鄭朝暉，徐 偉，呂鴻賓，張 登

(1.瀘州電業(yè)局，四川瀘州 646000;2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北武漢 430074)

0 引言

隨著中國電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的日益增大以及復(fù)雜程度的日益提高，電網(wǎng)運(yùn)行可靠性與安全性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的計(jì)劃檢修模式因?yàn)榇嬖凇皺z修過剩”和“檢修不足”的問題，經(jīng)常造成變壓器盲目檢修，增加了產(chǎn)生新隱患的概率，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代變壓器在安全性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性上的要求。

狀態(tài)檢修是以設(shè)備的當(dāng)前實(shí)際工作狀況為依據(jù)，通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測手段、可靠的評(píng)價(jià)手段和準(zhǔn)確的壽命預(yù)測手段來判斷設(shè)備的狀態(tài)。在當(dāng)前電力企業(yè)市場化的環(huán)境下，狀態(tài)檢修取代傳統(tǒng)檢修方式是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。狀態(tài)檢修提出“該修必修，修必修好”的檢修形式，能夠節(jié)省檢修工作中的大量人力物力財(cái)力，大大提高變壓器的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，因此狀態(tài)檢修在變壓器的檢修中得到了越來越廣泛的應(yīng)用與推廣。

科學(xué)合理的狀態(tài)評(píng)估作為實(shí)現(xiàn)變壓器狀態(tài)檢修的重要前提之一，也受到越來越多的重視，準(zhǔn)確的狀態(tài)評(píng)估對(duì)指導(dǎo)變壓器的檢修工作、降低變壓器維修費(fèi)用以及提高變壓器運(yùn)行可靠性都具有十分重要的意義。資料表明，對(duì)電力變壓器等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施狀態(tài)評(píng)估，可使每年的維修費(fèi)用減少25% ～50%，故障停電時(shí)間減少75%［1］。

1 變壓器狀態(tài)評(píng)估現(xiàn)狀

1.1 狀態(tài)評(píng)估現(xiàn)狀

對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估即結(jié)合某臺(tái)變壓器的出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)、交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷年預(yù)試數(shù)據(jù)、歷年在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一定的方法(人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等)對(duì)這些數(shù)據(jù)以及它們的變化趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)地分析，并同時(shí)考慮變壓器的家族缺陷數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)等非試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，來綜合判斷變壓器的整體運(yùn)行狀態(tài)情況。變壓器狀態(tài)評(píng)估流程如圖1所示。

隨著狀態(tài)檢修制度的推進(jìn)與在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，變壓器的狀態(tài)評(píng)估已經(jīng)具備了較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究工作。目前針對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估方法主要分以下為3類。

圖1 變壓器狀態(tài)評(píng)估流程

(1)評(píng)分法。這種方法是按照一定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)變壓器的不同狀態(tài)參量數(shù)值變化，對(duì)變壓器進(jìn)行打分或者扣分，分值的大小即決定變壓器處于何種運(yùn)行狀態(tài)。中國國家電網(wǎng)公司組織編制的《油浸式變壓器(電抗器)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》即是采用這種狀態(tài)評(píng)分的解決方案［2］。另外還有加拿大Powertech Labs公司開發(fā)了一套軟件，程序根據(jù)各測試項(xiàng)的測試值、運(yùn)行歷史和壽命等自動(dòng)計(jì)算出設(shè)備的健康指標(biāo)，從而確定變壓器的狀態(tài)等級(jí)［3］。這種采用評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的方法來判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的可操作性與狀態(tài)量全面等特點(diǎn)，對(duì)狀態(tài)檢修工作具有一定的指導(dǎo)作用。然而，其判據(jù)及閾值的選定缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，因此這種方法在實(shí)際中的應(yīng)用還有待考察。

(2)部分特征判別法。這種方法是根據(jù)變壓器的某一部分故障特征表現(xiàn)來判斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，印尼國家電力公司提出的基于熱應(yīng)力的變壓器狀態(tài)評(píng)估方法就屬此類［4］。他們將變壓器狀態(tài)分為好、良好和差三個(gè)等級(jí)，采用頂層油溫、負(fù)荷比、熱點(diǎn)溫度、油界面張力、產(chǎn)氣量以及產(chǎn)氣率等參數(shù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。其中各參量所決定的狀態(tài)等級(jí)根據(jù)絕緣介質(zhì)承受應(yīng)力的極限以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取。這種方法僅考慮某一部分與變壓器運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系十分密切的特征量，因此其并不能全面反映變壓器的整體狀態(tài)。

(3)基于信息處理技術(shù)的評(píng)估方法。這類方法主要是針對(duì)變壓器狀態(tài)信息種類繁多與數(shù)量龐大的特點(diǎn)，采用合適的信息處理技術(shù)來判斷變壓器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。近年來國內(nèi)外對(duì)于變壓器狀態(tài)評(píng)估的研究重點(diǎn)也集中在本類方法的應(yīng)用，如基于模糊理論的評(píng)估方法［5］、基于證據(jù)推理的評(píng)估方法［6－7］、基于灰靶理論的評(píng)估方法［8］、基于支持向量機(jī)的評(píng)估方法［9］、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估方法［10］、基于可拓分析的評(píng)估方法［11］等。

