一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的變壓器關(guān)鍵參量提取方法

程宏波，裘德新，王 勛，辛建波，張 宇

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌，330096；2.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌，330013）

一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的變壓器關(guān)鍵參量提取方法

程宏波1，2，裘德新2，王 勛2，辛建波1，張 宇1

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌，330096；2.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌，330013）

從眾多的指標(biāo)中篩選關(guān)鍵參量可提高變壓器狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率。針對(duì)變壓器的狀態(tài)識(shí)別，提出一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量提取方法。首先在分析變壓器狀態(tài)指標(biāo)參量與故障類(lèi)別關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建較為全面的變壓器基礎(chǔ)參量體系，然后運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則將變壓器故障類(lèi)型與指標(biāo)參量之間的關(guān)系進(jìn)行量化，通過(guò)計(jì)算得到各指標(biāo)參量的支持度與置信度，以滿(mǎn)足兩者最小閾值為條件提取出變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量，從而構(gòu)建變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量體系。最后以某變電站故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行驗(yàn)證，為變壓器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供一種新的思路。

關(guān)聯(lián)規(guī)則；關(guān)鍵參量；特征提??；狀態(tài)評(píng)估

電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估有利于對(duì)變壓器實(shí)施狀態(tài)檢修，對(duì)變壓器的故障進(jìn)行提前預(yù)警，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷以及安全隱患，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

變壓器狀態(tài)評(píng)估的方法很多，選取的不同指標(biāo)參量判斷變壓器部位狀態(tài)也不同。如油中溶解氣體分析（dissolved gas analysis，DGA）利用油中特征指標(biāo) H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2的體積占比作為變壓器故障判斷的重要依據(jù)[1-2]，文獻(xiàn)[3-4]則選取了絕緣油試驗(yàn)中油中含水量、油擊穿電壓、油介損、糠醛含量等指標(biāo)，通過(guò)狀態(tài)評(píng)估方法來(lái)綜合判斷絕緣油受潮及老化程度；針對(duì)變壓器繞組鐵心運(yùn)行狀態(tài)的分析，文獻(xiàn)[5-6]選取繞組絕緣電阻、繞組介損值、繞組泄漏電流、鐵心接地電流、鐵心接地電阻等指標(biāo)，文獻(xiàn)[7]則通過(guò)局部放電量、油中含氣量、繞組直流電阻等指標(biāo)來(lái)反映變壓器局部放電故障。

這些指標(biāo)分別從不同側(cè)面、不同程度上反映了變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變壓器發(fā)生某一故障時(shí)，通常會(huì)引起一系列指標(biāo)參量隨之變化，實(shí)際上，這些指標(biāo)參量之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，它們都共同表征了變壓器同一故障狀態(tài)。從眾多指標(biāo)參量中提取最能反映變壓器狀態(tài)的關(guān)鍵參量，通過(guò)直接分析變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量，能提高變壓器狀態(tài)評(píng)判的準(zhǔn)確度，降低變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分析處理難度，對(duì)變壓器狀態(tài)的判斷識(shí)別有著重要意義。目前大多數(shù)學(xué)者注重對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估方法的研究，如文獻(xiàn)[8]采用關(guān)聯(lián)規(guī)則與集對(duì)分析融合的故障診斷方法，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則得到指標(biāo)參量權(quán)重，但選取是與狀態(tài)評(píng)估相關(guān)的所有相關(guān)指標(biāo)，并未對(duì)變壓器狀態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)參量進(jìn)行提取，文獻(xiàn)[9]則通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則建立輸電線路指標(biāo)參量矩陣，運(yùn)用主成分分析法對(duì)指標(biāo)重要程度進(jìn)行排序，從而提取出關(guān)鍵參量，但由于輸電線路分布廣，運(yùn)行環(huán)境條件也各不相同，對(duì)變壓器并不適用。

因此本文考慮變壓器指標(biāo)參量與變壓器故障之間的聯(lián)系，提出關(guān)聯(lián)規(guī)則特征提取方法，在分析變壓器故障類(lèi)型與監(jiān)測(cè)變量之間機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了變壓器故障狀態(tài)與指標(biāo)參量之間的關(guān)系，利用樣本數(shù)據(jù)根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則量化變壓器指標(biāo)參量與變壓器故障之間的關(guān)系，通過(guò)指標(biāo)參量支持度與置信度的最小閾值提取出變壓器狀態(tài)指標(biāo)參量中最具有代表性的指標(biāo)，從而精簡(jiǎn)了變壓器狀態(tài)指標(biāo)參量。在精簡(jiǎn)指標(biāo)參量的基礎(chǔ)上，對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，從而有效解決變壓器監(jiān)測(cè)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

1 變壓器參量的選取

1.1 指標(biāo)參量的選取

電力變壓器的狀態(tài)試驗(yàn)項(xiàng)目包括油中溶解氣體試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)以及絕緣油試驗(yàn)等多個(gè)項(xiàng)目。據(jù)此得到的指標(biāo)參量較多，各指標(biāo)分別從多個(gè)角度表征了變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)《油浸式變壓器（電抗器）狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則（Q/GDW169-2008）》以及DL/T 596-2005《電氣設(shè)備預(yù)防性實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)變壓器狀態(tài)指標(biāo)的規(guī)定，結(jié)合變壓器歷史故障數(shù)據(jù)，梳理得到常用的狀態(tài)指標(biāo)參量如表1所示。

