为各个状态最合适的量值区间，由于每位专家对设备状态这一模糊定义的理解有差异，所得区间不可能完全相同，但应相差不大。公式表示为

从而确定模糊评判矩阵R，即

则综合评判矩阵

式中，“◦”为广义的模糊逻辑算子[9]，代表不同的模糊逻辑运算，令

其中，i=1，2，…n，0≤di≤1，dmax即为故障特征ki的隶属度，按照最大隶属度原则可确定设备状态。

设备状态评估不同于设备缺陷的诊断，不是试图得到设备确切的缺陷信息，而是依据设备状态信息对设备做出分级性评估。根据实际运行情况，将检修记录反馈回系统，以便对相关内容进行更新，如果某种故障模式经常发生且系统都给出了正确的判断，就要把故障模式表中该故障模式的故障征兆的隶属度值适当提高；若系统多次发生了相同的误判断，要把对应的故障征兆隶属度值减小，以增大运行过程中得出正确判断的概率。

4 检修策略建议

首先，对继电保护设备引入寿命管理机制，根据状态评估的结果，当设备状态为一般良好及其以上时表示可以继续正常运行，允许延长检修周期；当超过注意值或接近注意值的趋势明显，且该设备有危害安全运行的家族性缺陷，系统发出警报，应安排检修人员进行检修，并将检修结果上传至系统，系统维护人员可根据回传结果对系统进行维护，引入反馈机制，检修完成后检查SCADA系统中的数据是否与检修结果一致，这样对在线系统的性能又有了进一步的确认和完善。

其次，设立继电保护设备状态检修应急预案，若发生突然状况（雷击、雪灾等）引起设备状态突变，比如从良好跃变到不良，系统应能够快速识别故障状态，并发出警报，立即安排工人检修，必要时考虑该退出运行，自动启用备用设备。

此外，要加强高素质人才队伍的培养，对状态检修工作人员要定期进行专业知识培训和考核，提高工人技术水平。要加强工人的责任意识和整体策略意识，树立全局观念，这样不仅能有效提高离线采集信息的准确度，还能提高检修效率，做到以最小的投入保证状态检修的准确性、实时性和高效性，保证电网安全稳定运行。

最后，要加紧继电保护设备状态检修相关法规的出台和完善，制定切实可行的状态检修管理制度，使状态检修真正做到预防为主。目前看来，要使状态检修真正有效的落实，使电网安全处于“可控”状态，不仅是技术问题，更需要管理体制的变革。

5 算例分析

本文以许继公司生产的WXH-820 系列微机线路保护测控装置为例进行分析，征兆值及说明见表2。

首先，令c=7，m=2，ε=0.001 运用FCM 算法，将处理得到的数据分成7 个模糊集。

表2 WXH-820 系列微机保护装置状态征兆及说明Tab.2 WHX-820 series of microcomputer protection signs and descriptions

其次，依据表2 中数据对设备状态区间做出评价，由式（10）可得模糊评判矩阵

由式（7）得

则由公式（12）得

由式（13）得dmax= 0.57，表明其对应的微机保护装置状态是“良好”的可能性是57%，无需检修。

算例证明，模糊聚类方法能有效克服区间边界过硬的弱点，将连续量转化为离散量，最终软化属性论域的边界问题；模糊隶属度表明了某征兆隶属于某状态的程度，能有效避免单纯逻辑判断的片面性。

6 结语

对继电保护设备实施状态检修是电力系统快速发展的需要，也是建设智能电网迫切的要求。随着电力系统自动化元件、计算机技术、微电子技术、通信技术等的高速发展和微机继电保护装置的大量应用，使电力系统二次设备运行的可靠性极大提高，设备的自诊断功能日趋完善。在线监测技术和自诊断技术的逐渐成熟使得实施状态检修成为可能。本文充分利用SCADA 系统现有资源，辅以巡检记录，运用模糊数学方法深度挖掘数据，可有效降低检修成本，提高检修工人效率，提高继保设备的可靠性，使得电网处于可控状态。

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