基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助的電力變壓器運(yùn)行維護(hù)規(guī)程完備性檢驗(yàn)方法研究

鐘國(guó)平，張前進(jìn)*

（1.廣東運(yùn)峰電力安裝有限公司公司總部，廣東佛山528200；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系，廣東佛山528000）

基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助的電力變壓器運(yùn)行維護(hù)規(guī)程完備性檢驗(yàn)方法研究

鐘國(guó)平1，張前進(jìn)2*

（1.廣東運(yùn)峰電力安裝有限公司公司總部，廣東佛山528200；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系，廣東佛山528000）

針對(duì)大型電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的完備性檢驗(yàn)問(wèn)題，提出了基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)方法，該檢驗(yàn)方法能夠?qū)τ陔娏ψ儔浩鞯倪\(yùn)行維護(hù)規(guī)程提出具有科學(xué)依據(jù)的修訂意見，確保變壓器運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的完備性，運(yùn)行維護(hù)人員嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)規(guī)程能夠保證電力生產(chǎn)的安全可靠運(yùn)行。

電力變壓器；計(jì)算實(shí)驗(yàn)；運(yùn)行維護(hù)規(guī)程檢驗(yàn)

電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，保證電力變壓器的安全可靠運(yùn)行，就是保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。適用于各種電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)的規(guī)章制度，是保證電力變壓器可靠運(yùn)行的基本管理方法。對(duì)比一個(gè)全自動(dòng)的機(jī)器運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)和基于人力資源執(zhí)行運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的人工系統(tǒng)，則人工系統(tǒng)具有更好的自適應(yīng)能力［1］。盡管工作人員執(zhí)行運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的準(zhǔn)確性比較容易考核，但人工系統(tǒng)最大的問(wèn)題是，用來(lái)指引人員工作的運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的完備性檢驗(yàn)問(wèn)題。對(duì)于一般的物理系統(tǒng)，可以通過(guò)模擬仿真、物理仿真或者實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，驗(yàn)證系統(tǒng)是否對(duì)于輸入空間的激勵(lì)有預(yù)期的響應(yīng)［2］。一般地，很容易對(duì)一個(gè)溫度檢測(cè)儀表進(jìn)行校驗(yàn)，在它的量程范圍內(nèi)調(diào)整輸入變量、檢測(cè)輸出變量，然后給這個(gè)溫度檢測(cè)儀表一個(gè)完善的精確度評(píng)價(jià)。但是，無(wú)法對(duì)一個(gè)管理規(guī)程和規(guī)章制度做同樣的檢驗(yàn)，原因是無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入的遍歷實(shí)驗(yàn)。

雖然一個(gè)規(guī)章制度的設(shè)計(jì)和設(shè)置會(huì)參照各個(gè)方面的工作經(jīng)驗(yàn)和工作案例，但是對(duì)于有限案例和經(jīng)驗(yàn)的參照不能保證管理規(guī)程的完備性。當(dāng)現(xiàn)行的管理規(guī)程出現(xiàn)問(wèn)題的境況下，無(wú)法確定修改這個(gè)規(guī)程的方向?；蛘哒f(shuō)，假設(shè)所設(shè)置的工作規(guī)程有不完善或者不正確之處，它所造成的后果也無(wú)法在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中得到歸納和追究。人工設(shè)計(jì)設(shè)置的管理規(guī)程系統(tǒng)在投入運(yùn)行之前，只有設(shè)計(jì)和建造，沒(méi)有驗(yàn)證試驗(yàn)，唯一能夠驗(yàn)證系統(tǒng)是否有效和完善的就是系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，而系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)不充分的驗(yàn)證試驗(yàn)。系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程也不能驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建是否有效和完善的，因?yàn)樵谟邢薜倪\(yùn)行時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)不可能遍歷輸入空間的全部狀態(tài)。

運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)規(guī)章制度的執(zhí)行容易檢驗(yàn)，而規(guī)章制度自身的完備性和正確性不容易檢驗(yàn)。規(guī)章制度是人為設(shè)計(jì)設(shè)置的，因此其正確性和完備性需要得到檢驗(yàn)。一個(gè)普通的物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)比較容易做到，例如，一臺(tái)機(jī)器設(shè)備經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)以后，會(huì)進(jìn)行制造試驗(yàn)，在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的反復(fù)過(guò)程后得到一個(gè)功能完備的系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，方法論層面上一種普遍有效的做法是，對(duì)于人為創(chuàng)建的管理信息系統(tǒng)進(jìn)行人工制造的事件演練，例如防火系統(tǒng)的演習(xí)。人工制造的事件演練，由于資源消耗的巨大，也做不到對(duì)于輸入空間的遍歷。借鑒上述技術(shù)路線，本文提出了一種基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助的管理規(guī)章制度完備性和正確性的校驗(yàn)方法。該方法利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)管理制度所針對(duì)的物理系統(tǒng)的分析和建模優(yōu)化，然后利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助建立一個(gè)物理和人工的混合系統(tǒng)。這個(gè)計(jì)算機(jī)仿真的物理和人工的混合系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于管理制度本身的正確性完備性檢驗(yàn)。

