基于可靠性分析的大型變壓器健康管理平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

張 瑜，東鑫淵，朱永燦，劉 成

(1.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038； 2.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710600)

1 大型變壓器服役特點(diǎn)

大型電力變壓器通常指500 kV及以上電壓等級(jí)變電站中，承擔(dān)電能轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)戎匾氊?zé)的變壓器，其在大型變電站中有著不可替代的地位。電氣設(shè)備投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)必然會(huì)引起絕緣性能退化，如此便會(huì)暴露出大型變電站的某些安全隱患。如何保障大型變電站輻射范圍內(nèi)的供電安全可靠性，在減少甚至避免故障發(fā)生的同時(shí)減輕一線運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員的檢修工作量，是大型變電站智能化研究與發(fā)展過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。

大型變壓器的全生命周期性能表現(xiàn)受運(yùn)行時(shí)間以及工作環(huán)境的影響。首先，大型變電站作為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的特例，其服役載荷有時(shí)變復(fù)雜性，這些不確定性會(huì)產(chǎn)生不同程度的累積效應(yīng)，則系統(tǒng)的可靠性將伴隨載荷變化引起的累積效應(yīng)發(fā)生改變。其次，大型變電站由于其供電容量的特殊性一般會(huì)偏離負(fù)荷中心，設(shè)備的服役環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。雨雪、強(qiáng)風(fēng)、雷電等自然環(huán)境、氣象因素、地理水文之類外界環(huán)境的變化導(dǎo)致大型變壓器運(yùn)行服役、故障發(fā)展、維修活動(dòng)等過(guò)程具有一定的動(dòng)態(tài)性與隨機(jī)性。此外，為了獲取變壓器不同部件的服役情況，需要通過(guò)多種采集裝置或手段得到大量數(shù)據(jù)信息，例如在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，其采集周期、精度、量綱、前提條件、存儲(chǔ)載體等千差萬(wàn)別，導(dǎo)致運(yùn)行中的變壓器在數(shù)據(jù)和信息上存在時(shí)空多尺度性[2-3]。

基于以上特點(diǎn)，本文選擇以設(shè)備可靠性為原則對(duì)大型變壓器的全生命周期健康狀況進(jìn)行分析與管理，提出基于可靠性分析的大型變壓器健康管理平臺(tái)建設(shè)方案，以提升運(yùn)行中大型變壓器維護(hù)維修工作的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

2 大型變壓器健康管理技術(shù)架構(gòu)

大型變壓器可靠性是在一定的外部環(huán)境條件下，兼顧其自身運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行狀況時(shí)，對(duì)變壓器規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)功能的能力的度量。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，通常要研究設(shè)備的不同失效過(guò)程，針對(duì)不同失效模式，保障設(shè)備可靠性的方法也有所差異。

2.1 可靠性問(wèn)題描述

由于復(fù)雜多變的工作環(huán)境，大型變壓器在正常使用壽命范圍內(nèi)往往會(huì)受到多種因素的影響，通常將這些因素的作用方式劃分為沖擊作用和退化作用[4]。一方面，變壓器性能指標(biāo)，如絕緣水平，隨服役時(shí)間增加而降低，當(dāng)其低于某一性能閾值時(shí)，產(chǎn)品將會(huì)發(fā)生老化失效。另一方面，外部沖擊作用也會(huì)使得變壓器性能急劇降低，或沖擊完全超過(guò)變壓器安全運(yùn)行的閾值，從而導(dǎo)致突發(fā)失效的發(fā)生，具體過(guò)程如圖1所示。因此，本文主要考慮變壓器獨(dú)立故障失效、老化失效和沖擊失效這三種失效模式下的健康管理方案。

圖1 大型變壓器失效過(guò)程模擬圖示

獨(dú)立故障失效是一類與時(shí)間無(wú)關(guān)的失效模式，可能是運(yùn)行過(guò)程中任何原因引起的變壓器本身功能喪失或故障的運(yùn)行狀態(tài)。老化失效是指變壓器性能隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而不斷衰退直到超過(guò)失效閾值的一種失效模式，例如絕緣油紙的老化。沖擊失效是由于系統(tǒng)內(nèi)相互關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備故障引起沖擊過(guò)程導(dǎo)致的，例如輸電線路三相短路引起變壓器絕緣油中H2含量超標(biāo)等，沖擊失效還可能造成沖擊損傷，導(dǎo)致變壓器性能的退化量突然增加。

