面向知識可視化的變壓器故障診斷系統開發及應用研究

陜西省引漢濟渭工程建設有限公司 劉 凱

0 引言

隨著我國現代電網網架結構的快速發展，計算機可視化技術已在電力系統中得到大力度應用，電力設備運維故障診斷已成為電網運行部門的一項重要工作及手段[1]。電力變壓器是變電站中最重要的設備，其運行狀態的良好程度直接關系到電力系統的穩定運行，準確及時的預判出設備潛伏性故障是很有必要的。變壓器電氣特性試驗、糠醛含量測試以及油中溶解氣體分析(DGA)等多種常規測試方法為判斷設備的絕緣狀況提供支撐。其中，油中溶解氣體分析法對反映早期潛伏性故障較為靈敏，所以在1997年頒布的《電力設備預防性試驗規程》中，將其列為對變壓器進行調試時的首要位置[2]。

本文在分析變壓器故障診斷業務應用數據、方法的基礎上，提出將知識可視化集成技術應用到變壓器故障診斷中，運用數據集成、組件化和信息可視化等技術，提取變壓器設備油中氣體的狀態量，同時通過變壓器故障模式、影響及故障原因準確獲取當前變壓器運行狀況及后期運行趨勢，提高變壓器故障診斷的準確率。

1 變壓器故障診斷技術

1.1 變壓器常見故障類型[3]

（1）短路故障

由于變壓器繞組間或內部引線對地短路、相間短路及出口短路而導致的變壓器運行故障為短路故障特征。根據筆者統計，變壓器運維過程中出現出口短路故障的情況比較嚴重，特別需要注意的是：變壓器低壓側出口短路時一般需要及時更換繞組，嚴重時還需要更換全部繞組，以免造成不必要的損失。

（2）放電故障

根據變壓器放電的能量密度大小，將放電故障分為三類：即火花放電、局部放電及高能量放電。放電對變壓器的絕緣有破壞作用，主要有如下兩種原因：第一是因為放電質點直接對絕緣體進行轟擊，使設備局部絕緣受到破壞并快速擴大，從而擊穿絕緣；第二種是因為放電后產生的活性氣體，通過進行化學作用腐蝕局部絕緣體，從而增加介質發熱損耗，導致熱擊穿。

（3）絕緣故障

電力變壓器的絕緣好壞是決定設備正常運行和服役壽命的基本條件，變壓器的絕緣材料主要有油紙或樹脂等。筆者通過多年工作總結到：大多數變電站變壓器設備的故障損壞的主要原因是由于絕緣系統的破壞，加強對變壓器絕緣系統的定期維護及異常診斷，可以在很大程度上提高設備的運行壽命，而預判性故障診斷是提高變壓器供電可靠性的重要手段之一。

1.2 變壓器故障特征氣體

變壓器油與油中的固體有機絕緣材料(油紙或樹脂)在運行中會受到化學、物理作用進而分解、裂變，產生一定量的低分子烴類，從而生成CO、H2和CO2氣體。變壓器油中溶解氣體的成分與含量可以反映變壓器運行的絕緣體老化及故障嚴重程度，進而可以根據各類特征量來判斷變壓器故障的性質、嚴重程度及故障部位[4]。不同類型的氣體組分和含量反映了設備的故障性質，同類性質的氣體量隨故障的嚴重程度而不同。我國現行的《GB/T7252-200：變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中，對變壓器故障類型進行了歸納，總結出變壓器常見故障類型及產生的各類氣體含量，見表1。

表1 變壓器常見故障類型及氣體成分

1.3 變壓器油中氣體故障診斷方法

變壓器油中特征氣體比值法是一種快捷有效的故障診斷方法，可以對設備故障與否作出初步診斷。但僅僅依賴此方法進行故障診斷是不可靠的，通過研究特征氣體相對含量，可以有效地對故障性質和部位的診斷。因此，產生了CH4/ H2、C2H2/ C2H4、C2H4/ C2H6、C2H6/ CH4四比值法。由于C2H6/ CH4對設備故障影響甚小，國際電工委(IEC)推薦采用CH4/ H2、C2H4/ C2H6、C2H2/ C2H4值進行常規變壓器故障診斷。

作為國際電工委員會和我國國標推薦的電力變壓器故障診斷方法。在應用時應注意三比值法是用于已經識別發生故障電力變壓器的診斷[5-7]。在應用該方法的前導中應該有識別出故障電力變壓器。正常運行的電力變壓器油中溶解氣體在三比值法中沒有參考意義，狀態的識別可以避免誤診斷造成的非必要經濟損失。本方法主要參考各氣體組分相互影響構成的比值，然后以編碼代替故障類型便于診斷系統輸出結果。三比值故障診斷編碼見表2，基于三比值的變壓器故障判斷類型見表3。

表2 三比值法故障診斷編碼規則

表3 變壓器故障類型

2 基于可視化環境下的變壓器診斷系統搭建

知識可視化技術[8]是錢學森首先提出來的，本文在可視化理論技術基礎上，引入了數據整合技術、組件技術可視化技術及綜合集成平臺，實現其在變壓器故障診斷方面應用，基于知識可視化技術的變壓器故障診斷系統結構，如圖1所示。

圖1 基于知識可視化集成技術的變壓器故障診斷系統結構

2.1 知識可視化集成關鍵技術[9-10]

（1）組件技術

組件技術代表了一個集合、一個環境、一個編程的基礎結構。具體來講，是要在分布式站點之間建立協定，促進各站點的協同合作，實現信息的雙向自動交流，從而幫助用戶最大限度的獲取數據及業務信息，并進行簡單、高效的業務管理。組件技術采用計算機網格技術，可以將應用組件分布式存儲，綜合利用多服務器端的計算能力，實現多重任務的快速處理。

