- 頭條廣東電網清遠供電局科技人員提出開關柜絕緣狀態評價的新方法2022-03-21 作者：胡金磊、賴俊駒 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為了更合理地評價開關柜絕緣狀態，挖掘開關柜異常數據蘊含的價值，廣東電網有限責任公司清遠供電局、上海電力大學電氣工程學院的研究人員胡金磊、賴俊駒 等，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種基于自適應DBSCAN的開關柜絕緣狀態評價方法。科研人員通過構建基于加權集成的聚類有效性指標來判斷聚類結果的有效性，以某開關柜現場檢測數據為例，通過比較K-means和DBSCAN兩種算法的結果，驗證了該評價方法的優越性，為開關柜運行狀態的評價提供一定的理論依據。
開關柜是電力系統的重要設備，對線路的控制保護等起著非常重要的作用，其運行狀態是電力系統能否安全可靠運行的關鍵之一，因此如何預防和盡早發現開關柜運行存在的問題非常重要。我國早期的“定期維修制”是在不知道開關柜運行狀態的情況下進行盲目檢修，經常導致檢修資源的浪費，甚至因為過度檢修對開關柜造成損壞。對開關柜的運行狀態進行在線監測和狀態評價，對保證開關柜的正常運行，減少維修次數，提高電力系統的運行可靠性和自動化程度都有非常重要的意義。
近年來，各種基于機器學習的技術被應用到開關柜的絕緣狀態評價中，有學者提出一種基于分層模糊方法的綜合評價方案，利用不同形式的現場檢測數據對開關柜絕緣狀態進行評分。有學者提出了一種基于正態云模型和D-S證據理論（Dempster- Shafer evidential theory）的開關柜狀態評價方案，利用正態云模型考慮了不確定性的模糊性和隨機性，能夠對開關柜的運行狀態進行定量評價，但選取的評價特征量較為單一。有學者提出一種基于變權重理論和多源實時信息融合的開關柜狀態評價模型，不僅解決了當前狀態評價時效性較差的問題，還充分反映了設備日常運行時的健康狀態變化趨勢。
但從現有文獻來看，傳統的開關柜絕緣狀態評價方法通常只會對開關柜一個位置的超聲波和暫態對地電壓（Transient Earth Voltage, TEV）進行測量，但局部放電產生的電磁波位置隨機性很大，僅靠測量單個位置的絕緣狀態數據難以全面評估開關柜的絕緣健康狀態，另外環境狀態和運行年限的影響也不容忽視。
有學者采用模糊聚類的方法對開關柜進行狀態評價，并利用定值對聚類中心進行修正，使得評價結果更加符合變電站實際運行情況，但該算法無法識別出開關柜數據中的離群點。此外，在該學者的研究中采用的某變電站開關柜帶電檢測數據出現異常狀況的僅為8.89%。因此，有效識別離群點便于運維人員發現運行狀態異常的開關柜，具有重要的實際應用價值。
有學者提出一種基于改進物元可拓的開關柜狀態評價方法，通過對各層特征量的融合來評估開關柜的當前運行狀態。有學者指出異常點數據對于電力設備健康狀態評估的重要性，給出了一種基于變權理論的健康評估方法。有學者為了解決單一特征量評估不足的問題，提出一種基于組合賦權-雙基點法的多特征量綜合評估模型來評價變壓器油紙絕緣狀態。有學者基于多級局部密度聚類算法和三比值法建立了變壓器油中氣體評估方法，能更有效地識別故障狀態的變壓器。電力設備的異常和故障種類很多，但故障樣本數量較少，并以離群點的形式存在于數據集中，傳統狀態評價方法通常會忽略算法對離群點的魯棒性，亦或是將其視為冗余數據進行剔除。
廣東電網清遠供電局等單位的科研人員提出了一種基于自適應DBSCAN的開關柜絕緣狀態評價方法。他們結合開關柜的實際運行情況，選取了開關柜6個檢測點的暫態對地電壓值和超聲波值、環境溫度、環境濕度以及運行年限作為評價開關柜運行狀態的特征量，并建立開關柜的多維特征數據集。
圖1 開關柜絕緣狀態評價示意圖
為了更合理地設置開關柜狀態評價算法中的參數，他們引入密度閾值，利用開關柜檢測數據集自身分布特性對DBSCAN（density based spatial clustering of applications with noise）聚類算法中的掃描半徑r和最少數目MinPts進行自適應最優選擇，其優點在于避免了聚類過程中因人為主觀設定參數造成的誤差，提高準確性的同時對離群點的魯棒性也更好；并給聚類中心點加入健康標簽便于運維人員更直觀地了解開關柜的運行狀態。
圖2 開關柜絕緣狀態評價流程
科研人員最后以開關柜的實際檢測數據為例，對該評價方法進行實例驗證，并建立基于加權集成的聚類有效性指標（Weighted Summation Validity Function index, WSVF），對聚類結果的有效性進行判斷，通過對K-means和DBSCAN兩種算法聚類結果的比較分析驗證該評價方法的優越性。
他們最后得出結論：1）本研究采用的自適應DBSCAN算法能夠更好地識別出開關柜絕緣狀態數據中的離群點，使聚類結果更加貼近開關柜實際運行情況；2）針對傳統DBSCAN算法的聚類過程需要人為主觀設定參數的問題，提出一種自適應DBSCAN算法，實現了參數的自適應尋優和聚類過程的全自動化，對開關柜在線數據的實時聚類有重要的應用價值；3）針對開關柜狀態評價結果是否有效合理的問題，采用WSVF指標對兩種聚類結果進行對比分析，驗證了所提出方法的合理性。
以上研究成果發表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基于自適應DBSCAN算法的開關柜絕緣狀態評價方法”，作者為胡金磊、賴俊駒 等。
