王淼

（中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110179）

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷研究在20世紀(jì)80年代中后期快速發(fā)展。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開辟了一種研究方法。PNN絡(luò)在Bayes分類規(guī)則與Parzen窗的概率密度函數(shù)（Spread）的基礎(chǔ)上演化而來的算法，用線性算法解決非線性算法。PNN不用任何的訓(xùn)練，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目的。油中氣體溶解分析法診斷的效率非常高。PNN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練簡單簡潔，將故障樣本映射到模式空間上。通過PNN的非線性能力，形成一個強(qiáng)大的故障診斷系統(tǒng)，準(zhǔn)確率提高。

1 變壓器的故障診斷

（1）變壓器的故障診斷概述。變壓器是電力系統(tǒng)中重要的且價格高的裝置，如果變壓器發(fā)生故障，將會造成電力系統(tǒng)斷電，維修費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)損失比較嚴(yán)重，所以，用質(zhì)量高的變壓器以及掌握一定的變壓器故障診斷技術(shù)，在電網(wǎng)運(yùn)行中尤為重要。常見的故障主要有以下幾種：繞組故障、鐵芯故障、主絕緣故障、引線故障、分接故障、套管故障。

（2）變壓器故障診斷的基本方法。①直觀檢查法。通過平時的檢測，對變壓器的異?，F(xiàn)象進(jìn)行直觀的判斷（如表1）。②電氣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)法。在電氣預(yù)防實(shí)驗(yàn)時，要想準(zhǔn)確的診斷故障發(fā)生的位置，需要參考的因素較多。例如可以通過測直流電阻、絕緣性、有載調(diào)壓開關(guān)、鐵芯接地電流和遠(yuǎn)紅外線等。

表1 直觀現(xiàn)象判斷故障類型法

（3）油中溶解氣體分析法。比如說根據(jù)特征氣體判斷故障類型（如表2）。

表2 依據(jù)特征氣體的特點(diǎn)判斷故障類型

2 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法

基于PNN的故障診斷問題可以描述為：假設(shè)X=（x1，x2， …，xn)是判斷的故障特征樣本。若 hAlAfA(X)hBlBfB(X)，則 X∈θB，其中，hA和hB分別是故障模式θA、θB的先驗(yàn)概率（hA=NA/N，hB=NB/N）；NA、NB為故障模式的θA、θB的訓(xùn)練樣本數(shù)，N為訓(xùn)練樣本總數(shù)；lA、lB分別是將本屬于θA、θB的故障特征樣本X錯誤地分別劃分到模式θB、θA的代價因子；fA、fB分別是故障模式θA、θB的概率密度函數(shù)（Probability Density Function），PDF必須根據(jù)現(xiàn)有的故障特征樣本來求它的統(tǒng)計(jì)值。由Parzen方法得到的PDF估計(jì)式見公式（1）。

Xai是故障模式θA的第i個訓(xùn)練向量；m為故障模式θA的訓(xùn)練樣本數(shù)目；δ為平滑參數(shù)，其值確定了以樣本點(diǎn)為中心的鐘狀曲線的寬度。PNN的創(chuàng)建函數(shù)newpnn，該函數(shù)用于創(chuàng)建PNN網(wǎng)絡(luò)，PNN網(wǎng)絡(luò)是一種適用于分類問題的徑向基網(wǎng)絡(luò)，其調(diào)用格式見公式（2）。

3 基于PNN的變壓器故障診斷建模

PNN模型構(gòu)建。一般的故障診斷系統(tǒng)大多采用BP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，BP算法速度比較慢，沒有準(zhǔn)確的隱藏層單元，部分值極易出現(xiàn)最優(yōu)值，不能完全地表明故障類型的特點(diǎn)。如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，BP網(wǎng)絡(luò)需要重新輸入所有的數(shù)值，操作比較麻煩。在建模的過程中，特長樣本參數(shù)的選擇將會直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需求在PNN建模中選擇科學(xué)、合理的故障特征樣本參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在油中溶解氣體分析的方法是一種比較科學(xué)的方法，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)要求。而且在判斷故障時運(yùn)用到了改良三比值法，進(jìn)一步增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造了PNN網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1）。

