鄭大鵬，關(guān)威，李崇宇，劉文杰，張桐瑜

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯供電分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017100）

作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，變壓器的安全、穩(wěn) 定運(yùn)行日益受到各界關(guān)注。其一旦出現(xiàn)緊急故障，會(huì)影響電網(wǎng)的安全生產(chǎn)與人民生活，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱蠓秶ｋ?，從而帶?lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1]。所以對(duì)變壓器進(jìn)行全方位診斷，并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)其局部放電信號(hào)，進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)變壓器故障且及時(shí)采取措施，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

由于變壓器運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)裝置通常是專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)，僅能對(duì)變壓器油中氣體、局部放電與振動(dòng)等進(jìn)行單項(xiàng)監(jiān)測(cè)[2]。此外，傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置資金投入量大、成本較高。根據(jù)廠(chǎng)家產(chǎn)品特性，其種類(lèi)較多且每套設(shè)備需獨(dú)立安裝，故難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

隨著變壓器的復(fù)雜性不斷提高，若僅依靠直接觀(guān)測(cè)及單一狀態(tài)量分析來(lái)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)與故障診斷是不夠充分的，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能狀態(tài)研判[3-4]。例如，基于蟻群算法（Ant Colony Optimization，ACO）[5-7]的變壓器故障診斷方法存在搜索時(shí)間長(zhǎng)、易陷入局部最優(yōu)、收斂速度較慢等問(wèn)題。而專(zhuān)家系統(tǒng)評(píng)價(jià)的方法，則難以進(jìn)行客觀(guān)評(píng)價(jià)[8-9]。與此同時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANNs）[10-14]依賴(lài)于大量的樣本數(shù)據(jù)，隱式的評(píng)價(jià)模型也較難剖析因果關(guān)系。因此，為了準(zhǔn)確地診斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，需要海量信息源進(jìn)行融合及支持診斷。故該文首先選擇合適的變壓器監(jiān)測(cè)狀態(tài)量，并確定數(shù)據(jù)融合方法；再利用模糊匹配關(guān)聯(lián)規(guī)則的統(tǒng)計(jì)方法獲取相應(yīng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的權(quán)重系數(shù)；然后采用變壓器健康指數(shù)法計(jì)算各變壓器的健康值，以此建立更全面的變壓器運(yùn)行參數(shù)評(píng)價(jià)體系；最終通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性。

1 變壓器多維度移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

在傳統(tǒng)單一方式的變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合多種狀態(tài)量的分析，建立了基于六維度聯(lián)合分析法的變壓器移動(dòng)式健康評(píng)估監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1.1 監(jiān)測(cè)狀態(tài)量

1）局部放電超聲信號(hào)。超聲傳感器采用高靈敏度差分振子，自感應(yīng)無(wú)線(xiàn)同步，實(shí)時(shí)鎖定放電相位。超聲傳感器呈矩陣式分布，采用脈沖包絡(luò)時(shí)延技術(shù)確定缺陷點(diǎn)位置；

2）局部放電高頻信號(hào)。采用反饋式主動(dòng)降噪高頻局放干擾信號(hào)過(guò)濾技術(shù)，從源端排除了高頻局放現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的問(wèn)題，有效避免了干擾信號(hào)對(duì)高頻局放檢測(cè)所帶來(lái)的影響，從而提升了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。高頻監(jiān)測(cè)模塊采用百兆高速信號(hào)處理技術(shù)及局放脈沖緩存技術(shù)，真實(shí)呈現(xiàn)了局放脈沖；

3）局放特高頻信號(hào)。變壓器絕緣材料的絕緣強(qiáng)度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，小范圍發(fā)生局放時(shí)會(huì)激發(fā)GHz級(jí)別的電磁波。局放特高頻檢測(cè)（UHF）通過(guò)特高頻傳感器感知局放發(fā)生時(shí)的特高頻電磁波信號(hào)，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可采用內(nèi)置式或外置式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)局放的帶電檢測(cè)及故障類(lèi)型的定位與識(shí)別；

