（控制理论与控制工程专业论文）电力变压器故障在线监测与诊断系统.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文研究课题是湖南超高压输变电公司和中南大学共同合作攻关 科研项目，其目的是开发变压器故障的在线监测诊断系统。本文通过 建立种变压器故障综合诊断的多级决策融合模型，将油中溶解气体 分析与常规电气试验的结论结合起来，并充分借鉴现场的运行、诊断 和维修经验，具有较强的知识表示及不确定性处理能力。本文首先简 要介绍了变压器智能在线诊断的意义、国内外发展现况及故障诊断方 法；然后系统地阐述了电力变压器故障诊断模型和多种诊断理论的基 础和方法；接着结合电力变压器故障诊断的具体情况，较为深入地分 析了诊断理论用于电力系统变压器在线故障诊断时的具体实现方法， 即在信息融合思想的指导下，采用一个基于层次分类的变压器故障诊 断模型，分析利用各种诊断方法的诊断结果；最后对诊断软件的实现 进行了较详尽的论述，包括软件开发平台的确定、功能的实现以及用 到的关键技术和开发过程中碰到的一些问题与解决方法。 整个系统可分为三个大模块：信息采集模块、数据管理模块和故 障诊断模块。其中诊断模块是以集成诊断形式出现，利用决策融合网 络将基于不同诊断机理与方法的诊断子模块进行融合，提高了诊断确 诊率。本系统可提高电网运行的可靠性，并切实提升用户对电气设备 进行状态诊断的自动化及智能化水平。 关键词：变压器，信息融合，故障诊断，专家系统 主塑盔堂堡主堂笪堡窒 女! 曼 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h es t u d yo f 仃a n s f b r m e rf 撕l t0 n l i n ed i a g n o s i ss y s t e m ， s p o n s o r e db yh u n a ne h v p o w e r1 h n s m i s s i o nc o m p a n y at ) ，p eo fm u i t i l e v e l c o m p r e h e n s i v ef a u l td e c i s i o nm o d e li s b u i l t b a s e do nt h ed i a g n o s t i cm o d e l ，t h e d i s s 0 1 v e dg a s i n ，o 订a j l a i y s i sa n dl l l er e s u l t so fc o n v e n t i o n a le l e c t r i c a l t e s 忸o fp o w e r 打a n s f o n n e r sa r ec o l b i n e dt i 曲t l y n eo n s i t ee x p e r i e n c e si no p e r a l i o n ，d i a 朗o s i s a i l dm a i m e n a n c ea r eh i 曲l yu t i l i z e di nm em o d e l nh a ss h o w nt h a tl l l em o d e l p o s s e s s e ss a t i s f a c t o 巧c 印a c 时o fh o w i e d 驴r e p r e s e l l 协t i o n a i l d s 仃o n gs o l v i i l g a b i l 耐t od e a l 、】l r i t hu n c e f t a 抽f a c t 8 a tf i r s t ，t l l ei m p o r t a n c eo f 仃a n s f o m e rf a u l t s o n l i n ed i 孵1 0 s i st e c h o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n ta c t u a l i t ) ，a r eg i v e nb r i e f l y ，t h e s t r i i c t l i r eo fm ew h 0 1 es v s t e ma n di t sw o r km e c h a n i s ma r ei t l 仃o d u c e dd e 协i l e d l v ： t h e nt h ed i 碰皿o s t i c 廿1 e o r ya n dt h em o d e la r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y ；c o m b 抽e d w i 也t h er e a l i 母o fp o w e r 住a n s f 嘶n e rf a u l t s o n l 协e l i a 窑豇o s i s ，t 1 1 er e a l i 髓t i o no f m e m o d so f 仃a n s f 0 珈n e rf 撕l t sd i a 掣l o s i sa r ep r e s e n t e di nd e t a i li na c c o r d a n c ew i t l l t h eb a s i cp r h c i p l e so f 础议m a l i o n 如s i 嘶，a l l 也e s em e 出o d sa r ea n a l y s e da 1 1 d c o m p a r e dt l l f 伽曲s i i n u l a t i o ne x p 喇m e n 乜瓶d an e w i m e g r a t e dd i a g n o s t i cm o d e li s p r e s e n t e db a