1.2 典型狀態(tài)評(píng)估方法

1.2.1 基于模糊理論的評(píng)估方法

基于模糊理論的評(píng)估方法也有很多種，如變權(quán)模糊綜合評(píng)判法［12］、模糊層次分析法［13－14］等。這類方法主要針對(duì)變壓器狀態(tài)信息不確定性或模糊性的特點(diǎn)，引進(jìn)模糊理論的知識(shí)，提出基于模糊綜合評(píng)判的變壓器狀態(tài)評(píng)估的方法，建立變壓器狀態(tài)綜合評(píng)判模型。它的引入打破了以往變壓器評(píng)估工作中簡單地變壓器狀態(tài)進(jìn)行合格還是不合格的劃分，從而達(dá)到了評(píng)估變壓器這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)精確性和有意義性的相對(duì)統(tǒng)一。基于模糊理論的評(píng)估方法的重點(diǎn)在于權(quán)重集、評(píng)判集與隸屬函數(shù)的確定，而模糊理論并沒有明確的權(quán)重確定方法，因此經(jīng)常結(jié)合其他方法一起使用來評(píng)估變壓器的狀態(tài)。

1.2.2 基于證據(jù)推理的評(píng)估方法

證據(jù)推理又稱為D－S證據(jù)理論［15］，是一種不確定性推理方法，可根據(jù)D－S融合規(guī)則，依靠證據(jù)的積累，不斷地縮小假設(shè)集，有效地融合不同的信息，具有較強(qiáng)的決策處理能力。證據(jù)推理理論可應(yīng)用于多種設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估或故障診斷領(lǐng)域［16］，其在信息融合處理方面具有明顯的優(yōu)越性，而不足之處在于當(dāng)證據(jù)沖突嚴(yán)重的情況下，基于D－S證據(jù)理論推導(dǎo)的結(jié)果往往與實(shí)際情況不符。據(jù)此，文獻(xiàn)［17］提出了一種改進(jìn)的證據(jù)推理方法來對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，解決了證據(jù)出現(xiàn)沖突所帶來的問題。

1.2.3 基于支持向量機(jī)的評(píng)估方法

支持向量機(jī)［18－19］是數(shù)據(jù)挖掘中的一項(xiàng)新技術(shù)，其在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)，并能夠推廣應(yīng)用到函數(shù)擬合等其他機(jī)器學(xué)習(xí)問題中?；谥С窒蛄炕貧w的變壓器狀態(tài)評(píng)估就是將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為支持向量機(jī)的輸入樣本，將支持向量機(jī)的實(shí)際評(píng)估結(jié)果作為輸出，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)通過學(xué)習(xí)和測試使不同的輸入向量得到相應(yīng)的輸出值，這樣通過一定的樣本就可以訓(xùn)練這個(gè)系統(tǒng)，就將各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中(權(quán)重是隱含在訓(xùn)練模型中)，實(shí)現(xiàn)非線性回歸［20－21］。為了解決支持向量機(jī)不能用于多類問題的缺陷，文獻(xiàn)［22］提出了基于多分類支持向量機(jī)的變壓器狀態(tài)評(píng)估方法，在傳統(tǒng)支持向量機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)。

1.2.4 基于可拓分析的評(píng)估方法

物元分析由中國學(xué)者蔡文于1983年提出，結(jié)合可拓集合的基本思想，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)可以取負(fù)值的特點(diǎn)，使得根據(jù)事物的特征量值判斷事物屬于某集合的程度更加全面和精細(xì)化［23］。文獻(xiàn)［11］對(duì)可拓分析在變壓器狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，證明了可拓分析用于變壓器狀態(tài)評(píng)估的可行性;文獻(xiàn)［24］在可拓分析的基礎(chǔ)上，提出了基于多級(jí)可拓理論的變壓器狀態(tài)評(píng)估方法，能有效解決二級(jí)甚至多級(jí)評(píng)價(jià)問題，其應(yīng)用范圍更廣。

2 目前存在的問題

盡管近年來變壓器及其他電氣設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估工作受到越來越多的重視，但由于在技術(shù)條件等方面存在相當(dāng)大的局限性，狀態(tài)評(píng)估仍然大多處于學(xué)術(shù)研究階段，能夠應(yīng)用于實(shí)際的很少。目前變壓器狀態(tài)評(píng)估工作存在的問題主要有如下幾個(gè)方面。

