基于Matlab模糊邏輯工具的變壓器振動狀態評估系統仿真

李 偉 冀增華

（1.華北電力大學研究生院，河北 保定 071003；2.保定天威新域科技發展有限公司，河北 保定 071056；3.保定天威電氣設備結構有限公司，河北 保定 071056）

隨著電力工業的不斷發展，電力網絡規模的不斷擴大，設備日益更新，電力行業的信息化應用不斷深化，變電站正在逐步向著“智能化”、“無人值守”的方向發展，因此“智能變電站”應運而生，“智能電網”的提出，加快了智能變電站建設的步伐。

電力變壓器是電力系統的樞紐設備，在變電、輸電、配電等電力變換系統中必不可少，一旦發生故障，不但花費巨大，而且無形經濟損失和影響也將難以估計。

本文將以電力變壓器運行時的振動信號為監測量，基于Matlab模糊工具，介紹變壓器振動狀態評估方法，并進行建模仿真。

1 基于變壓器振動的故障診斷概述

基于振動和噪聲的變壓器狀態診斷技術作為一種新的變壓器狀態監測和分析方法，越來越受到人們的重視，因其現場測量時與整個電力系統沒有電氣連接，對整個電力系統的正常運行就不會產生影響，非常適宜于在線監測。正常運行的變壓器，繞組振動信號基本上集中在基頻100Hz處，且振動信號的大小與負載電流平方成正比；鐵心振動信號主要集中在100～400Hz，而1000Hz后基本衰減到零。因此，在變壓器油箱表面測得的振動信號高次諧波分量是由鐵心振動引起，可通過200Hz、300Hz等高次諧波分量的變化診斷鐵心狀況[1]。

鑒于此，可以對不同位置的振動信號分辨出不同頻率進行有目的監測和分析，這樣就能有效判斷出故障產生部位，評估出故障程度。為判斷變壓器內部故障程度，可以采取出廠前振動測試值與運行時振動程度周期對比的方式，進行狀態評估，如圖1所示。

圖1 振動狀態評估系統

其中“模糊對比狀態分析”部分的實現將在本文中詳細介紹。

2 模糊控制理論

模糊系統是一種基于知識或基于規則的系統，它的核心就是由所謂的 IF-THEN規則組成的知識庫，在模糊系統與模糊控制中，人類知識可以使用模糊IF-THEN規則來表述，一條模糊IF-THEN規則就是用連續隸屬度函數對所描述的某些句子所作的IF-THEN形式的陳述。

工程應用中的模糊系統（如圖2所示）是由模糊器、模糊規則庫、模糊推理機、解模糊器等幾部分組成，通過該系統就可以將論域U上的輸入量x，轉化成論域 V上的輸入量 y，從而將專家的知識和經驗應用到工程系統中去，對下一步操作做出決策。

圖2 模糊系統的基本框圖

3 變壓器振動狀態評估系統仿真

圖1所表述的系統是建立在Matlab模糊邏輯工具基礎上的，嚴格的講此評估系統僅是整個變壓器振動狀態評估系統的一個子系統，它的功能是對變壓器某一相某個頻率段的振動信號進行評估，多個此類子系統與其他軟硬件進行有機組合，便會升級成一個完整的評估系統。

Matlab是一種交互式的以矩陣為基礎的系統計算平臺，它用于科學和工程的計算與可視化。Simulink軟件是Matlab中功能最強大的仿真軟件之一。下面將按照模糊系統的不同組成部分，逐項介紹變壓器振動模糊系統的建立過程。

3.1 模糊推理機

模糊推理機是根據模糊邏輯原理，通過模糊IFTHEN規則，將輸入的模糊集合映射到輸出模糊集合上。

依據圖1所表示的系統實現過程，“模糊對比狀態分析”模塊應有兩個輸入、一個輸出。如圖3所示，左邊的兩個輸入取名為SCALE和DATUM LINE，分別表示實際振動信號與理論估計信號的比較及預先設定的危險信號閾值；右邊的一個輸出取名為EVALUATION，輸出值可以作為下一個控制系統或指示系統的輸入。中間部位為模糊邏輯的核心推理部分，取名為ZHEND，包括了推理方法及多條模糊IF-THEN規則，本文選用了“Mamdani”方法，當然也可以根據不同用途選用“Sugeno”等其他方法。