4）油中氣體含量。油色譜和微水監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)，可通過(guò)不同的分析方法來(lái)進(jìn)行處理。大衛(wèi)三角形通過(guò)對(duì)甲烷、乙烯、乙炔3 種氣體分析進(jìn)行故障類(lèi)型判斷；改良三比值法在5 種特征氣體中選取兩種溶解度與擴(kuò)散系數(shù)相近的氣體組成3 對(duì)比值，并以不同的編碼區(qū)分各種故障類(lèi)型。基于非分散性紅外線(xiàn)技術(shù)（Non-Dispersive Infra-Red，NDIR）的油氣監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)9 種氣體及微水快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，其可靠性高、免維護(hù)、無(wú)載氣且無(wú)標(biāo)氣；

5）振動(dòng)狀態(tài)量。變壓器繞組壓緊力變化，繞組變形或內(nèi)緊固件松動(dòng)情況可由振動(dòng)測(cè)量信號(hào)反映。利用小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析，并依據(jù)各頻段的能量分布繪出圖形，以獲得不同頻段的能量百分比作為數(shù)據(jù)特征，進(jìn)而診斷變壓器部件松動(dòng)缺陷；

6）鐵心接地電流。鐵心電流監(jiān)測(cè)模塊具有趨勢(shì)分析、頻譜分析及波形分析的功能。趨勢(shì)分析能夠通過(guò)鐵心電流監(jiān)測(cè)值的增量判斷變壓器故障，波形與頻譜分析則能獲得電流信號(hào)的波形及頻域特征，利用此類(lèi)分析方法可有效判斷變壓器鐵心多點(diǎn)接地故障。此外，傳感器采用三重屏蔽處理技術(shù)，故具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)

監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具備自動(dòng)、連續(xù)或周期性采集設(shè)備油中溶解氣體、鐵心和夾件接地電流、超聲波局放、高頻局放、振動(dòng)等狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的功能。此外，設(shè)備應(yīng)能夠識(shí)別高頻、特高頻、超聲局部放電相位分布圖譜（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）、脈沖序列相位分布圖譜（Phase Resolved Pluse Sequence，PRPS）和局部放電類(lèi)型，并可判斷變壓器中的典型局部放電類(lèi)型，還能監(jiān)測(cè)油中溶解氣體乙炔、氫氣、總烴監(jiān)測(cè)量的幅值、絕對(duì)增量及相對(duì)增長(zhǎng)速率等。表1 所示為變壓器移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)備參數(shù)。對(duì)于鐵芯夾件接地電流監(jiān)測(cè)傳感器與油色譜監(jiān)測(cè)單元，市面上有眾多采集設(shè)備，故采用主流監(jiān)測(cè)裝置即可。

表1 變壓器移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)備參數(shù)

2 多維度數(shù)據(jù)融合與分析算法

變壓器本體和套管的健康變化情況，可用短路電流、漏油、末屏及介損等狀態(tài)量評(píng)估。鑒于表征形式，提煉出高頻局放、超聲波局放、特高頻局放、油氣、鐵心接地電流及振動(dòng)6 個(gè)維度的數(shù)據(jù)，并融合六維度數(shù)據(jù)聯(lián)合分析變壓器的健康狀態(tài)。在變壓器運(yùn)行狀態(tài)的模糊診斷模型中，多個(gè)單一的故障診斷結(jié)果能夠產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)、綜合的運(yùn)行狀態(tài)結(jié)論[15-19]。

通常，變壓器運(yùn)行狀態(tài)的診斷與估計(jì)基于一系列嚴(yán)格而明確的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。一旦該標(biāo)準(zhǔn)中所要求的任一條件無(wú)法滿(mǎn)足，就會(huì)出現(xiàn)故障警告。然而，由于故障現(xiàn)象與故障機(jī)理間具有不確定性，故二者之間存在模糊關(guān)系，即在未知故障期間，較難甚至無(wú)法將故障現(xiàn)象映射到特定的已知類(lèi)型。所以?xún)H通過(guò)操縱一個(gè)診斷閾值或標(biāo)準(zhǔn)，幾乎不可能診斷出未知的故障并估計(jì)出其相應(yīng)的狀態(tài)，因?yàn)槟骋还收峡赡軐?dǎo)致不同的現(xiàn)象發(fā)生，反之亦然。因此，通過(guò)引入一種稱(chēng)為故障關(guān)系矩陣的特殊矩陣，能夠更好地描述故障現(xiàn)象與類(lèi)型之間的關(guān)系，其是一個(gè)由0 及1 組成的簡(jiǎn)單關(guān)系矩陣。