s e do nt h e s em e ( h o d s ；a tl a s t ，也er e a l i z a t i o no f 也es o f 融a f ei s d i s c u s s e dw 1 1 i c hi n c l u d e si 招s t r i l c t u r e ，f i i i l c t i o n sa l l dk e y t e c h n i q u e s t h es y s t e m c o m p r i s e st l l r e em 血s u b m o d u l ew h i c hi n c h d e si i l f b 姗a t i o n c 0 1 l e c t i o n m o d u l e ，出慨m 柚a g e m e n tm o d u l e ，f a u l td i 楚皿o s i s m o d l l l e i nf 撕h d i a 驴o s i s m o d u l e ， i n t e g r a 【e dd i a 印o s i s m o d u l ei s p r e s e n t e d 。1 h ed i a 驴o s t i c p r e c i s i o n i s i m p r o v e db yt h ed e c i s i o n - m 嬲n g 如s i o nn e 撕o r k i nw h i c ha l l d i a g n o s t i cs u b m l o d u l e sb a s e do nd i f f b r e n tt h e o r i e sa 1 1 dm e c h a n i s m sa r e 凡s e d t h e s y s t 咖w i l lc o i l 仃i b u t et ot h es e c u r i 锣o fe l e c t r i cp o w e rn e t 、o r kt h ea u t o m a t i ca i l d i n t e l l i g e n t i e v e lo fp o w e re q u i p m e n ti i l s u l a t i o nc o n d i t i o nd i a g n o s i si s e l l l l 柚c e d g r e a t l y - k e yw o r d s ： 订a i l s f o r n l e r ，m f o m a t i o n 血s i o n ，f a u hd i a 印o s i s ，e x p e r ts y s t c m l l 原创性声明 本人声明，所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已 在论文中作了明确的说明。 作者签名：烫姻篁旦日期：世年卫月丑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全都或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文。 作者签名：塑翅塑导师签名竖虫日期：戤年卫月4 臼 ! 堕查兰堕：! 堂焦堕苎! 醴 第一章绪 论 1 1 引言 随着国民经济的发展，电力事业迅速增长，装机容量和电网规模在日益增大， 一个大型的设备系统往往由大量的工作部件组成，不同的部件之间互相关联，紧 密耦合。这一方面提高了系统的自动化水平，为生产带来了可观的经济效益，另 一方面，由于影响系统运行的因数剧增，使其产生故障或失效的潜在可能性越来 越大。一个部件的故障常常会弓l 起链式反应，导致整个系统甚至整个生产过程不 能正常运行乃至瘫痪，这些无不在提醒人们对电力系统中设备的运行可靠性的要 求不断提高。在现代电力设备的运行和维护中，电力变压器不仅属于电力系统中 最重要的和最昂贵的设备之列，而且是导致电力系统事故最多的设备之一1 1 ”。因 此国内外一直把电力变压器在线检测与诊断技术作为重要的科研攻关项目，现今 大多数运用的技术有局部放电法、介质测试法及变压器油色谱分析法等 【l l f 2 1 【，j i 删【4 6 1 1 5 ”，其中又以通过检测油中溶解的特征气体含量来判断潜伏性故障 的方法作为在电力部门保证变压器安全运行的重要手段”】【2 0 】【“】【3 5 i 刚【”】【。 现今电力部门对设备维修观念也随着电网容量和电网等级不断提高发生变 化，从事故后维修制到预防性维修制，在到以在线检测状态为基础的预知性维修 铡的形式。预知性维修制是实时或定肘灼在线了解变压器的运行状态，以埂能及 时采取有效的维护对策，消除潜伏性故障和缺陷，尽可能地减少停电损失。在线 检测与诊断的重要特征是检测系统中采用了高灵敏度的传感器对反映电力设备在 运行中劣化的信息( 特征量) 进行采集1 3 m 2 1 1 1 9 】，根据信息处理和诊断技术对故 障进行综合评判，实现智能化诊断f 4 l 【刮咖9 【1 8 】【2 3 艄j 【4 2j 【“1 1 5 2 】。 通常变压器在发生突发性事故之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压下 将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。对于多数大型变压器，目 前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料( 纸和纸板 等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素会逐渐变质，裂解成低 分子气体，变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快产气的速率。