淺談專(zhuān)家系統(tǒng)在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏麗峰，張志東，楊亞奇

（1.山西省電力公司檢修公司變電檢修中心，山西 太原 030032；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

0 引言

干式變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅。如何提高干式變壓器運(yùn)行的可靠性，是現(xiàn)今電力行業(yè)研究的重要課題之一。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)，對(duì)于確保電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)許多單位正積極地開(kāi)展變壓器的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。故障診斷與專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，可以提高故障診斷的效率，是現(xiàn)今研究電力設(shè)備故障診斷的熱點(diǎn)[1]。本文著重淺述專(zhuān)家系統(tǒng)及其在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 專(zhuān)家系統(tǒng)

故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)是基于在線監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)上，將專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用到故障診斷中。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)中的各種可測(cè)的和不可測(cè)的參量所表現(xiàn)出的異于常態(tài)的特性，利用領(lǐng)域知識(shí)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)找出故障的特征描述并進(jìn)行故障的檢測(cè)與隔離。目前，故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、化工、船舶、軍事等領(lǐng)域[2]。

1.1 專(zhuān)家系統(tǒng)的基本組成

一個(gè)以規(guī)則為基礎(chǔ)，以問(wèn)題求解為中心的專(zhuān)家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋接口和知識(shí)獲取等五部分組成[3]，其系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 專(zhuān)家系統(tǒng)流程框圖

知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)、一般常識(shí)等。推理機(jī)是用于求解問(wèn)題的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，即專(zhuān)家系統(tǒng)的“思維”機(jī)構(gòu)。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放推理的初始證據(jù)、中間結(jié)果及最終結(jié)果等。解釋接口把用戶(hù)輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，再把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶(hù)易于理解的外部表示形式，并能做出解釋。知識(shí)獲取將某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的事實(shí)性知識(shí)和領(lǐng)域?qū)＜宜赜械慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序。

1.2 專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷機(jī)理

專(zhuān)家系統(tǒng)的診斷過(guò)程是模式識(shí)別的過(guò)程，經(jīng)歷如下三個(gè)階段[4]。

a）確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容，提取系統(tǒng)狀態(tài)的特征信號(hào)。這些特征信號(hào)包括：系統(tǒng)工作時(shí)的約束條件及應(yīng)滿(mǎn)足的技術(shù)規(guī)定，這是系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容與診斷信息；系統(tǒng)的功能信息，主要反映系統(tǒng)的工況；系統(tǒng)工作的歷史信息，主要反映系統(tǒng)狀態(tài)參量的變化。

b）從所檢測(cè)到的特征信號(hào)中提取征兆。通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析確定各信息對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，作為故障診斷的依據(jù)。

c）根據(jù)征兆或有關(guān)參數(shù)的變化趨勢(shì)做出某些故障的預(yù)測(cè)和診斷。

2 專(zhuān)家系統(tǒng)在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)干式變壓器的故障診斷，應(yīng)對(duì)干式變壓器的狀態(tài)參量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，然后通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其故障識(shí)別，做出故障診斷。本系統(tǒng)利用傳感器獲取的三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組溫度、鐵芯溫度和接地電流等信號(hào)經(jīng)雙屏蔽電纜傳輸至調(diào)理單元，選通放大后由數(shù)字采集單元完成數(shù)據(jù)采集，通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理與存儲(chǔ)，并生成各類(lèi)譜圖、報(bào)表、發(fā)展趨勢(shì)圖等。

2.1 干式變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的基本功能

干式變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的基本功能如下。

a）診斷變壓器是否存在故障。系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)入自動(dòng)診斷狀態(tài)，定期對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出評(píng)價(jià)，確定是否存在故障。該系統(tǒng)以干式變壓器三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組和鐵芯溫度、鐵芯泄漏電流數(shù)值及其變化分析為主，判斷是否存在內(nèi)部故障。

b）推斷故障發(fā)生的部位及原因。當(dāng)懷疑設(shè)備存在內(nèi)部故障時(shí)，系統(tǒng)提示用戶(hù)輸入設(shè)備的其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步證實(shí)故障，確定故障原因及部位等。當(dāng)用戶(hù)未知或無(wú)法取得某項(xiàng)參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)其他已知信息推斷。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都不知道時(shí)，則系統(tǒng)輸出幾種可能的部位、原因及其經(jīng)驗(yàn)性概率。例如，若變壓器內(nèi)部過(guò)熱，且其他電氣結(jié)果未知，則故障部位為分接開(kāi)關(guān)0.6，磁路0.3，線圈0.1。

c）提出故障處理意見(jiàn)，例如立即停運(yùn)檢修、加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè)或正常運(yùn)行等。

2.2 干式變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

干式變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括以下幾部分。

數(shù)據(jù)庫(kù)由干式變壓器的銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分組成。

a）銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)。銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)包含系統(tǒng)內(nèi)35 kV及以上電壓等級(jí)被監(jiān)測(cè)變壓器的全部銘牌參數(shù)。當(dāng)新增需要監(jiān)測(cè)的變壓器要采用此銘牌庫(kù)時(shí)，僅需把各自變壓器的銘牌參數(shù)像填表一樣輸入即可。某臺(tái)35 kV無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。

