基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 偉，呂艷霞，闞東微，郝艷軍

（1.國(guó)網(wǎng)鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗 154100；2.北京中電南瑞科技有限公司，北京 100160）

變壓器是電網(wǎng)中的重要樞紐設(shè)備，也是電網(wǎng)一次負(fù)荷可靠協(xié)調(diào)運(yùn)行所需的重要設(shè)備[1]。在電力系統(tǒng)中，變壓器故障可能會(huì)引起嚴(yán)重的電力事故。長(zhǎng)期以來(lái)，電力公司對(duì)變壓器仍然采取“定期檢修為主，狀態(tài)檢修為輔”的維修策略。隨著電網(wǎng)覆蓋面的逐漸擴(kuò)大及社會(huì)用電需求的提高，變壓器在線維修是設(shè)備維修方式發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。加強(qiáng)電壓器運(yùn)行管理和技術(shù)管理，減少變壓器故障的發(fā)生是現(xiàn)階段電力公司的核心管理方向之一，也是對(duì)變壓器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理和人員技能培訓(xùn)的目標(biāo)[3]。

變壓器傳輸功率大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隱患缺陷可導(dǎo)致變壓器在不同位置失效，不同運(yùn)行環(huán)境對(duì)變壓器工作狀態(tài)的影響也不盡相同。另外，在變壓器發(fā)生故障時(shí)，不僅故障癥狀狀態(tài)發(fā)生了變化，同時(shí)還出現(xiàn)了多種故障類型缺陷，使得故障癥狀與故障類型呈現(xiàn)出復(fù)雜的交叉映射關(guān)系[4-5]。

隨著變壓器故障診斷與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。大規(guī)模云傳輸技術(shù)的發(fā)展為變壓器監(jiān)控大數(shù)據(jù)的有效分析和變壓器生存狀態(tài)的維護(hù)提供了一種有效的技術(shù)手段，可為變壓器運(yùn)行維護(hù)提供更為智能、可靠的輔助決策支持。近幾年來(lái)，隨著電網(wǎng)智能化和自動(dòng)化程度的提高，電力數(shù)據(jù)積累逐步呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，在變壓器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作方面積累了多年的經(jīng)驗(yàn)，包括不同的操作環(huán)境和電壓水平[6-8]。歷史故障信息和典型故障案例的豐富為基于大數(shù)據(jù)挖掘的變壓器故障推理提供了依據(jù)。文中在對(duì)變壓器典型故障進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、分類和管理的基礎(chǔ)上，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行挖掘，獲取變壓器故障特征，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，建立有效、可靠的變壓器故障征兆和故障類型可視化系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)提取變壓器故障特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障的可視化診斷。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在分析大規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以典型的分類和管理?xiàng)l件（故障征兆和故障癥狀）為基礎(chǔ)，用關(guān)聯(lián)規(guī)則方法分析了變壓器故障類型和故障癥狀之間的關(guān)系，梳理了智能聯(lián)級(jí)的故障征兆，建立了高效智能的電力變壓器故障診斷模型和故障數(shù)據(jù)檢索管理系統(tǒng)，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輔助決策信息呈現(xiàn)的可視化。基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)的變壓器故障推理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變壓器故障推理系統(tǒng)架構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)變壓器故障的可視化診斷，一方面引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過推理使診斷結(jié)果直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員和培訓(xùn)人員提供直觀、清楚的故障類型和故障癥狀[9-10]；另一方面，通過智能算法導(dǎo)出映射權(quán)值，對(duì)隱藏在故障類型中的故障癥狀進(jìn)行定量顯示，為操作人員的操作、維護(hù)和維修方法提供支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器故障的跟蹤，提高了對(duì)故障定位的分析效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由防火墻、特殊交換機(jī)、信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

變壓器故障推演系統(tǒng)附屬于電力公司的安全區(qū)內(nèi)，通過高級(jí)的防火墻和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接形成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，完成基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演過程，得出相應(yīng)結(jié)論[11-12]。文中系統(tǒng)硬件平臺(tái)通過工程生產(chǎn)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)錄入不同變壓器的基本參數(shù)與數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在該系統(tǒng)的服務(wù)器中，在對(duì)變壓器進(jìn)行故障推演時(shí)，提供變壓器的相關(guān)信息。推理人員通過瀏覽器/服務(wù)器模式進(jìn)行變壓器故障推演結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢，具體的基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 變壓器故障推演系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演硬件平臺(tái)由UPS 電源、i.MX6 處理器、特殊的處理器接口、集成顯卡、內(nèi)部存儲(chǔ)器、推演服務(wù)器構(gòu)成[13-15]。

