電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李海明, 賀 佳

(上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

對(duì)電力變壓器油中的溶解氣體進(jìn)行分析可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的潛在故障,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變壓器故障的診斷.針對(duì)常見的電力變壓器故障,設(shè)計(jì)了基于變壓器油中溶解氣體分析方法和粗糙集方法的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)具有直觀、方便、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn),測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性.

電力變壓器; 自動(dòng)診斷系統(tǒng); 油中溶解氣體分析法; 粗糙集

可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)供電是電力系統(tǒng)運(yùn)行的3大要求.電力變壓器貫穿電力系統(tǒng)的輸電、變電、配電環(huán)節(jié),擔(dān)任輸送、變換和分配電力能源的職責(zé),是電力系統(tǒng)中不可缺少的電氣設(shè)備,一旦發(fā)生故障,將會(huì)中斷電能的傳輸,人們的生活也必然受到影響.特別是在供電連續(xù)性要求非常高的情況下,若電力變壓器發(fā)生故障,其后果無法想象.因此,研究電力變壓器的故障成因,尋找適合新時(shí)代電力變壓器故障診斷的方法,保證電力系統(tǒng)可靠、持續(xù)地提供良好的電能質(zhì)量就顯得尤為重要.

基于變壓器自身故障的不可避免性,電力行業(yè)普遍對(duì)電力變壓器實(shí)行定期檢修(Time Based Maintenance,TBM),即根據(jù)設(shè)備磨損和老化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,確定檢修等級(jí)、檢修間隔、檢修項(xiàng)目、需用備件及材料等[1].定期檢修是一種計(jì)劃性維修方式,雖然可以有效防止設(shè)備事故的發(fā)生,但是每次檢修都是在離線狀態(tài),勢(shì)必會(huì)造成一些誤判.

本文設(shè)計(jì)了一套基于粗糙集理論的電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng),經(jīng)測(cè)試表明,該系統(tǒng)對(duì)電力變壓器的故障診斷具有較高的準(zhǔn)確率.

1 電力變壓器的主要故障

目前,一般大型電力變壓器都是油浸式電力變壓器,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,如圖1所示.由于變壓器構(gòu)造復(fù)雜,每個(gè)構(gòu)成部分均有出現(xiàn)不正常運(yùn)行或直接故障停止運(yùn)行的可能,這些不正常狀態(tài)或故障會(huì)以不同的形式表現(xiàn)出來,比如有的會(huì)發(fā)出聲音,有的會(huì)散發(fā)味道,還有的是部件呈現(xiàn)不同顏色等.根據(jù)這些故障征兆尋找故障原因就是所謂的故障診斷.

圖1 油浸式電力變壓器結(jié)構(gòu)

油浸電力變壓器的故障一般分為內(nèi)部故障和外部故障[2].操作人員大多關(guān)注內(nèi)部故障,因此故障診斷的重點(diǎn)也是針對(duì)內(nèi)部故障.內(nèi)部故障就是變壓器油箱內(nèi)發(fā)生的各種故障,根據(jù)故障性質(zhì)的不同,分為過熱故障和放電故障兩類[3].過熱故障就是發(fā)熱引起的故障,發(fā)熱部位是變壓器內(nèi)部某一部位.放電故障就是由放電引起的故障,同樣是在變壓器內(nèi)部.

電力變壓器故障涉及范圍較大,用一種固定的范疇劃分故障類型非常不現(xiàn)實(shí),常見的電力變壓器故障分類如圖2所示.

圖2 電力變壓器常見故障分類

2 電力變壓器故障診斷原理

2.1 油中溶解氣體分析方法

油中溶解氣體分析(Dissolved Gases Analysis,DGA)方法的原理是:運(yùn)用充油電氣設(shè)備的油中消融進(jìn)去的氣體,對(duì)充油電氣設(shè)備的內(nèi)部故障進(jìn)行細(xì)致分析和判斷.油中溶解氣體分析方法所提到的油就是油浸式變壓器油箱中充滿的變壓器油,其作用是作為絕緣介質(zhì)和散熱媒介.不過在長期的接觸和摩擦中,這些油會(huì)受到環(huán)境的影響而發(fā)生老化或氧化,進(jìn)而導(dǎo)致一些氣體的產(chǎn)生,如碳?xì)浠衔?、氫氣、一氧化碳和二氧化碳?

根據(jù)電力變壓器油中各種氣體的組成成分以及濃度的不同,IEC三比值法是電力變壓器內(nèi)部故障類型診斷的主要方法.該方法[4]主要是采用5種特征氣體的三對(duì)比值,即φ(C2H2)/φ(C2H4),φ(CH4)/φ(H2),φ(C2H4)/φ(C2H6),用不同的編碼表示不同的三對(duì)比值范圍,來判斷電力變壓器的故障性質(zhì).IEC三比值法也是我國國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用的判斷充油電氣設(shè)備故障性質(zhì)的主要方法.其優(yōu)點(diǎn)是簡單、容易理解,但由于影響油中溶解氣體含量的因素很多,使得利用油中溶解氣體判斷故障有很大的不確定性.

