高 偉，呂艷霞，闞東微，郝艷軍

（1.國網(wǎng)鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗 154100；2.北京中電南瑞科技有限公司，北京 100160）

變壓器是電網(wǎng)中的重要樞紐設備，也是電網(wǎng)一次負荷可靠協(xié)調(diào)運行所需的重要設備[1]。在電力系統(tǒng)中，變壓器故障可能會引起嚴重的電力事故。長期以來，電力公司對變壓器仍然采取“定期檢修為主，狀態(tài)檢修為輔”的維修策略。隨著電網(wǎng)覆蓋面的逐漸擴大及社會用電需求的提高，變壓器在線維修是設備維修方式發(fā)展的必然趨勢[2]。加強電壓器運行管理和技術管理，減少變壓器故障的發(fā)生是現(xiàn)階段電力公司的核心管理方向之一，也是對變壓器現(xiàn)場運行管理和人員技能培訓的目標[3]。

變壓器傳輸功率大、結構復雜，隱患缺陷可導致變壓器在不同位置失效，不同運行環(huán)境對變壓器工作狀態(tài)的影響也不盡相同。另外，在變壓器發(fā)生故障時，不僅故障癥狀狀態(tài)發(fā)生了變化，同時還出現(xiàn)了多種故障類型缺陷，使得故障癥狀與故障類型呈現(xiàn)出復雜的交叉映射關系[4-5]。

隨著變壓器故障診斷與狀態(tài)評估技術的發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。大規(guī)模云傳輸技術的發(fā)展為變壓器監(jiān)控大數(shù)據(jù)的有效分析和變壓器生存狀態(tài)的維護提供了一種有效的技術手段，可為變壓器運行維護提供更為智能、可靠的輔助決策支持。近幾年來，隨著電網(wǎng)智能化和自動化程度的提高，電力數(shù)據(jù)積累逐步呈現(xiàn)井噴式增長，在變壓器現(xiàn)場設備操作方面積累了多年的經(jīng)驗，包括不同的操作環(huán)境和電壓水平[6-8]。歷史故障信息和典型故障案例的豐富為基于大數(shù)據(jù)挖掘的變壓器故障推理提供了依據(jù)。文中在對變壓器典型故障進行大數(shù)據(jù)分析、分類和管理的基礎上，利用關聯(lián)規(guī)則進行挖掘，獲取變壓器故障特征，并結合虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)點，建立有效、可靠的變壓器故障征兆和故障類型可視化系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)提取變壓器故障特征，實現(xiàn)對變壓器故障的可視化診斷。

1 系統(tǒng)架構設計

在分析大規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎上，以典型的分類和管理條件（故障征兆和故障癥狀）為基礎，用關聯(lián)規(guī)則方法分析了變壓器故障類型和故障癥狀之間的關系，梳理了智能聯(lián)級的故障征兆，建立了高效智能的電力變壓器故障診斷模型和故障數(shù)據(jù)檢索管理系統(tǒng)，并結合虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)點實現(xiàn)輔助決策信息呈現(xiàn)的可視化?；诖髷?shù)據(jù)關聯(lián)挖掘技術的變壓器故障推理系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 變壓器故障推理系統(tǒng)架構圖

為實現(xiàn)變壓器故障的可視化診斷，一方面引入虛擬現(xiàn)實技術，通過推理使診斷結果直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，為現(xiàn)場操作人員和培訓人員提供直觀、清楚的故障類型和故障癥狀[9-10]；另一方面，通過智能算法導出映射權值，對隱藏在故障類型中的故障癥狀進行定量顯示，為操作人員的操作、維護和維修方法提供支持，實現(xiàn)了對變壓器故障的跟蹤，提高了對故障定位的分析效率。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的硬件平臺由防火墻、特殊交換機、信息數(shù)據(jù)庫組成。

變壓器故障推演系統(tǒng)附屬于電力公司的安全區(qū)內(nèi)，通過高級的防火墻和網(wǎng)絡設備連接形成一個互聯(lián)網(wǎng)絡，完成基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演過程，得出相應結論[11-12]。文中系統(tǒng)硬件平臺通過工程生產(chǎn)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)庫錄入不同變壓器的基本參數(shù)與數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息存儲在該系統(tǒng)的服務器中，在對變壓器進行故障推演時，提供變壓器的相關信息。推理人員通過瀏覽器/服務器模式進行變壓器故障推演結果和相關數(shù)據(jù)的查詢，具體的基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)硬件平臺結構如圖2 所示。

