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        淺談專家系統(tǒng)在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2013-12-10 11:20:16魏麗峰張志東楊亞奇
        山西電力 2013年1期
        關(guān)鍵詞:銘牌干式鐵芯

        魏麗峰,張志東,楊亞奇

        (1.山西省電力公司檢修公司變電檢修中心,山西 太原 030032;2.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012)

        0 引言

        干式變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)異?,F(xiàn)象將對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅。如何提高干式變壓器運(yùn)行的可靠性,是現(xiàn)今電力行業(yè)研究的重要課題之一。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握干式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài),對于確保電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)許多單位正積極地開展變壓器的在線監(jiān)測和故障診斷。故障診斷與專家系統(tǒng)相結(jié)合,可以提高故障診斷的效率,是現(xiàn)今研究電力設(shè)備故障診斷的熱點(diǎn)[1]。本文著重淺述專家系統(tǒng)及其在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用。

        1 專家系統(tǒng)

        故障診斷專家系統(tǒng)是基于在線監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上,將專家系統(tǒng)應(yīng)用到故障診斷中。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),專家系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)中的各種可測的和不可測的參量所表現(xiàn)出的異于常態(tài)的特性,利用領(lǐng)域知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)找出故障的特征描述并進(jìn)行故障的檢測與隔離。目前,故障診斷專家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、化工、船舶、軍事等領(lǐng)域[2]。

        1.1 專家系統(tǒng)的基本組成

        一個(gè)以規(guī)則為基礎(chǔ),以問題求解為中心的專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫、解釋接口和知識(shí)獲取等五部分組成[3],其系統(tǒng)流程如圖1所示。

        圖1 專家系統(tǒng)流程框圖

        知識(shí)庫用于存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)、一般常識(shí)等。推理機(jī)是用于求解問題的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),即專家系統(tǒng)的“思維”機(jī)構(gòu)。綜合數(shù)據(jù)庫用于存放推理的初始證據(jù)、中間結(jié)果及最終結(jié)果等。解釋接口把用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式,再把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式,并能做出解釋。知識(shí)獲取將某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的事實(shí)性知識(shí)和領(lǐng)域?qū)<宜赜械慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序。

        1.2 專家系統(tǒng)的診斷機(jī)理

        專家系統(tǒng)的診斷過程是模式識(shí)別的過程,經(jīng)歷如下三個(gè)階段[4]。

        a)確定監(jiān)測內(nèi)容,提取系統(tǒng)狀態(tài)的特征信號(hào)。這些特征信號(hào)包括:系統(tǒng)工作時(shí)的約束條件及應(yīng)滿足的技術(shù)規(guī)定,這是系統(tǒng)主要的監(jiān)測內(nèi)容與診斷信息;系統(tǒng)的功能信息,主要反映系統(tǒng)的工況;系統(tǒng)工作的歷史信息,主要反映系統(tǒng)狀態(tài)參量的變化。

        b)從所檢測到的特征信號(hào)中提取征兆。通過對信號(hào)的分析確定各信息對應(yīng)的狀態(tài),作為故障診斷的依據(jù)。

        c)根據(jù)征兆或有關(guān)參數(shù)的變化趨勢做出某些故障的預(yù)測和診斷。

        2 專家系統(tǒng)在干式變壓器故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

        對干式變壓器的故障診斷,應(yīng)對干式變壓器的狀態(tài)參量進(jìn)行在線監(jiān)測,然后通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其故障識(shí)別,做出故障診斷。本系統(tǒng)利用傳感器獲取的三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組溫度、鐵芯溫度和接地電流等信號(hào)經(jīng)雙屏蔽電纜傳輸至調(diào)理單元,選通放大后由數(shù)字采集單元完成數(shù)據(jù)采集,通過軟件對信號(hào)進(jìn)行分析處理與存儲(chǔ),并生成各類譜圖、報(bào)表、發(fā)展趨勢圖等。

        2.1 干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)的基本功能

        干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)的基本功能如下。

        a)診斷變壓器是否存在故障。系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)入自動(dòng)診斷狀態(tài),定期對設(shè)備狀態(tài)做出評價(jià),確定是否存在故障。該系統(tǒng)以干式變壓器三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組和鐵芯溫度、鐵芯泄漏電流數(shù)值及其變化分析為主,判斷是否存在內(nèi)部故障。

        b)推斷故障發(fā)生的部位及原因。當(dāng)懷疑設(shè)備存在內(nèi)部故障時(shí),系統(tǒng)提示用戶輸入設(shè)備的其他試驗(yàn)數(shù)據(jù),以進(jìn)一步證實(shí)故障,確定故障原因及部位等。當(dāng)用戶未知或無法取得某項(xiàng)參數(shù)時(shí),系統(tǒng)可根據(jù)其他已知信息推斷。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都不知道時(shí),則系統(tǒng)輸出幾種可能的部位、原因及其經(jīng)驗(yàn)性概率。例如,若變壓器內(nèi)部過熱,且其他電氣結(jié)果未知,則故障部位為分接開關(guān)0.6,磁路0.3,線圈0.1。

        c)提出故障處理意見,例如立即停運(yùn)檢修、加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測或正常運(yùn)行等。

        2.2 干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

        干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括以下幾部分。

        數(shù)據(jù)庫由干式變壓器的銘牌數(shù)據(jù)庫和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫兩部分組成。

        a)銘牌數(shù)據(jù)庫。銘牌數(shù)據(jù)庫包含系統(tǒng)內(nèi)35 kV及以上電壓等級(jí)被監(jiān)測變壓器的全部銘牌參數(shù)。當(dāng)新增需要監(jiān)測的變壓器要采用此銘牌庫時(shí),僅需把各自變壓器的銘牌參數(shù)像填表一樣輸入即可。某臺(tái)35 kV無勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器銘牌數(shù)據(jù)庫如表1所示。