文中變壓器故障推演系統(tǒng)選擇的電源是UPS 電源。UPS 電源是一種在線式電源，在線式電源如果出現(xiàn)漏電情況，會(huì)立即向系統(tǒng)中心反饋信息，避免出現(xiàn)電源突然關(guān)閉造成信息丟失的事故。UPS 電源的額定功率為60 kVA，輸入電壓的范圍為210～475 V，輸出電壓的范圍為AC 380/220 V，輸入頻率的范圍為40～70 Hz。UPS電源耐用并且支持大功率的電壓輸入輸出，為變壓器故障推演系統(tǒng)的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)[16]。

硬件系統(tǒng)的推演服務(wù)器使用兩個(gè)8 核的CPU，主頻頻率在2.13 GHz 以上，其具有256 G 超大內(nèi)存空間，額外有4 個(gè)300 GB 的SAS 硬盤，推演服務(wù)器的超大內(nèi)存有利于變壓器故障推演系統(tǒng)加速運(yùn)行。i.MX6 處理器是最適合文中研究的變壓器推演系統(tǒng)的處理器，因?yàn)閕.MX6 處理器是目前飛思卡爾半導(dǎo)體在處理器領(lǐng)域最新的產(chǎn)品，具有極高的性能和強(qiáng)大的功能。i.MX6 處理器采用納米技術(shù)，運(yùn)行頻率高達(dá)1 GHz，其內(nèi)核采用ARM v7 的指令架構(gòu)，在運(yùn)行的過程中可以承載0～4 MB 的高速緩存控制器，防止變壓器故障推演系統(tǒng)產(chǎn)生卡頓的情況。ARM v7的指令可以自動(dòng)壓縮變壓器內(nèi)部信息的大小，并且高性能浮點(diǎn)單位比傳統(tǒng)的內(nèi)核性能提高一倍。

文中選用MIPI 接口連接變壓器推演系統(tǒng)，一方面MIPI 接口具有LCD 控制器，在中場(chǎng)連接的時(shí)候會(huì)顯示綠色，如果接口發(fā)生松動(dòng)，MIPI 接口立即轉(zhuǎn)為紅色燈，方便故障檢修人員的故障認(rèn)定。另一方面MIPI 接口具有高速傳輸數(shù)據(jù)的功能，傳輸速率高達(dá)5 Gbps，提高了基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件是維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心，文中變壓器故障推演軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中心是實(shí)現(xiàn)變壓器故障征兆與故障切入點(diǎn)的映射連通的構(gòu)建，簡(jiǎn)化變壓器故障推演的邏輯思維。

變壓器的故障征兆與故障切入點(diǎn)之間存在著交叉映射的拓?fù)潢P(guān)系，是變壓器故障正常推演的關(guān)鍵。文中研究的基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件區(qū)域，設(shè)計(jì)了特有的故障點(diǎn)引擎功能，實(shí)現(xiàn)變壓器故障征兆與故障切入點(diǎn)的連接。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，變壓器故障征兆與故障點(diǎn)類型存在線性關(guān)系，具體公式如下所示：

其中，F(xiàn)a和Fb分別表示變壓器故障征兆程度和待處理的故障數(shù)目。由于T值代表變壓器故障征兆與故障點(diǎn)類型間的線性關(guān)系，因此，哪一類故障的T值越高，越能夠說(shuō)明變壓器存在該類故障的可能性更大。

為了簡(jiǎn)化傳統(tǒng)故障推演系統(tǒng)的推演過程，文中在系統(tǒng)的軟件區(qū)域設(shè)計(jì)了故障重現(xiàn)功能，將變壓器存在的故障點(diǎn)進(jìn)行有邏輯的排序，完成推演過程。此時(shí)借助的公式如下所示：

其中，ΔX(j,t+1)是變壓器故障點(diǎn)的故障系數(shù)；X(j,t+1)是變壓器預(yù)測(cè)的故障類型指標(biāo)；X(j,t-1)是計(jì)算機(jī)檢測(cè)的變壓器運(yùn)行的空載損耗。

將所有計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)到的變壓器故障點(diǎn)的故障點(diǎn)指標(biāo)系數(shù)計(jì)算出來(lái)，將計(jì)算結(jié)果由小到大進(jìn)行排序，對(duì)其是否發(fā)生故障及故障類型做進(jìn)一步地推演識(shí)別。

