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基于DFTA的变压器故障诊断专家系统研究

计算机时代 / 2018年01月26日 23:52

新闻

曹先平 邓黎明 李振东 罗传仙

摘 要: 将DFTA(Dynamic Fault Tree Analysis,DFTA)与专家系统相结合,引入到电力变压器故障诊断应用中。通过分析变压器的常见故障,构建变压器故障树,实现了一个具有开放性、自学性和实用性的变压器故障诊断平台。该系统以故障树为理论基础和载体,通过故障树这种特殊的图形化方式形象而直观的表达了专家诊断知识,将以往的专家知识库的黑匣子公开化、透明化,为用户提供了极大的便利。该系统对推进云南电网公司设备状态检修、提高电力系统安全性及可靠性具有重要意义。

关键词: 变压器; 动态故障树; 故障诊断; 专家系统

中图分类号:TM411;TP311.5 文献标志码:A 文章编号:1006-8228(2016)01-05-04

Fault diagnosis expert system of transformer based on dynamic fault tree analysis

Cao Xianping1, Deng Liming2, Li Zhendong3, Luo Chuanxian4

(1. Yunnan Grid Company Zhaotong Power Supply Company, Zhaotong, Yunnan 657000, China; 2. Customer Service Center of Yichang Power Supply Company; 3. Qinghai Provincial Electric Company Electric Power Research Institute; 4. State Grid Electric Power Research Institute Wuhan Nari Limited Liability Company)

Abstract: DFTA (Dynamic Fault Tree Analysis) combined with expert system, is introduced into the fault diagnosis of power transformer. By analyzing the common faults of transformer, the transformer fault tree is constructed, and an open, self-learning and practical transformer fault diagnosis platform is realized. The system takes the fault tree as the theoretical basis and the carrier, expresses expert diagnostic knowledge in a graphical and intuitive way, which makes the expert knowledge of the past in the black box open and transparent, and provides users a great convenience. The system has important significance for promoting the maintenance of the equipment and improving the safety and reliability of the electric power system.

Key words: power transformer; DFTA; fault diagnosis; expert system

0 引言

随着我国智能电网建设的推进,电力系统已迈向了大电网、高电压的发展阶段,这对电网供电的安全性与可靠性提出了更高的要求。变压器作为电力系统最关键的设备之一,起着变换电压、传输能量的重要作用,其运行状况直接影响到电力系统的安全稳定运行。若一台大容量变压器发生故障,而其检修周期又长,将会造成巨大的经济损失和不良的社会影响,特别是与发电机直接相连接的变压器将迫使发电机停止发电而造成更大的损失。据统计,2006年-2011年云南电网110kV及以上变压器发生跳闸故障14次,严重影响了云南电网的安全运行[1]。因此,研究变压器发生故障的类型与特征,分析故障发生的原因与机理,研究一个实用性强、可靠性高的诊断分析系统,及时掌握变压器的运行状况,提高其平均无故障时间和运行可靠性,对推进云南电网公司设备状态检修、提高电力系统安全性和可靠性都具有重要的意义。

本文通过分析变压器的故障形式、症状、原因,以动态故障树分析法为理论基础,初步构建了变压器的故障树,实现了一个较为实用的变压器故障诊断分析系统,对提高变压器安全可靠运行起到了一定的积极作用。

1系统功能设计

1.1 系统业务流程

故障诊断分析的目的是根据变压器的运行参数、试验数据与基本台账等状态信息,判断设备的健康状态,并对发生故障的原因进行分析,为运行工作人员提供有力的检修依据[2-3]。

当系统对接入的在线监测数据、试验数据(停电试验、带电检测等)、巡检数据等原始数据,一方面存储到原始数据库,另一方面结合历史数据和设备基本资料,经过阈值判断、坏点剔除、趋势分析等处理与分析后得到系统能够识别的故障状态量,然后再根据系统所建立的诊断知识库进行诊断分析,实现设备的故障原因分析及定位,并将分析诊断结果保存到诊断分析结果库中。简单的说,系统数据流为:原始数据—故障状态量?诊断分析。如图1所示。

