基于DFTA的變壓器故障診斷專家系統(tǒng)研究

曹先平　鄧黎明　李振東　羅傳仙

摘 要： 將DFTA（Dynamic Fault Tree Analysis，DFTA）與專家系統(tǒng)相結合，引入到電力變壓器故障診斷應用中。通過分析變壓器的常見故障，構建變壓器故障樹，實現了一個具有開放性、自學性和實用性的變壓器故障診斷平臺。該系統(tǒng)以故障樹為理論基礎和載體，通過故障樹這種特殊的圖形化方式形象而直觀的表達了專家診斷知識，將以往的專家知識庫的黑匣子公開化、透明化，為用戶提供了極大的便利。該系統(tǒng)對推進云南電網公司設備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性及可靠性具有重要意義。

關鍵詞： 變壓器； 動態(tài)故障樹； 故障診斷； 專家系統(tǒng)

中圖分類號：TM411；TP311.5 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著我國智能電網建設的推進，電力系統(tǒng)已邁向了大電網、高電壓的發(fā)展階段，這對電網供電的安全性與可靠性提出了更高的要求。變壓器作為電力系統(tǒng)最關鍵的設備之一，起著變換電壓、傳輸能量的重要作用，其運行狀況直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。若一臺大容量變壓器發(fā)生故障，而其檢修周期又長，將會造成巨大的經濟損失和不良的社會影響，特別是與發(fā)電機直接相連接的變壓器將迫使發(fā)電機停止發(fā)電而造成更大的損失。據統(tǒng)計，2006年-2011年云南電網110kV及以上變壓器發(fā)生跳閘故障14次，嚴重影響了云南電網的安全運行[1]。因此，研究變壓器發(fā)生故障的類型與特征，分析故障發(fā)生的原因與機理，研究一個實用性強、可靠性高的診斷分析系統(tǒng)，及時掌握變壓器的運行狀況，提高其平均無故障時間和運行可靠性，對推進云南電網公司設備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性和可靠性都具有重要的意義。

本文通過分析變壓器的故障形式、癥狀、原因，以動態(tài)故障樹分析法為理論基礎，初步構建了變壓器的故障樹，實現了一個較為實用的變壓器故障診斷分析系統(tǒng)，對提高變壓器安全可靠運行起到了一定的積極作用。

1系統(tǒng)功能設計

1.1 系統(tǒng)業(yè)務流程

故障診斷分析的目的是根據變壓器的運行參數、試驗數據與基本臺賬等狀態(tài)信息，判斷設備的健康狀態(tài)，并對發(fā)生故障的原因進行分析，為運行工作人員提供有力的檢修依據[2-3]。

當系統(tǒng)對接入的在線監(jiān)測數據、試驗數據（停電試驗、帶電檢測等）、巡檢數據等原始數據，一方面存儲到原始數據庫，另一方面結合歷史數據和設備基本資料，經過閾值判斷、壞點剔除、趨勢分析等處理與分析后得到系統(tǒng)能夠識別的故障狀態(tài)量，然后再根據系統(tǒng)所建立的診斷知識庫進行診斷分析，實現設備的故障原因分析及定位，并將分析診斷結果保存到診斷分析結果庫中。簡單的說，系統(tǒng)數據流為：原始數據—故障狀態(tài)量?診斷分析。如圖1所示。

1.2 功能模塊設計

依據結構化設計方法，結合系統(tǒng)業(yè)務需求，系統(tǒng)主要包括基礎數據管理、試驗數據、診斷分析和權限管理四大模塊。

⑴ 基礎數據管理?；A管理包括設備設備管理與試驗數據錄入兩部分，分別實現設備臺賬信息與試驗、巡檢等基礎數據的錄入與管理功能，是系統(tǒng)實現變壓器故障診斷分析的基礎。

⑵ 權限管理。權限管理實現對系統(tǒng)用戶基本信息及操作權限進行管理和控制，從而保證系統(tǒng)的信息安全。本系統(tǒng)中支持用戶組和用戶兩種設置權限的方法，且可以同時使用，兩者的交集作為用戶的最終權限。