表1 常用的變壓器指標(biāo)參量Tab.1 Common parameters of the transformer

1.2 故障參量的選取

從眾多指標(biāo)參量中提取影響變壓器運(yùn)行的關(guān)鍵參量,目的在于快速準(zhǔn)確判斷變壓器是否處于異常運(yùn)行狀態(tài)，甚至故障狀態(tài)。因此分析各指標(biāo)參量與變壓器不同故障狀態(tài)之間的關(guān)系，建立具體指標(biāo)參量與變壓器不同故障狀態(tài)的映射模型是提取變壓器關(guān)鍵參量的前提。根據(jù)變壓器實(shí)際運(yùn)行狀況結(jié)合已有的研究，將變壓器故障狀態(tài)類(lèi)型分為以下幾類(lèi)[10]，如表2所示。

表2 變壓器故障類(lèi)型Tab.2 Fault type of transformer

2 變壓器狀態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)參量的構(gòu)建

2.1 變壓器故障狀態(tài)與指標(biāo)參量關(guān)聯(lián)關(guān)系的量化

關(guān)聯(lián)規(guī)則就是從大量的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中挖掘變量之間的關(guān)系，找出不同項(xiàng)之間在同一個(gè)事件中存在的相互關(guān)聯(lián)性[11]。從變壓器狀態(tài)指標(biāo)提取出關(guān)鍵參量，就是要從眾多指標(biāo)參量中找出與變壓器故障之間關(guān)系緊密的指標(biāo)參量。因?yàn)楦鱾€(gè)狀態(tài)指標(biāo)參量反映的故障程度不同，若指標(biāo)參量與相應(yīng)故障之間存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，則可以通過(guò)該指標(biāo)參量來(lái)推斷與其相關(guān)的變壓器狀態(tài)屬性[12]。

根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則相關(guān)概念的定義：在關(guān)聯(lián)規(guī)則中事務(wù)總數(shù)據(jù)庫(kù)記為D，D是所有子集事務(wù)δ的集合，表示為 D={δ1，δ2，…，δN}。 其中子集事務(wù)數(shù)記為 δi={λ1，λ2，…，λN}，λ 稱(chēng)為項(xiàng)。 令 D={λ1，λ2，…，λj}是 D 中所有項(xiàng)的集合，在事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù) D 中，其所包含某特定 λ 項(xiàng)集 A 的事務(wù)的個(gè)數(shù)為 σ（A），記為。

關(guān)聯(lián)規(guī)則有兩個(gè)基本衡量度：支持度和置信度。支持度表示當(dāng)變壓器發(fā)生某種故障時(shí)，同時(shí)相關(guān)指標(biāo)參量出現(xiàn)超出警示值的概率，支持度越接近1表明該指標(biāo)參量與相應(yīng)故障的緊密程度越大，有效性越高。置信度表征關(guān)聯(lián)規(guī)則的可信程度，用來(lái)量化變壓器故障與指標(biāo)參量間的關(guān)系，當(dāng)指標(biāo)參量超出警示值時(shí)，發(fā)生相應(yīng)故障的概率，置信度值越大表示指標(biāo)參量對(duì)相應(yīng)故障的依賴(lài)性、可靠度也就越高。

若項(xiàng)集A?D，B?D，且A∩B=?，定義關(guān)聯(lián)規(guī)則為A→B，假設(shè)指標(biāo)參量為A，故障狀態(tài)為B，支持度的基本定義為：A和B同時(shí)出現(xiàn)在一次事務(wù)中的比例，即事務(wù)數(shù)據(jù)D庫(kù)中包含A∪B的比例，表示為

置信度的基本定義為事務(wù)庫(kù)D中包含A的同時(shí)又包含B的比例，記為P（B|A），表示為

根據(jù)上述定義對(duì)變壓器故障和各指標(biāo)參量關(guān)系量化如下：

1）事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)Di={第i個(gè)故障發(fā)生}；

2）子集Ai，j={第i個(gè)故障狀態(tài)中的第j個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)參量超出警示值}；

3）子集Bi={第i類(lèi)故障發(fā)生}。

由公式（1）（2）可知，與故障狀態(tài)、指標(biāo)參量的關(guān)聯(lián)規(guī)則 Ai，j→Bi的支持度和置信度如下：

2.2 變壓器關(guān)鍵參量提取

支持度和置信度都同時(shí)反映變壓器指標(biāo)參量與變壓器故障之間的關(guān)系緊密程度。支持度反映了指標(biāo)參量對(duì)變壓器相應(yīng)故障狀態(tài)的有效程度；置信度則反映了指標(biāo)參量超出警示值時(shí)，變壓器發(fā)生相應(yīng)故障的可信程度。由于各指標(biāo)參量反映變壓器故障類(lèi)型、程度不同，即其中某些指標(biāo)可能與一種故障對(duì)應(yīng)，另外某些指標(biāo)可能對(duì)應(yīng)多種故障。當(dāng)支持度與置信度都達(dá)到一定閾值時(shí)，可以認(rèn)為變壓器故障狀態(tài)與指標(biāo)參量之間存在一定聯(lián)系[13]。依據(jù)上述關(guān)聯(lián)規(guī)則概念，計(jì)算指標(biāo)參量與各故障類(lèi)型之間支持度和置信度，依次篩選出變壓器關(guān)鍵指標(biāo)參量，兩者需滿(mǎn)足條件[14]：

