配電變壓器故障分析及隨機(jī)森林診斷實(shí)現(xiàn)

摘 要：配電變壓器工作狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的安全，對電力系統(tǒng)及其用戶有著巨大的影響。本文對配電變壓器的常見故障進(jìn)行了分析，并提出了一種基于隨機(jī)森林理論的變壓器故障診斷智能方法，對保證電力系統(tǒng)安全、減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

關(guān)鍵詞：變壓器；故障診斷；隨機(jī)森林；變壓器故障

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，電力用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高[ 1 ]。通過對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以及早有效的發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性故障，減少事故的發(fā)生，提高電網(wǎng)的供電效率[ 2 ]。隨機(jī)森林作為一種新興的人工智能方法，其變壓器故障診斷技術(shù)是指將專家知識與該人工智能方法有機(jī)的結(jié)合起來，通過獲取診斷信息及診斷方法，對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)做出正確判斷，對保證電力系統(tǒng)安全、減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

1 配電變壓器常見故障類型分析

一般來說，配電變壓器的常見故障主要包括短路故障、絕緣故障以及放電故障三大類[ 1，3-4 ]。

1.1 短路故障

造成配電變壓器突發(fā)短路故障的主要原因是變壓器內(nèi)部相間出現(xiàn)短路、變壓器出口存在短路或者內(nèi)部引線或繞組間短路等。其危害主要有短路力矩引起繞組變形、短路電流引起絕緣過熱兩個方面。變壓器突發(fā)短路故障時，若繼電保護(hù)能夠正確動作且短路電流較小，由于存在累計(jì)效應(yīng)，多次短路沖擊會使繞組形變嚴(yán)重；若短路電流過大且繼電保護(hù)裝置動作遲緩甚至拒絕，繞組受到短路力矩影響后甚至可能導(dǎo)致繞組損壞。此外，由于變壓器的承受電流的能力有限且熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)短路電流過大超過變壓器承受能力時，變壓器內(nèi)的絕緣材料將會嚴(yán)重受損，進(jìn)而發(fā)生擊穿或損毀。

1.2 絕緣故障

變壓器中絕緣材料的壽命決定著變壓器的壽命。固體紙絕緣作為油浸式變壓器主要絕緣部分之一，其老化特性不可逆轉(zhuǎn)。另一方面，油浸式變壓器中的絕緣油在正常情況下氧化過程緩慢，如果在維護(hù)良好的情況下甚至可以使用20-30年，但一旦混入氣體、雜質(zhì)、金屬等物質(zhì)，絕緣油的氧化速度便會加快，導(dǎo)致液體油絕緣故障。

1.3 放電故障

配電變壓器局部放電依據(jù)絕緣介質(zhì)、絕緣部位不同來劃分。油浸式變壓器如果發(fā)生火花放電，主要會造成輕瓦斯動作、局部放電或者油色譜異常等情況；電弧放電伴隨著高能量的釋放，造成此故障的主要原因是繞組匝層間絕緣擊穿，其次為分接開關(guān)飛弧、引線斷裂或?qū)Φ亻W絡(luò)等。如果在工作中未能充分認(rèn)識和注意此類故障的發(fā)展程度，勢必會引發(fā)嚴(yán)重后果。

2 基于隨機(jī)森林的變壓器故障診斷實(shí)現(xiàn)

隨機(jī)森林指的是一種利用多棵決策樹對樣本進(jìn)行訓(xùn)練并給出預(yù)測結(jié)果的高效分類器，此方法作為一種新興的機(jī)器學(xué)習(xí)算法被引入到故障診斷中，其優(yōu)點(diǎn)在于在保證運(yùn)算量的前提下提高了預(yù)測精度[ 5 ]。隨機(jī)森林算法的原理是利用隨機(jī)的理論建立一個決策森林，森林中的決策樹互補(bǔ)關(guān)聯(lián)，當(dāng)把新的樣本輸入其中時，森林中的決策樹進(jìn)行分析決策，最后根據(jù)給出的決策情況判定樣本類別。隨機(jī)森林算法匯聚了Bagging和隨機(jī)空間兩大算法的特點(diǎn)和優(yōu)勢，采用了Bagging算法的無放回式抽樣，同時利用了隨機(jī)子空間算法的隨機(jī)性，只對部分樣本進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果由決策樹投票得出。

在此算法中，每一棵決策樹即為一棵二叉樹，均遵循地遞歸分裂原則從根節(jié)點(diǎn)開始對訓(xùn)練集進(jìn)行劃分，并按照自頂向下的原則生成，包含全部訓(xùn)練數(shù)據(jù)的根節(jié)點(diǎn)根據(jù)純度最小原則分裂為左、右節(jié)點(diǎn)，且其分別包含著訓(xùn)練數(shù)據(jù)的一個子集。節(jié)點(diǎn)依據(jù)以上規(guī)則繼續(xù)分裂直到分支滿足停止規(guī)則時，停止生成。算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）將數(shù)據(jù)集D初始化，每次從數(shù)據(jù)集中依據(jù)Bootstrap算法有放回地隨機(jī)取出k個樣本集，從而生成k個分類樹。2）在k個分類樹中每棵樹的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)獲得s個變量，從這些變量中挑選出最具代表性的變量，分類的閥值由多個分類點(diǎn)共同確定。3）分類樹不做修剪處理，使其無限生長。4）最終生長出的多棵分類樹共同構(gòu)成了隨機(jī)森林，新的樣本通過構(gòu)造的隨機(jī)森林進(jìn)行劃分，分類結(jié)果由分類器投票決定。

依據(jù)上述算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，以配電變壓器常規(guī)測量變量以及油中氣體含量為輸入，以配電變壓器狀態(tài)變量y=[y1，…，y6]，yi∈{0，1}，i∈{1，…，6}，即可實(shí)現(xiàn)對配電變壓器繞組變形、固體紙絕緣故障、液體油絕緣故障、局部放電、火花放電、電弧放電等六類故障的診斷分析。

3 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，配電變壓器的數(shù)量激增，因此為保證電力系統(tǒng)安全，減小經(jīng)濟(jì)損失，電力系統(tǒng)迫切需要能夠及時有效判斷出變壓器潛伏性故障的診斷方法，以便將變壓器的故障危害降低到最小。本文對配電變壓器的繞組變形、絕緣過熱、固體紙絕緣故障、液體油絕緣故障、局部放電、火花放電以及電弧放電等常見故障進(jìn)行分析，并基于隨機(jī)森林理論人工智能方法，提出了一種新型配電變壓器故障診斷方法，為變壓器故障診斷研究領(lǐng)域提供了新的思路。

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作者簡介：單林森（1981-），男，漢族，浙江紹興人，本科，工程師，研究方向：配電信息技術(shù)、模式識別。