1.2 功能模块设计

依据结构化设计方法,结合系统业务需求,系统主要包括基础数据管理、试验数据、诊断分析和权限管理四大模块。

⑴ 基础数据管理。基础管理包括设备设备管理与试验数据录入两部分,分别实现设备台账信息与试验、巡检等基础数据的录入与管理功能,是系统实现变压器故障诊断分析的基础。

⑵ 权限管理。权限管理实现对系统用户基本信息及操作权限进行管理和控制,从而保证系统的信息安全。本系统中支持用户组和用户两种设置权限的方法,且可以同时使用,两者的交集作为用户的最终权限。

⑶ 试验数据展示。试验数据展示是以折线图、柱状图、雷达图或大卫三角、立体图等形式展示设备原始数据或分析处理之后的数据,供用户查看与分析。

⑷ 诊断分析。诊断分析是系统的核心模块,包括故障树和故障分析两个部分。其中,故障树模块实现对变压器故障树的编辑与动态维护,是系统诊断专家知识库的管理入口;诊断分析依据设备的运行状态信息,利用系统诊断知识库判断设备运行状态,分析发生故障的可能原因并进行定位,为运行和检修人员提供支持。

2 变压器故障诊断

2.1 DFTA与专家系统

故障树是一种特殊的树状逻辑因果关系图,它用图形演绎逻辑推理方法,用图清晰地说明了系统的失效原因,把系统的故障与组成系统的部件的故障有机地联系在一起,可以找出系统全部的失效状态和传播路径[4-5]。DFTA是至少包含一个动态逻辑门的故障树,具有动态的系统性能,能对具有顺序相关、资源共享、可修复和冷热备份的系统进行故障分析的方法[6]。本文所研究的动态故障树分析法与其传统概念有所不同,其“动态”主要体现在该诊断系统中故障树的动态构建、维护与更新,也是系统自学功能的体现。

专家系统是结合人工智能技术和计算机技术,利用专家的知识和经验,进行推理判断,模拟专家作出决策的智能化信息系统[7]。本文所研究的变压器故障诊断专家系统,其专家知识库是以故障树为理论基础和载体,通过故障树这种特殊的图形化方式形象而直观的表达了专家诊断知识,将之前的专家知识库的黑匣子公开化、透明化,方便用户查看与分析。

2.2 变压器常见故障

故障诊断的实质是运行状态的模式识别过程,主要包括故障状态量信息获取与预处理、特征信息提取和故障识别三个步骤。变压器结构复杂,故障形式、症状、原因和演变机理的复杂多样,在运行中发生的故障很难以某一判据判断故障的类型和位置。熟悉变压器的常见故障、故障现象及原因对于本文构建变压器故障树和实现变压器故障诊断分析具有重要的意义。

油浸式电力变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障主要有相间短路、匝间短路、局部放电、局部过热、绝缘油异常等;外部故障主要有油箱或套管渗漏油、套管闪络、引出线故障等。内部故障根据常见的故障易发部位可分为绝缘故障、铁心故障、分接开关故障、绕组故障等,这些故障的发生可能同时伴随着热故障和电故障两种类型;外部故障虽然更为常见,但比较容易发现及诊断。

变压器绕组故障模式可分为短路、断路、松动、变形、移位、烧损,其中绕组短路又可分为层间短路、匝间短路、饼间短路、股间短路。绕组故障大部分由于绕组本身结构和绝缘不合理引起,以绕组短路出现概率最高,不仅涉及绕组本身,还对铁心、引线、绝缘屏等有极大影响。绕组短路时,变压器内部会出现局部高温或高能放电。变压器绕组松动、变形、失稳、绝缘损伤,会使抗短路能力变差,若遭到外部短路、雷击等不良工况,会使绕组松散、场强分布不均,导致局部放电;松散导线在电磁力作用下,互相摩擦划破绝缘,引起绕组烧损,绝缘局部碳化,最终形成绕组短路。由于篇幅所限,其他故障类型的故障模式不再一一分析说明。

2.3 构建变压器故障树

构建故障树是实现故障诊断的最为关键的一步,故障树直接决定了系统诊断结果的准确性与可靠性。故障树的构建过程实质上是建立系统专家诊断知识库的过程,也是用树形结构图形化展示变压器故障与导致其发生原因之间逻辑关系的过程。变压器结构复杂,故障形式和原因多样,使得其故障树层级多,显得较为庞大。为了方便用户建树与查看分析,故障树必须有一个清晰明了的结构,可以根据故障类型和结构组成将变压器故障树分解为多个子树,子树又可以再进行分解。