1 電力變壓器的技術(shù)剖析和建模

1.1 電力變壓器的技術(shù)剖析

所有技術(shù)方法都是用來(lái)解決技術(shù)矛盾的，在變壓器技術(shù)中也不例外。電力變壓器的第一個(gè)技術(shù)難題是導(dǎo)熱和絕緣問(wèn)題。變壓器需要一種導(dǎo)熱但是能夠絕緣的材料或者結(jié)構(gòu)，把變壓器運(yùn)行過(guò)程中間核心產(chǎn)生的熱量散發(fā)出來(lái)，使得變壓器本身的溫度不至于太高而使得絕緣破壞。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決導(dǎo)致了變壓器制造技術(shù)中的兩個(gè)方向，即油浸式變壓器和干式變壓器。

油浸式變壓器用變壓器油解決了導(dǎo)熱和絕緣的問(wèn)題，而干式變壓器則使用封裝變壓器結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂解決了導(dǎo)熱和絕緣問(wèn)題。電力變壓器的第二個(gè)技術(shù)難題是導(dǎo)磁但不導(dǎo)電的問(wèn)題，就是要構(gòu)成一個(gè)磁通回路，但是在磁場(chǎng)回路里面的所有結(jié)構(gòu)又不允許形成導(dǎo)電回路。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決，導(dǎo)致了變壓器鐵心結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要方向，一個(gè)是硅鋼片疊層鐵芯，另一個(gè)是非晶合金鐵心回路。上述導(dǎo)熱絕緣問(wèn)題和導(dǎo)磁但不導(dǎo)電問(wèn)題，是電力變壓器是否運(yùn)行正常的核心問(wèn)題。任何針對(duì)電力變壓器的運(yùn)行監(jiān)控，運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)都必須以上述兩個(gè)問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn)。

1.2 油浸式變壓器的故障要素和建模

油浸式電力變壓器的設(shè)計(jì)從原始應(yīng)用設(shè)計(jì)到現(xiàn)在，幾乎沒(méi)有什么改進(jìn)，這說(shuō)明最初的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)時(shí)間檢驗(yàn)是完備和正確的。此外，油浸式變壓器在當(dāng)代電力系統(tǒng)仍然廣泛應(yīng)用，也體現(xiàn)了它的性能和設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)演化過(guò)程是，為了解決導(dǎo)熱和絕緣問(wèn)題，鐵芯和線圈必須完全浸入到變壓器油中。問(wèn)題包括：1）如果油面對(duì)大氣環(huán)境敞開，則油中會(huì)吸收空氣中的水分或者固體雜質(zhì)，導(dǎo)致變壓器油的絕緣性能下降。2）如果油浸鐵芯和線圈部分對(duì)大氣環(huán)境密封，當(dāng)變壓器過(guò)載時(shí)，鐵損和銅損的大部分熱量會(huì)導(dǎo)致密封腔內(nèi)的油液膨脹和壓力升高，形成一個(gè)壓力容器，油液的體積隨著溫度變化必然使得變壓器的外殼反復(fù)變形。因此，變壓器油面必須對(duì)大氣開放，同時(shí)必須防止大氣中的水分和固體顆粒進(jìn)入變壓器油。該技術(shù)難點(diǎn)的解決辦法是油浸式變壓器采取一種從下向上的大氣聯(lián)通管結(jié)構(gòu)［3］，如圖1所示。由圖1可知，在連通管中設(shè)置一個(gè)吸濕劑空氣過(guò)濾裝置，以阻斷空氣中的水分進(jìn)入?？紤]空氣過(guò)濾吸濕裝置會(huì)阻礙故障狀態(tài)時(shí)油液快速膨脹的外泄通道，增設(shè)了一個(gè)在高壓力下可以爆裂泄壓的防爆玻璃或者安全閥裝置。結(jié)合變壓器油體積隨溫度變化的問(wèn)題，油浸式電力變壓器就形成了防爆玻璃或者安全閥、空氣吸濕過(guò)濾器、油枕、瓦斯保護(hù)繼電器、油位指示和測(cè)試放油閥等構(gòu)成的油液運(yùn)行回路。

