曹先平　鄧?yán)杳鳌±钫駯|　羅傳仙

摘 要： 將DFTA（Dynamic Fault Tree Analysis，DFTA）與專家系統(tǒng)相結(jié)合，引入到電力變壓器故障診斷應(yīng)用中。通過(guò)分析變壓器的常見(jiàn)故障，構(gòu)建變壓器故障樹(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有開(kāi)放性、自學(xué)性和實(shí)用性的變壓器故障診斷平臺(tái)。該系統(tǒng)以故障樹(shù)為理論基礎(chǔ)和載體，通過(guò)故障樹(shù)這種特殊的圖形化方式形象而直觀的表達(dá)了專家診斷知識(shí)，將以往的專家知識(shí)庫(kù)的黑匣子公開(kāi)化、透明化，為用戶提供了極大的便利。該系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)云南電網(wǎng)公司設(shè)備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性及可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 變壓器； 動(dòng)態(tài)故障樹(shù)； 故障診斷； 專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM411；TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）01-05-04

Fault diagnosis expert system of transformer based on dynamic fault tree analysis

Cao Xianping1， Deng Liming2， Li Zhendong3， Luo Chuanxian4

（1. Yunnan Grid Company Zhaotong Power Supply Company， Zhaotong， Yunnan 657000， China； 2. Customer Service Center of Yichang Power Supply Company； 3. Qinghai Provincial Electric Company Electric Power Research Institute； 4. State Grid Electric Power Research Institute Wuhan Nari Limited Liability Company）

Abstract： DFTA （Dynamic Fault Tree Analysis） combined with expert system， is introduced into the fault diagnosis of power transformer. By analyzing the common faults of transformer， the transformer fault tree is constructed， and an open， self-learning and practical transformer fault diagnosis platform is realized. The system takes the fault tree as the theoretical basis and the carrier， expresses expert diagnostic knowledge in a graphical and intuitive way， which makes the expert knowledge of the past in the black box open and transparent， and provides users a great convenience. The system has important significance for promoting the maintenance of the equipment and improving the safety and reliability of the electric power system.

Key words： power transformer； DFTA； fault diagnosis； expert system

0 引言

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電力系統(tǒng)已邁向了大電網(wǎng)、高電壓的發(fā)展階段，這對(duì)電網(wǎng)供電的安全性與可靠性提出了更高的要求。變壓器作為電力系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備之一，起著變換電壓、傳輸能量的重要作用，其運(yùn)行狀況直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若一臺(tái)大容量變壓器發(fā)生故障，而其檢修周期又長(zhǎng)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，特別是與發(fā)電機(jī)直接相連接的變壓器將迫使發(fā)電機(jī)停止發(fā)電而造成更大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年-2011年云南電網(wǎng)110kV及以上變壓器發(fā)生跳閘故障14次，嚴(yán)重影響了云南電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。因此，研究變壓器發(fā)生故障的類型與特征，分析故障發(fā)生的原因與機(jī)理，研究一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的診斷分析系統(tǒng)，及時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀況，提高其平均無(wú)故障時(shí)間和運(yùn)行可靠性，對(duì)推進(jìn)云南電網(wǎng)公司設(shè)備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性和可靠性都具有重要的意義。

本文通過(guò)分析變壓器的故障形式、癥狀、原因，以動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法為理論基礎(chǔ)，初步構(gòu)建了變壓器的故障樹(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較為實(shí)用的變壓器故障診斷分析系統(tǒng)，對(duì)提高變壓器安全可靠運(yùn)行起到了一定的積極作用。

1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

故障診斷分析的目的是根據(jù)變壓器的運(yùn)行參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與基本臺(tái)賬等狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，并對(duì)發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，為運(yùn)行工作人員提供有力的檢修依據(jù)[2-3]。

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)接入的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)（停電試驗(yàn)、帶電檢測(cè)等）、巡檢數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)，一方面存儲(chǔ)到原始數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備基本資料，經(jīng)過(guò)閾值判斷、壞點(diǎn)剔除、趨勢(shì)分析等處理與分析后得到系統(tǒng)能夠識(shí)別的故障狀態(tài)量，然后再根據(jù)系統(tǒng)所建立的診斷知識(shí)庫(kù)進(jìn)行診斷分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障原因分析及定位，并將分析診斷結(jié)果保存到診斷分析結(jié)果庫(kù)中。簡(jiǎn)單的說(shuō)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流為：原始數(shù)據(jù)—故障狀態(tài)量?診斷分析。如圖1所示。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、診斷分析和權(quán)限管理四大模塊。

⑴ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理?；A(chǔ)管理包括設(shè)備設(shè)備管理與試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入兩部分，分別實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬信息與試驗(yàn)、巡檢等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入與管理功能，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷分析的基礎(chǔ)。

⑵ 權(quán)限管理。權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)用戶基本信息及操作權(quán)限進(jìn)行管理和控制，從而保證系統(tǒng)的信息安全。本系統(tǒng)中支持用戶組和用戶兩種設(shè)置權(quán)限的方法，且可以同時(shí)使用，兩者的交集作為用戶的最終權(quán)限。