        表1 35 kV無勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器銘牌數(shù)據(jù)庫

        b)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫包括:變壓器代碼庫,繞組聯(lián)結(jié)組別標(biāo)號(hào)校核數(shù)據(jù)庫,三相運(yùn)行電壓,三相運(yùn)行電流,三相繞組溫度,鐵芯溫度,接地電流,絕緣電阻,電壓比及變比誤差,直流電阻,泄漏電流,交流耐壓,局部放電等。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫可以完成數(shù)據(jù)的輸入、刪除、查詢及修改。試驗(yàn)數(shù)據(jù)都與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,判斷是否合格。如有某一項(xiàng)不合格,就進(jìn)入缺陷庫,以備查詢。

        c)知識(shí)庫。知識(shí)庫由事實(shí)庫和規(guī)則庫組成,它集中了干式變壓器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及導(dǎo)則的規(guī)定,并收集了國內(nèi)許多專家分析判斷干式變壓器故障的權(quán)威經(jīng)驗(yàn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及導(dǎo)則中有關(guān)部分的變化,經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和增加,知識(shí)庫可以隨時(shí)擴(kuò)大、修改、更新。

        知識(shí)庫由三相運(yùn)行電壓、三相運(yùn)行電流、三相繞組溫度、鐵芯溫度、接地電流等子庫組成,考慮了干式變壓器的幾乎全部可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的項(xiàng)目及數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值。

        d)推理機(jī)。推理機(jī)是實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障微機(jī)診斷的關(guān)鍵部分。專家系統(tǒng)能否得出正確的結(jié)論,取決于推理關(guān)系的準(zhǔn)確性。干式變壓器的故障診斷的全過程,都是在推理機(jī)的關(guān)聯(lián)庫的引導(dǎo)下完成的。

        專家系統(tǒng)以干式變壓器常見的幾類故障為分析判斷的對象,先列出進(jìn)行診斷的推理邏輯關(guān)系,然后編制程序,形成推理關(guān)聯(lián)庫,實(shí)現(xiàn)干式變壓器故障的微機(jī)診斷。專家系統(tǒng)的幾類關(guān)聯(lián)庫為:三相運(yùn)行電壓超標(biāo)或變化率超標(biāo),三相運(yùn)行電流超標(biāo)或變化率超標(biāo),三相繞組溫度異常,鐵芯溫度異常,鐵芯接地電流超標(biāo)等。

        根據(jù)干式變壓器故障性質(zhì)的特點(diǎn),利用專家系統(tǒng)進(jìn)行推理。例如,某臺(tái)35 kV干式變壓器鐵芯溫度高于200℃,那么故障的原因可能是:負(fù)載太重,某相繞組內(nèi)部短路,鐵芯多點(diǎn)接地,鐵芯片間短路或異物短路,高壓端進(jìn)線短路等。其規(guī)則表達(dá)式如下。

        IF鐵芯溫度高于200℃

        THEN負(fù)載太重OR某相繞組內(nèi)部短路OR鐵芯多點(diǎn)接地OR鐵芯片間短路或異物短路OR高壓端進(jìn)線短路

        通過專家系統(tǒng)對鐵芯接地電流監(jiān)測發(fā)現(xiàn),該干式變壓器鐵芯接地電流為數(shù)值大于規(guī)程規(guī)定(見表2、表3、表4)。

        表2 35 kV無勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

        表3 35 kV無勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器直流電阻數(shù)據(jù)mΩ

        表4 35 kV無勵(lì)磁調(diào)壓干式變壓器實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)mA

        然后根據(jù)這些可能的故障原因,借助其他特征量信息、歷史數(shù)據(jù)、規(guī)章指標(biāo)等利用信息融合技術(shù)逐步核實(shí),確定在鐵芯接地處可能存在的缺陷。

        e)解釋器。專家系統(tǒng)對全部幾大類推理規(guī)則和幾類知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋說明。推理規(guī)則的解釋主要以框圖的形式給出,知識(shí)部分的解釋主要以表格數(shù)據(jù)和文字的形式給出,并且用戶可以進(jìn)行修改和編輯??衫肔abview軟件編寫的干式變壓器故障診斷系統(tǒng)界面說明。

        3 結(jié)束語

        故障診斷專家系統(tǒng)是在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向,對干式變壓器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析判斷可以實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)變化,對設(shè)備發(fā)生故障及時(shí)報(bào)警并提供可靠的參數(shù)分析。采用專家系統(tǒng)對干式變壓器進(jìn)行故障診斷是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題。本文構(gòu)造了干式變壓器故障診斷專家系統(tǒng)的基本模型,為干式變壓器的智能化診斷奠定了一定的基礎(chǔ)。專家系統(tǒng)的開發(fā)需要不斷改進(jìn):首先,要有完善的知識(shí)庫,這需要大量專家知識(shí)、運(yùn)行維修經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障剖析的積累;其次,依賴于診斷技術(shù)的發(fā)展,如模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能理論。

        [1] 曾小超.電力變壓器運(yùn)行與故障診斷專家系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1994,3(5):14-16.

        [2] 謝峰.電力變壓器故障診斷專家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及開發(fā)前景[J].山東電力技術(shù),1998,4(6):25-28.

        [3] 張全壽,周建峰.專家系統(tǒng)建造原理及方法[M].北京:中國鐵道出版社,1992:7-10.

        [4] 關(guān)惠玲.設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)原理及實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:122-130.

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