圖1 油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)示意

由此可知，一個(gè)人工的或者自動(dòng)的變壓器運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，必須檢測(cè)下列變量：1）安全閥的狀態(tài)；2）空氣吸濕過(guò)濾器的狀態(tài)顏色；3）油液的液面位置；4）瓦斯繼電器的狀態(tài)；5）油液的成分變化狀態(tài)變量；6）變壓器殼體的溫度。

針對(duì)電力變壓器運(yùn)行維護(hù)的建模，只要建立其熱力學(xué)模型。對(duì)于油浸式電力變壓器的熱力學(xué)建模，主要是建立可觀測(cè)的狀態(tài)變量之間的物理關(guān)系。這些物理關(guān)系的確立，在理論分析之后，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)歸納，回歸求解出特定變壓器的特定參數(shù)。

1.3 干式變壓器的故障要素和建模

干式電力變壓器是在油浸式邊變壓器之后興起的，干式變壓器的優(yōu)點(diǎn)正好互補(bǔ)了油浸式變壓器的缺點(diǎn)。與油浸式變壓器相比，干式變壓器的缺點(diǎn)是過(guò)載能力差。干式變壓器能夠廣泛進(jìn)入應(yīng)用，主要配合了自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。由于干式變壓器采用固化的環(huán)氧樹脂來(lái)完成導(dǎo)熱和絕緣的問(wèn)題，它不具備變壓器油的快速吸熱降溫能力，因此干式變壓器的過(guò)載能力較差。干式變壓器的正常運(yùn)行，依靠殼體的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)和為了保護(hù)變壓器而設(shè)立的自動(dòng)限載斷路器系統(tǒng)。殼體自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)殼體的溫度，使其保持在設(shè)定的安全溫度之下。在負(fù)載側(cè)設(shè)立的自動(dòng)限載斷路器系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地檢測(cè)用戶負(fù)載，在用戶負(fù)載超出變壓器的過(guò)負(fù)荷范圍時(shí)，對(duì)負(fù)載斷電來(lái)保護(hù)變壓器。

干式變壓器的建模只在兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)之上建模，從而使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。

2 計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 平行系統(tǒng)理論的ACP方法

ACP方法［4］是平行系統(tǒng)理論的核心，是人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行系統(tǒng)方法的簡(jiǎn)稱（ACPArtificial societiey,Computational experiments,Parallel execution)。針對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)創(chuàng)建、優(yōu)化和管理問(wèn)題。ACP方法提供的解決方案是：創(chuàng)建一個(gè)與目標(biāo)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的人工系統(tǒng)。而人工系統(tǒng)的創(chuàng)建原則是，系統(tǒng)的相應(yīng)行為盡量與目標(biāo)系統(tǒng)的行為相一致，即人工系統(tǒng)是目標(biāo)系統(tǒng)的映像。對(duì)于輸入空間的外部事件觸發(fā)，目標(biāo)系統(tǒng)和人工系統(tǒng)能給出一致的或者相近的響應(yīng)。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)是人工創(chuàng)建的事件發(fā)生器，模擬系統(tǒng)的輸入空間，隨機(jī)驅(qū)動(dòng)人工系統(tǒng)，評(píng)價(jià)人工系統(tǒng)的響應(yīng)，這就是數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)原理。由于目標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行周期很長(zhǎng)，無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行外部事件輸入，達(dá)到測(cè)試驗(yàn)證人工系統(tǒng)的目的。因此，數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)類似于物理系統(tǒng)的加速老化實(shí)驗(yàn)的效果，從而縮短了系統(tǒng)驗(yàn)證的時(shí)間周期。

平行執(zhí)行是指在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，外部輸入不僅觸發(fā)目標(biāo)系統(tǒng)的響應(yīng)，同時(shí)也觸發(fā)人工系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)響應(yīng)一致或者接近一致時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)都不做調(diào)節(jié)；當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)不一致時(shí)，則要對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)和人工系統(tǒng)都做出調(diào)節(jié)，這個(gè)評(píng)價(jià)和調(diào)節(jié)的過(guò)程可能有專家在調(diào)節(jié)回路中，或者沒(méi)有專家在調(diào)節(jié)回路中。平行執(zhí)行的過(guò)程是一個(gè)3方互動(dòng)的過(guò)程。這個(gè)互動(dòng)過(guò)程的順利運(yùn)行，特別是數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)手段的主動(dòng)應(yīng)用，將能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的自適應(yīng)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命周期。

