一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法

技术领域

本发明涉及电力设备安全技术领域，特别涉及一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法，属于海底电缆状态评估技术领域。

背景技术

随着海洋资源的开发和利用，以及海上平台和海上风电场的发展，海底电缆这些年得到了日益广泛的应用，其作为海上平台设备和水下生产系统之间电力和通讯的连接通道。海底电缆的稳定运行不仅关系到海上平台的生产、同时关系到整个平台群电网的可靠运行。

由于海底电缆的特殊运行环境，无法进行常规巡检，缺乏有效的安全管理措施，一旦突发事故，损失巨大。随着光纤应用技术的发展，人们可以利用光纤对海缆的运行对海缆的运行参数进行实时在线监测，全面掌握海底在水下的运行情况，对了解海缆的运行健康水平、合理提高海缆的输送能力有着重要作用，CN109870627A公开了一种基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法，该方法根据分布式光纤温度、应变和振动数据的特征值进行海缆故障的诊断，解决了利用分布式光纤传感技术进行海底电缆状态监测时误报和漏报率高的问题，但仅通过在线监测掌握海缆健康状态是不准确的。基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法，运用海缆的全景数据进行状态评估，对保证海上油气平台的正常运转及安全生产具有重要意义。

目前对于海底电缆状态评估的方法很少，CN111060472A公开了一种表征分析交联聚乙烯海缆绝缘材料老化状态的方法，利用傅里叶红外光谱测试仪对不同老化状态样品进行快速检测，通过红外光谱特征指纹吸收峰面积表征交联聚乙烯海缆绝缘介质的老化状态，但只是对海缆老化状态进行分析，并没有对海缆整体健康状态进行分析。且若仅考虑部分状态量对海缆进行状态评估，其评估结果存在分散性和误差较大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法，能够实现对多条海缆的运行状态进行准确的评估，让海上平台工作人员能够实时掌握海底电缆的整体健康状态，便于对其进行合理使用、检修、配电管理以及故障预测等操作。

为实现上述目的，本发明所提出的一种基于多状态量融合的海底电缆状态评估方法及系统，包括以下步骤：

步骤一：获取海底电缆运行的全景数据，选取影响海缆健康状态的指标建立评估指标体系；

步骤二：采用改进层次分析法确定各状态量的主观权重，同时采用熵权法确定各状态量的客观权重；

步骤三：将所述主观权重和客观权重相结合，计算出综合权重；

步骤四：确定评估的状态等级，基于状态量各自的标准获得相对劣化度，得到各状态量的各状态等级的模糊隶属度函数，以此构建模糊评判矩阵；

步骤五：基于综合权重和模糊评判矩阵，得到海缆各状态等级的隶属度，并采用加权平均法对海缆的状态进行评估。

进一步的，在步骤一中，所述评估指标体系划分为三层：目标层、部件层和指标层，所述目标层用来综合评判出海缆整体的运行健康状况，所述部件层用来判断反应海缆各部件的运行健康情况，所述指标层为反映各部件下各自对应的评估状态量指标。

进一步的，所述部件层包含海缆本体、海缆终端、附属设施、综合保护继电器和海缆通道，所述指标层包含家族缺陷、运行巡检、预防性试验和在线监测组成的状态量。

进一步的，所述状态量包含如下：

海缆本体的状态量包括：温度、扰动、应力、投运时间、过载运行、本体变形、登陆段海缆、主绝缘绝缘电阻测试、主绝缘耐压试验、护套绝缘电阻测试、护套耐受能力、光纤衰减试验、外护层接地电流、负荷过载和家族缺陷；

海缆终端的状态量包括：终端标识外观、终端房、终端避雷器、泄露电流表外观、终端接地系统、终端固定部件外观、防雨罩外观、外绝缘、套管外绝缘、套管密封、瓷质终端瓷套或支撑绝缘子损伤、瓷套赃污情况、终端外观、终端与金属部件连接部位红外测温、套管本体红外测温和家族缺陷；

附属设施的状态量包括：支架外观、支架接地性能、抱箍外观、接地箱外观、主接线引线接地状态、主接地引线破损、接地箱连通性、回流线连通性、回流线破损、防火措施、标识牌、在线监测设备、附属设备遗失、接地类设备遗失、设备线夹和连接导线红外测温；

综合保护继电器的状态量包括：外观、动作指示器、均压坏、电气性能；

海缆通道的状态量包括：海缆埋深、AIS船舶识别、海缆排管包方变形、敷设海缆与其他管线距离、海缆线路保护区活动、海缆线路保护区情况、海缆路由探测、终端站接地网接地电阻异常。

