油色譜在線監(jiān)測裝置異常情況及特征分析

童 超，童軍心，周夢垚，鐘圓美惠

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330096；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西 贛州 341000）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中能量傳輸?shù)臉屑~設(shè)備，其運行可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。隨著在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，變壓器油中溶解氣體分析（DGA）作為診斷變壓器故障的方法成為研究關(guān)注的焦點[1]。

然而，DGA 在線監(jiān)測裝置因油路設(shè)計不合理、脫氣裝置老化、載氣壓力不足差等因素常會產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常，對變壓器的日常運行監(jiān)測產(chǎn)生重大影響[2]。油色譜在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)問題對變壓器實時在線監(jiān)測影響巨大，梳理在線監(jiān)測裝置偏差和故障的類型以及特征，是提高在線監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性的重中之重。

1 油色譜在線監(jiān)測裝置

1.1 在線監(jiān)測裝置組成

油色譜在線監(jiān)測裝置主要由油氣分離模塊、氣體組分分離模塊、氣體組分檢測模塊以及數(shù)據(jù)處理及傳輸模塊等組成[3]，其主要模塊流程如圖1 所示。

圖1 油色譜在線監(jiān)測裝置組成

1.2 各模塊的功能介紹

1）油氣分離模塊主要作用是快速、有效地分離絕緣油與氣體，提取油中氣體并傳輸給后續(xù)模塊。常見的油氣分離方法有：薄膜滲透法、波紋管頂空式分離技術(shù)和動態(tài)頂空式分離技術(shù)。

2）氣體組分分離模塊作用是將提取到的油中溶解氣體進(jìn)行組分分離，獲取監(jiān)測針對的多種故障特征氣體。當(dāng)油中溶解氣體進(jìn)入氣體組分分離模塊的色譜柱，由于沸點、極性各不相同，各氣體組分在色譜柱內(nèi)的移動速度也不相同，通過識別色譜柱上特征氣體組分各自的保留時間，從而識別出不同特征氣體組分的出峰時間和在色譜柱上的保留時間。特征氣體根據(jù)時間順序進(jìn)入氣體組分檢測模塊。

3）氣體組分檢測模塊檢測分離獲取的多種故障特征氣體，通過模塊內(nèi)的檢測器計算得到各氣體組分的含量。模塊將獲得的氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳給數(shù)據(jù)處理模塊。

4）數(shù)據(jù)處理及傳輸模塊主要作用為將獲得的氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸給后臺的系統(tǒng)，現(xiàn)有在線監(jiān)測裝置常包含故障診斷、狀態(tài)診斷等附加功能，數(shù)據(jù)處理模塊主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)交互，是在線監(jiān)測裝置的主要網(wǎng)絡(luò)通信模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

2 在線監(jiān)測裝置故障及其特征

2.1 故障類型

變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置故障類型較多，依據(jù)在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)組成，故障可分為主要結(jié)構(gòu)故障與網(wǎng)絡(luò)通信故障。其中主要結(jié)構(gòu)故障主要有載氣欠壓、倒油故障、色譜電氣故障等[4]。網(wǎng)絡(luò)通信故障造成的故障類型主要為數(shù)據(jù)中斷故障。所有故障類型中，載氣欠壓、倒油故障、色譜電氣故障等結(jié)構(gòu)故障占比較小，占比處于10%及以下[5]，網(wǎng)絡(luò)通信故障在故障類型中占比較大。

2.2 故障原因及特征

依據(jù)在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)異常特征的不同，在線監(jiān)測裝置故障存在多種類型。數(shù)據(jù)表現(xiàn)以H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6和總烴等的數(shù)值展現(xiàn)[6]，數(shù)據(jù)異常常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)全為0、數(shù)據(jù)不變、數(shù)據(jù)超過閾值、數(shù)據(jù)時有時無等。數(shù)據(jù)異常的產(chǎn)生多與油色分離等氣體檢測模塊有關(guān)[7]。

1）載氣欠壓故障

根據(jù)在線監(jiān)測裝置組成可知，經(jīng)過油氣分離模塊脫出的油中溶解氣體進(jìn)入氣體組分分離模塊中的色譜柱后，分離出的各特征氣體組分在色譜柱的停留時間與載氣的壓力有關(guān)，而載氣壓力不足會導(dǎo)致裝置無法正常運行或者存在無法正常運行的風(fēng)險。

當(dāng)載氣壓力不足時，特征氣體無法充分進(jìn)入后續(xù)檢測模塊，造成氣體數(shù)值下降，從而形成載氣欠壓故障。載氣欠壓故障主要特征表現(xiàn)為氣體數(shù)據(jù)較低甚至數(shù)據(jù)為0。H2、CH4等氣體處于極低的位置。其余氣體有值，但都在較低數(shù)值波動，則初步判斷是載氣欠壓問題。故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)如圖2 所示。