1） S（A→B）≥min（S）；

2） C（A→B）≥min（C）。

3 實(shí)例分析

收集某變電站220 kV變壓器以及與被測(cè)變壓器運(yùn)行環(huán)境近似的歷史故障數(shù)據(jù)，整理結(jié)果如表3所示，統(tǒng)計(jì)從2002年開(kāi)始，到2013年截止，共12年的故障記錄。

表3 變壓器狀態(tài)樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics sample of transformer

其中以“絕緣受潮”為例，指標(biāo)參量包括H2含量、絕緣電阻吸收比、極化指數(shù)、泄漏電流、絕緣油介損、油中含水量、油擊穿電壓、體積電阻率。絕緣受潮故障發(fā)生次數(shù)為115，對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參量超標(biāo)次數(shù)分別為105，95，101，96，113，105，102，89，在總樣本中超標(biāo)次數(shù)為 453，98，110，330，477，287，227，89。 根據(jù)公式（3）（4）可求出絕緣電阻吸收比支持度和置信度：

同理可以求出極化指數(shù)的支持度和置信度分別為87.83%和91.82%。由此可知當(dāng)這兩項(xiàng)指標(biāo)超出警示值時(shí)，出現(xiàn)絕緣受潮的可信度高，因此可以認(rèn)為這是變壓器最具代表性指標(biāo)；類(lèi)似在其他指標(biāo)中，置信度在多個(gè)故障狀態(tài)中為25%左右，當(dāng)H2含量超出警示值時(shí)，在多個(gè)故障狀態(tài)中都有出現(xiàn)，需要參考其他狀態(tài)指標(biāo)才能對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行判斷，可信度低。因此可以認(rèn)為這不是變壓器最具代表性指標(biāo)。

選擇支持度與置信度的最小閾值分別為：S≥70%及C≥50%，從而可以提取出變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量，最終結(jié)果如表4所示。

表4 變壓器關(guān)鍵指標(biāo)參量Tab.4 Key parameters of transformer

根據(jù)表4得到的變壓器狀態(tài)關(guān)鍵參量，以文獻(xiàn)[15]中1臺(tái)220 kV電力變壓器（SFPS9-150000/220）的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)權(quán)重系數(shù)狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)此次變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，可以得知該變壓器處于異常運(yùn)行狀態(tài)，鐵心故障狀態(tài)得分與其他狀態(tài)相比偏低，可以判斷變壓器鐵心方面出現(xiàn)問(wèn)題，判斷結(jié)果與參考文獻(xiàn)一致，因此驗(yàn)證了該方法的有效性。

4 結(jié)論

1）采取關(guān)聯(lián)規(guī)則把各個(gè)狀態(tài)指標(biāo)參量與故障狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行量化，簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確描述了指標(biāo)參量與故障狀態(tài)之間的聯(lián)系。

2）根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度與置信度對(duì)變壓器狀態(tài)指標(biāo)參量進(jìn)行關(guān)鍵參量提取，從而精簡(jiǎn)了變壓器狀態(tài)指標(biāo)參量，提高了變壓器狀態(tài)評(píng)估效率。

3）通過(guò)對(duì)某變電站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步驗(yàn)證，關(guān)鍵指標(biāo)參量的取舍、實(shí)用性等還需結(jié)合變壓器實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正。

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Research on the Extraction Method of Key Parameters of Transformer Based on Association Rules

Cheng Hongbo1，2，Qiu Dexin2，Wang Xun2，Xin Jianbo1，Zhang Yu1
（1.State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute,Nanchang 330096，China；2.School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

The selection of key parameters among many factors can help improve the accuracy and efficiency of transformer state evaluations.According to the transformer status evaluation,this paper proposed a method for extracting key parameters of transformer based on association rules.Firstly,the basic parameter system of transformers was established based on analyzing the association between the parameters of the transformer status and the fault symptoms.Then,association rules were adopted to quantify the relationship between the fault symptoms and the parameters of transformer status.By computation,support degree and confidence degree of various parameter indexes were obtained to extract key parameters of the transformer status under minimum threshold.Then,the system of key parameters of the transformer status was established.Finally,an example based on statistical components’failure data of the substation was verified,which offered a new method for processing data gained from monitoring transformers.

association rules；key parameters；feature extraction；state evaluation

TM406

A

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

1005-0523（2017）04-0104-06

2017－02－09

江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20161BBH80033）；江西省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目（2016KY36）

程宏波（1979—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣╇娫O(shè)備健康診斷與故障預(yù)警、電網(wǎng)智能控制等。