电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法设计

田宏明

(湖南新华供电有限公司,湖南 长沙 410000)

热加工企业在我国经济发展中属于能源支柱企业,占据主要地位[1]。热加工电加热变电设备在结构中的数量随着用电结构复杂度的升高而增多。目前的电加热炉变电设备检测方法缺少事前预判步骤,主要以事后处理为主,针对电加热炉变电设备的性能基层工作人员难以全部掌握,且环境因素、工艺水平、检修状态和运行状态都会对电加热炉变电设备运行质量安全产生影响[2-3]。为了提高变电设备运行质量,需要对电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法进行研究。

侯栋宸[4]等人分析变电设备受安全漏洞和安全区分的影响,获取变电设备的运行质量指标,通过模糊层次分析方法对指标对应的权重进行计算,在攻击图理论的基础上建立风险传播模型,以此为依据完成电加热炉变电所运行质量的评价,但是该方法由于失效率高,导致评价效果不佳。杨春波[5]等人针对变电设备的运行状态,采用健康因子修正其健康状态,在熵权法中引入序关系法,计算特征参数对应的权重,构建非线性关系模型,对电加热炉变电设备的运行质量变化趋势进行追溯,但是该方法存在追溯效果差的情况。主要是因为电加热炉变电设备运行质量安全数据的反向追溯过程中,由于当前相关流程均缺少电加热炉变电设备运行质量的评价指标体系,导致追溯过程主观性过强,缺少统一追溯方法

针对上述问题,设计电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法设计。该方法将数字孪生采集的数据引入变电设备运行中,建立电加热炉变电设备运行质量的指标体系,再结合CREAM追溯法和理想点法,构建电加热炉变电设备运行质量安全追溯模型。以期解决现有技术中存在的不足。

1 电加热炉变电设备运行质量指标提醒构建

电加热炉通过传感器在物理数学模型的基础上,采集变电设备的数据,结合多概率、多领域、多维度和多物理参数的仿真过程,在虚拟空间对采集的工业加热变电设备数据进行映射处理[8],监测设备的运行质量,构建电加热炉变电站数字孪生系统,获取变电站运行监测数据如图1所示。

图1 电加热炉变电站数字孪生系统

根据获取的电加热炉变电设备运行监测数据[9-10],构建变电设备运行质量评价指标体系,如图2所示。

图2 电加热炉变电设备运行质量指标

2 电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法设计

2.1 指标权重计算

CRITIC法是在指标相关性和指标差异程度的基础上,计算指标的权重[11-12],属于客观赋权法,因此,基于对电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法采用CRITIC法对电加热炉变电设备运行质量指标权重进行计算。通过熵衡量不同评价对象指标的取值差异性,指标之间存在的冲突性利用斯皮尔曼等级进行衡量[13-14]。

在信息论中,测量信息的无序状态和不确定性可通过熵进行测量,N个待评价方案中存在M个评价指标,用Hi表示第i个评价指标对应的熵,其计算公式如下:

(1)

设wi为第i个质量指标在第N个待评价方案中对应的熵权,通过下式计算得到:

(2)

对式(1)和式(2)进行分析可知,熵和熵权之间呈负相关。

(3)

用ρj为第j个质量指标与其他电加热炉变电设备运行质量指标的整体肯德尔相关系数,根据式(3)计算结果可得:

(4)

质量指标j的ρj值为1时,表明其等级相关性与其他电加热炉变电设备运行质量指标一致,质量指标ρj与其他变电设备运行质量指标当ρj的值为0时,指标互相独立。结合斯皮尔曼等级相关系数和综合熵,计算电加热炉变电设备运行质量指标对应的客观权重Cj:

(5)

2.2 基于电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯模型

基于电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法研究采用理想点法[15-16]评价变电设备运行质量,完成变电设备运行质量的安全追溯。

用NPM表示电加热炉变电站中存在的设备,用M表示评价指标的数量;用N表示待评价变电设备的数量,构建如下决策矩阵r:

(6)

式中:rij为第j个评价指标对第i个变电设备评价时获取的指标值。

为了提高电加热炉变电设备运行质量评价指标之间的可比性,需要标准化处理不同类型的评价指标[17-18]。

通过下述公式标准化处理成本型的质量评价指标:

(7)

同理,采用下式标准化处理效益型的质量评价指标:

(8)

利用标准化处理后的质量评价指标,构建决策矩阵y″:

(9)

评价电加热炉变电设备运行质量的具体过程如下:

(1)获取标准化的变电设备运行质量评估决策矩阵:

Y=(yij)N×M

其中:

(10)

(2)通过加权方法构建电加热炉变电设备运行质量评估矩阵:

Z=(zij)N×M

其中:zij=Cjyij。

(11)

(5)设Ci表示针对理想解,电加热炉变电设备运行质量的相对逼近度,其计算公式如下:

(12)

式中:相对逼近度Ci的值在区间[0,1]取值,相对逼近度Ci的值越接近1,表明电加热炉变电设备运行质量越好,相反,相对逼近度Ci的值越接近0,表明变电设备运行质量越差。

3 实验与结果分析

为了验证本文设计的电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法的有效性和可行性,采用该方法对冶金行业中的变电站变电设备的运行质量进行安全数据追溯。变电站中主要变电设备的参数如表1所示。

表1 变电站设备参数

通过电加热炉数字孪生系统采集的相关数据如图3所示。

图3 电加热炉采集相关质量追溯数据

在不同系统软件失效率的情况下分析电加热炉变电设备功能的失效率,分析结果如图4所示。

图4 电加热炉变电设备功能失效率

在不同系统软件失效率的情况下分析变电站系统的安全风险系数,分析结果如图5所示。

图5 系统安全风险系数

分析图4和图5可知,在不同系统软件失效率下变电设备在变电站系统中的功能图存在差异性,变电设备的失效率也存在差异,变电设备在变电站中的功能实现直接受系统软件失效率的影响,进而对变电站系统的安全造成影响。在设定的软件失效率范围内,电加热炉变电设备的功能失效率与系统安全风险系数呈正相关,系统安全风险系数随着电加热炉变电设备功能失效率的增加而增加。通过上述分析可知,降低变电站系统安全风险,减小变电设备功能失效率的有效措施是降低系统软件的失效率,在变电站系统运行过程中,提高变电设备的安全性和稳定性。

4 结 语

变电设备的可靠性和稳定性受网络不确定性的影响,导致变电站设备运行安全数据追溯方法的有效性较差,提出电加热炉变电设备运行质量安全数据追溯方法设计研究,应用质量评价指标体系,评价电加热炉变电设备运行质量,有效完成了电加热炉变电设备运行质量的安全追溯,提高了追溯效果。