⑶ 試驗(yàn)數(shù)據(jù)展示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)展示是以折線圖、柱狀圖、雷達(dá)圖或大衛(wèi)三角、立體圖等形式展示設(shè)備原始數(shù)據(jù)或分析處理之后的數(shù)據(jù)，供用戶查看與分析。

⑷ 診斷分析。診斷分析是系統(tǒng)的核心模塊，包括故障樹(shù)和故障分析兩個(gè)部分。其中，故障樹(shù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障樹(shù)的編輯與動(dòng)態(tài)維護(hù)，是系統(tǒng)診斷專家知識(shí)庫(kù)的管理入口；診斷分析依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，利用系統(tǒng)診斷知識(shí)庫(kù)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，分析發(fā)生故障的可能原因并進(jìn)行定位，為運(yùn)行和檢修人員提供支持。

2 變壓器故障診斷

2.1 DFTA與專家系統(tǒng)

故障樹(shù)是一種特殊的樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖，它用圖形演繹邏輯推理方法，用圖清晰地說(shuō)明了系統(tǒng)的失效原因，把系統(tǒng)的故障與組成系統(tǒng)的部件的故障有機(jī)地聯(lián)系在一起，可以找出系統(tǒng)全部的失效狀態(tài)和傳播路徑[4-5]。DFTA是至少包含一個(gè)動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)的故障樹(shù)，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)性能，能對(duì)具有順序相關(guān)、資源共享、可修復(fù)和冷熱備份的系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的方法[6]。本文所研究的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法與其傳統(tǒng)概念有所不同，其“動(dòng)態(tài)”主要體現(xiàn)在該診斷系統(tǒng)中故障樹(shù)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建、維護(hù)與更新，也是系統(tǒng)自學(xué)功能的體現(xiàn)。

專家系統(tǒng)是結(jié)合人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理判斷，模擬專家作出決策的智能化信息系統(tǒng)[7]。本文所研究的變壓器故障診斷專家系統(tǒng)，其專家知識(shí)庫(kù)是以故障樹(shù)為理論基礎(chǔ)和載體，通過(guò)故障樹(shù)這種特殊的圖形化方式形象而直觀的表達(dá)了專家診斷知識(shí)，將之前的專家知識(shí)庫(kù)的黑匣子公開(kāi)化、透明化，方便用戶查看與分析。

2.2 變壓器常見(jiàn)故障

故障診斷的實(shí)質(zhì)是運(yùn)行狀態(tài)的模式識(shí)別過(guò)程，主要包括故障狀態(tài)量信息獲取與預(yù)處理、特征信息提取和故障識(shí)別三個(gè)步驟。變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障形式、癥狀、原因和演變機(jī)理的復(fù)雜多樣，在運(yùn)行中發(fā)生的故障很難以某一判據(jù)判斷故障的類型和位置。熟悉變壓器的常見(jiàn)故障、故障現(xiàn)象及原因?qū)τ诒疚臉?gòu)建變壓器故障樹(shù)和實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷分析具有重要的意義。

油浸式電力變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障兩種。內(nèi)部故障主要有相間短路、匝間短路、局部放電、局部過(guò)熱、絕緣油異常等；外部故障主要有油箱或套管滲漏油、套管閃絡(luò)、引出線故障等。內(nèi)部故障根據(jù)常見(jiàn)的故障易發(fā)部位可分為絕緣故障、鐵心故障、分接開(kāi)關(guān)故障、繞組故障等，這些故障的發(fā)生可能同時(shí)伴隨著熱故障和電故障兩種類型；外部故障雖然更為常見(jiàn)，但比較容易發(fā)現(xiàn)及診斷。

變壓器繞組故障模式可分為短路、斷路、松動(dòng)、變形、移位、燒損，其中繞組短路又可分為層間短路、匝間短路、餅間短路、股間短路。繞組故障大部分由于繞組本身結(jié)構(gòu)和絕緣不合理引起，以繞組短路出現(xiàn)概率最高，不僅涉及繞組本身，還對(duì)鐵心、引線、絕緣屏等有極大影響。繞組短路時(shí)，變壓器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部高溫或高能放電。變壓器繞組松動(dòng)、變形、失穩(wěn)、絕緣損傷，會(huì)使抗短路能力變差，若遭到外部短路、雷擊等不良工況，會(huì)使繞組松散、場(chǎng)強(qiáng)分布不均，導(dǎo)致局部放電；松散導(dǎo)線在電磁力作用下，互相摩擦劃破絕緣，引起繞組燒損，絕緣局部碳化，最終形成繞組短路。由于篇幅所限，其他故障類型的故障模式不再一一分析說(shuō)明。

2.3 構(gòu)建變壓器故障樹(shù)

