陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司 劉 凱

0 引言

隨著我國現(xiàn)代電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)已在電力系統(tǒng)中得到大力度應(yīng)用，電力設(shè)備運(yùn)維故障診斷已成為電網(wǎng)運(yùn)行部門的一項(xiàng)重要工作及手段[1]。電力變壓器是變電站中最重要的設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的良好程度直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)判出設(shè)備潛伏性故障是很有必要的。變壓器電氣特性試驗(yàn)、糠醛含量測試以及油中溶解氣體分析(DGA)等多種常規(guī)測試方法為判斷設(shè)備的絕緣狀況提供支撐。其中，油中溶解氣體分析法對反映早期潛伏性故障較為靈敏，所以在1997年頒布的《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中，將其列為對變壓器進(jìn)行調(diào)試時(shí)的首要位置[2]。

本文在分析變壓器故障診斷業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)、方法的基礎(chǔ)上，提出將知識可視化集成技術(shù)應(yīng)用到變壓器故障診斷中，運(yùn)用數(shù)據(jù)集成、組件化和信息可視化等技術(shù)，提取變壓器設(shè)備油中氣體的狀態(tài)量，同時(shí)通過變壓器故障模式、影響及故障原因準(zhǔn)確獲取當(dāng)前變壓器運(yùn)行狀況及后期運(yùn)行趨勢，提高變壓器故障診斷的準(zhǔn)確率。

1 變壓器故障診斷技術(shù)

1.1 變壓器常見故障類型[3]

（1）短路故障

由于變壓器繞組間或內(nèi)部引線對地短路、相間短路及出口短路而導(dǎo)致的變壓器運(yùn)行故障為短路故障特征。根據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，變壓器運(yùn)維過程中出現(xiàn)出口短路故障的情況比較嚴(yán)重，特別需要注意的是：變壓器低壓側(cè)出口短路時(shí)一般需要及時(shí)更換繞組，嚴(yán)重時(shí)還需要更換全部繞組，以免造成不必要的損失。

（2）放電故障

根據(jù)變壓器放電的能量密度大小，將放電故障分為三類：即火花放電、局部放電及高能量放電。放電對變壓器的絕緣有破壞作用，主要有如下兩種原因：第一是因?yàn)榉烹娰|(zhì)點(diǎn)直接對絕緣體進(jìn)行轟擊，使設(shè)備局部絕緣受到破壞并快速擴(kuò)大，從而擊穿絕緣；第二種是因?yàn)榉烹姾螽a(chǎn)生的活性氣體，通過進(jìn)行化學(xué)作用腐蝕局部絕緣體，從而增加介質(zhì)發(fā)熱損耗，導(dǎo)致熱擊穿。

（3）絕緣故障

電力變壓器的絕緣好壞是決定設(shè)備正常運(yùn)行和服役壽命的基本條件，變壓器的絕緣材料主要有油紙或樹脂等。筆者通過多年工作總結(jié)到：大多數(shù)變電站變壓器設(shè)備的故障損壞的主要原因是由于絕緣系統(tǒng)的破壞，加強(qiáng)對變壓器絕緣系統(tǒng)的定期維護(hù)及異常診斷，可以在很大程度上提高設(shè)備的運(yùn)行壽命，而預(yù)判性故障診斷是提高變壓器供電可靠性的重要手段之一。

1.2 變壓器故障特征氣體

變壓器油與油中的固體有機(jī)絕緣材料(油紙或樹脂)在運(yùn)行中會(huì)受到化學(xué)、物理作用進(jìn)而分解、裂變，產(chǎn)生一定量的低分子烴類，從而生成CO、H2和CO2氣體。變壓器油中溶解氣體的成分與含量可以反映變壓器運(yùn)行的絕緣體老化及故障嚴(yán)重程度，進(jìn)而可以根據(jù)各類特征量來判斷變壓器故障的性質(zhì)、嚴(yán)重程度及故障部位[4]。不同類型的氣體組分和含量反映了設(shè)備的故障性質(zhì)，同類性質(zhì)的氣體量隨故障的嚴(yán)重程度而不同。我國現(xiàn)行的《GB/T7252-200：變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中，對變壓器故障類型進(jìn)行了歸納，總結(jié)出變壓器常見故障類型及產(chǎn)生的各類氣體含量，見表1。