（2）數據集成技術

數據集成技術是一種新型大數據技術，主要有數據的共享、挖掘、學習等功能，可以對不同類型的異源異構數據進行有效分類整合，通過數據集成中間件的映射，對外提供統一安全的數據訪問接口，通過對不同來源、不同類型的業務數據集成，可實現變壓器故障診斷業務對數據格式的需求。

（3）可視化技術

可視化技術是利用計算機圖像處理和圖形學技術，將業務數據轉換成各類個性化圖形顯示，再進行交互處理的理論、方法的技術。其核心是以一種或多種個性化圖表的方式對業務信息進行信息描述、實現有數據—信息—知識的顯性可視化描述。通過知識圖表達的變壓器故障診斷模型更加公開透明，業務任免能夠及時了解設備數據的變化情況，同時可視化技術還可以將業務系統移植發布，有助于故障診斷的學習積累、復用集成等。

2.2 基于知識可視化的業務系統開發

知識可視化是故障診斷業務中人機交互的紐帶，可視化技術的應用主要是為滿足變壓器故障診斷業務的需求，使變壓器故障診斷系統具有一定的快捷性和適應性[11]。基于綜合平臺的變壓器故障診斷系統開發流程如圖2所示，可分為以下幾個步驟：

（1）建立故障診斷數據庫：分析變壓器故障診斷業務中各類結構化與非結構化數據，設計數據結構；

（2）故障診斷組件開發：按照故障診斷的流程及方法劃分組件庫，采用Java語言進行組件開發；

（3）Web封裝發布：采用Web server技術進行組件封裝發布，形成變壓器故障診斷方法組件庫；

（4）診斷系統可視化：在集成環境下，繪制變壓器故障診斷系統知識主界面，添加相關故障診斷業務組件，而實現變壓器故障診斷系統的可視化。

圖2 變壓器故障診斷系統開發流程

2.3 基于知識可視化技術的系統開發優勢

變壓器故障診斷系統是以知識可視化技術為基礎，建立變壓器故障診斷數據庫，為故障診斷業務提供數據支持，搭建可視化知識系統主界面，根據變壓器的各類特征氣體含量及各模塊間相互邏輯關系，概化、繪制故障診斷流程知識圖，定制相關變壓器故障診斷計算組件，完成故障診斷計算、建模及結果分析，從而實現變壓器故障診斷系統可視化，這種系統應用具有如下優勢：（1）快速搭建可視化系統；（2）具備一定的移植擴展復制行；（3）能夠集成其他業務；（4）能夠實現數據間及業務系統的共享；（5）故障診斷的細節公開透明；（6）模塊化應用。

3 應用實例

針對傳統故障診斷系統存在的可重用行和可擴展性差，且難以維護、移植等缺陷，本文提出“一臺三庫”模式故障診斷系統開發的，即集成平臺+故障類型組件庫+設備診斷知識圖庫+變壓器故障診斷主題庫。以引漢濟渭工程某變電站為對象進行應用，系統主界面如圖3所示。

圖3 變壓器故障診斷系統應用主界面

4 結語

本文從變壓器故障診斷的業務需求出發，首先分析了變壓器故障類型及故障過程中氣體變化情況，對傳統的判斷變壓器是否故障的主要方法進行了總結分析，以三比值氣體故障診斷為對象，列舉了故障診斷的局限性和使用的注意事項。針對變壓器故障診斷系統手段缺乏、故障診斷工具落后的問題，提出了一種新的基于知識可視化技術的變壓器故障診斷系統開發模式，使變壓器故障診斷系統具有移植擴展等優勢，為變壓器故障診斷系統擴展提供了良好的基礎平臺。

在此基礎上，以引漢濟渭工程某變電站變壓器運行數據為對象，采用本文所建立的故障診斷系統進行變壓器運維故障診斷，使理論與實際應用想結合。應用結果表明，本文提出的變壓器故障診斷系統開發模式能夠使故障診斷工作更貼近實際，使故障診斷的結果更真實可靠，對變壓器安全運行具有指導意義。

引文

①董朝陽,趙俊華,文福拴,等.從智能電網到能源互聯網:基本概念與研究框架[J].電力系統自動化,2014,38(15):1-11.

②操敦奎,許維宗,阮國方.變壓器運行維護與故障分析處理[M].北京:中國電力出版社,2008:156-170.

③蘇鵬聲,王歡.電力系統設備狀態監測與故障診斷技術分析[J].電力系統自動化,2003,27(1):61-65.

④高文勝,嚴璋,談克雄.基于油中溶解氣體分析的電力變壓器絕緣故障診斷方法[J].電工電能新技術,2000,19(1):22-26.

⑤國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T7252-2001,變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].2002.

⑥殷震.基于BP神經網絡的電力變壓器內部故障診斷方法研究[D].天津:天津大學,2007.

⑦陳維榮,宋永華,孫錦鑫.基于神經網絡的電力變壓器狀態監測[J].變壓器,2002,39(z1):53-57.

⑧張剛,劉福潮,解建倉等.高能耗企業能效評價系統開發及應用[J].電力信息與通信技術,2014,12(2):69-73.

⑨解佗,張剛,武昕,等.面向水電廠能效評估主題的研究及應用[J].水利信息化,2015(06):42-47.

⑩楊列鑾,解佗,張剛,等.基于物元綜合評價法的高耗能企業電力能效評價[J].電力科技與環保,2014,30(06)：44-47.

⑾解建倉,羅軍剛.水利信息化綜合集成服務平臺及應用模式[J].水利信息化,2010(5):18-21.