構(gòu)建故障樹(shù)是實(shí)現(xiàn)故障診斷的最為關(guān)鍵的一步，故障樹(shù)直接決定了系統(tǒng)診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。故障樹(shù)的構(gòu)建過(guò)程實(shí)質(zhì)上是建立系統(tǒng)專家診斷知識(shí)庫(kù)的過(guò)程，也是用樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖形化展示變壓器故障與導(dǎo)致其發(fā)生原因之間邏輯關(guān)系的過(guò)程。變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障形式和原因多樣，使得其故障樹(shù)層級(jí)多，顯得較為龐大。為了方便用戶建樹(shù)與查看分析，故障樹(shù)必須有一個(gè)清晰明了的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)故障類型和結(jié)構(gòu)組成將變壓器故障樹(shù)分解為多個(gè)子樹(shù)，子樹(shù)又可以再進(jìn)行分解。

在本系統(tǒng)中，組成故障樹(shù)的基本元素是故障節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)包含名稱、邏輯、閾值、試驗(yàn)建議和故障描述等基本屬性，且故障節(jié)點(diǎn)可以綁定相關(guān)的判據(jù)變量和故障發(fā)生的部件。與節(jié)點(diǎn)綁定的判據(jù)變量具有一定的權(quán)重，當(dāng)異常變量的權(quán)重大于節(jié)點(diǎn)的閾值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將被認(rèn)定為發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)。其中，故障節(jié)點(diǎn)之間有“與”、“或”、“非”等關(guān)系，變量之間有“與”和“或”的關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)前文對(duì)變壓器主要故障模式的整理與分析，可以依據(jù)故障樹(shù)理論構(gòu)建變壓器故障樹(shù)。放電故障中的局部放電故障子樹(shù)如圖3所示。

3 系統(tǒng)典型應(yīng)用

3.1 診斷分析實(shí)例

⑴ 原始數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)某一臺(tái)220kV變壓器具有以下幾種現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1-表3。

⑵ 數(shù)據(jù)分析處理

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析，三比值法計(jì)算得編碼102，為高能量放電；繞組絕緣電阻，吸收比和極化指數(shù)正常；高中-低地電容量比異常前試驗(yàn)增長(zhǎng)16.2%（原為15350pF），低-高中地電容量比異常前試驗(yàn)增長(zhǎng)13%（原為24070pF），穩(wěn)定繞組電容量無(wú)明顯變化。最終，系統(tǒng)得到故障狀態(tài)量為：本體放電故障、繞組電容量。

⑶ 分析診斷結(jié)果

以系統(tǒng)得到的狀態(tài)量結(jié)果為輸入量，系統(tǒng)依據(jù)診斷知識(shí)庫(kù)得出診斷結(jié)果為繞組變形和繞組放電，故障節(jié)點(diǎn)以紅色背景突出顯示。

事后經(jīng)過(guò)吊罩解體檢查，發(fā)現(xiàn)該變壓器中壓繞組三相都存在不同程度的變形，但都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)放電痕跡，從而證實(shí)了系統(tǒng)診斷分析結(jié)果的正確性。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

⑴ 案例庫(kù)比對(duì)分析與自學(xué)功能。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析時(shí)，若不能給出診斷分析結(jié)果，則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)案例庫(kù)比對(duì)分析，將當(dāng)前輸入的診斷變量與案例庫(kù)進(jìn)行匹配分析，并輸出匹配結(jié)果，用戶可以根據(jù)匹配結(jié)果自行查看相應(yīng)的案例分析。若沒(méi)有找到與其相匹配的案例，當(dāng)前診斷案例將作為一新的案例補(bǔ)充到案例庫(kù)中。

⑵ 人機(jī)交互性。系統(tǒng)診斷分析之后，將分析結(jié)果按可能原因的概率從高到低以表格的形式提供給用戶，用戶若對(duì)診斷結(jié)果有所懷疑或發(fā)現(xiàn)診斷變量值有明顯錯(cuò)誤，可以人工修改診斷變量的值進(jìn)行重新診斷并保存結(jié)果。此外，系統(tǒng)還會(huì)依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論和原理，利用預(yù)先設(shè)定的算法對(duì)該類變壓器故障樹(shù)知識(shí)庫(kù)中各個(gè)可能原因的概率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的更新，從而提高下次診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

⑶ 實(shí)時(shí)性。當(dāng)系統(tǒng)接到原始數(shù)據(jù)之后，會(huì)立即對(duì)其進(jìn)行閾值判斷、趨勢(shì)分析和比對(duì)分析的等處理，得出與其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)量，再由系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析，這樣能夠使運(yùn)行人員及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況與健康狀態(tài)。

4 總結(jié)

本文以DFTA和專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)，闡述了變壓器診斷分析的思路，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)用化的變壓器診斷知識(shí)庫(kù)和診斷平臺(tái)，以圖形化的方式向研究人員再現(xiàn)了故障的演變過(guò)程和機(jī)理，對(duì)推進(jìn)云南電網(wǎng)公司設(shè)備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性和可靠性都具有重要的意義。隨著系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)的診斷知識(shí)將不斷地積累而變得更為豐富，其診斷可靠性也將進(jìn)一步提高。

由于時(shí)間和條件的限制，有些工作需要進(jìn)一步研究，如故障樹(shù)優(yōu)化與完善、DFTA的定量分析與計(jì)算等。

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