從邏輯上講，一個(gè)數(shù)學(xué)命題完全可以用真或假來(lái)判斷，通?！?”表示真，“0”表示假。在實(shí)踐中，如變壓器過(guò)熱或輸電線(xiàn)路過(guò)壓，“過(guò)熱”與“過(guò)電壓”的命名均是模糊的，不能用數(shù)學(xué)來(lái)定義。因此，需要使用一個(gè)索引來(lái)顯示二者的相關(guān)性。該模型能夠通過(guò)xij遍歷開(kāi)區(qū)間(0,1)來(lái)改進(jìn)，以更準(zhǔn)確地表示現(xiàn)象及故障間的可能性。故在模糊模型中，采用更準(zhǔn)確的單個(gè)元素版本：

其中，xij值可以清楚地反映相關(guān)性的程度。

首先，用“現(xiàn)象矩陣”作為未知故障過(guò)程中所有可能現(xiàn)象的泛集。假設(shè)有多種不同現(xiàn)象，則該矩陣可表示為：

其中，

其次，將“故障矩陣”作為各種故障的通用集合。假設(shè)存在全部不同類(lèi)型的故障，則該矩陣可表示為：

最終，若獲得的故障類(lèi)型指標(biāo)數(shù)為j，則通過(guò)式（5）計(jì)算，即由該模糊綜合評(píng)價(jià)模型確定故障數(shù)量。

顯然通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，能夠量化故障現(xiàn)象與故障類(lèi)型間的相關(guān)性。且并未使用二進(jìn)制值，而是使用從0 到1 的變量模糊來(lái)表示此種相關(guān)性。這樣由一個(gè)全面關(guān)系矩陣及多個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)出故障的特征全貌，有利于變壓器的故障診斷及狀態(tài)評(píng)估。

3 變壓器移動(dòng)監(jiān)測(cè)評(píng)估模型

3.1 健康指數(shù)評(píng)估模型

通過(guò)上述多種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器信息感知與融合后，能夠得到不同傳感器的信息特征，此類(lèi)信息從不同角度反映出了變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)模糊融合聚類(lèi)將該類(lèi)指標(biāo)信息按變壓器健康狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估，確定主觀(guān)權(quán)重與客觀(guān)權(quán)重兼顧的組合權(quán)重，便可建立起基于多維度數(shù)據(jù)融合與分析的變壓器移動(dòng)監(jiān)測(cè)健康狀態(tài)評(píng)估模型。

變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，可根據(jù)健康指數(shù)劃分為正常、注意、異常與嚴(yán)重4 種類(lèi)型。根據(jù)省公司變電設(shè)備評(píng)價(jià)體系要求，嚴(yán)重和異常狀態(tài)分別由省公司及地市公司評(píng)價(jià)，而正常與注意狀態(tài)則由車(chē)間班組來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)分析量變的積累效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)變壓器注意狀態(tài)前的超前預(yù)警及異常狀態(tài)出現(xiàn)后的全過(guò)程監(jiān)控。

健康指數(shù)通過(guò)高頻局放、超聲波局放、特高頻局放、油氣、鐵心接地電流與振動(dòng)6 個(gè)方面的指標(biāo)進(jìn)行融合分析，且各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)研究得出。該文的權(quán)重系數(shù)根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及內(nèi)蒙古地區(qū)變電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)得出，如表2 所示。

表2 變壓器各監(jiān)測(cè)量權(quán)重系數(shù)

3.2 評(píng)估流程

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，將關(guān)聯(lián)規(guī)則與變權(quán)系數(shù)相結(jié)合，建立相應(yīng)的變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，主要步驟如圖1 所示。