圖2 變壓器故障推演系統(tǒng)硬件平臺結構

基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演硬件平臺由UPS 電源、i.MX6 處理器、特殊的處理器接口、集成顯卡、內(nèi)部存儲器、推演服務器構成[13-15]。

文中變壓器故障推演系統(tǒng)選擇的電源是UPS 電源。UPS 電源是一種在線式電源，在線式電源如果出現(xiàn)漏電情況，會立即向系統(tǒng)中心反饋信息，避免出現(xiàn)電源突然關閉造成信息丟失的事故。UPS 電源的額定功率為60 kVA，輸入電壓的范圍為210～475 V，輸出電壓的范圍為AC 380/220 V，輸入頻率的范圍為40～70 Hz。UPS電源耐用并且支持大功率的電壓輸入輸出，為變壓器故障推演系統(tǒng)的運行提供了基礎[16]。

硬件系統(tǒng)的推演服務器使用兩個8 核的CPU，主頻頻率在2.13 GHz 以上，其具有256 G 超大內(nèi)存空間，額外有4 個300 GB 的SAS 硬盤，推演服務器的超大內(nèi)存有利于變壓器故障推演系統(tǒng)加速運行。i.MX6 處理器是最適合文中研究的變壓器推演系統(tǒng)的處理器，因為i.MX6 處理器是目前飛思卡爾半導體在處理器領域最新的產(chǎn)品，具有極高的性能和強大的功能。i.MX6 處理器采用納米技術，運行頻率高達1 GHz，其內(nèi)核采用ARM v7 的指令架構，在運行的過程中可以承載0～4 MB 的高速緩存控制器，防止變壓器故障推演系統(tǒng)產(chǎn)生卡頓的情況。ARM v7的指令可以自動壓縮變壓器內(nèi)部信息的大小，并且高性能浮點單位比傳統(tǒng)的內(nèi)核性能提高一倍。

文中選用MIPI 接口連接變壓器推演系統(tǒng)，一方面MIPI 接口具有LCD 控制器，在中場連接的時候會顯示綠色，如果接口發(fā)生松動，MIPI 接口立即轉為紅色燈，方便故障檢修人員的故障認定。另一方面MIPI 接口具有高速傳輸數(shù)據(jù)的功能，傳輸速率高達5 Gbps，提高了基于數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的運行速度。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件是維持系統(tǒng)正常運行的核心，文中變壓器故障推演軟件系統(tǒng)的設計中心是實現(xiàn)變壓器故障征兆與故障切入點的映射連通的構建，簡化變壓器故障推演的邏輯思維。

變壓器的故障征兆與故障切入點之間存在著交叉映射的拓撲關系，是變壓器故障正常推演的關鍵。文中研究的基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件區(qū)域，設計了特有的故障點引擎功能，實現(xiàn)變壓器故障征兆與故障切入點的連接。經(jīng)過多次實驗數(shù)據(jù)的研究，變壓器故障征兆與故障點類型存在線性關系，具體公式如下所示：

其中，F(xiàn)a和Fb分別表示變壓器故障征兆程度和待處理的故障數(shù)目。由于T值代表變壓器故障征兆與故障點類型間的線性關系，因此，哪一類故障的T值越高，越能夠說明變壓器存在該類故障的可能性更大。

為了簡化傳統(tǒng)故障推演系統(tǒng)的推演過程，文中在系統(tǒng)的軟件區(qū)域設計了故障重現(xiàn)功能，將變壓器存在的故障點進行有邏輯的排序，完成推演過程。此時借助的公式如下所示：

其中，ΔX(j,t+1)是變壓器故障點的故障系數(shù)；X(j,t+1)是變壓器預測的故障類型指標；X(j,t-1)是計算機檢測的變壓器運行的空載損耗。

將所有計算機監(jiān)測到的變壓器故障點的故障點指標系數(shù)計算出來，將計算結果由小到大進行排序，對其是否發(fā)生故障及故障類型做進一步地推演識別。