2.2 可靠性分析理論與方法

決定變壓器可靠性的幾種失效模式之間符合競(jìng)爭(zhēng)失效模型的邏輯，即無(wú)論哪一種失效模式發(fā)生，變壓器都會(huì)被認(rèn)為是失效的。根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)失效模型的理論，變壓器整體的可靠性水平取決于任一可靠度最低的失效模式下設(shè)備的可靠性水平。因此，以提高變壓器全生命周期可靠度為根本目標(biāo)，運(yùn)營(yíng)管理單位需要降低各類失效模式發(fā)生的概率。

基于以上幾種失效模式，根據(jù)其使用目的、失效機(jī)理、場(chǎng)合等需求的差異，設(shè)備的可靠性管理需要從多個(gè)維度展開。短期時(shí)間尺度下，獨(dú)立故障導(dǎo)致的失效案例中已表現(xiàn)出較嚴(yán)重后果的功能性故障，需要通過(guò)快速的故障診斷算法，準(zhǔn)確判斷故障位置、故障元件和故障類型，并評(píng)判故障程度，有效地指導(dǎo)故障搶修。中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下，內(nèi)外界變化引起的沖擊失效分析需要通過(guò)設(shè)定合適的健康指標(biāo)，對(duì)大型變電站及其關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行從系統(tǒng)級(jí)到設(shè)備級(jí)的狀態(tài)評(píng)估，通過(guò)量化指標(biāo)真實(shí)完整地呈現(xiàn)出設(shè)備在某一時(shí)刻的服役狀態(tài)及其未來(lái)時(shí)間的健康狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，為檢修及故障預(yù)警提供依據(jù)。長(zhǎng)期時(shí)間尺度下，設(shè)備性能衰退導(dǎo)致的老化失效需要進(jìn)行科學(xué)分析與管控，根據(jù)服役狀態(tài)預(yù)測(cè)得到的變壓器剩余壽命可以為設(shè)備的使用周期調(diào)整提供依據(jù)，從而保證變壓器的價(jià)值最大化，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 大型變壓器健康管理目標(biāo)

航空航天領(lǐng)域關(guān)于設(shè)備健康管理的先進(jìn)案例表明，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有效的監(jiān)督有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的安全隱患，并預(yù)知將來(lái)的故障類別，這對(duì)于延長(zhǎng)變壓器壽命周期、提升設(shè)備安全運(yùn)行水平、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益有十分重要的意義。因此，有關(guān)變電企業(yè)需要注重自身的責(zé)任，確保能夠全方面監(jiān)測(cè)變電站運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，并制定針對(duì)性解決方案，避免故障的發(fā)生，同時(shí)總結(jié)故障處理經(jīng)驗(yàn)，保障變電站安全運(yùn)行[5]。

大型變壓器的健康管理需依托于現(xiàn)代高速發(fā)展的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與手段，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合分析打破傳統(tǒng)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間存在的“信息孤島”困局；在設(shè)備全壽命周期內(nèi)，通過(guò)深化系統(tǒng)子應(yīng)用功能提升對(duì)設(shè)備健康管理的效率，一方面提升變配電可靠性與安全水平，另一方面，積極推動(dòng)運(yùn)檢管理模式變革，構(gòu)建智能運(yùn)維體系，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)全景化、數(shù)據(jù)分析智能化、生產(chǎn)指揮集約化、運(yùn)檢管理精益化的健康管理目標(biāo)。結(jié)合管理需求，針對(duì)大型變壓器的幾大失效過(guò)程組，本文提出的大型變壓器的可靠性分析與健康管理平臺(tái)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 大型變壓器健康管理目標(biāo)框架

3 可靠性分析與健康管理研究?jī)?nèi)容

在全面分析影響大型變壓器運(yùn)行可靠性的不同類型信息的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究基于多信息融合的變壓器獨(dú)立故障失效診斷、遭遇沖擊失效的健康狀態(tài)后評(píng)估、基于全生命周期的壽命情況預(yù)測(cè)以支撐大型變壓器健康管理平臺(tái)的構(gòu)建。

3.1 獨(dú)立故障失效診斷

變壓器在長(zhǎng)期投運(yùn)狀態(tài)下不可避免會(huì)受到外部熱、電及其他因素的影響，當(dāng)某些因素的作用瞬時(shí)超出了變壓器所能承受的極限，便會(huì)造成設(shè)備的獨(dú)立故障失效。大型變壓器的歷史故障案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，變壓器套管和引出線上相間短路、接地短路及繞組的匝間短路是占比較高的幾類故障[6]。變壓器獨(dú)立故障失效診斷就是對(duì)變壓器各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行處理分析，判斷其早期潛伏性故障的性質(zhì)及類型，同時(shí)根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)判斷其故障點(diǎn)位置，以便及時(shí)采取有效措施防止故障范圍的擴(kuò)大與發(fā)展[7]。