圖3 模糊推理系統

3.2 模糊器

在工程實際中，模糊系統的輸入是實際值，因此必須在模糊推理機與外界環境之間建立一個界面，確定隸屬度值、克服噪聲干擾、便于推理機計算。

根據變壓器振動監測及評估特點，本文選用三角形模糊器。圖4由兩個三角波組成，分別為“＜20%”和“≥20%”，交叉點設置在X軸的0.2位置；圖5也由兩個三角波組成，分別為“＜0.1mm”和“≥0.1mm”，交叉點設置在X軸的0.1位置。

3.3 解模糊器

解模糊器是將模糊規則轉變成真值變量或定性描述。

圖4 輸入1

圖5 輸入2

本模糊系統中的解模糊器采用了重心解模糊方法，圖6由3個三角波組成，分別代表“OK”“ALARM”和“DANGER”，交叉點設置在X軸的0.477和0.56位置，根據模糊系統的輸入信息，模糊推理系統計算后，其結果將顯示在輸出中，對應“OK”、“ALARM”或“DANGER”中的某一個。

圖6 輸出1

3.4 模糊規則庫

模糊規則庫是由規則集合組成的，它是模糊系統的核心，模糊系統通過IF-THEN規則,可以將人類知識融入控制系統中。

通過對變壓器運行時振動狀態分析，確定了所需的模糊IF-THEN規則庫，本文截取了一部分規則展示如下：

1）if(SCALE is＜20%) and (DUTUM_LINE is＜0.1mm) then(EVALVATION is OK)(1)；

2）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is＜0.1mm)then(EVALVATION is ALARM)(1)；

3）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is≥0.1mm)then(EVALVATION is DANGER)(1)；

4）if (DUTUM_LINE is≥0.1mm) then (EVALVATION is DANGER)(1)；

……

模糊推理機使用“Mamdani”方法組合這些規則，形成從輸入模糊集到輸出模糊集的映射，并按照重心解模糊方法計算具體數值。

3.5 建立Simulink模型仿真

為驗證模糊邏輯方法的可行性，現將圖1所示各過程在Matlab/Simulink系統中建立模型并進行仿真，如圖7所示。

圖7 仿真模型

圖 7中 A是來自加速度傳感器的振動信號，B是來自電壓、電流等監測儀器的信號經理論計算后的值，A的值有兩個功用：①與B的值進行對比計算；②用途就是直接作為模糊推理系統的輸入（即輸入2）。B的值也有兩個功用：①與 A的值進行對比計算；②作為分母計算實際振動信號對應估計振動信號的變化率，并將此作為模糊推理系統的輸入（即輸入1）。在模糊邏輯控制器中，模糊推理機對兩個輸入端數據進行分析后得出評估值。

假定系統采集到的數據為：A接收的振動信號數值為0.08mm，B接收的監測信號數值為0.07mm，經系統計算后，從查看器（如圖8所示）中可以看出輸出為0.409，位于OK區域內。這說明變壓器運行時的振動情況正常。

圖8 仿真結果

4 結論

基于Matlab模糊邏輯工具上的振動評估系統，經建模仿真，證明能夠很好的實現預期功用。進一步憑借Simulink的開放性，我們可將Matlab中模塊轉化為C代碼等形式，很方便的移植入自行開發的控制系統或軟件中，從而在更復雜、更完整的變壓器振動評估系統中發揮關鍵作用。

[1]馮永新，鄧小文, 范立莉,等. 大型電力變壓器振動法故障診斷與發展趨勢[J].變壓器,2009,6(10):69-70.