表1 35 kV無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器銘牌數(shù)據(jù)庫(kù)

b）試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)包括：變壓器代碼庫(kù)，繞組聯(lián)結(jié)組別標(biāo)號(hào)校核數(shù)據(jù)庫(kù)，三相運(yùn)行電壓，三相運(yùn)行電流，三相繞組溫度，鐵芯溫度，接地電流，絕緣電阻，電壓比及變比誤差，直流電阻，泄漏電流，交流耐壓，局部放電等。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)可以完成數(shù)據(jù)的輸入、刪除、查詢(xún)及修改。試驗(yàn)數(shù)據(jù)都與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷是否合格。如有某一項(xiàng)不合格，就進(jìn)入缺陷庫(kù)，以備查詢(xún)。

c）知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)由事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)組成，它集中了干式變壓器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及導(dǎo)則的規(guī)定，并收集了國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家分析判斷干式變壓器故障的權(quán)威經(jīng)驗(yàn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及導(dǎo)則中有關(guān)部分的變化，經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和增加，知識(shí)庫(kù)可以隨時(shí)擴(kuò)大、修改、更新。

知識(shí)庫(kù)由三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組溫度、鐵芯溫度、接地電流等子庫(kù)組成，考慮了干式變壓器的幾乎全部可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目及數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值。

d）推理機(jī)。推理機(jī)是實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障微機(jī)診斷的關(guān)鍵部分。專(zhuān)家系統(tǒng)能否得出正確的結(jié)論，取決于推理關(guān)系的準(zhǔn)確性。干式變壓器的故障診斷的全過(guò)程，都是在推理機(jī)的關(guān)聯(lián)庫(kù)的引導(dǎo)下完成的。

專(zhuān)家系統(tǒng)以干式變壓器常見(jiàn)的幾類(lèi)故障為分析判斷的對(duì)象，先列出進(jìn)行診斷的推理邏輯關(guān)系，然后編制程序，形成推理關(guān)聯(lián)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障的微機(jī)診斷。專(zhuān)家系統(tǒng)的幾類(lèi)關(guān)聯(lián)庫(kù)為：三相運(yùn)行電壓超標(biāo)或變化率超標(biāo)，三相運(yùn)行電流超標(biāo)或變化率超標(biāo)，三相繞組溫度異常，鐵芯溫度異常，鐵芯接地電流超標(biāo)等。

根據(jù)干式變壓器故障性質(zhì)的特點(diǎn)，利用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推理。例如，某臺(tái)35 kV干式變壓器鐵芯溫度高于200℃，那么故障的原因可能是：負(fù)載太重，某相繞組內(nèi)部短路，鐵芯多點(diǎn)接地，鐵芯片間短路或異物短路，高壓端進(jìn)線短路等。其規(guī)則表達(dá)式如下。

IF鐵芯溫度高于200℃

THEN負(fù)載太重OR某相繞組內(nèi)部短路OR鐵芯多點(diǎn)接地OR鐵芯片間短路或異物短路OR高壓端進(jìn)線短路

通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該干式變壓器鐵芯接地電流為數(shù)值大于規(guī)程規(guī)定（見(jiàn)表2、表3、表4）。

表2 35 kV無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 35 kV無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器直流電阻數(shù)據(jù)mΩ

表4 35 kV無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)mA

然后根據(jù)這些可能的故障原因，借助其他特征量信息、歷史數(shù)據(jù)、規(guī)章指標(biāo)等利用信息融合技術(shù)逐步核實(shí)，確定在鐵芯接地處可能存在的缺陷。

e）解釋器。專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)全部幾大類(lèi)推理規(guī)則和幾類(lèi)知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋說(shuō)明。推理規(guī)則的解釋主要以框圖的形式給出，知識(shí)部分的解釋主要以表格數(shù)據(jù)和文字的形式給出，并且用戶(hù)可以進(jìn)行修改和編輯?？衫肔abview軟件編寫(xiě)的干式變壓器故障診斷系統(tǒng)界面說(shuō)明。

3 結(jié)束語(yǔ)

故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)干式變壓器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析判斷可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)變化，對(duì)設(shè)備發(fā)生故障及時(shí)報(bào)警并提供可靠的參數(shù)分析。采用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)干式變壓器進(jìn)行故障診斷是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題。本文構(gòu)造了干式變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的基本模型，為干式變壓器的智能化診斷奠定了一定的基礎(chǔ)。專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要不斷改進(jìn)：首先，要有完善的知識(shí)庫(kù)，這需要大量專(zhuān)家知識(shí)、運(yùn)行維修經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障剖析的積累；其次，依賴(lài)于診斷技術(shù)的發(fā)展，如模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能理論。

［1］ 曾小超.電力變壓器運(yùn)行與故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1994，3（5）：14-16．

［2］ 謝峰.電力變壓器故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)前景［J］.山東電力技術(shù)，1998，4（6）：25-28．

［3］ 張全壽，周建峰.專(zhuān)家系統(tǒng)建造原理及方法［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1992：7-10．

［4］ 關(guān)惠玲.設(shè)備故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)原理及實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：122-130．