基于模糊Petri網(wǎng)的有載分接開關(guān)故障診斷方法研究*

徐海軍，李彥斌，王 進，李 赟，張 峰，李 浩

(1.國家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心，北京 100052;2.華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206；3.華北電力大學 國家能源發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京 102206;4.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，有載分接開關(guān)(On-Load Tap Changer,OLTC)承擔調(diào)節(jié)功率、穩(wěn)定電壓的重要作用，是有載調(diào)壓變壓器的重要組成部分，也是保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設備[1]。由于OLTC具有高精密機電一體化特征，在運行過程中動作頻繁，且長期承受電、熱、力、振動等復雜應力聯(lián)合作用，常常出現(xiàn)滑檔、拉弧、燒損等故障。據(jù)國內(nèi)變壓器故障統(tǒng)計分析結(jié)果，分接開關(guān)引起的變壓器故障占變壓器總故障的20%[2]，不僅會帶來巨大的經(jīng)濟損失，還對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。因此，研究分接開關(guān)故障診斷方法，對提升分接開關(guān)運行可靠性，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要價值。

OLTC切換時觸頭開閉時的振動信號中包含大量設備機械狀態(tài)信息，部分學者以檢測分接開關(guān)動作過程中的振動信號為切入點，對分接開關(guān)發(fā)生的故障進行分析:文獻[3]通過對切換開關(guān)切換過程觸頭閉合期間振動信號進行分析，判斷觸頭故障類型;文獻[4]將經(jīng)驗模態(tài)分解與希爾伯特變換方法相結(jié)合，對變壓器有載分接開關(guān)進行故障特征提取分析;文獻[5]根據(jù)有限元分析理論，提出基于聲振動分析技術(shù)的OLTC機械狀態(tài)特征診斷方法。但OLTC動作機理復雜，僅通過振動信號分析難以對分接開關(guān)故障進行有效診斷。

為提升故障診斷的科學性與準確性，國內(nèi)外學者提出專家系統(tǒng)、粗糙集理論、模糊集理論等方法，并逐步應用到電力系統(tǒng)故障診斷中。其中，以Petri網(wǎng)為基礎(chǔ)的故障智能診斷方法由于其描述與推理過程直觀簡單、運算方法便捷而受到學者關(guān)注。目前，模糊Petri網(wǎng)模型已被運用于電網(wǎng)故障診斷中[6-8]，在信息不完備的情況下能給出較準確的診斷結(jié)果。但運用模糊Petri網(wǎng)方法對分接開關(guān)故障類型和故障元件進行研究的文獻較少。

基于此，本文在對分接開關(guān)主要結(jié)構(gòu)及常見故障類型進行分析基礎(chǔ)上，建立基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型，通過對分接開關(guān)典型故障案例進行分析，驗證該模型能夠有效處理故障概率中不確定性因素，具有容錯性好、運行效率高等優(yōu)勢，研究結(jié)果可為進一步提高我國OLTC故障診斷準確性與效率提供借鑒。

1 分接開關(guān)主要結(jié)構(gòu)及故障分類

1.1 分接開關(guān)基本結(jié)構(gòu)

OLTC通常由開關(guān)本體、傳動機構(gòu)和電動機構(gòu)3個主要部分組成。其中，開關(guān)本體包括切換開關(guān)與分接選擇器2部分，切換開關(guān)用于連接繞組的不同抽頭，切換電流負荷；分接選擇器用于在切換前選擇不同的分接頭以承載電流，但不接通和開斷電流。傳動機構(gòu)主要保障分接開關(guān)分接頭檔位數(shù)量，并使其準確停在所需位置。電動機構(gòu)可供電動、手動、遙遠電動和自動調(diào)壓裝置控制操作。

1.2 分接開關(guān)主要故障類型

通過收集國內(nèi)分接開關(guān)177條運行故障的相關(guān)資料，并與分接開關(guān)運維專家進行研討，對目前我國分接開關(guān)的主要故障進行分類，具體可分為“分接頭不同步、分接開關(guān)滑檔、分接開關(guān)跳閘、內(nèi)部放電異常、分接開關(guān)滲漏油、異響或壓力釋放閥誤動、遠方與就地檔位不一致、系統(tǒng)異常告警、機械位置顯示異?！?9類故障。