2.2 粗糙集理論診斷方法

1982年,波蘭學(xué)者PAWLAK Z提出了粗糙集理論[5],其主要思想是分類.這里的分類就是將獲得的數(shù)據(jù)集合或信息集合中的對(duì)象分成不同的類別,圍繞已有對(duì)象判斷他們之間的關(guān)系,然后利用具備的知識(shí)去定義和近似描述這些對(duì)象.由于無法準(zhǔn)確定義所獲得的知識(shí),因此利用粗糙集理論來歸類.除了粗糙集理論,還有很多可以處理不確定和不精確問題的理論,如模糊集、概率論、證據(jù)理論等.粗糙集的優(yōu)勢(shì)就在于它可以不借助樣本之外的其他信息,只依靠樣本進(jìn)行分類,因此與其他方法相比就客觀很多.

在電力變壓器故障診斷中采用粗糙集理論構(gòu)建規(guī)則庫來匹配規(guī)則,進(jìn)行故障診斷推理[6].在故障分類中,觀察或測(cè)量到的變壓器故障征兆一般被作為條件屬性,決策屬性即為現(xiàn)實(shí)存在的變壓器故障.條件屬性和決策屬性都確定后,就可以構(gòu)建一個(gè)決策表.直接從描述故障狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)出發(fā)作數(shù)據(jù)預(yù)處理,就可以構(gòu)造故障診斷決策系統(tǒng).IEC三比值法處理變壓器復(fù)合故障時(shí)存在一些不足之處,而引入粗糙集理論的決策表約簡法可以彌補(bǔ)這些不足,從而有效處理含有錯(cuò)誤或遺漏的變壓器征兆,提高故障診斷準(zhǔn)確率.

3 電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 需求分析

需求分析是軟件工程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7].在這一過程中,系統(tǒng)分析員和軟件工程師確認(rèn)顧客的需求,并確定新系統(tǒng)的目標(biāo)、領(lǐng)域、定義和性能.

3.1.1 功能需求

電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù),對(duì)變壓器可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行判斷,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)診斷.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障診斷的智能系統(tǒng),使用戶可以通過登錄該系統(tǒng),隨時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀況.

系統(tǒng)管理員和員工是該系統(tǒng)的最高用戶.其中,管理員的權(quán)限是能夠進(jìn)行用戶的創(chuàng)建、修改和刪除等管理工作,需要具有一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)和電廠管理知識(shí);員工是一般用戶,需具備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)和電力系統(tǒng)常識(shí).

3.1.2 安全性需求

電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),因此數(shù)據(jù)量非常龐大.對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說,需要完整的權(quán)限管制,以避免某些人不懷好意地攻擊、篡改原始記載.同時(shí),對(duì)于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需要按時(shí)備份,防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)的意外丟失.此外,系統(tǒng)要求用戶在登陸時(shí)進(jìn)行身份驗(yàn)證.為保證數(shù)據(jù)的安全性,實(shí)行分權(quán)限用戶登錄.

3.1.3 性能需求

對(duì)于系統(tǒng)性能的要求,就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時(shí)不能有顯著的延遲,且查詢的時(shí)間保證在3 s之內(nèi).在無重大改動(dòng)的條件下,系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的時(shí)間不低于5年.計(jì)算機(jī)要具有良好的穩(wěn)定性,整套系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì).員工需受過較好的計(jì)算機(jī)和電力系統(tǒng)知識(shí)的培訓(xùn).

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.1 設(shè)計(jì)原則

本設(shè)計(jì)遵循以下原則:統(tǒng)一設(shè)計(jì)原則;先進(jìn)性原則;高可靠、高安全性原則;適用性原則;擴(kuò)展性原則.

3.2.2 開發(fā)平臺(tái)的確定

根據(jù)不同的用戶類型、需求以及電力變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng).本系統(tǒng)由傳感器獲得需要實(shí)時(shí)顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù),存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中.然后從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取要分析的數(shù)據(jù),進(jìn)行智能診斷分析.同時(shí),實(shí)時(shí)顯示電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息.本系統(tǒng)的最高用戶是系統(tǒng)管理員和員工,管理員能夠?qū)σ话阌脩艉妥儔浩鞯刃畔⑦M(jìn)行創(chuàng)建、修改和刪除等,員工只能查看變壓器的基本信息以及操作個(gè)人信息.