綜上所述，在基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的軟件功能設計的基礎上，具體系統(tǒng)運行流程如圖3 所示。

圖3 變壓器故障推演系統(tǒng)運行流程圖

4 實驗分析與研究

為了精準地評估基于數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的故障推演能力，設置對比實驗，將文中設計的基于大數(shù)據(jù)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于多源信息融合的變壓器故障推演系統(tǒng)進行對比，從推演相對誤差和推演時間兩個方面檢驗不同系統(tǒng)的應用效果。

為了保證該次對比實驗的公平性和科學性，文中將4 個工作人員分為兩組，同時對實驗相關數(shù)據(jù)進行記錄，最終進行數(shù)據(jù)的核對，如果出現(xiàn)極小的誤差取其平均值，如果出現(xiàn)較大的誤差，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)情況舍去數(shù)據(jù)或者重新進行實驗。

具體的實驗操作過程如下：

1）準備4 臺相同型號、相同參數(shù)的變壓器，其中兩臺用于實驗，兩臺用于實驗替補，防止實驗過程中由于實驗器材的原因終止實驗；

2）進行實驗預處理，在實驗進行前工作人員準備兩臺計算機，分別連接實驗的兩臺變壓器，進行變壓器的故障檢測，將故障結果記錄下來，為了保證實驗的公平性，兩臺實驗變壓器具有相同故障；

3）預處理結束后，將兩個變壓器故障推演系統(tǒng)安裝到計算機內(nèi)部，同一時間開始對兩臺變壓器進行故障推演操作，4 個工作人員記錄兩個系統(tǒng)的操作時間。兩個系統(tǒng)分別故障推演后，計算機對兩個故障推演系統(tǒng)的推演過程進行分析，得出試驗效果數(shù)據(jù)；

4）為了對比兩種故障推演系統(tǒng)的相對誤差，文中用Re表示，具體如式（3）所示。

其中，Xj為預測值，Xi為實際值。

實驗結束后，工作人員關閉電源，整理實驗器材，由此結束整體實驗操作。通過整理實驗數(shù)據(jù)，得到實驗數(shù)據(jù)結果示意圖，如圖4、5 所示。

圖4 傳統(tǒng)變壓器故障推演系統(tǒng)的推演誤差

由于變壓器故障的推演誤差越小，故障推演系統(tǒng)的性能就越好，觀察圖4 和圖5 可知，文中所研究的變壓器故障推演系統(tǒng)具有較小的相對誤差。

圖5 文中變壓器故障推演系統(tǒng)的推演誤差

計算機在對兩個變壓器故障推演系統(tǒng)的推演過程進行分析時，得出兩個系統(tǒng)對存在相同待診斷故障數(shù)時的系統(tǒng)推演時間，其對應結果如圖6 所示。

圖6 推演邏輯效果示意圖

根據(jù)圖6 可知，變壓器存在待解決的故障數(shù)越多時，兩個變壓器故障推演系統(tǒng)的運行時間就越長。由圖6 可以觀察到，兩個系統(tǒng)面對相同故障時，故障推演的時間卻不相同，這是因為文中研究的基于數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓故障推演系統(tǒng)對各種型號的變壓器內(nèi)部熟悉，可以很快地找到故障推演切入點。當變壓器存在的故障數(shù)目較多時，文中研究的基于數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)的運行推演時間比傳統(tǒng)的變壓器故障推演系統(tǒng)運行的時間短。

綜上所述，設計的基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)不僅能夠降低推演誤差，還能夠有效縮短診斷時間，證明該系統(tǒng)具有較好的應用效果。

5 結束語

文中通過研究變壓器故障推演系統(tǒng)軟件部分和硬件部分，設計出一個基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)。經(jīng)過實驗驗證，得到文中研究的基于大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘的變壓器故障推演系統(tǒng)比傳統(tǒng)的推演系統(tǒng)邏輯清楚，推理時間短并且故障推演結果準確的結論。

大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘技術在一定程度上量化了變壓器的諸多故障評估指標，簡化了變壓器故障推演過程。文中研究的變壓器故障推演系統(tǒng)雖然解決了變壓器故障推演的問題，但是在今后的研究中，應對變壓器故障和變壓器老化作出深入的研究。