(1)變壓器在線監(jiān)測技術(shù)水平處于起步階段，無法為狀態(tài)評(píng)估工作提供準(zhǔn)確可靠的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前變壓器在線監(jiān)測方面的研究有很多，如局部放電、介質(zhì)損耗因數(shù)、油中溶解氣體(DGA)、泄漏電流等等，但除了油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)較成熟，能夠?yàn)闄z修工作提供一定的指導(dǎo)之外，其他在線監(jiān)測技術(shù)都還在研究與待驗(yàn)證之中，沒有發(fā)展到能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的階段。沒有準(zhǔn)確的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，使得變壓器的狀態(tài)評(píng)估工作產(chǎn)生了相當(dāng)大的局限性。

(2)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法落后，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘工作形成了一定的制約性。多年以來，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用尚未普及，電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)都是采用紙質(zhì)文件記錄，這極易導(dǎo)致相當(dāng)一部分的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至丟失的情況。而近年來雖然逐步開始采用計(jì)算機(jī)管理數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場的數(shù)據(jù)一般還是靠工作人員手寫輸入到紙質(zhì)文件，然后再錄入計(jì)算機(jī)，因此數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失的情況雖然有了一定的改善，但仍然存在較多的問題。數(shù)據(jù)的不完整性直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)挖掘工作的開展受到了極大的限制，甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)論，這對(duì)變壓器的狀態(tài)評(píng)估工作也產(chǎn)生了不利的影響。

(3)數(shù)據(jù)挖掘與人工智能技術(shù)在電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展還不成熟。目前變壓器的狀態(tài)評(píng)估主要還是依靠單一狀態(tài)量的測量結(jié)果來確定，常常會(huì)導(dǎo)致故障錯(cuò)判或漏判的情況，而要綜合大量離線數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)、家族缺陷數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)等來對(duì)變壓器進(jìn)行整體評(píng)估，就必須要用到數(shù)據(jù)挖掘或人工智能技術(shù)，因此近年來數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)在變壓器狀態(tài)評(píng)估方面的應(yīng)用研究發(fā)展的很快，但由于研究的時(shí)間不長，也沒有經(jīng)過實(shí)際的檢驗(yàn)，還需要進(jìn)一步的討論與驗(yàn)證。

3 今后發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)變壓器狀態(tài)評(píng)估的現(xiàn)狀與存在的問題，可以預(yù)測其在今后的發(fā)展方向應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)變壓器故障機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究。變壓器發(fā)生某種故障往往是有多種誘因的，只有對(duì)這些故障誘因的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，才能了解清楚變壓器各種故障是如何發(fā)生以及各種故障之間的相互聯(lián)系，才能為在線監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

(2)繼續(xù)致力于變壓器在線監(jiān)測技術(shù)水平的提高。先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，也是變壓器準(zhǔn)確進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的前提，只有在具有準(zhǔn)確可靠的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，變壓器的狀態(tài)評(píng)估工作才能夠在狀態(tài)檢修中體現(xiàn)出它的重要意義。因此，當(dāng)前應(yīng)大力發(fā)展更多種類更先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)，為狀態(tài)評(píng)估的發(fā)展提供所需的技術(shù)條件。

(3)在電力系統(tǒng)中提倡數(shù)據(jù)管理規(guī)范化，防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失的發(fā)生。目前國家電網(wǎng)公司正在推廣的sg186生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能夠有效匯集下屬各子公司的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，但由于其故障記錄與下屬員工績效評(píng)分掛鉤，必然會(huì)導(dǎo)致許多子公司瞞報(bào)故障，這人為造成了數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生，給數(shù)據(jù)挖掘工作增加了不小的難度，需要對(duì)此管理辦法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。另外現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)可發(fā)展平板電腦或PDA等便攜系統(tǒng)的應(yīng)用來防止數(shù)據(jù)丟失或二次錄入的錯(cuò)誤。

(4)數(shù)據(jù)挖掘與人工智能技術(shù)需大力發(fā)展并在生產(chǎn)實(shí)際中得到檢驗(yàn)。由于變壓器具有大量并且復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息，要通過提取有用的數(shù)據(jù)信息來對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，有效的數(shù)據(jù)挖掘或人工智能技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的。在研究相對(duì)成熟的條件下，將之應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際以得到驗(yàn)證也是其中重要的一個(gè)步驟。

4 結(jié)語

近年來，變壓器的狀態(tài)評(píng)估已經(jīng)得到了電力行業(yè)各相關(guān)部門的高度重視，其在狀態(tài)檢修中所起到的作用也是眾所周知的。在變壓器狀態(tài)評(píng)估技術(shù)上進(jìn)行細(xì)致深入的研究，不僅對(duì)變壓器在電網(wǎng)中安全運(yùn)行具有重大的意義，也在學(xué)術(shù)界具有重要的科研價(jià)值，同時(shí)也具有廣闊的市場前景。雖然目前變壓器的狀態(tài)評(píng)估工作還不完善，不能滿足電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的要求，但只要假以時(shí)日，學(xué)者們?cè)谧儔浩鞴收蠙C(jī)理、在線監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)等方向上不斷地深入探索，必將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器準(zhǔn)確可靠的狀態(tài)評(píng)估，為電力系統(tǒng)從計(jì)劃檢修過渡到狀態(tài)檢修奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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