表1 變壓器常見故障類型及氣體成分

1.3 變壓器油中氣體故障診斷方法

變壓器油中特征氣體比值法是一種快捷有效的故障診斷方法，可以對設(shè)備故障與否作出初步診斷。但僅僅依賴此方法進(jìn)行故障診斷是不可靠的，通過研究特征氣體相對含量，可以有效地對故障性質(zhì)和部位的診斷。因此，產(chǎn)生了CH4/ H2、C2H2/ C2H4、C2H4/ C2H6、C2H6/ CH4四比值法。由于C2H6/ CH4對設(shè)備故障影響甚小，國際電工委(IEC)推薦采用CH4/ H2、C2H4/ C2H6、C2H2/ C2H4值進(jìn)行常規(guī)變壓器故障診斷。

作為國際電工委員會(huì)和我國國標(biāo)推薦的電力變壓器故障診斷方法。在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意三比值法是用于已經(jīng)識別發(fā)生故障電力變壓器的診斷[5-7]。在應(yīng)用該方法的前導(dǎo)中應(yīng)該有識別出故障電力變壓器。正常運(yùn)行的電力變壓器油中溶解氣體在三比值法中沒有參考意義，狀態(tài)的識別可以避免誤診斷造成的非必要經(jīng)濟(jì)損失。本方法主要參考各氣體組分相互影響構(gòu)成的比值，然后以編碼代替故障類型便于診斷系統(tǒng)輸出結(jié)果。三比值故障診斷編碼見表2，基于三比值的變壓器故障判斷類型見表3。

表2 三比值法故障診斷編碼規(guī)則

表3 變壓器故障類型

2 基于可視化環(huán)境下的變壓器診斷系統(tǒng)搭建

知識可視化技術(shù)[8]是錢學(xué)森首先提出來的，本文在可視化理論技術(shù)基礎(chǔ)上，引入了數(shù)據(jù)整合技術(shù)、組件技術(shù)可視化技術(shù)及綜合集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其在變壓器故障診斷方面應(yīng)用，基于知識可視化技術(shù)的變壓器故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于知識可視化集成技術(shù)的變壓器故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 知識可視化集成關(guān)鍵技術(shù)[9-10]

（1）組件技術(shù)

組件技術(shù)代表了一個(gè)集合、一個(gè)環(huán)境、一個(gè)編程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。具體來講，是要在分布式站點(diǎn)之間建立協(xié)定，促進(jìn)各站點(diǎn)的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)信息的雙向自動(dòng)交流，從而幫助用戶最大限度的獲取數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)信息，并進(jìn)行簡單、高效的業(yè)務(wù)管理。組件技術(shù)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)格技術(shù)，可以將應(yīng)用組件分布式存儲(chǔ)，綜合利用多服務(wù)器端的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)多重任務(wù)的快速處理。

（2）數(shù)據(jù)集成技術(shù)

數(shù)據(jù)集成技術(shù)是一種新型大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要有數(shù)據(jù)的共享、挖掘、學(xué)習(xí)等功能，可以對不同類型的異源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類整合，通過數(shù)據(jù)集成中間件的映射，對外提供統(tǒng)一安全的數(shù)據(jù)訪問接口，通過對不同來源、不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成，可實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)格式的需求。

（3）可視化技術(shù)

可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖像處理和圖形學(xué)技術(shù)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各類個(gè)性化圖形顯示，再進(jìn)行交互處理的理論、方法的技術(shù)。其核心是以一種或多種個(gè)性化圖表的方式對業(yè)務(wù)信息進(jìn)行信息描述、實(shí)現(xiàn)有數(shù)據(jù)—信息—知識的顯性可視化描述。通過知識圖表達(dá)的變壓器故障診斷模型更加公開透明，業(yè)務(wù)任免能夠及時(shí)了解設(shè)備數(shù)據(jù)的變化情況，同時(shí)可視化技術(shù)還可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)移植發(fā)布，有助于故障診斷的學(xué)習(xí)積累、復(fù)用集成等。