本系統(tǒng)后臺(tái)基于j2ee技術(shù),為了滿足系統(tǒng)的性能需求,在構(gòu)建Web項(xiàng)目時(shí),選擇了輕量級(jí)的ssh框架作為后臺(tái)框架,前臺(tái)頁面則采用了bootstrap框架進(jìn)行開發(fā).為了兼顧數(shù)據(jù)的安全性和輕量級(jí)的開發(fā)環(huán)境,采用Mysql作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫.其中,運(yùn)用數(shù)據(jù)庫MySQL和Java語言編程完成了系統(tǒng)界面的開發(fā)及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的顯示,如變壓器的電氣參數(shù)等.結(jié)合故障診斷方法,實(shí)現(xiàn)了變壓器故障的自動(dòng)診斷.從后臺(tái)到前端再到數(shù)據(jù)庫,該系統(tǒng)都選擇了較為輕量級(jí)且安全快速的框架,不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,還保證了系統(tǒng)的性能需求.系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意

3.2.3 功能模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)用戶的需求分析,設(shè)計(jì)了權(quán)限管理、歷史數(shù)據(jù)管理、設(shè)備故障診斷和知識(shí)庫管理4個(gè)模塊.

權(quán)限管理模塊具有為操作人員(即管理員和一般用戶)分配操作權(quán)限的功能,保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)不會(huì)被非法操作,也滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性原則.本系統(tǒng)的管理員對(duì)于所有數(shù)據(jù)擁有讀寫權(quán)限,一般用戶只對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)有寫的權(quán)限,其余數(shù)據(jù)則僅有只讀權(quán)限.

歷史數(shù)據(jù)管理模塊可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行create,query,delete,update等操作.設(shè)備故障診斷模塊相對(duì)復(fù)雜一些,其主要工作是根據(jù)變壓器的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來判斷設(shè)備的狀態(tài).知識(shí)庫模塊存儲(chǔ)故障診斷的方法,可進(jìn)行create,delete,update等操作,從而使系統(tǒng)的知識(shí)庫不斷擴(kuò)充和修正.

3.2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含用戶管理數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)、知識(shí)庫3個(gè)數(shù)據(jù)庫.用戶管理數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)與用戶相關(guān)的信息,包括用戶個(gè)人信息表、變壓器基本信息表等.歷史數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)變壓器診斷的相關(guān)歷史數(shù)據(jù).管理員可以通過點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)查看模塊,以及所有的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù),包括序號(hào)、變壓器編號(hào)、判斷編碼、故障信息等.管理員還可以根據(jù)需求刪除不需要的歷史數(shù)據(jù),但不可以修改歷史數(shù)據(jù).知識(shí)庫主要用于存儲(chǔ)各種診斷模型的參數(shù)(包括三比值法故障診斷規(guī)則、三比值法經(jīng)粗糙集約簡后的故障診斷規(guī)則等),管理員通過點(diǎn)擊知識(shí)庫管理,可以對(duì)知識(shí)庫中判斷故障的方法進(jìn)行修改、添加和刪除,并且加以校正.

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)控運(yùn)行,能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行在線監(jiān)測(cè).變壓器運(yùn)行維護(hù)人員登錄該系統(tǒng),可以掌握變壓器的運(yùn)行狀態(tài),并進(jìn)行故障診斷分析.其中,系統(tǒng)的故障診斷功能經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效訓(xùn)練,能夠?qū)ψ儔浩鞯牟糠謨?nèi)部故障進(jìn)行較為準(zhǔn)確的判斷,未來可以嘗試進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和測(cè)試,以達(dá)到更準(zhǔn)確的診斷效果.

4 結(jié) 語

該電力變壓器故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的用戶界面友好,使用直觀方便,可操作性強(qiáng),可擴(kuò)展性好.支持本地登錄,未來可以進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄的擴(kuò)展,便于專家提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)分析.系統(tǒng)使用的故障診斷方法能夠有效識(shí)別設(shè)備中的故障信息,能較好地診斷電力變壓器的故障,構(gòu)建這樣一個(gè)系統(tǒng)為電力變壓器的故障診斷提供了新思路.

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(編輯 白林雪)

DesignofAutomaticDiagnosisSystemforPowerTransformerFault

LIHaiming,HEJia

(SchoolofComputerScienceandTechnology,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Power transformer fault automatic diagnosis technology can help to find the latent fault of power transformer in time,to ensure the safe and stable operation of the transformer.A fault diagnosis system of power transformer based on dissolved gas analysis method and rough set method is designed for power transformer,which is intuitionistic,convenient and scalable.

power transformer; automatic diagnosis system; dissolved gas analysis; rough set

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.04.009

2017-03-09

賀佳(1991-),女,在讀碩士,陜西榆林人.主要研究方向?yàn)殡娏ψ儔浩鞯墓收显\斷.E-mail:xaut1213@163.com.

TP273.5;TM407

A

1006-4729(2017)04-0353-04