一種變壓器油中溶解氣體故障診斷方法

柳大海，韓冬，張航，張聰，王振岳

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000;2.漯河供電公司，河南 漯河 462000)

1 改良IEC三比值法的使用現狀

采用油中溶解氣體分析法對油浸式電力設備的故障診斷是十分有效的。目前，利用色譜分析的數據來判斷油浸式電力設備故障的方法有許多，如羅杰斯法、特征氣體法、三比值法等。IEC三比值法是根據ANSI/IEEE C57.104—1991《油浸式變壓器產生氣體的描述指南》進行編碼的油中氣體分析方法，也是目前應用最廣泛的油浸式電力設備狀態檢測方法。它利用變壓器油中的 H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H25種特征氣體含量的比值以及CO，CO2氣體的含量來判斷油浸式電力設備的故障狀態。由于IEC三比值法編碼不全，導致故障判斷精度不高，因此，目前大多采用編碼數目多的改良IEC三比值法進行油色譜分析。

在實際故障診斷過程中發現，因改良IEC三比值法編碼的邊界條件過于絕對化而降低了故障診斷準確度，特別是在多種故障同時發生的情況下，過于絕對的邊界條件對診斷準確度影響更大。究其原因，主要是因為改良IEC三比值法的診斷依據是根據5種故障特征氣體的比值以及對應的編碼規則得出相應的編碼，然后與改良三比值法相關表格對照，尋找相應的編碼以確定故障類型。該方法要求嚴格按照準確數值進行編碼值的判定，但由于故障嚴重程度是個漸進過程以及測量誤差帶來一些影響，容易引起編碼值的判斷失誤。舉例來說，按照改良IEC三比值法編碼規則表，當0.1≤w(CH4)/w(H2＜1.0)時，編碼值為 0，w(CH4)/w(H2)≥1.0時，編碼值為2，那么如果 w(CH4)/w(CH2)=1.01，按照規則，編碼值應該為2。我們知道，在油紙絕緣中存在局部放電時，油裂解產生的氣體主要是氫和甲烷，在低溫過熱時，產生的氣體主要是甲烷，所以，直接采用改良IEC三比值法將會產生錯誤的診斷結果。

2 新診斷方法的原理及實現方式

本文需要解決的核心問題是:基于油中溶解氣體常用的改良IEC三比值法，聯合模糊理論和改進遺傳算法模糊處理氣體比值邊界和故障編碼，通過模糊推理得到故障診斷結果，提高其故障判斷準確度和精度，以確保變壓器絕緣油的運行可靠性。

技術方案做如下考慮:如果只是在改良IEC三比值法的基礎上做數值區間上的規劃和細分，使數值更好地對應所示故障，不可能達到改良的目的。因為沒有考慮變壓器油紙局部放電、油裂解、低溫過熱等情況下產生的氣體對比值的影響，僅僅是在算法上的一種改進，因此，故障診斷準確度在數據采集之初就受到限制。本文論述的對改良IEC三比值法的優化是結合模糊理論和改進遺傳算法對改良IEC三比值法氣體比值邊界和故障編碼進行模糊處理，通過模糊推理得到故障診斷結果，從而最大限度地發揮改良IEC三比值法診斷的準確度，改良IEC三比值法的編碼規則見表1。

優化實現方式如下:

(1)選擇測試樣本。根據經驗選擇模糊隸屬度函數所需參數，利用輸入參數的模糊隸屬度函數得到測試樣本的模糊編碼，通過模糊理論求解函數“evalfis”并應用編碼規則和輸出參數的模糊隸屬度函數獲取故障類型編碼。

1)將模糊邏輯應用于改善改良IEC三比值法的邊界條件，即利用模糊隸屬度函數來模糊其邊界條件;

2)對輸入、輸出數據分別采用不同的模糊隸屬度函數進行邊界模糊化處理;

3)采用if-then的模糊邏輯推理方法，將改良IEC三比值法對應的26種故障編碼類型轉換成26條if-then規則;

表1 改良IEC三比值法的編碼規則

4)利用輸入參數的模糊隸屬度函數，得到測試樣本的模糊編碼，通過模糊理論求解函數“evalfis”;

