基于Matlab模糊邏輯工具的變壓器振動(dòng)狀態(tài)評估系統(tǒng)仿真

李 偉 冀增華

（1.華北電力大學(xué)研究生院，河北 保定 071003；2.保定天威新域科技發(fā)展有限公司，河北 保定 071056；3.保定天威電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)有限公司，河北 保定 071056）

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備日益更新，電力行業(yè)的信息化應(yīng)用不斷深化，變電站正在逐步向著“智能化”、“無人值守”的方向發(fā)展，因此“智能變電站”應(yīng)運(yùn)而生，“智能電網(wǎng)”的提出，加快了智能變電站建設(shè)的步伐。

電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，在變電、輸電、配電等電力變換系統(tǒng)中必不可少，一旦發(fā)生故障，不但花費(fèi)巨大，而且無形經(jīng)濟(jì)損失和影響也將難以估計(jì)。

本文將以電力變壓器運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號為監(jiān)測量，基于Matlab模糊工具，介紹變壓器振動(dòng)狀態(tài)評估方法，并進(jìn)行建模仿真。

1 基于變壓器振動(dòng)的故障診斷概述

基于振動(dòng)和噪聲的變壓器狀態(tài)診斷技術(shù)作為一種新的變壓器狀態(tài)監(jiān)測和分析方法，越來越受到人們的重視，因其現(xiàn)場測量時(shí)與整個(gè)電力系統(tǒng)沒有電氣連接，對整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行就不會產(chǎn)生影響，非常適宜于在線監(jiān)測。正常運(yùn)行的變壓器，繞組振動(dòng)信號基本上集中在基頻100Hz處，且振動(dòng)信號的大小與負(fù)載電流平方成正比；鐵心振動(dòng)信號主要集中在100～400Hz，而1000Hz后基本衰減到零。因此，在變壓器油箱表面測得的振動(dòng)信號高次諧波分量是由鐵心振動(dòng)引起，可通過200Hz、300Hz等高次諧波分量的變化診斷鐵心狀況[1]。

鑒于此，可以對不同位置的振動(dòng)信號分辨出不同頻率進(jìn)行有目的監(jiān)測和分析，這樣就能有效判斷出故障產(chǎn)生部位，評估出故障程度。為判斷變壓器內(nèi)部故障程度，可以采取出廠前振動(dòng)測試值與運(yùn)行時(shí)振動(dòng)程度周期對比的方式，進(jìn)行狀態(tài)評估，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)狀態(tài)評估系統(tǒng)

其中“模糊對比狀態(tài)分析”部分的實(shí)現(xiàn)將在本文中詳細(xì)介紹。

2 模糊控制理論

模糊系統(tǒng)是一種基于知識或基于規(guī)則的系統(tǒng)，它的核心就是由所謂的 IF-THEN規(guī)則組成的知識庫，在模糊系統(tǒng)與模糊控制中，人類知識可以使用模糊IF-THEN規(guī)則來表述，一條模糊IF-THEN規(guī)則就是用連續(xù)隸屬度函數(shù)對所描述的某些句子所作的IF-THEN形式的陳述。

工程應(yīng)用中的模糊系統(tǒng)（如圖2所示）是由模糊器、模糊規(guī)則庫、模糊推理機(jī)、解模糊器等幾部分組成，通過該系統(tǒng)就可以將論域U上的輸入量x，轉(zhuǎn)化成論域 V上的輸入量 y，從而將專家的知識和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到工程系統(tǒng)中去，對下一步操作做出決策。

圖2 模糊系統(tǒng)的基本框圖

3 變壓器振動(dòng)狀態(tài)評估系統(tǒng)仿真

圖1所表述的系統(tǒng)是建立在Matlab模糊邏輯工具基礎(chǔ)上的，嚴(yán)格的講此評估系統(tǒng)僅是整個(gè)變壓器振動(dòng)狀態(tài)評估系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它的功能是對變壓器某一相某個(gè)頻率段的振動(dòng)信號進(jìn)行評估，多個(gè)此類子系統(tǒng)與其他軟硬件進(jìn)行有機(jī)組合，便會升級成一個(gè)完整的評估系統(tǒng)。

Matlab是一種交互式的以矩陣為基礎(chǔ)的系統(tǒng)計(jì)算平臺，它用于科學(xué)和工程的計(jì)算與可視化。Simulink軟件是Matlab中功能最強(qiáng)大的仿真軟件之一。下面將按照模糊系統(tǒng)的不同組成部分，逐項(xiàng)介紹變壓器振動(dòng)模糊系統(tǒng)的建立過程。

3.1 模糊推理機(jī)