进一步的，在步骤二中，所述改进层次分析法确定海缆各状态量的主观权重的过程为：

1)选择指数标度；

2)对于n个状态量x

3)利用指数标度来描述相邻状态量的重要程度，并将其量化为c

4)确定主观权重：

其中，a

所述熵权法确定海缆各状态量的客观权重的过程为：

1)对n组采样数据，每组含m个状态量，令u

2)对正向指标和负向指标分别进行归一化处理；

对于正向指标：

对于负向指标：

3)计算第i组数据中第j个状态量权重：

4)计算第j项状态量的熵：

5)计算第j个状态量的客观权重：

其中，β

进一步的，在步骤三中，所述主观权重和客观权重相结合，计算出综合权重：

其中，a

进一步的，所述状态等级分为：正常v

对于数值越小越稳定型指标，其状态量进行归一化处理的公式如下：

对于数值越大越稳定型指标，其状态量进行归一化处理的公式如下：

其中，Q

进一步的，在步骤四中，所述模糊隶属度函数包括定量指标隶属度函数和定性隶属度函数；

所述定量指标各状态的模糊隶属度函数为半梯形和三角形相结合的分布函数：

所述定性指标的隶属度计算表达式为：

通过制作专家打分表，分值在[0-1]之间，将调查结果整理得到定性指标的隶属度，其中l为隶属度，l

进一步的，在步骤四中，所述将各定量指标的实测值进行归一化后代入隶属度函数，和通过定性指标的隶属度函数，计算出各状态量对应各状态等级的隶属度值，得到模糊评判矩阵为：

其中R为各部件的模糊评判矩阵，R

进一步的，在步骤五中，所述海缆各状态等级的隶属度包括海缆各部件和整体的不同状态等级的隶属度：

所述海缆各部件的不同状态等级的隶属度：

所述海缆整体的不同状态等级的隶属度：

所述海缆各状态等级的隶属度采用加权平均法得到海缆状态评估结果。

综上所述，本发明的有益效果是：

本发明在传统的状态评估指标如：家族缺陷、运行巡检以及预防性试验之上加入了在线监测状态指标，建立了适用于海底电缆的评估指标体系，通过对该评估指标体系进行状态评估，可有效避免现有技术中因选用评估状态量不全面导致的评估结果存在分散性和评估误差较大的问题；基于主客观组合赋权以及模糊评判矩阵相结合的方式，对海底电缆各部件和整体进行状态评估，较现有仅采用主观权重进行状态评估的方法，计算得到海底电缆状态评估结果准确度极高；本发明能够实现对海缆的健康状态进行准确的评估，便于对其进行合理使用以及检修等操作，有效避免了海底电缆在复杂海洋环境中无法准确把握运行健康状态的缺点。

附图说明

图1为本发明的一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法流程图；

图2为本发明的半梯形和三角形结合隶属度函数的分布函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施案列仅用以解释本发明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以依据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

本发明的一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：获取海底电缆运行的全景数据，选取影响海缆健康状态的指标建立评估指标体系。

表1各部件状态指标

具体的，从海底电缆健康状态方面考虑，遵循评估指标体系的可行性、易获取和实用性的原则，从从海缆自身复杂结构和所处复杂海洋环境的角度出发，结合相关标准规程要求，并考虑现有评估导则只有家族缺陷、运行巡检以及预防性试验这一缺陷，将海缆在线监测纳入指标体系中，结合海缆地理因素和环境影响因素，修改并完善了不同类型的传统的状态评估指标，建立海缆的评估指标体系。其中，评估指标体系划分为三层：目标层、部件层和指标层，所述目标层用来综合评判出海缆整体的运行健康状况，所述部件层用来判断反应海缆各部件的运行健康情况，所述指标层为反映各部件下各自对应的评估状态量指标。其中，部件层包含海缆本体、海缆终端、附属设施、综合保护继电器和海缆通道。指标层包含家族缺陷、运行巡检、预防性试验和在线监测组成的状态量。分别对应到海底电缆各部件之中，考虑海底电缆实际运行环境，海底电缆不包含海缆中间接头，如表1所示。

状态量包含如下：

1)海缆本体的状态量包括：温度、扰动、应力、投运时间、过载运行、本体变形、登陆段海缆、主绝缘绝缘电阻测试、主绝缘耐压试验、护套绝缘电阻测试、护套耐受能力、光纤衰减试验、外护层接地电流、负荷过载和家族缺陷；

2)海缆终端的状态量包括：终端标识外观、终端房、终端避雷器、泄露电流表外观、终端接地系统、终端固定部件外观、防雨罩外观、外绝缘、套管外绝缘、套管密封、瓷质终端瓷套或支撑绝缘子损伤、瓷套赃污情况、终端外观、终端与金属部件连接部位红外测温、套管本体红外测温和家族缺陷；

3)附属设施的状态量包括：支架外观、支架接地性能、抱箍外观、接地箱外观、主接线引线接地状态、主接地引线破损、接地箱连通性、回流线连通性、回流线破损、防火措施、标识牌、在线监测设备、附属设备遗失、接地类设备遗失、设备线夹和连接导线红外测温；