在油浸式變壓器獨(dú)立故障失效診斷分析過(guò)程中，應(yīng)用更多、效率更高的方法之一是油中溶解氣體分析法(DGA)，其基本原理是利用變壓器不同故障形式時(shí)絕緣油中分解出的特征氣體組分及比值差異來(lái)對(duì)應(yīng)故障類型。國(guó)內(nèi)外針對(duì)DGA算法的實(shí)現(xiàn)邏輯多達(dá)十幾種，包括IEC比值法、Dornenburg比值法、Rogers比值法等。其中，IEC比值法中C2H4/C2H6這一比值對(duì)于區(qū)分故障溫度的高低相對(duì)有效，但無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)對(duì)放電或熱故障區(qū)分；Dornenburg比值法可以彌補(bǔ)這一短板，但診斷規(guī)則顆粒度不足常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。鑒于各類比值法在使用過(guò)程中的局限性，采用基于IEC和Dornenburg比值法的融合改進(jìn)DGA算法對(duì)變壓器獨(dú)立故障失效進(jìn)行診斷與預(yù)判[8]。融合比值算法以乙炔的含量作為區(qū)分故障性質(zhì)的重要指標(biāo)，同時(shí)增加了C2H2/TCG可燃性氣體總量(total combustible gases，簡(jiǎn)稱TCG)比值作為參考值，用以提高算法的故障分辨能力。乙炔作為可燃性氣體之一，其比值一般不會(huì)覆蓋整個(gè)區(qū)域且不超過(guò)90%。具體的故障類型判斷方法和編碼規(guī)則分別如表1所示。

表1 融合比值法故障類型判別方法(參考值：C2H2/TCG)

DGA比值算法存在一個(gè)普遍性問(wèn)題：劃分各種故障類型時(shí)存在一定的模糊性，較難實(shí)現(xiàn)全量信息一一對(duì)應(yīng)。由表2可知，不同故障類型之間比值邊界的確定是融合比值算法診斷分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。為使診斷結(jié)果可靠性更高，可引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，進(jìn)行過(guò)程層迭代分析，得到更為可信的診斷結(jié)果[9]。

表2 融合比值法編碼規(guī)則

3.2 沖擊失效狀態(tài)評(píng)估

變壓器作為一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，包含的各類部件大多都處于隨機(jī)載荷環(huán)境中，其失效并非為獨(dú)立的，各部件的失效具有一定關(guān)聯(lián)性。對(duì)大型變壓器遭遇外界環(huán)境沖擊失效的狀態(tài)后評(píng)估包括對(duì)變壓器的健康水平及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行定義，并分析其結(jié)構(gòu)、特征、功能和運(yùn)行機(jī)制，研究其健康的內(nèi)部機(jī)理，建立包括各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的重要度和時(shí)效性的動(dòng)態(tài)評(píng)估指標(biāo)、部件的重要度評(píng)估指標(biāo)、變壓器本身的健康程度指標(biāo)、變壓器的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo)等一系列指標(biāo)體系，以此對(duì)大型變壓器的沖擊失效的狀態(tài)進(jìn)行全面后評(píng)估[10]。以上目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)涵蓋變壓器健康水平評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估兩大核心問(wèn)題。

大型變壓器的全量狀態(tài)數(shù)據(jù)是現(xiàn)行的變壓器健康水平評(píng)估方法的主要參數(shù)，依據(jù)《變壓器健康評(píng)估導(dǎo)則》，每一個(gè)狀態(tài)值都唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)健康分?jǐn)?shù)，通過(guò)加權(quán)平均的方法可計(jì)算得到反映變壓器綜合狀態(tài)的“健康指數(shù)”[11]。但這種方法存在一定的局限性，為了提高狀態(tài)評(píng)估的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和Dempster-Shafer(簡(jiǎn)稱D-S)證據(jù)理論構(gòu)建多信息融合的變壓器健康水平評(píng)估模型，對(duì)傳統(tǒng)的“打分法”進(jìn)行了優(yōu)化[12]。模型選取油中溶解氣體、繞組直流電阻、鐵芯絕緣電阻、變壓器負(fù)載、油溫等具有代表性的狀態(tài)信息作為靜態(tài)狀態(tài)量，選取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)情況作為漸變狀態(tài)量，采用非線性指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)狀態(tài)量進(jìn)行歸一化處理；以并聯(lián)式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，結(jié)合變壓器狀態(tài)信息的分類，將變壓器各類信息作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到對(duì)單個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的結(jié)果，然后通過(guò)D-S證據(jù)理論合成法則推理得到變壓器健康水平評(píng)估結(jié)論[13]。評(píng)估模型如圖3所示。