綜上所述，在基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，具體系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 變壓器故障推演系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析與研究

為了精準(zhǔn)地評(píng)估基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的故障推演能力，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將文中設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于多源信息融合的變壓器故障推演系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，從推演相對(duì)誤差和推演時(shí)間兩個(gè)方面檢驗(yàn)不同系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

為了保證該次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的公平性和科學(xué)性，文中將4 個(gè)工作人員分為兩組，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)的核對(duì)，如果出現(xiàn)極小的誤差取其平均值，如果出現(xiàn)較大的誤差，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況舍去數(shù)據(jù)或者重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

具體的實(shí)驗(yàn)操作過程如下：

1）準(zhǔn)備4 臺(tái)相同型號(hào)、相同參數(shù)的變壓器，其中兩臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)，兩臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)替補(bǔ)，防止實(shí)驗(yàn)過程中由于實(shí)驗(yàn)器材的原因終止實(shí)驗(yàn)；

2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)處理，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前工作人員準(zhǔn)備兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，分別連接實(shí)驗(yàn)的兩臺(tái)變壓器，進(jìn)行變壓器的故障檢測(cè)，將故障結(jié)果記錄下來(lái)，為了保證實(shí)驗(yàn)的公平性，兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)變壓器具有相同故障；

3）預(yù)處理結(jié)束后，將兩個(gè)變壓器故障推演系統(tǒng)安裝到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，同一時(shí)間開始對(duì)兩臺(tái)變壓器進(jìn)行故障推演操作，4 個(gè)工作人員記錄兩個(gè)系統(tǒng)的操作時(shí)間。兩個(gè)系統(tǒng)分別故障推演后，計(jì)算機(jī)對(duì)兩個(gè)故障推演系統(tǒng)的推演過程進(jìn)行分析，得出試驗(yàn)效果數(shù)據(jù)；

4）為了對(duì)比兩種故障推演系統(tǒng)的相對(duì)誤差，文中用Re表示，具體如式（3）所示。

其中，Xj為預(yù)測(cè)值，Xi為實(shí)際值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，工作人員關(guān)閉電源，整理實(shí)驗(yàn)器材，由此結(jié)束整體實(shí)驗(yàn)操作。通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖，如圖4、5 所示。

圖4 傳統(tǒng)變壓器故障推演系統(tǒng)的推演誤差

由于變壓器故障的推演誤差越小，故障推演系統(tǒng)的性能就越好，觀察圖4 和圖5 可知，文中所研究的變壓器故障推演系統(tǒng)具有較小的相對(duì)誤差。

圖5 文中變壓器故障推演系統(tǒng)的推演誤差

計(jì)算機(jī)在對(duì)兩個(gè)變壓器故障推演系統(tǒng)的推演過程進(jìn)行分析時(shí)，得出兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)存在相同待診斷故障數(shù)時(shí)的系統(tǒng)推演時(shí)間，其對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 推演邏輯效果示意圖

根據(jù)圖6 可知，變壓器存在待解決的故障數(shù)越多時(shí)，兩個(gè)變壓器故障推演系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)。由圖6 可以觀察到，兩個(gè)系統(tǒng)面對(duì)相同故障時(shí)，故障推演的時(shí)間卻不相同，這是因?yàn)槲闹醒芯康幕跀?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓故障推演系統(tǒng)對(duì)各種型號(hào)的變壓器內(nèi)部熟悉，可以很快地找到故障推演切入點(diǎn)。當(dāng)變壓器存在的故障數(shù)目較多時(shí)，文中研究的基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的運(yùn)行推演時(shí)間比傳統(tǒng)的變壓器故障推演系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間短。

綜上所述，設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)不僅能夠降低推演誤差，還能夠有效縮短診斷時(shí)間，證明該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過研究變壓器故障推演系統(tǒng)軟件部分和硬件部分，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到文中研究的基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)比傳統(tǒng)的推演系統(tǒng)邏輯清楚，推理時(shí)間短并且故障推演結(jié)果準(zhǔn)確的結(jié)論。

大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)在一定程度上量化了變壓器的諸多故障評(píng)估指標(biāo)，簡(jiǎn)化了變壓器故障推演過程。文中研究的變壓器故障推演系統(tǒng)雖然解決了變壓器故障推演的問題，但是在今后的研究中，應(yīng)對(duì)變壓器故障和變壓器老化作出深入的研究。