2.2 變壓器運(yùn)行維護(hù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信息流

變壓器運(yùn)行為維護(hù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)建流程如圖2所示。系統(tǒng)由4個(gè)主要的功能單元構(gòu)成，包括故障數(shù)據(jù)發(fā)生器、變壓器的物理模型、運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的規(guī)則模擬單元以及運(yùn)行維護(hù)結(jié)論的對(duì)比輸出。故障數(shù)據(jù)發(fā)生器是根據(jù)其他同類型變壓器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，截取在典型運(yùn)行故障時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)間，歸納出故障的觸發(fā)事件，輸出觸發(fā)事件給變壓器的物理模型。典型觸發(fā)事件經(jīng)過(guò)物理模型的推演，對(duì)環(huán)境輸出可觀測(cè)的狀態(tài)變量。狀態(tài)變量被運(yùn)行維護(hù)規(guī)程按照規(guī)定的時(shí)間頻度獲取，再按照運(yùn)行維護(hù)規(guī)程的規(guī)則進(jìn)行判斷和結(jié)論。將形成的結(jié)論與故障數(shù)據(jù)發(fā)生器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄。該系統(tǒng)的運(yùn)行可以獲得電力變壓器的不同觸發(fā)事件下的實(shí)驗(yàn)記錄，并評(píng)價(jià)在不同觸發(fā)事件時(shí)，人工運(yùn)行維護(hù)的時(shí)間頻度和處置行動(dòng)是否恰當(dāng)。當(dāng)故障數(shù)據(jù)發(fā)生器能夠所有故障出發(fā)事件的遍歷時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于運(yùn)行維護(hù)規(guī)章制度的完備性檢驗(yàn)。在系統(tǒng)單元中，故障數(shù)據(jù)發(fā)生器主要依據(jù)普通的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，變壓器的物理模型建立采用常用的建模技術(shù)就能夠成功，運(yùn)行規(guī)則的模擬采用當(dāng)代基本的人工智能技術(shù)就能夠滿足要求。

3 總結(jié)

（1）本文提出的基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助的電力變壓器運(yùn)行維護(hù)規(guī)程完備性檢驗(yàn)方法尚處于研究的初期階段，研究的意義在于本方法有效的實(shí)現(xiàn)管理規(guī)程和規(guī)章制度的完備性和正確性，能夠防止因?yàn)楣芾碇贫鹊谋锥怂鶎?dǎo)致的安全事故隱患。

（2）電力變壓器的運(yùn)行監(jiān)控比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，近年來(lái)已經(jīng)推廣應(yīng)用的智能運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)普遍具有較好的技術(shù)性能。電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行維護(hù)不能完全自動(dòng)化的主要原因是不能檢驗(yàn)為自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行規(guī)則，人工運(yùn)行維護(hù)具有更好的自適應(yīng)性。

（3）電力系統(tǒng)行業(yè)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化管理程度很高的企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化體系遍布企業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)崗位。本文的完備性檢驗(yàn)方法在電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)方面取得成功以后，能夠方便地推廣到其他管理規(guī)程的正確性檢驗(yàn)中去。

［1］杜言.基于網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)的電力安全工作規(guī)程仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)［J］.廣東科技,2012,21（21）:113-114.

［2］左敏.平行系統(tǒng)理論在現(xiàn)代礦山管理中的應(yīng)用［J］.金屬礦山,2011,40（9）:131-133.

［3］鵬芃科藝.電力變壓器的構(gòu)造［EB/OL］.［2017-02-05］.http://www.pengky.cn/dianjixilie011/kjdh-bianyaqimoxing/2017.

［4］王飛躍.平行控制——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算控制方法［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào),2013,39（4）:293-302.

【責(zé)任編輯：任小平 renxp90@163.com】

Research on completeness test method for operation andmaintenance of power transfor merbased on computational experiment

ZHONG Guo-ping1,ZHANG Qian-jin2*
（1.Guangdong Yunfeng Power Installation EngneeringCo.Ltd.,Foshan 528200,China; 2.Department of Automation Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

In this paper,a testmethod based on the computationalexperiment isproposed.Themethodmay solve the problem of the integrity confirmation of the operation andmaintenance rule.The testmethod can provide a scientific basis for the operation andmaintenance of the power transformer.Thismethod can ensure the integrity of the operation and maintenance procedures of the transformer.So that a strictly operation and maintenance procedureswillbe implemented,the safeand reliableoperation ofelectricity productionwillbeachieved.

power transformers;computationalexperiments;operation andmaintenance

TM41

A

2017-03-18

鐘國(guó)平（1972-），男，廣東梅州人，廣東運(yùn)峰電力工程有限公司工程師。

*通信作者：張前進(jìn)（1964-），男，陜西西安人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院高級(jí)工程師，博士。

1008-0171（2017）04-0063-04