“分接頭不同步”指在功率升降或者降壓轉(zhuǎn)全壓過程中，故障相分接開關(guān)與正常相分接開關(guān)檔位不一致；“分接開關(guān)滑檔”指在功率升降過程中，開關(guān)出現(xiàn)滑檔，且伴隨滑檔保護繼電器動作、故障相分接開關(guān)電機電源跳開等現(xiàn)象；“分接開關(guān)跳閘”指在進行主變分接開關(guān)檔位調(diào)整過程中，發(fā)生有載調(diào)壓開關(guān)重瓦斯動作及主變開關(guān)跳閘；“內(nèi)部放電異?！敝竷?nèi)部拉弧放電、形成短路電流，導致運行異常；“分接開關(guān)滲漏油”指在實際運行或者巡檢過程中，監(jiān)控后臺系統(tǒng)發(fā)出輕瓦斯信號警報，且運維人員在現(xiàn)場檢查中一般會發(fā)現(xiàn)故障相分接開關(guān)油枕呼吸器油杯或變壓器本體油管法蘭面存在溢油現(xiàn)象；“異響或壓力釋放閥”指分接開關(guān)內(nèi)部發(fā)生異響，以及內(nèi)部壓力升高造成壓力釋放閥誤動作；“遠方與就地檔位不一致”指后臺監(jiān)控系統(tǒng)中顯示的分接開關(guān)檔位與現(xiàn)場機械顯示的檔位不同；“系統(tǒng)異常告警”指后臺監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)如分接開關(guān)電源故障、分接開關(guān)位置故障等異常報警情況；“機械位置顯示異?！敝赣捎谛谐涕_關(guān)故障導致分接開關(guān)行程表盤指針不在陰影區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)象。

2 模糊Petri網(wǎng)的定義及推理算法

2.1 模糊Petri網(wǎng)定義

結(jié)合一般Petri網(wǎng)相關(guān)理論，定義模糊Petri網(wǎng)為八元組[9]如式(1)所示：

FPN={P,T,I,O,D,U,θ,λ}

(1)

式中：P={p1,p2,p3,…,pn}(n≥1)是有限個庫所的集合；T={t1,t2,t3,…,tn}(n≥1)是有限個變遷的集合，表示模糊規(guī)則；I為模糊Petri網(wǎng)的輸入矩陣；O為模糊Petri網(wǎng)的輸出矩陣；D={d1,d2,d3,…,dn}是有限命題的集合；U=diag(u1,u2,u3,…,un)為變遷的置信度矩陣；θ表示各庫所可信度，為n維向量；λ表示各變遷規(guī)則對應閾值。

2.2 模糊Petri網(wǎng)的產(chǎn)生式規(guī)則

模糊Petri網(wǎng)的基本模糊推理規(guī)則如式(2)所示[10]:

Ri:Ifdi,Thendj(CF=ui)

(2)

式中：di，dj表示模糊Petri網(wǎng)的模糊命題；di表示前提命題或命題狀態(tài)；dj表示動作或結(jié)論命題；ui∈[0,1]是規(guī)則的置信度。

變遷的觸發(fā)指如果給定輸入庫所的可信度(fi)大于閾值(λ)，則此變遷可以觸發(fā)，輸出庫所的可信度為fi=λ×fi；如果給定輸入庫所的可信度小于閾值(λ)，則變遷不能觸發(fā)。

2.3 模糊Petri網(wǎng)的推理算法

1)正向推理算法

根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的推理規(guī)則，為方便進行計算，引入極大代數(shù)中的3個算子即加法算子、直乘算子和neg算子[11]。

①加法算子⊕如式(3)所示：

A⊕B=D,dij=max{aij,bij}

(3)

式中：A，B，D均為m×n維矩陣；i=1,2,…,m;j=1,2,…,n；。

②乘法算子?如式(4)所示：

A?B=D,dij=max{ajk×bkj}(1≤k≤p)