圖1 電力變壓器狀態(tài)評(píng)估流程

評(píng)估流程如下：1）變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)采集的目的是獲取與變壓器運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的個(gè)體狀態(tài)信息；2）根據(jù)相關(guān)分析理論與變壓器故障運(yùn)行的實(shí)際情況，建立電力變壓器的綜合狀態(tài)；3）收集足夠數(shù)量樣本的歷史測(cè)試數(shù)據(jù)；4）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)信息的計(jì)算方法及關(guān)聯(lián)規(guī)則，確定每個(gè)綜合狀態(tài)量中每個(gè)個(gè)體狀態(tài)量的常權(quán)系數(shù)；5）根據(jù)程序由式（5）在綜合狀態(tài)下，計(jì)算分?jǐn)?shù)中故障狀態(tài)的數(shù)量；6）根據(jù)規(guī)則計(jì)算出故障在綜合狀態(tài)下的得分；7）綜合狀態(tài)量的權(quán)重系數(shù)與監(jiān)測(cè)得分，計(jì)算總體帶權(quán)重的變壓器狀態(tài)量分?jǐn)?shù)值，公式如下：

式中，xi代表第i個(gè)綜合狀態(tài)的得分，其是綜合狀態(tài)量中包含的單個(gè)狀態(tài)數(shù)量；wij是xij的權(quán)重，rk是第i個(gè)狀態(tài)量對(duì)應(yīng)于第j個(gè)結(jié)論狀態(tài)的比率；8）根據(jù)各綜合狀態(tài)量的得分，計(jì)算電力變壓器的最終得分v。并依據(jù)最終得分，確定電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)并制定相應(yīng)的維護(hù)策略。

4 案例分析

為了驗(yàn)證該方法的有效性，以某220 kV 變電站主變?yōu)槔M(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)監(jiān)控的六維變壓器狀態(tài)量，在732 組變壓器數(shù)據(jù)中采用數(shù)據(jù)融合的方法來(lái)計(jì)算變壓器綜合狀態(tài)量得分，并進(jìn)一步算出變壓器的最終得分。根據(jù)實(shí)際變壓器的運(yùn)維情況，得出變壓器狀態(tài)與該文方法評(píng)估得分的匹配關(guān)系如表3 所示。

表3 變壓器狀態(tài)與最終得分的關(guān)系

由此可對(duì)變壓器的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定分類(lèi)，且根據(jù)狀態(tài)評(píng)估模型，將100 組不同變壓器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。其中，40 組取自故障變壓器，60組取自正常變壓器，最終計(jì)算得分匯總?cè)绫? 所示。

表4 不同變壓器狀態(tài)得分

由表4 可以看出，40 份故障數(shù)據(jù)中有15 份被認(rèn)為處于嚴(yán)重狀態(tài)，23 份為異常狀態(tài)，2 份為注意狀態(tài)，得分已接近60。60 份正常數(shù)據(jù)中的55 份被評(píng)估為正常狀態(tài)，其余5 份為注意狀態(tài)，得分接近80 分。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，說(shuō)明所述方法能準(zhǔn)確地反映變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。

此外，對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)為異常的變壓器數(shù)據(jù)，選擇其中7 份不同故障類(lèi)型的數(shù)據(jù)對(duì)其得分進(jìn)行展示，具體如表5 所示?？梢钥闯?，不同嚴(yán)重程度的故障最終評(píng)分結(jié)果差異較大。而對(duì)于簡(jiǎn)單漏油故障的變壓器，其狀態(tài)評(píng)估結(jié)果得分為78.76 的注意狀態(tài)。對(duì)于某臺(tái)發(fā)生鐵心故障變壓器數(shù)據(jù)，評(píng)估得分僅為6.32 分，屬于嚴(yán)重故障類(lèi)型。這與實(shí)際的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)相符合，再次驗(yàn)證了該評(píng)估模型實(shí)際作用的有效性。

表5 各類(lèi)變壓器綜合狀態(tài)評(píng)估得分

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合多種狀態(tài)量的分析，突破傳統(tǒng)變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的單一方式，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型的油浸變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估算法，簡(jiǎn)化了大量基于相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的繁瑣診斷工作?；诹S度聯(lián)合分析法的變壓器移動(dòng)式健康評(píng)估裝置的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)從分立式傳感器監(jiān)測(cè)到集成式傳感器監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變。此外，通過(guò)變壓器狀態(tài)的量化標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了其健康情況超前預(yù)警及異常監(jiān)護(hù)的全過(guò)程監(jiān)測(cè)。同時(shí)，該模型快速響應(yīng)的能力也是對(duì)其優(yōu)點(diǎn)的補(bǔ)充。