圖1 PNN網(wǎng)絡(luò)模型

4 基于PNN的故障診斷研究

變壓器故障診斷常用的方法有絕緣實(shí)驗(yàn)、局部放電實(shí)驗(yàn)、絕緣油電氣實(shí)驗(yàn)、油中溶解氣體分析（簡稱DCA、工程也被稱為色譜分析）以及其它各種常用的診斷技術(shù)方法。其中以油中溶解氣體分析最為使用常的故障診斷技術(shù)手段。根據(jù)我國有關(guān)人員的統(tǒng)計(jì)，我國有50%的變壓器故障都是通過油中溶解方法檢測出的。油中氣體溶解分析法的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行檢測工程中不需要停止工作。故障的嚴(yán)重程度根據(jù)油中甲烷（C2H6）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）以及一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氫氣（H2）七種氣體的量確定。目前我國的440 kV以上的大型變壓器，一般都采用油來進(jìn)行絕緣和散熱。而變壓器的過熱和各種故障都會有利于氣體的產(chǎn)生，就能定期的對變壓器進(jìn)行檢測，也不影響設(shè)備工作，同時可以及早的發(fā)現(xiàn)故障的存在，并給于及時的處理。相關(guān)理論，各種氣體隨著溫度升高的最大析出率依次為H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。后來Rogers 就選擇五種特征氣體的四類比值CH4/H2，C2H6/CH4，C2H4/C2H6和 C2H2/C2H4對其進(jìn)行故障診斷判別。目前，三比值法已經(jīng)普遍被認(rèn)為是最優(yōu)的診斷技術(shù)。

大量實(shí)例及分析表明，三比值由于其原理的特點(diǎn)，也是存在這許多的不足之處。

（1）實(shí)際變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工作環(huán)境惡劣，所獲得的信息大多都不會出現(xiàn)在表1范圍內(nèi)，所以就會無法進(jìn)行故障診斷。

（2）三比值法是在油中氣體各組分過高或超過一定的限制值，而且還要在進(jìn)行綜合性的分析和處理判斷其是處于異常狀態(tài)下，才能進(jìn)行判斷其是屬于那類故障。而對正常狀態(tài)分析是沒有實(shí)際的意義，且如果在事先沒有進(jìn)行正常與異常的判斷就對其進(jìn)行三比值分析，是很容易誤判斷的。

（3）如果出現(xiàn)在編碼邊界模糊區(qū)的故障，就會有很高的幾率誤判斷。

（4）對于故障為正常的絕緣老化過程，其產(chǎn)生的CO和CO2含量會明顯上升，這就需要對表2進(jìn)行編碼擴(kuò)充，利用CO2/CO比值進(jìn)行故障診斷。

（5）依據(jù)故障的性質(zhì)對故障分類本事就存在這模糊性，這就是三比值診斷技術(shù)很難準(zhǔn)確的診斷。總之，三比值目前已經(jīng)被利用到很多的場合進(jìn)行故障診斷，但是由于其依據(jù)的原理本事就擁有模糊性，而且故障特征與編碼節(jié)也存在著過渡階段，三比值法只是建立在典型的故障診斷技術(shù)上，對于綜合性的故障是無法精確的診斷。所以三比值法還是需要不斷地改善，通過積累更多的專家經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)步的完善，使其能更準(zhǔn)確診斷所有的故障類型。

5 結(jié)語

變壓器是國家電網(wǎng)不可缺少的組成部分。各種部件價格比較昂貴，某個過程出現(xiàn)故障，對電網(wǎng)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。本文對基于PNN的變壓器故障診斷進(jìn)行了研究。但是要實(shí)現(xiàn)在線的故障診斷，面臨著以下的問題。

（1）變壓器油中氣體的數(shù)據(jù)的采集的準(zhǔn)確性。

（2）數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換過程的簡潔性。

（3）提高故障樣本的質(zhì)量。因此對變壓器故障診斷還有大的研究空間。