(4)

式中：A，B，D分別為m×n，p×n，m×n維矩陣；i=1,2,…,m;k=1,2,…,p；j=1,2,…,n；。

③neg算子如式(5)所示：

neg(e)=Im-e

(5)

式中：Im為元素全為1的m維向量；e為m維向量。

令negθk=Im-θk，并設置中間變量ηk=IT?(negθk)，γk=negηk=neg(IT?(negθk))。則ηk為規(guī)則tj前提為假的可信度，j=1,2,…,n；γk表示規(guī)則為真的可信度。

本文采用MYCIN可信度推理法進行結(jié)論事件可信度的推理，結(jié)合模糊Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，推理公式如式(6)所示[12]：

θk+1=θk⊕{(O×U)?[neg(IT?negθk)]}

(6)

具體推理過程包括以下4個步驟：

步驟1：令k=0；。

步驟2：根據(jù)式(2)由θk求θk+1；。

步驟3：若θk+1≠θk，令k=k+1，重復步驟2。

步驟4：若θk+1=θk，結(jié)束推理。

2)反向推理算法

在故障原因診斷中，多采用反向推理算法，針對已發(fā)生的故障進行倒推，推出可能的傳播路徑，以尋找具體原因，具體推理算法如下所示[13]：

①列出庫所的可達庫所RS與即達庫所IRS。

②選擇對應故障現(xiàn)象的庫所p0，并對比以此庫所為即達庫所的置信度，選擇置信度大的pi。

③對pi進行標記，避免重復檢索。

④對比以庫所pi為即達庫所的置信度，選擇置信度大的pj，并進行標記，直至找到具體pn。

⑤系統(tǒng)詢問具體pi對應命題，若選擇是，由專家經(jīng)驗給出可信度。若大于閾值，則此變遷被觸發(fā)，再計算庫所p0的可信度，轉(zhuǎn)步驟⑧。

⑥若可信度小于閾值，則該故障命題未被激活，則對比其他庫所的置信度，根據(jù)置信度最高的原則繼續(xù)查找，直到找到具體故障庫所。

⑦若詢問具體庫所pn對應命題，操作用戶選擇否，則重復步驟①～⑤。

⑧結(jié)束推理。

3 基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型

3.1 正向推理算法

本文基于分接開關(guān)基本結(jié)構(gòu)，將可能出現(xiàn)的故障部位分成二次回路、開關(guān)本體、傳動機構(gòu)3類。其中發(fā)生在二次回路部位的故障主要有分接頭不同步、分接開關(guān)異響或壓力釋放閥誤動等；開關(guān)本體部位發(fā)生的故障一般與切換開關(guān)、分接選擇器有關(guān)；傳動機構(gòu)部位發(fā)生的故障一般會影響分接開關(guān)內(nèi)部動力的傳遞。

基于此，本文建立基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型，如圖1所示。庫所與規(guī)則描述見表1。按照不同故障類型引發(fā)分接開關(guān)3大部位故障的故障規(guī)則對其進行正向推理。

表1 分接開關(guān)故障模型的庫所與規(guī)則描述Table 1 Description of libraries and rules of fault model of tap change

圖1 基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障模型Fig.1 Fault model of tap changer based on fuzzy Petri net

根據(jù)模糊規(guī)則、專家經(jīng)驗等設定初始可信度值θo、變遷規(guī)則置信度U、變遷的閾值λ分別如式(7)～(13)所示[14]：

(7)

(8)

λ=0.1

(9)

(10)

(11)

(12)

θ1=θ2

(13)

正向推理結(jié)束，獲得各故障庫所的重要度。分接開關(guān)故障概率重要度由大到小的排序依次為二次回路、傳動機構(gòu)、開關(guān)本體，二次回路部位發(fā)生故障可能性最高，可根據(jù)重要度依次檢查相關(guān)部位，以提高分接開關(guān)運行可靠性。

3.2 反向推理算法

由于分接開關(guān)故障容易造成換流變受損、閥組閉鎖，為更快速定位故障原因，在正向推理后，還應進行溯源，找到引發(fā)故障類型的具體組部件，以縮小檢修范圍。