5)應用編碼規則和輸出參數的模糊隸屬度函數獲得故障類型編碼。

(2)采用自適應調整變異概率的遺傳算法改進經驗模糊隸屬度函數，獲取最優模糊隸屬度函數(包括輸入模糊隸屬度函數和輸出模糊隸屬度函數)。改進后的遺傳算法主要包括:

1)選擇編碼策略，把參數集合x轉換為位串結構空間S;

2)定義適應值函數f(x)，在此，f(x)定義為群體解碼后使用的模糊隸屬函數，主要作用體現在該群體條件下，利用f(x)訓練數據的最大故障診斷準確度;

3)確定遺傳策略，包括選擇群體大小n，選擇交叉、變異方法以及確定交叉概率pc、變異概率pm等遺傳參數。具體的策略如下:

①選擇群體大小n=10;

②選擇算法采用輪盤賭方法;

③交叉算法采用多點交叉方法，交叉概率pc=60%;

④變異算法采用二進制變異，初始變異概率pm=10%，如果f(x)連續3次的差別小于1%，則增大變異概率，每次增大5%，直至增大到30%;反之，如果f(x)連續3次的差別大于10%，則減小變異概率，每次減小5%，直至減小到5%。

4)預設5組、隨機產生5組群體，組合生成初始群體p;在預設的5組群體中，解碼后用于改良IEC三比值法的最大故障識別準確度為79.8%;

5)計算群體中個體位串解碼后的適應值f(x);

6)按照遺傳策略，運用選擇、交叉和變異算子作用于群體，形成下一代群體;

7)判斷f(x)是否滿足算法結束條件，或者已完成預定迭代次數，滿足即結束算法;不滿足則轉6)繼續運行。

3 新診斷方法的優越性

IEC三比值法作為一種變壓器油中溶解特征氣體的分析方法，在油浸電力設備故障檢測領域的作用是巨大的。在變壓器油故障檢測領域，聯合模糊理論和改進遺傳算法對改良IEC三比值分析法進行優化，形成了新診斷方法，其優越性主要體現在:

(1)采用模糊理論對改良IEC三比值法的邊界條件進行了模糊化處理，解決了改良IEC三比值法因編碼邊界條件過于絕對而故障診斷準確率不高的問題，對改良IEC三比值法診斷準確率的提高有一定的作用。

(2)采用if-then的模糊邏輯推理方法對故障編碼進行模糊處理，通過模糊推理得到故障診斷結果，模糊理論的應用使故障診斷結果更加接近實際工作情況。

(3)采用自適應調整變異概率的遺傳算法修正經驗模糊隸屬度函數，以獲得最優模糊隸屬度函數，為模糊理論在改良IEC三比值法上的新應用奠定了很好的基礎，是提高故障診斷準確度的基本保證。

(4)針對隨機初始化種群帶來的初始種群過于分散導致進化代數增多的現象，采用給定部分種群的方法對初始化進行一定的約束，加快進化的效率，對于故障診斷速度的提高有積極的意義。

［1］高文勝，高寧，嚴璋.自適應小波分類網絡在充油電力設備故障識別中的應用［J］.電工技術學報，1998，13(6):54－58.

［2］HT Yang，C C Liao，J H Chou.Fuzzy Learning Vector Quantization Networks for Power Transformer Condition Assessment［J］.IEEE Trans.on Dielectrics and Electrical Insulation，2001，8(1):143 －149.

［3］M Duval.Dissolved Gas Analysis:It Can Save Your Transformer［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，1989，5(6):22－27.

［4］ANSI/IEEE C57.104—1991，Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-immersed Transformers［S］.

［5］Su Q，Mi C，Lai L，et al.A fuzzy Dissolved Gas Analysis Method for the Diagnosis of Multiple Faults in Transformer［J］.IEEE Transactions on Power System，2000，15(2):593－598.

［6］孟源源，劉煒.電力變壓器油色譜在線監測技術綜述［J］.華電技術，2009，31(11):50 －52.

［7］薛瑞峰.600 MW機組主變壓器油箱滲漏處理［J］.華電技術，2009，31(11):36 －38.