在本系统中,组成故障树的基本元素是故障节点,每一个故障节点包含名称、逻辑、阈值、试验建议和故障描述等基本属性,且故障节点可以绑定相关的判据变量和故障发生的部件。与节点绑定的判据变量具有一定的权重,当异常变量的权重大于节点的阈值时,该节点将被认定为发生故障的节点。其中,故障节点之间有“与”、“或”、“非”等关系,变量之间有“与”和“或”的关系,如图2所示。

根据前文对变压器主要故障模式的整理与分析,可以依据故障树理论构建变压器故障树。放电故障中的局部放电故障子树如图3所示。

3 系统典型应用

3.1 诊断分析实例

⑴ 原始数据

现场某一台220kV变压器具有以下几种现场运行及试验数据如表1-表3。

⑵ 数据分析处理

系统经过分析,三比值法计算得编码102,为高能量放电;绕组绝缘电阻,吸收比和极化指数正常;高中-低地电容量比异常前试验增长16.2%(原为15350pF),低-高中地电容量比异常前试验增长13%(原为24070pF),稳定绕组电容量无明显变化。最终,系统得到故障状态量为:本体放电故障、绕组电容量。

⑶ 分析诊断结果

以系统得到的状态量结果为输入量,系统依据诊断知识库得出诊断结果为绕组变形和绕组放电,故障节点以红色背景突出显示。

事后经过吊罩解体检查,发现该变压器中压绕组三相都存在不同程度的变形,但都没有发现放电痕迹,从而证实了系统诊断分析结果的正确性。

3.2 系统特点

⑴ 案例库比对分析与自学功能。当系统进行诊断分析时,若不能给出诊断分析结果,则系统将会自动启动案例库比对分析,将当前输入的诊断变量与案例库进行匹配分析,并输出匹配结果,用户可以根据匹配结果自行查看相应的案例分析。若没有找到与其相匹配的案例,当前诊断案例将作为一新的案例补充到案例库中。

⑵ 人机交互性。系统诊断分析之后,将分析结果按可能原因的概率从高到低以表格的形式提供给用户,用户若对诊断结果有所怀疑或发现诊断变量值有明显错误,可以人工修改诊断变量的值进行重新诊断并保存结果。此外,系统还会依据统计学的理论和原理,利用预先设定的算法对该类变压器故障树知识库中各个可能原因的概率进行动态的更新,从而提高下次诊断结果的准确性和可靠性。

⑶ 实时性。当系统接到原始数据之后,会立即对其进行阈值判断、趋势分析和比对分析的等处理,得出与其对应的状态量,再由系统进行诊断分析,这样能够使运行人员及时掌握设备的运行状况与健康状态。

4 总结

本文以DFTA和专家系统为基础,阐述了变压器诊断分析的思路,构建了一个实用化的变压器诊断知识库和诊断平台,以图形化的方式向研究人员再现了故障的演变过程和机理,对推进云南电网公司设备状态检修、提高电力系统安全性和可靠性都具有重要的意义。随着系统的长期运行,系统的诊断知识将不断地积累而变得更为丰富,其诊断可靠性也将进一步提高。

由于时间和条件的限制,有些工作需要进一步研究,如故障树优化与完善、DFTA的定量分析与计算等。

参考文献(References):

[1] 刘娜,高文胜,谈克雄等.大型电力变压器故障树的构建与分

析[J].中国电力,2003.36(11):33-36

[2] 高顺川.动态故障树分析方法及其实现[D].国防科技大学,

2005.

[3] 王美铃.基于多知识库电力变压器故障诊断专家系统[D].中

南大学,2011.

[4] 孙喆.电力变压器的常见故障分析及处理措施[J].黑龙江科

技信息,2009.28.

[5] 张启清.电力变压器故障诊断专家系统的研究[J].重庆大学,

2002.

[6] 王晓莺.变压器故障与监测[M].机械工业出版社,2004.

[7] 伍庭铮.基于故障树分析法的变压器套管故障诊断[J].电力

科学与工程,2009.25(12):63-65

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