2.2 基于知識可視化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)

知識可視化是故障診斷業(yè)務(wù)中人機(jī)交互的紐帶，可視化技術(shù)的應(yīng)用主要是為滿足變壓器故障診斷業(yè)務(wù)的需求，使變壓器故障診斷系統(tǒng)具有一定的快捷性和適應(yīng)性[11]?；诰C合平臺(tái)的變壓器故障診斷系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示，可分為以下幾個(gè)步驟：

（1）建立故障診斷數(shù)據(jù)庫：分析變壓器故障診斷業(yè)務(wù)中各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（2）故障診斷組件開發(fā)：按照故障診斷的流程及方法劃分組件庫，采用Java語言進(jìn)行組件開發(fā)；

（3）Web封裝發(fā)布：采用Web server技術(shù)進(jìn)行組件封裝發(fā)布，形成變壓器故障診斷方法組件庫；

（4）診斷系統(tǒng)可視化：在集成環(huán)境下，繪制變壓器故障診斷系統(tǒng)知識主界面，添加相關(guān)故障診斷業(yè)務(wù)組件，而實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷系統(tǒng)的可視化。

圖2 變壓器故障診斷系統(tǒng)開發(fā)流程

2.3 基于知識可視化技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)勢

變壓器故障診斷系統(tǒng)是以知識可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，建立變壓器故障診斷數(shù)據(jù)庫，為故障診斷業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持，搭建可視化知識系統(tǒng)主界面，根據(jù)變壓器的各類特征氣體含量及各模塊間相互邏輯關(guān)系，概化、繪制故障診斷流程知識圖，定制相關(guān)變壓器故障診斷計(jì)算組件，完成故障診斷計(jì)算、建模及結(jié)果分析，從而實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷系統(tǒng)可視化，這種系統(tǒng)應(yīng)用具有如下優(yōu)勢：（1）快速搭建可視化系統(tǒng)；（2）具備一定的移植擴(kuò)展復(fù)制行；（3）能夠集成其他業(yè)務(wù)；（4）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)間及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的共享；（5）故障診斷的細(xì)節(jié)公開透明；（6）模塊化應(yīng)用。

3 應(yīng)用實(shí)例

針對傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)存在的可重用行和可擴(kuò)展性差，且難以維護(hù)、移植等缺陷，本文提出“一臺(tái)三庫”模式故障診斷系統(tǒng)開發(fā)的，即集成平臺(tái)+故障類型組件庫+設(shè)備診斷知識圖庫+變壓器故障診斷主題庫。以引漢濟(jì)渭工程某變電站為對象進(jìn)行應(yīng)用，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 變壓器故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用主界面

4 結(jié)語

本文從變壓器故障診斷的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，首先分析了變壓器故障類型及故障過程中氣體變化情況，對傳統(tǒng)的判斷變壓器是否故障的主要方法進(jìn)行了總結(jié)分析，以三比值氣體故障診斷為對象，列舉了故障診斷的局限性和使用的注意事項(xiàng)。針對變壓器故障診斷系統(tǒng)手段缺乏、故障診斷工具落后的問題，提出了一種新的基于知識可視化技術(shù)的變壓器故障診斷系統(tǒng)開發(fā)模式，使變壓器故障診斷系統(tǒng)具有移植擴(kuò)展等優(yōu)勢，為變壓器故障診斷系統(tǒng)擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

在此基礎(chǔ)上，以引漢濟(jì)渭工程某變電站變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)為對象，采用本文所建立的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行變壓器運(yùn)維故障診斷，使理論與實(shí)際應(yīng)用想結(jié)合。應(yīng)用結(jié)果表明，本文提出的變壓器故障診斷系統(tǒng)開發(fā)模式能夠使故障診斷工作更貼近實(shí)際，使故障診斷的結(jié)果更真實(shí)可靠，對變壓器安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

引文

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