4)综合保护继电器的状态量包括：外观、动作指示器、均压坏、电气性能；

5)海缆通道的状态量包括：海缆埋深、AIS船舶识别、海缆排管包方变形、敷设海缆与其他管线距离、海缆线路保护区活动、海缆线路保护区情况、海缆路由探测、终端站接地网接地电阻异常。

对于上述各部件的状态量，根据海缆实际需求进行设置，具体的，根据海缆能够获取的在线监测、家族缺陷、运行巡检和预防性试验数据进行选择。

步骤二：采用改进层次分析法确定各状态量的主观权重，同时采用熵权法确定各状态量的客观权重。

具体的，改进层次分析法确定海缆各状态量的主观权重的过程为：

1)选择指数标度；

具体的，采用的指数标度选择5级标度，其标度的重要性比率λ

其中，n为专家数，Y

计算得到λ的取值，改进层次分析法的指数标度如表2所示。

表2标度值说明

2)对于n个状态量x

3)利用指数标度来描述相邻状态量的重要程度，并将其量化为c

其中c

4)确定主观权重：

其中，a

具体的，熵权法确定海缆各状态量的客观权重的过程为：

1)对n组采样数据，每组含m个状态量，令u

具体的，设U为n组采样数据集合，该集合表示为：

2)对正向指标和负向指标分别进行归一化处理；

对于正向指标：

对于负向指标：

3)计算第i组数据中第j个状态量权重：

4)计算第j项状态量的熵：

5)计算第j个状态量的客观权重：

其中，β

改进层次分析法利用专家经验得到各状态量的主观权重，对于权重的确定过于笼统，有着较强的主观随意性和武断性，其体现了决策者的经验判断，不需要样本数据，完全依靠专家的经验来确定评价指标的重要性次序并确定权重，没有考虑指标本身的差异对指标权重的影响。熵权法充分运用指标的数据信息的差异来确定状态量的客观权重，完全抛开主观因素，仅已数据说话，通过分析各状态量实测数据之间的关联关系来解决评判事物自身的问题。所以采用主客观组合赋权的方法，不仅体现了专家积累的管理和评判经验，还结合了现场实际的运行数据。

步骤三：将所述主观权重和客观权重相结合，计算出综合权重。

具体的，综合权重计算公式如下：

其中，a

基于上述步骤可得出各部件中状态量的综合权重矩阵为：

w

w

w

w

w

式中，w

步骤四：确定评估的状态等级，基于状态量各自的标准获得相对劣化度，得到各状态量的各状态等级的模糊隶属度函数，以此构建模糊评判矩阵。

具体的，将海缆的状态等级分为：正常v

对于数值越小越稳定型指标，其状态量进行归一化处理的公式如下：

对于数值越大越稳定型指标，其状态量进行归一化处理的公式如下：

其中，Q

具体的，模糊隶属度函数包括定量指标隶属度函数和定性隶属度函数。

表3相对劣化度与状态等级的关系

其定量指标各状态的模糊隶属度函数为半梯形和三角形相结合的分布函数，如图2所示，其中横坐标表示相对劣化度，p

各状态等级的定量指标的模糊隶属度函数为：

其定性指标的隶属度计算表达式为：

通过制作专家打分表，分值在[0-1]之间，将调查结果整理得到定性指标的隶属度，其中l为隶属度，l

具体的，将各定量指标的实测值进行归一化后代入隶属度函数，和通过定性指标的隶属度函数，计算出各状态量对应各状态等级的隶属度值，得到模糊评判矩阵。

基于上述步骤可得海缆各部件的状态量与不同状态等级之间的模糊评判矩阵为：

R

R

R

R

R

式中，R

得到模糊评判矩阵为：

其中R为各部件的模糊评判矩阵，R

步骤五：基于综合权重和模糊评判矩阵，得到海缆各状态等级的隶属度，并采用加权平均法对海缆的状态进行评估。

具体的，海缆各状态等级的隶属度包括海缆各部件和整体的不同状态等级的隶属度：

海缆各部件的不同状态等级的隶属度：

其中，B代表某一部件的不同状态等级的隶属度矩阵，w＝[w

海缆整体的不同状态等级的隶属度：

其中，W

具体的，海缆各状态等级的隶属度采用加权平均法得到海缆状态评估结果，对状态等级分别赋予分值1、2、3、4，然后根据评判结果对4种状态的隶属度加权平均，得出状态因子的值：

其中V为状态因子，h为4个状态等级的分值，k为待定系数，本发明取k＝1。

表4状态等级及语义描述

将状态因子与不同状态等级赋予分值进行比较，得出海缆状态评估结果，各状态等级及语义描述如表4所示。

本发明提出了一种基于主客观组合赋权的海底电缆状态评估方法，得到海底电缆线路健康状态的评估结论，能够使工作人员及时了解海底电缆的运行健康状况，从而便于对其进行合理使用、检修以及配电管理等操作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。