基于贝叶斯网络和分层模型的输电线路状态评估

基于贝叶斯网络和分层模型的输电线路状态评估
【摘要】根据贝叶斯网络理论，本文提出了一种基于贝叶斯网络和分层模型的输电线路状态评估方法，建立了输电线路运行状态评估的数学模型。

首先将架空输电线路的运行状态分为三类：良好运行状态、注意运行状态和不良运行状态。

根据输电线路实际运行环境、线路结构等各方面的情况，建立状态评估分层模型。

然后对输电线路的杆塔、绝缘子、金具、导地线、基础及接地装置五个主要部件分别进行状态评估，得出每个部件的三个运行状态概率以后，经过加权处理，运用贝叶斯网络的基本理论得出整条输电线路三个运行状态概率，从而实现对输电线路的运行状态评估。

同时还可以根据整条输电线路状态评估结果，反推计算出当整个输电线路处于不良运行状态时，每个部件处于不良运行状态的概率，从而可以分析得出线路的薄弱环节。

【关键词】输电线路；贝叶斯；分层模型；状态评估
引言
输电线路作为电网中极其重要的组成部分，其运行安全性和可靠性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的重视[1-3]。

随着我国输电线路总长度和传输容量的不断增长，输电线路巡视、检修等运行管理的难度也越来越大，特别是常发性的隐性故障的早期发现对输电线路安全运行意义重大，所以寻求一种输电线路状态故障诊断有效方法对于输电线路安全可靠运行十分重要[4]。

目前已有很多学者在输电线路状态评估领域进行了大量的研究[5-9]。

文献[5-6]提出了架空输电线路覆冰状态评估模糊专家系统，文献[7]研究了基于Delphi 法和分层模型的输电线路状态评价，上述两种方法在很大程度上依赖于专家的主观意见，这就导致最终的评估结果必然存在一定的偏差。

文献[8]未对各指标进行权重计算，只是简单套用国家电网规范数据进行打分，然后进行综合评估，这种方法未将主、客观权重结合考虑，过于片面，一旦参数发生变化，将会直接影响权重计算结果的准确性。

文献[9]中提到目前超高压输电线路状态量化评估方法较少，现有的方法又多为定性评价，而且这些方法中关于加权的处理均较为简单且缺乏依照。

有鉴于此，本文提出了一种基于贝叶斯网络和分层模型的输电线路状态评估方法。

首先将架空输电线路的运行状态分为三类：良好运行状态、注意运行状态和不良运行状态。

然后对输电线路的杆塔、绝缘子、金具、导地线、基础及接地装置五个主要部件分别进行状态评估，得出每个部件的三个运行状态概率以后，经过加权处理，运用贝叶斯网络的基本理论得出整条输电线路三个运行状态概率，从而实现对输电线路的运行状态评估。

1.输电线路状态评估模型的构建
输电线路的状态评估主要分为单元评估和整体评估两部分，单元与整体之间
的关联关系主要参考国家电网公司发布的《架空输电线路状态评价导则》[10]。

具体的输电线路状态评估模型的构建将通过建立分层评估模型得到实现。

分层评估模型建立的基本过程是：
1）确定各层指标范围。

把最终目标作为最高层即目标层，把为实现目标所涉及的约束条件、评价准则或者策略作为准则层指标，把在准则层约束条件下为实现总目标所采取的具体措施或详细指标作为子准则层指标.要求同一层内所包含的各指标之间相互独立，互不隶属；上下层指标之间存在着一对多或一对一的隶属约束关系.
2）建立层次结构表。

该表可以清楚的表达上下层之间的隶属约束关系[11-12]。

对输电线路状态评估而言，输电线路状态的整体评估即为目标层。

根据层次分析法的要求，准则层指标包括杆塔、绝缘子、金具、导地线、基础及接地装置等5个线路单元。

每个线路单元的原始资料、运行数据、检修记录、状态监测数据以及其他资料整理得出的状态量可以作为子准则层元素，最终建立的的层次结构。

2.基于贝叶斯网络输电线路状态评估数学模型
2.1 贝叶斯网络理论
贝叶斯网络是一种不确定性知识表达与推理模型，其推理原理基于贝叶斯概率理论，推理过程实质上就是概率计算，即一个事件会不会发生取决于该事件在先验分布中己经发生过的次数。

设A1，A2，A3，…，Ak是两两互斥的事件，且先验概率，另有一事件B总是与A1，A2，A3，…，Ak之一同时发生，其条件概率已知，则贝叶斯公式计算后验概率为：
2.2 输电线路状态评估数学模型
本文首先将输电线路的运行状态分为三类：良好运行状态、注意运行状态和不良运行状态。

然后对输电线路的5个准则层指标分别进行运行状态评估，对于每个准则层指标运行状态评估来说，同样是对每个准则层指标的几个子准则层指标进行状态评估，经过加权处理后，得出每个指标的三个运行状态概率。