圖3 健康水平評(píng)估流程圖

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估基于變壓器健康水平評(píng)估的基礎(chǔ)上開展，針對(duì)健康水平評(píng)估結(jié)果為非正常狀態(tài)的大型變壓器增加風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)，從而量化測(cè)評(píng)變壓器非健康狀態(tài)的影響或損失的可能程度，以便產(chǎn)生合理的運(yùn)行維護(hù)策略及時(shí)有效消除隱患。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估以風(fēng)險(xiǎn)值作為指標(biāo)，綜合考慮變壓器本身的資產(chǎn)水平、資產(chǎn)損失的影響及變壓器發(fā)生故障的概率三者的作用[14]。

R(t)=A(t)×F(t)×P(t)

式中：R為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值；A為設(shè)備資產(chǎn)，包括設(shè)備價(jià)值A(chǔ)1、設(shè)備地位A2和用戶等級(jí)A3三個(gè)因素，每個(gè)因素分成多個(gè)等級(jí)，取值范圍為0～10；F為資產(chǎn)損失，包括設(shè)備損壞、人身安全、供電可靠性和社會(huì)影響四個(gè)要素的損失，具體參數(shù)可在《Q/GDW 1903—2013 輸變電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則》中查詢獲取；P為設(shè)備發(fā)生故障的概率，與其健康水平評(píng)估結(jié)果呈指數(shù)關(guān)系?；谝陨线壿嫷玫骄C合考慮故障概率與損失后果的數(shù)學(xué)期望，從而量化其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3.3 老化失效壽命預(yù)測(cè)

加速變壓器壽命終結(jié)的根源之一體現(xiàn)為絕緣的老化，而大型變壓器的老化失效是復(fù)雜而繁多的外界因素隨時(shí)間累計(jì)的結(jié)果，其產(chǎn)生、發(fā)展伴隨著一定的時(shí)間過(guò)程。眾多因素的不確定性使得相同廠家、相同品牌、同一批次投運(yùn)的設(shè)備在相同時(shí)間可能處于不同的絕緣狀態(tài)，而現(xiàn)行的定期大修、小修、報(bào)廢策略無(wú)法保證在役變壓器的可靠性與經(jīng)濟(jì)性訴求[15-16]。因此，準(zhǔn)確評(píng)測(cè)每一臺(tái)變壓器的絕緣水平，預(yù)測(cè)其剩余壽命，對(duì)于科學(xué)的運(yùn)行監(jiān)督與管理有重要意義。

大型變壓器老化失效形勢(shì)下的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)研究?jī)蓚€(gè)方面：變壓器絕緣及老化狀態(tài)評(píng)估和變壓器剩余壽命預(yù)測(cè)。絕緣及老化狀態(tài)評(píng)估是指根據(jù)當(dāng)下設(shè)備的試驗(yàn)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)判斷絕緣水平，盡管一臺(tái)變壓器從投運(yùn)到報(bào)廢經(jīng)歷了一系列隨機(jī)事件，但大量的隨機(jī)事件中包含一定的規(guī)律性，偶然事件中包含著必然性，支配變壓器工作壽命的規(guī)律是實(shí)際存在的，研究需要挖掘出其中的隱藏規(guī)律，并將研究規(guī)律反作用于生產(chǎn)，用以預(yù)測(cè)變壓器的剩余壽命[17]。

對(duì)變壓器絕緣及老化狀態(tài)的評(píng)估，可借助于變壓器油試驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。油中糠醛含量與溶解氣體相關(guān)性分析試驗(yàn)表明，隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，油中糠醛和丙酮的含量也不斷的增大，且糠醛含量與CO+CO2、CO2、CO2/CO等氣體相關(guān)性較大，與CO等氣體的相關(guān)性較小，總烴含量相關(guān)性為零[18]。利用糠醛含量與壽命經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)預(yù)試試驗(yàn)的糠醛含量Cfur估算糠醛含量因子Ffur，從而評(píng)估出變壓器的絕緣水平。