二次回路部位發(fā)生的分接頭不同步主要由繼電器故障、端子松動導致，這些組部件的損壞易導致分接開關(guān)不同相換流變檔位不同；二次回路部位發(fā)生的分接開關(guān)跳閘現(xiàn)象一般由繼電器、行程開關(guān)等組部件故障導致。在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)計算，為迅速有效地檢修分接開關(guān)故障源提供依據(jù)。

本文以二次回路為例，建立基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型，展開反向推理，將故障進一步定位至具體故障組部件，以提高診斷效率。

基于模糊Petri網(wǎng)的二次回路故障結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，其庫所與規(guī)則描述見表2。由圖2可知，初始庫所事件的集合為{P14,P15,P16,P17,P18,P19,P20,P21,P22,P23}。

表2 二次回路故障模型的庫所與規(guī)則描述Table 2 Description of libraries and rules of schematic diagram of fault structure of secondary loop

圖2 基于模糊Petri網(wǎng)的二次回路故障結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of fault structure of secondary loop based on fuzzy Petri net

步驟1：已知故障現(xiàn)象為“二次回路故障”，對應庫所P10，能引發(fā)P10的事件有P1，P3，P5，P7，P9，P11，P15，其中CF1最大，為0.56，根據(jù)選擇置信度最高的原則，選擇P1→P10路徑，并對P1事件進行標記，避免重復檢索。

步驟2：P1非初始庫所，引發(fā)P1的事件有P14，P15，P16，P17，P18，P19，P20，P21，P22，其中CF19最大，為0.90，則選擇P14→P1路徑，則P14為8初始故障庫所。

步驟3：系統(tǒng)詢問“繼電器故障”，若操作用戶選擇是，則P10對應故障原因已找到，為繼電器故障。根據(jù)專家經(jīng)驗給出P14事件的可信度0.78，高于閾值，P14位置被激活；CF19為0.90，則P1位置CF19×0.78=0.7，高于閾值，則P1位置被激活；CF1為0.56，則P10為CF1×0.7=0.392，此時“繼電器故障”導致二次回路故障的可信度為0.392，與正向推理結(jié)論一致。

若操作用戶在回答“繼電器故障”時，回答“否”，則P14對應事件沒有被激活，系統(tǒng)按照置信度大的原則重新選擇路徑，重復步驟1～3，直到找到初始故障事件。

4 實證分析

選取韶山換流站極Ⅱ高端換流變B相分接開關(guān)故障作為典型故障案例，并通過現(xiàn)場故障診斷結(jié)果與基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型的推理結(jié)果對比分析，驗證模型有效性。

4.1 故障案例簡介

2018年10月07日17時07分，韶山站極Ⅱ高端換流變分接頭不一致報警，檢查發(fā)現(xiàn)極Ⅱ高端Y/YB相換流變現(xiàn)場實際檔位為16檔，后臺顯示檔位17檔，即發(fā)生“分接頭不同步”故障。故障發(fā)生后，廠家與現(xiàn)場運維人員開展故障診斷與原因分析工作，經(jīng)反復多次遠方操作后發(fā)現(xiàn)，Y/YB相換流變分接開關(guān)切換提前完成時間不固定，但現(xiàn)場人員通過判斷切換動作聲音未發(fā)現(xiàn)切換不同步現(xiàn)象。因此，初步推斷為信號回路出現(xiàn)故障。

信號回路包含信號發(fā)送回路和信號接收回路，系統(tǒng)根據(jù)信號發(fā)送回路發(fā)出的“分接開關(guān)正在操作”信號對分接開關(guān)是否完成檔位切換進行判斷?！胺纸娱_關(guān)正在操作”信號是由分接開關(guān)操作機構(gòu)內(nèi)保持連續(xù)開關(guān)S12和雙穩(wěn)繼電器K4共同控制。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，二次回路的雙穩(wěn)繼電器K4損壞，現(xiàn)場更換雙穩(wěn)繼電器K4后故障消失。