⑶ 試驗數據展示。試驗數據展示是以折線圖、柱狀圖、雷達圖或大衛(wèi)三角、立體圖等形式展示設備原始數據或分析處理之后的數據，供用戶查看與分析。

⑷ 診斷分析。診斷分析是系統(tǒng)的核心模塊，包括故障樹和故障分析兩個部分。其中，故障樹模塊實現對變壓器故障樹的編輯與動態(tài)維護，是系統(tǒng)診斷專家知識庫的管理入口；診斷分析依據設備的運行狀態(tài)信息，利用系統(tǒng)診斷知識庫判斷設備運行狀態(tài)，分析發(fā)生故障的可能原因并進行定位，為運行和檢修人員提供支持。

2 變壓器故障診斷

2.1 DFTA與專家系統(tǒng)

故障樹是一種特殊的樹狀邏輯因果關系圖，它用圖形演繹邏輯推理方法，用圖清晰地說明了系統(tǒng)的失效原因，把系統(tǒng)的故障與組成系統(tǒng)的部件的故障有機地聯(lián)系在一起，可以找出系統(tǒng)全部的失效狀態(tài)和傳播路徑[4-5]。DFTA是至少包含一個動態(tài)邏輯門的故障樹，具有動態(tài)的系統(tǒng)性能，能對具有順序相關、資源共享、可修復和冷熱備份的系統(tǒng)進行故障分析的方法[6]。本文所研究的動態(tài)故障樹分析法與其傳統(tǒng)概念有所不同，其“動態(tài)”主要體現在該診斷系統(tǒng)中故障樹的動態(tài)構建、維護與更新，也是系統(tǒng)自學功能的體現。

專家系統(tǒng)是結合人工智能技術和計算機技術，利用專家的知識和經驗，進行推理判斷，模擬專家作出決策的智能化信息系統(tǒng)[7]。本文所研究的變壓器故障診斷專家系統(tǒng)，其專家知識庫是以故障樹為理論基礎和載體，通過故障樹這種特殊的圖形化方式形象而直觀的表達了專家診斷知識，將之前的專家知識庫的黑匣子公開化、透明化，方便用戶查看與分析。

2.2 變壓器常見故障

故障診斷的實質是運行狀態(tài)的模式識別過程，主要包括故障狀態(tài)量信息獲取與預處理、特征信息提取和故障識別三個步驟。變壓器結構復雜，故障形式、癥狀、原因和演變機理的復雜多樣，在運行中發(fā)生的故障很難以某一判據判斷故障的類型和位置。熟悉變壓器的常見故障、故障現象及原因對于本文構建變壓器故障樹和實現變壓器故障診斷分析具有重要的意義。

油浸式電力變壓器的故障可分為內部故障和外部故障兩種。內部故障主要有相間短路、匝間短路、局部放電、局部過熱、絕緣油異常等；外部故障主要有油箱或套管滲漏油、套管閃絡、引出線故障等。內部故障根據常見的故障易發(fā)部位可分為絕緣故障、鐵心故障、分接開關故障、繞組故障等，這些故障的發(fā)生可能同時伴隨著熱故障和電故障兩種類型；外部故障雖然更為常見，但比較容易發(fā)現及診斷。

變壓器繞組故障模式可分為短路、斷路、松動、變形、移位、燒損，其中繞組短路又可分為層間短路、匝間短路、餅間短路、股間短路。繞組故障大部分由于繞組本身結構和絕緣不合理引起，以繞組短路出現概率最高，不僅涉及繞組本身，還對鐵心、引線、絕緣屏等有極大影響。繞組短路時，變壓器內部會出現局部高溫或高能放電。變壓器繞組松動、變形、失穩(wěn)、絕緣損傷，會使抗短路能力變差，若遭到外部短路、雷擊等不良工況，會使繞組松散、場強分布不均，導致局部放電；松散導線在電磁力作用下，互相摩擦劃破絕緣，引起繞組燒損，絕緣局部碳化，最終形成繞組短路。由于篇幅所限，其他故障類型的故障模式不再一一分析說明。

2.3 構建變壓器故障樹

構建故障樹是實現故障診斷的最為關鍵的一步，故障樹直接決定了系統(tǒng)診斷結果的準確性與可靠性。故障樹的構建過程實質上是建立系統(tǒng)專家診斷知識庫的過程，也是用樹形結構圖形化展示變壓器故障與導致其發(fā)生原因之間邏輯關系的過程。變壓器結構復雜，故障形式和原因多樣，使得其故障樹層級多，顯得較為龐大。為了方便用戶建樹與查看分析，故障樹必須有一個清晰明了的結構，可以根據故障類型和結構組成將變壓器故障樹分解為多個子樹，子樹又可以再進行分解。