剩余壽命預(yù)測(cè)重點(diǎn)研究變壓器絕緣水平變化趨勢(shì)以及結(jié)合歷史數(shù)據(jù)的狀態(tài)趨勢(shì)退化過(guò)程的判斷方法。在未來(lái)時(shí)間維度中，相關(guān)失效的不確定性會(huì)極大影響變壓器老化失效過(guò)程，為了量化預(yù)測(cè)的不確定性，可選取威布爾概率值來(lái)驗(yàn)證變壓器的壽命分布，從而建立基于隱馬爾科夫模型的大型變壓器剩余壽命預(yù)測(cè)模型，利用系統(tǒng)已退化數(shù)據(jù)以及已知?dú)v史退化數(shù)據(jù)對(duì)變壓器剩余壽命做出預(yù)測(cè)。隱馬爾科夫模型常用于從可觀察的參數(shù)中確定該過(guò)程的隱含參數(shù)，根據(jù)或直接或間接獲取到的數(shù)據(jù)作下一步的分析，具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[19]。

3.4 實(shí)例分析

某500 kV變電站主變壓器型號(hào)為SSP-840MVA/500 kV，生產(chǎn)日期為2006年1月，投運(yùn)日期為2006年10月。2010年10月18日，色譜數(shù)據(jù)和電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，在2011年4月12日進(jìn)行油中溶解氣體例行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：氫氣662 μL/L，甲烷1 707 μL/L，乙烯2 048 μL/L，乙烷708 pL/L，乙炔2.2 μL/L，總烴4 466 μL/L，一氧化碳、二氧化碳與半年前數(shù)據(jù)相比基本未增長(zhǎng)，彼時(shí)變壓器關(guān)鍵狀態(tài)信息如表3、表4所示。

表3 主變壓器油中溶解氣體分析及部分停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 主變壓器油中溶解氣體分析及部分停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)本文提出的可靠性分析與健康管理方案對(duì)上述案例進(jìn)行分析：短期時(shí)間尺度下，總烴含量超標(biāo)并出現(xiàn)乙炔可能造成獨(dú)立故障失效，針對(duì)該類型失效情況，通過(guò)3.1節(jié)所述融合比值算法對(duì)故障類型、故障元件、故障位置等參數(shù)進(jìn)行分析判斷。

分析可知，變壓器故障類型為低溫過(guò)熱(<300 ℃)，停電試驗(yàn)測(cè)得各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本正常，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷點(diǎn)。綜合故障診斷分析認(rèn)為該變壓器內(nèi)部存在裸金屬過(guò)熱的重大隱患，初步?jīng)Q定該主變壓器返廠大修。

為切實(shí)找準(zhǔn)故障點(diǎn)和保證大修必要性及質(zhì)量，針對(duì)該案例從中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下對(duì)其服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。采用3.2節(jié)所述方法評(píng)估變壓器健康水平，所得健康分值為60，異常狀態(tài)。對(duì)該非正常狀態(tài)的影響進(jìn)行量化，即風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估過(guò)程如下：

R(t)=A(t)×F(t)×P(t)=

A×F×K×e-C×CI=

8.6×6×15.91×e-0.051×60=

38.5

可知，該變壓器目前處于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確需返廠大修。

一般情況下，變壓器的服役年限為15年，該案例中變壓器的服役狀態(tài)總結(jié)為：故障失效、高風(fēng)險(xiǎn)、理想年限長(zhǎng)，檢修之前無(wú)需考慮老化失效的影響，可在返廠大修后采集變壓器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，再通過(guò)3.3節(jié)所述方法具體分析變壓器的老化失效情況，預(yù)測(cè)其剩余壽命。此外，當(dāng)變壓器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在異常，但整體健康水平處于注意狀態(tài)及以上時(shí)，老化失效分析是判斷是否有必要對(duì)變壓器進(jìn)行大修或退網(wǎng)的有效手段。