4.2 基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷案例推演

1)故障案例正向推理

根據(jù)具體描述，韶山站極Ⅱ高端換流變發(fā)出分接頭不一致報警，基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障正向推理模型，判斷其故障類型為分接頭不同步，由此進行正向診斷，判斷分接開關(guān)最可能發(fā)生故障的部位。具體推理過程如下：

根據(jù)模糊規(guī)則、專家經(jīng)驗等設定初始可信度值θo=(0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)T，變遷規(guī)則置信度矩陣U如式(14)所示：

(14)

依據(jù)式(6)，可得式(15)～(21)：

η0=(0.3,0.3,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1)T

(15)

γ0=(0.7,0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)T

(16)

θ1=(0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0.392,0.203,0,0)T

(17)

(18)

(19)

θ2=(0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0.392,0.203,0,0.259)T

(20)

θ3=(0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0.392,0.203,0,0.259)T

(21)

由正向推理結(jié)果可知基于分接頭不同步，韶山換流站極Ⅱ高端換流變B相分接開關(guān)可能發(fā)生故障的部位有二次回路與傳動機構(gòu)，依據(jù)θ3=(0.7,0,0,0,0,0,0,0,0,0.392,0.203,0,0.259)T，二次回路可信度較高，因此分接頭不同步故障類型最可能導致的故障部位為二次回路，可信度為0.259。

根據(jù)故障描述，系統(tǒng)對于分接頭是否同步的判定與工作人員感受出現(xiàn)偏差，初步推斷是信號回路出現(xiàn)故障，而信號回路屬二次回路，這與本文推理結(jié)論一致。

2)故障案例反向推理

根據(jù)故障案例具體描述，系統(tǒng)顯示Y/YB相換流變分接開關(guān)切換分接位置的提前完成時間不固定，但現(xiàn)場人員初步推斷是信號回路出現(xiàn)故障，可判斷韶山換流站極Ⅱ高端換流變B相分接開關(guān)故障部位為二次回路，由此，結(jié)合3.2中基于模糊Petri網(wǎng)的二次回路故障模型對其進行反向故障診斷。

依據(jù)3.2中步驟1，可推知故障部位對應P10。在故障路徑中，由于分接頭不同步引發(fā)二次回路故障的置信度最高，為0.56，因此選擇P1→P10路徑，并對P1進行標記，這也與韶山站極Ⅱ高端換流變分接頭不一致報警現(xiàn)象一致，極Ⅱ高端Y/YB相換流變現(xiàn)場實際檔位為16檔，后臺顯示檔位17檔。

在追溯引發(fā)分接頭不同步的具體故障組部件中，依據(jù)3.2中二次回路故障診斷步驟2，繼電器故障置信度最高，為0.90，選擇P14→P1路徑，判斷繼電器故障的具體組部件，與現(xiàn)場檢查結(jié)果及整改結(jié)果一致：雙穩(wěn)繼電器K4損壞導致了此次分接開關(guān)調(diào)檔不同步，現(xiàn)場更換雙穩(wěn)繼電器K4后故障消失。

根據(jù)專家經(jīng)驗給出P14可信度為0.78，高于閾值，依據(jù)3.2中步驟3，可得P1可信度為CF19×0.78=0.7，高于閾值；CF1為0.56，則P10為CF1×0.7=0.392，繼電器故障導致二次回路故障的可信度為0.392，與正向推理一致。

5 結(jié)論

1)基于國家電網(wǎng)公司177項故障實際案例，界定分接開關(guān)的故障類型及其故障表現(xiàn)，為分接開關(guān)故障診斷提供有效前提。

2)結(jié)合模糊Petri網(wǎng)理論，構(gòu)建基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型，能夠合理推演分接開關(guān)故障因果關(guān)系及傳播途徑，提高分接開關(guān)故障診斷準確性。

3)選取韶山換流站極Ⅱ高端換流變B相分接開關(guān)故障案例，將模型診斷結(jié)果與實際專家診斷結(jié)果進行對比分析，驗證本文構(gòu)建的基于模糊Petri網(wǎng)的分接開關(guān)故障診斷模型的有效性。