图2所示为输电线路状态评估模型的贝叶斯网络。

设一条输电线路绝缘子总数为a个，瓷质绝缘子总数为b个，合成绝缘子总数为c个。

依据国家电网公司于2006年颁发的《110（66）kV～500kV架空输电线路评价标准（试行）》[13]和南方电网公司于2004年颁发的《输变电设备状态评价标准》[14]，对收集的所要评估的线路的绝缘子的资料进行归纳分类，得出绝缘子六个子准则层指标（绝缘子表面情况A1、爬电比距是否规定要求的情况A2、瓷质绝缘子零值率和自爆率情况A3、合成绝缘子破损、鬼裂、老化的情况A4、锁紧销的情况A5、钢脚弯曲松动的情况A6）的不良运行状态的个数分别
是：R1，R2，R3，…，R6，即可以分别计算出各个子准则层指标不良状态概率：
根据参考文献[13-14]，并且与线路专家和现场技术人员讨论，可以确定绝缘子每个子准则层指标对绝缘子运行状态的影响权重，其中。

因此可以计算出杆塔的不良运行
同理可计算出绝缘子注意运行状态概率、良好运行状态概率和其他准则层指标各个运行状态概率。

根据各个准则层指标的状态概率和相应各准则层指标对整条输电线路运行状态影响权重[13-14]，（其中，m为准则层指标个
数），由式（3）即可计算出整条输电线路3种运行状态的概率。

根据得出的各种运行状态概率，可以对整个输电线路的运行状态有一个定量的了解和判定。

3.实例分析
某地区一条电压等级220kV输电线路，全长61.628公里，共有杆塔136基，其中铁塔136基，没有混凝土电杆，有25基杆塔有拉线装置，绝缘子8165个，其中瓷质绝缘子7934个，合成绝缘子231个，金具8524个，导地线共135档，其中导线总数为405，地线总数为270，导线连接器数为201，地线连接器数为48，基础和接地装置数均为136。

该地区各个准则层指标，对整条输电线路运行状态影响权重为{0.35，0.05，0.01，0.04，0.55}，再由表3可计算出2012年该地区220kV输电线路良好运行状态、注意运行状态和不良运行状态概率分别为：0.9731，0.0229，0.0040。

根据目标层评估结果可以知道该线路整体运行状态良好.由目标层评估结果可反推该线路不良运行状态时各个准则层指标运行状态概率，计算结果如表4所示。

基础及接地装置显而易见是该地区输电线路的隐形故障，应该将基础及接地装置的维护工作定为重点维护工作，绝缘子环节略微有些危险，杆塔、金具和导地线运行状态基本良好。

同样，该方法的诊断环节可以分析出该线路具体每一个准则层指标的隐形故障，当该方法确定了基础及接地装置为隐形故障时，还可以深入诊断，查找出基础及接地装置中的隐形故障。

4.结论
将贝叶斯网络和分层模型应用到输电线路的运行状态评估方面，建立了基于贝叶斯网络的运行状态评估数学模型，通过对某地区220kV输电线路的实例分析，可以表明该模型可以很好地对输电线路进行运行状态评估。

同时还可以根据整条输电线路状态评估结果，反推计算出当整个输电线路处于不良运行状态时，每个部件处于不良运行状态的概率，从而可以分析得出线路的薄弱环节。

由此可以合理给出相应的线路维修建议，依据此维修建议可以合理地制定相关的线路维修策略，进一步提高线路维护的工作效率，从而更好地维护线路的运行状态。

参考文献
[1]黄志明.21世纪中国输电线路发展前景展望[J].国际电力，2000，4（3）：29-33.
[2]Savvaitov D S，Timashova L V.Technical State of Basic Equipment of Substations and Overhead Transmission Lines and Measures for Raising Their Reliability[J].Power Technology and Engineering，2004，38（5）：285-290.
[3]蔡敏.特高压输电线路运行维护技术的研究现状分析[J].湖北电力，2011，35（6）：1-6.
[4]吴向东，刘兴胜，张紫丹.2010年湖北电网1～8月架空输电线路运行分析[J].湖北电力，2010，34（B12）：87-92.
[5]阳林，郝艳捧，李立浧，等.架空输电线路覆冰状态评估模糊专家系统[J].高电压技术，2011，37（12）：3028-3035.
[6]阳林，郝艳捧，李立涅，等.采用多变量模糊控制的输电线路覆冰状态评估[J].高电压技术，2010，36（12）：2996-3001.
[7]王成江，李红艳，范开明，等.基于Delphi法和分层模型的输电线路状态评价[J].三峡大学学报（自然科学版），2012，5：14.
[8]张鑫，韩富春.基于蒙特卡罗的架空输电线路运行状态评估模型[J].电气技术，2007，4：9.
[9]纪航，刘新平，杨庆华，等.基于模糊综合评价的超高压输电线路状态评估方法思考[J].华东电力，2009，37（7）：1122-1126.
[10]国家电网公司科技部.QGDW 173-2008 架空输电线路状态评价导则[S].北京：中国电力出版社，2008.
[11]Mikhailov L.Deriving priorities from fuzzy pairwise comparison judgements[J].Fuzzy sets and systems，2003，134（3）：365-385.
[12]陈水利，李敬功，王向公.模糊集理论及其应用[M].科学出版社，2005.
[13]国家电网公司.110（66）kV～500kV架空输电线路评价标准（试行）[S].2006.
[14]国家电网公司.输变电设备状态评价标准[S].2004.
查星（1986—），男，大学本科，双学士，助理工程师，主要从事输电线路运行维护技术管理与研究。

黄江龙（1987—），男，大学本科，助理工程师，主要从事输电线路技术监督管理与研究。