在本系統(tǒng)中，組成故障樹的基本元素是故障節(jié)點，每一個故障節(jié)點包含名稱、邏輯、閾值、試驗建議和故障描述等基本屬性，且故障節(jié)點可以綁定相關的判據變量和故障發(fā)生的部件。與節(jié)點綁定的判據變量具有一定的權重，當異常變量的權重大于節(jié)點的閾值時，該節(jié)點將被認定為發(fā)生故障的節(jié)點。其中，故障節(jié)點之間有“與”、“或”、“非”等關系，變量之間有“與”和“或”的關系，如圖2所示。

根據前文對變壓器主要故障模式的整理與分析，可以依據故障樹理論構建變壓器故障樹。放電故障中的局部放電故障子樹如圖3所示。

3 系統(tǒng)典型應用

3.1 診斷分析實例

⑴ 原始數據

現場某一臺220kV變壓器具有以下幾種現場運行及試驗數據如表1-表3。

⑵ 數據分析處理

系統(tǒng)經過分析，三比值法計算得編碼102，為高能量放電；繞組絕緣電阻，吸收比和極化指數正常；高中-低地電容量比異常前試驗增長16.2%（原為15350pF），低-高中地電容量比異常前試驗增長13%（原為24070pF），穩(wěn)定繞組電容量無明顯變化。最終，系統(tǒng)得到故障狀態(tài)量為：本體放電故障、繞組電容量。

⑶ 分析診斷結果

以系統(tǒng)得到的狀態(tài)量結果為輸入量，系統(tǒng)依據診斷知識庫得出診斷結果為繞組變形和繞組放電，故障節(jié)點以紅色背景突出顯示。

事后經過吊罩解體檢查，發(fā)現該變壓器中壓繞組三相都存在不同程度的變形，但都沒有發(fā)現放電痕跡，從而證實了系統(tǒng)診斷分析結果的正確性。

3.2 系統(tǒng)特點

⑴ 案例庫比對分析與自學功能。當系統(tǒng)進行診斷分析時，若不能給出診斷分析結果，則系統(tǒng)將會自動啟動案例庫比對分析，將當前輸入的診斷變量與案例庫進行匹配分析，并輸出匹配結果，用戶可以根據匹配結果自行查看相應的案例分析。若沒有找到與其相匹配的案例，當前診斷案例將作為一新的案例補充到案例庫中。

⑵ 人機交互性。系統(tǒng)診斷分析之后，將分析結果按可能原因的概率從高到低以表格的形式提供給用戶，用戶若對診斷結果有所懷疑或發(fā)現診斷變量值有明顯錯誤，可以人工修改診斷變量的值進行重新診斷并保存結果。此外，系統(tǒng)還會依據統(tǒng)計學的理論和原理，利用預先設定的算法對該類變壓器故障樹知識庫中各個可能原因的概率進行動態(tài)的更新，從而提高下次診斷結果的準確性和可靠性。

⑶ 實時性。當系統(tǒng)接到原始數據之后，會立即對其進行閾值判斷、趨勢分析和比對分析的等處理，得出與其對應的狀態(tài)量，再由系統(tǒng)進行診斷分析，這樣能夠使運行人員及時掌握設備的運行狀況與健康狀態(tài)。

4 總結

本文以DFTA和專家系統(tǒng)為基礎，闡述了變壓器診斷分析的思路，構建了一個實用化的變壓器診斷知識庫和診斷平臺，以圖形化的方式向研究人員再現了故障的演變過程和機理，對推進云南電網公司設備狀態(tài)檢修、提高電力系統(tǒng)安全性和可靠性都具有重要的意義。隨著系統(tǒng)的長期運行，系統(tǒng)的診斷知識將不斷地積累而變得更為豐富，其診斷可靠性也將進一步提高。

由于時間和條件的限制，有些工作需要進一步研究，如故障樹優(yōu)化與完善、DFTA的定量分析與計算等。

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