圖2 載氣欠壓故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)

2）倒油故障

由于油色譜在線監(jiān)測裝置的檢測用油不返回變壓器，所以需要將進(jìn)入在線監(jiān)測裝置檢測完畢后的監(jiān)測用油排入廢油箱中，但由于現(xiàn)場條件限制，廢油箱不可能無限大。當(dāng)廢油箱滿，導(dǎo)致廢油無法排入廢油箱，就會堵塞出油口，導(dǎo)致裝置發(fā)生故障。

造成倒油故障的主要原因是廢油過多以致超出油箱存儲上限，該故障產(chǎn)生的主要數(shù)據(jù)表現(xiàn)為H2、CO數(shù)據(jù)正常但數(shù)值偏低。CH4、C2H4、C2H2、C2H6和總烴值均為0且恒定不變，則出現(xiàn)倒油故障。故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 倒油故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)

3）色譜電氣故障

油色譜在線監(jiān)測裝置的電子元件因為短路或者老化都容易發(fā)生故障，當(dāng)它們發(fā)生故障時，往往也會造成在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)問題。色譜電氣故障包含很多種類，比如色譜主板故障、色譜加熱棒故障等等，統(tǒng)稱為色譜電氣故障。

色譜電氣故障造成的數(shù)據(jù)異常表現(xiàn)為H2、CO數(shù)據(jù)正常且數(shù)值不低，但CH4、C2H4、C2H2、C2H6和總烴都為0且恒定不變，則可初步判斷為色譜電氣故障問題，其數(shù)據(jù)表現(xiàn)如圖4所示。

圖4 色譜電氣故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)

4）數(shù)據(jù)中斷故障

由于通訊或者網(wǎng)絡(luò)問題，油色譜在線監(jiān)測裝置的某些氣體組分出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或者數(shù)據(jù)異常，甚至表現(xiàn)為數(shù)據(jù)長時間恒定不變。此類數(shù)據(jù)異常或者數(shù)據(jù)中斷的情況統(tǒng)一稱之為數(shù)據(jù)中斷故障，數(shù)據(jù)中斷故障占油色譜在線監(jiān)測裝置故障比例較大，是當(dāng)前故障發(fā)生頻率最大的故障類型。

數(shù)據(jù)中斷故障造成的后果是使變壓器脫離在線監(jiān)測裝置的監(jiān)管，其數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)形式為CO數(shù)值較大，遠(yuǎn)超其余氣體數(shù)據(jù)，其余氣體在較低位置變化波動，C2H6氣體存在部分零值。為清晰展示數(shù)據(jù)表現(xiàn)，以下分為圖5、圖6進(jìn)行展現(xiàn)。

圖5 數(shù)據(jù)中斷故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)（含CO）

圖6 數(shù)據(jù)中斷故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)（不含CO）

3 在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)偏差研究

3.1 在線監(jiān)測裝置偏差

在線監(jiān)測裝置因載氣壓力及流量發(fā)生變化、透氣膜的被油中雜質(zhì)腐蝕、色譜柱的劣化等原因，導(dǎo)致氣體分離及檢測能力降低，致使在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差，嚴(yán)重時將會造成故障。監(jiān)測裝置傳感器長期運行造成的累積偏差影響，引起現(xiàn)交叉敏感、零漂、精度降低等問題。故障數(shù)據(jù)表現(xiàn)較為明顯，近年來故障診斷已有廣泛研究，在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)偏差研究較少。

從傳感器的故障類型中，可提取監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)偏差有固定偏差、漂移偏差、變比偏差、精度失真等類型，定義如下：

1）固定偏差：氣體的測量值與真實值之間存在某一固定的數(shù)值偏差，該偏差可能來自于脫氣過程中脫氣不完全或者氣體泄漏或者氣體檢測單元老化。

2）漂移偏差：氣體的測量值隨時間的變化發(fā)生異常漂移，這種故障可能是由傳感器的老化引起，表現(xiàn)在在線監(jiān)測裝置中。

3）變比偏差：氣體的真實值與測量值之間存在一定的比例關(guān)系，通常發(fā)生在運行環(huán)境發(fā)生改變時。

4）精度失真：氣體測量值的方差發(fā)生劇烈的波動，在傳感器的數(shù)據(jù)采集部分受到強(qiáng)電磁干擾時容易發(fā)生。

以上偏差原為傳統(tǒng)的部分傳感器故障，但因與在線監(jiān)測裝置故障關(guān)系不大，產(chǎn)生主要原因為老化、干擾和環(huán)境變化等。從數(shù)據(jù)表現(xiàn)來說，以上幾種類型的數(shù)據(jù)表現(xiàn)在故障區(qū)間均為連續(xù)且平滑的曲線，與在線監(jiān)測裝置故障的數(shù)據(jù)表現(xiàn)大相徑庭，因此文中將其歸類為在線監(jiān)測裝置偏差類型以示區(qū)別。