模糊推理機(jī)是根據(jù)模糊邏輯原理，通過模糊IFTHEN規(guī)則，將輸入的模糊集合映射到輸出模糊集合上。

依據(jù)圖1所表示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程，“模糊對比狀態(tài)分析”模塊應(yīng)有兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出。如圖3所示，左邊的兩個(gè)輸入取名為SCALE和DATUM LINE，分別表示實(shí)際振動(dòng)信號與理論估計(jì)信號的比較及預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)信號閾值；右邊的一個(gè)輸出取名為EVALUATION，輸出值可以作為下一個(gè)控制系統(tǒng)或指示系統(tǒng)的輸入。中間部位為模糊邏輯的核心推理部分，取名為ZHEND，包括了推理方法及多條模糊IF-THEN規(guī)則，本文選用了“Mamdani”方法，當(dāng)然也可以根據(jù)不同用途選用“Sugeno”等其他方法。

圖3 模糊推理系統(tǒng)

3.2 模糊器

在工程實(shí)際中，模糊系統(tǒng)的輸入是實(shí)際值，因此必須在模糊推理機(jī)與外界環(huán)境之間建立一個(gè)界面，確定隸屬度值、克服噪聲干擾、便于推理機(jī)計(jì)算。

根據(jù)變壓器振動(dòng)監(jiān)測及評估特點(diǎn)，本文選用三角形模糊器。圖4由兩個(gè)三角波組成，分別為“＜20%”和“≥20%”，交叉點(diǎn)設(shè)置在X軸的0.2位置；圖5也由兩個(gè)三角波組成，分別為“＜0.1mm”和“≥0.1mm”，交叉點(diǎn)設(shè)置在X軸的0.1位置。

3.3 解模糊器

解模糊器是將模糊規(guī)則轉(zhuǎn)變成真值變量或定性描述。

圖4 輸入1

圖5 輸入2

本模糊系統(tǒng)中的解模糊器采用了重心解模糊方法，圖6由3個(gè)三角波組成，分別代表“OK”“ALARM”和“DANGER”，交叉點(diǎn)設(shè)置在X軸的0.477和0.56位置，根據(jù)模糊系統(tǒng)的輸入信息，模糊推理系統(tǒng)計(jì)算后，其結(jié)果將顯示在輸出中，對應(yīng)“OK”、“ALARM”或“DANGER”中的某一個(gè)。

圖6 輸出1

3.4 模糊規(guī)則庫

模糊規(guī)則庫是由規(guī)則集合組成的，它是模糊系統(tǒng)的核心，模糊系統(tǒng)通過IF-THEN規(guī)則,可以將人類知識融入控制系統(tǒng)中。

通過對變壓器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)狀態(tài)分析，確定了所需的模糊IF-THEN規(guī)則庫，本文截取了一部分規(guī)則展示如下：

1）if(SCALE is＜20%) and (DUTUM_LINE is＜0.1mm) then(EVALVATION is OK)(1)；

2）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is＜0.1mm)then(EVALVATION is ALARM)(1)；

3）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is≥0.1mm)then(EVALVATION is DANGER)(1)；

4）if (DUTUM_LINE is≥0.1mm) then (EVALVATION is DANGER)(1)；

……

模糊推理機(jī)使用“Mamdani”方法組合這些規(guī)則，形成從輸入模糊集到輸出模糊集的映射，并按照重心解模糊方法計(jì)算具體數(shù)值。

3.5 建立Simulink模型仿真

為驗(yàn)證模糊邏輯方法的可行性，現(xiàn)將圖1所示各過程在Matlab/Simulink系統(tǒng)中建立模型并進(jìn)行仿真，如圖7所示。

圖7 仿真模型

圖 7中 A是來自加速度傳感器的振動(dòng)信號，B是來自電壓、電流等監(jiān)測儀器的信號經(jīng)理論計(jì)算后的值，A的值有兩個(gè)功用：①與B的值進(jìn)行對比計(jì)算；②用途就是直接作為模糊推理系統(tǒng)的輸入（即輸入2）。B的值也有兩個(gè)功用：①與 A的值進(jìn)行對比計(jì)算；②作為分母計(jì)算實(shí)際振動(dòng)信號對應(yīng)估計(jì)振動(dòng)信號的變化率，并將此作為模糊推理系統(tǒng)的輸入（即輸入1）。在模糊邏輯控制器中，模糊推理機(jī)對兩個(gè)輸入端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出評估值。

假定系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)為：A接收的振動(dòng)信號數(shù)值為0.08mm，B接收的監(jiān)測信號數(shù)值為0.07mm，經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算后，從查看器（如圖8所示）中可以看出輸出為0.409，位于OK區(qū)域內(nèi)。這說明變壓器運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況正常。

圖8 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

基于Matlab模糊邏輯工具上的振動(dòng)評估系統(tǒng)，經(jīng)建模仿真，證明能夠很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期功用。進(jìn)一步憑借Simulink的開放性，我們可將Matlab中模塊轉(zhuǎn)化為C代碼等形式，很方便的移植入自行開發(fā)的控制系統(tǒng)或軟件中，從而在更復(fù)雜、更完整的變壓器振動(dòng)評估系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

[1]馮永新，鄧小文, 范立莉,等. 大型電力變壓器振動(dòng)法故障診斷與發(fā)展趨勢[J].變壓器,2009,6(10):69-70.