4 大型變壓器健康管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)是保障系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)前針對(duì)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)體系布局主要包括B/S和C/S兩種模式，其中C/S模式將任務(wù)分配到客戶端和服務(wù)器端，并賦予了客戶端更多的功能，減輕了服務(wù)器端的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)處理壓力；B/S作為在C/S模式上的拓展，是將傳統(tǒng)C/S客戶端中的業(yè)務(wù)功能放到服務(wù)器端，從而讓用戶只需要通過(guò)IE瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的訪問(wèn)[20]。由于全生命周期的健康管理對(duì)數(shù)據(jù)響應(yīng)速度依賴性較高，本文選擇B/S與C/S模式結(jié)合作為系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，其中BS端包含數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層程序用于與數(shù)據(jù)庫(kù)直接交互，完成平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)表單等添加、刪除、修改和查詢的操作指令；業(yè)務(wù)邏輯層依托于C/S客戶端形式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與分析等業(yè)務(wù)邏輯需求，就地部署；表現(xiàn)層采用ASP、http和jsp實(shí)現(xiàn)對(duì)前端網(wǎng)頁(yè)的開發(fā)，承擔(dān)管理用戶接口、報(bào)告請(qǐng)求等與用戶交互的功能，作為一個(gè)“外殼”不含任何的邏輯處理過(guò)程[21-22]。具體體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 大型變壓器健康管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

大型變壓器健康管理平臺(tái)是基于大量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)變壓器全生命周期的健康狀態(tài)分析與管理功能，為設(shè)備的安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和維護(hù)提供決策依據(jù)。大型變壓器健康管理平臺(tái)的主要功能包含變壓器狀態(tài)信息匯總與查詢、告警信息管理、設(shè)備的生命周期健康管理、運(yùn)維檢修的生命周期流程管理及系統(tǒng)管理幾大模塊。具體如圖5所示。

圖5 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)圖

(1)狀態(tài)匯總：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入和查詢的表單界面，通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表、可視化圖形、彈窗、報(bào)表等形式綜合顯示變壓器的運(yùn)行參數(shù)，包括在線監(jiān)測(cè)、帶電檢測(cè)、預(yù)防性試驗(yàn)、出廠信息等全維度設(shè)備狀態(tài)信息。

(2)告警管理：通過(guò)指示、手機(jī)短信以及郵件等告警方式，呈現(xiàn)變壓器全維度狀態(tài)信息、失效狀態(tài)分析結(jié)果等平臺(tái)輸入輸出參數(shù)的越限情況。

(3)健康管理：設(shè)備失效狀態(tài)評(píng)估與分析功能的實(shí)現(xiàn)需要加載響應(yīng)診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)等算法程序，同時(shí)也要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。包含故障診斷、健康評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)三個(gè)子模塊，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立故障失效、環(huán)境沖擊失效、絕緣老化失效幾種模式的評(píng)估與分析。

(4)運(yùn)維管理：對(duì)變壓器不同失效模式下所需采取的維護(hù)維修策略下關(guān)聯(lián)的檢測(cè)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一下發(fā)、追蹤、反饋，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程的全生命管理。

(5)系統(tǒng)管理：該模塊主要對(duì)系統(tǒng)權(quán)限、參數(shù)、日志等進(jìn)行基礎(chǔ)的管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

大型變壓器健康管理平臺(tái)通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)等環(huán)節(jié)來(lái)確定變壓器可能出現(xiàn)的失效情況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并生成狀態(tài)報(bào)告。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)說(shuō)，對(duì)設(shè)備的健康管理與對(duì)人類的健康管理邏輯上具有相通性，人類無(wú)法直接消除疾病或故障，但可以了解和預(yù)計(jì)異常何時(shí)可能發(fā)生，或在出現(xiàn)意料之外的異常時(shí)，快速確定觸發(fā)診治或維修工作，合理地安排設(shè)備的維護(hù)維修從而實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性的視情維修。視情維修與定時(shí)維修策略(計(jì)劃維修)并不矛盾，其本質(zhì)是為了盡力減少非計(jì)劃維修，通過(guò)有效的健康管理技術(shù)與手段來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)維修計(jì)劃的制定，使其更加符合實(shí)際的維修需要，降低維修和運(yùn)營(yíng)成本，這是電氣設(shè)備維修的發(fā)展趨勢(shì)。

本文搭建的大型變壓器健康管理平臺(tái)為電氣設(shè)備視情維修的開展提供了理論依據(jù)，后續(xù)需考慮如何通過(guò)先進(jìn)的決策理論將健康管理理念中所具有的強(qiáng)大功能落實(shí)在維修決策上，從而制定出合理的檢修策略，確定合理的維修地點(diǎn)、檢修方式、所需備品備件、保障設(shè)備、最佳人力需求等，通過(guò)人為力量延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，縮短維修時(shí)間，減少運(yùn)維成本。