3.2 偏差識別與分析

3.2.1 偏差識別概述

針對在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)異常多依賴人工校驗方法，效率低且耗時耗力，采用的人工校驗方法主要分為離線色譜數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測裝置對比法、標(biāo)準(zhǔn)氣體校驗法和標(biāo)準(zhǔn)油校驗法等[8]，其中，標(biāo)準(zhǔn)油校驗法使用較為頻繁，是當(dāng)前檢驗的主要方法。

隨著電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺的完善與發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)得以不斷累積，大量歷史數(shù)據(jù)的存在使得智能分析校驗成為可能。近年來，智能算法的興起和發(fā)展，為大數(shù)據(jù)分析提供了重要研究手段。油中氣體數(shù)據(jù)可通過波形分析和指標(biāo)判別等方式，分析數(shù)據(jù)的異常變化，相較于人工校驗方式更加智能化，可明顯減少分析時間。

3.2.2 偏差識別與分析方法

現(xiàn)有研究關(guān)注在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)異常，將數(shù)據(jù)故障和數(shù)據(jù)偏差歸為一類，在異常程度上沒有針對性區(qū)分。裝置故障造成的數(shù)據(jù)異常較數(shù)據(jù)偏差而言，更加明顯且易于識別。文獻(xiàn)[1]通過整理分類現(xiàn)存故障類型，結(jié)合故障診斷方法，診斷在線監(jiān)測裝置故障。該方法將數(shù)據(jù)區(qū)間的數(shù)據(jù)作為輸入，結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，未能提煉故障數(shù)據(jù)特征，存在一定缺陷。

現(xiàn)有研究中，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)波形進(jìn)行分析，快速識別數(shù)據(jù)異常。文獻(xiàn)[9]通過對數(shù)據(jù)使用小波變換模極大值和Lipschitz指數(shù)關(guān)系，識別快速漸變和異常躍變現(xiàn)象，快速有效識別數(shù)據(jù)異常。

針對在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)異常，部分研究考慮通過對在線監(jiān)測裝置進(jìn)行狀態(tài)評估從而識別狀態(tài)異常裝置。文獻(xiàn)[10]采用Fast-MCD 穩(wěn)健分析方法對H2、總烴和CO等特征氣體進(jìn)行異常值檢測，定義數(shù)據(jù)有效性評估體系進(jìn)行有效性評估。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和多判據(jù)融合的油色譜監(jiān)測傳感器有效性評估方法，考慮通過異常值的分布情況、連續(xù)相同值的分布情況、變異系數(shù)的變化情況以及產(chǎn)氣率的變化情況，并設(shè)置權(quán)重綜合判別監(jiān)測裝置狀態(tài)，識別無效的監(jiān)測裝置。該方法考慮多種指標(biāo)，但指標(biāo)對數(shù)據(jù)區(qū)間有一定要求，難以識別微小的階躍異常且耗時較長。文獻(xiàn)[11]提出了基于核主成分分析模型（KPCA）的在線油色譜裝置異常狀態(tài)快速識別方法，通過統(tǒng)計量方法快速識別異常數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)特征識別在線監(jiān)測裝置工作狀態(tài)。該方法較閾值法而言在5%幅度的階躍異常辨識方面具有更大的準(zhǔn)確率，相比文獻(xiàn)[5]在耗時方面有更大優(yōu)勢。

4 結(jié)語

文中對變壓器在線監(jiān)測裝置進(jìn)行研究，分別闡述了在線監(jiān)測裝置模塊組成、在線監(jiān)測裝置故障和在線監(jiān)測裝置偏差，并對目前的異常分析進(jìn)行了分類整理，有如下結(jié)論：

1）現(xiàn)有研究對數(shù)據(jù)異常分析，未能從數(shù)據(jù)表現(xiàn)和產(chǎn)生原因上進(jìn)行關(guān)聯(lián)細(xì)分，只考慮識別異常而不考慮識別異常部位。

2）現(xiàn)有方法考慮數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)單數(shù)據(jù)自身變化情況和異常特征，未考慮油色譜氣體數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。從氣體產(chǎn)生的原因上，氣體之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，轉(zhuǎn)化關(guān)系正是氣體間的聯(lián)系，在后續(xù)研究中存在價值。