随着 故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流，扩散作用，就会不 断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体量随故障的严重程度而异， 丽与绝缘油的种类和牌号无关忙】。由此可见油中溶解气体的组分和含量在一定程 度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映变压器电气异常的特征 量。因此对变援器油中溶解气体分析的在线检测方法，不仅可以及时掌握变压器 的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对故障 主堕查堂塑：! 兰垡堡壅 一! ! 堕 自动进行诊断，同时根据变压器电气异常的多特征量的特点，采用信息融合技术 在线智能化检测和对故障的综合诊断，真正提高电站运行的管理水平 【7 l 【】3 】f 】4 】【1 6 】【2 1 1 【2 7 】 2 8 】f 2 9 】。 1 2 国内外发展状况 变压器油中溶解气体的监测直是相关部门进行研究探讨的课题，人们首先 想到是在油气分离上作出变革，通过大量研究，采用出仅使气体分子透过的高分 子透气膜组成油气分离单元，如早在6 0 年代美杜邦公司就开始采用聚酯中空纤 维膜回收氢气等：其次是在气体检测单元上作出变革，不用复杂的色稽仪，而用 气敏传感器对分离气体检测，而气敏传感器的敏感度与所添加的贵重金属有关， 如美国、南非及日本的公司都曾采用了氧化物半导体传感器实施监测，英国和爱 尔兰的公司则使用催化燃烧型传感器等。在国内早在8 0 年代初期，北京供电局 等七省市联合研制组对聚酰亚胺膜的透气性做了大量的工作，这是国内在这领域 内最早的开发。这种膜的透气性较差，目前正在逐渐被其它膜所取代。电力部电 力科学研究院就不同膜的透气率做了反复测试，发现聚四氟乙烯膜( 简称p f a 膜) 的透气性好，又有良好的机械性能和耐油、耐高温等诸多优点，因此它被普遍选 用作为油中溶解气体检测仪的透气膜。对于在线监测装置方面，特剐是近年来， 我国从国外进口了不少在线监测仪器，如加拿大h 2 0 l r 型和澳大利亚d r m c c 型变 压器在线监测仪器等。其中最具有代表意义和较多的是加拿大s y p r o t e c 公司研 制的h y d r a n 系列产品。加拿大7 0 年代就研究利用燃料电池作为检测氢气的传感 器，s y p r o t e c 公司现已批量生产便携式1 0 3 b 型和在线式2 0 l r 型2 种类型的氢气 检测仪。h y d r a n 2 0 l r 工作原理是采用聚四氟乙烯薄膜来渗透气体，并测量溶解气 体的扩散率。运行时，安装在变压器上的薄膜与油接触，溶解气体渗透过薄膜进 入燃料电池空腔内，在空腔内，气体迅速被燃料电池消耗掉。其中每个氢分子到 达燃料电池的阳极时便会产生2 个电子与2 个氨离子，周围空气中的氧在阴极处 与氢离子发生还原反应生成水。由燃料电池所产生的电子流通过读取一个负载电 阻上的电压值来测定，显示出油中氢气的浓度。传感器的输出取决于通过膜渗透 的速率，而渗透速率又与油中溶解气体的浓度成正比。因此安装部位对测试数据 有较大影响。s y p r o t e c 公司推荐安装首选是散热器底部，这里能提供一个良好的 油流流速及适当运行温度的油品。尽管h 2 0 1 r 检测的精度高，重复性好，但燃料 电池的寿命有限，造价也高，并且实际测试结果受其它气体影响较大，其读数值 等于h z x1 0 0 + c 0 1 5 + c 2 h 2 8 + c 扎1 。该读数无法反应出各种气体的精 确含量，只是单种气体的变化可以在总读数中体现出来。其灵敏度如百分数所示。 可见当存在c 0 气体时，测试结果实际为氢气与1 5 左右的c o 的总和。这样就有 可能产生误报警。 i y d r a n 仪器读出的气体数据被记录以建立一条基线，根据基线 设置对应的两级报警值，通过分析数值偏离基线上升突破报警设置，引发报警的 2 堕查兰堡：兰垡笙苎 一! 堕 过程，因此必须与色谱分析方法相配合，判断变压器内部是否存在潜伏性故障。 s y p r o t e x 不推荐和建议任一报警标准，仅提出“注意”事项，即在投入运行2 周 后获取的最大数值上，将一级报警标准定在最大值的1 5 0 上，二级报警标准视情 况而定，这可以减少由于正常波动产生的假报警。由于传感器为无源元件，没有 转动、燃烧部件，而且所检测的气体只是传感器工作所需的燃料，这样就无需更 换传感器内部的消耗材料，使得仪器使用寿命大大加长。同时仪器结构紧凑、坚 固，便于维护。操作方便实用，属于成形产品，根据部分用户实践证明，其报警 功能对变压器的维护确实有重大意义。但是其判断依据较为单一，因为未进行色 谱分离，无法得到所有特征气体含量，而且仪器未融合包括微水、介损、电流等 其它特征量信息，因此无法对故障的性质进行准确判断，只能根据故障迹象发出 报警，而且报警依据存在理论上的不足。日本三菱株式会社是最先推出能在线监 测h 。、c o 、c ：h 2 、c 地、c ：h 6 、c ：h 4 六种气体的装置，但其监测气体周期为7 1 0 天， 精度为2 0 p p m 显然存在检测周期长，精度不高的缺点。 而当前国内研究出的产品可分为两大类：一类是对加拿大等国外系列产品的 仿制，其特点与前所述类似；另一类是着眼于油样自动全脱气的研究，将室内色 谱仪分析技术、自动控制技术和在线监测技术( 包括信号处理和传输) 结合起来 应用于变压器在线监测。该类产品现场部分通常包括了油气分离、色谱柱分离、 氢烟检测器( f i d ) 、控制模块、数据处理模块几个部分。如东北电力试验研究院 研制出的b s z 大型变压器油色谱在线监测装置，采用真空自动全脱气进样、色谱 仪分析、定期向遥控显示器发送检测结果，检测的气体是甲烷、乙炔、乙烯、乙 烷。在目前比较成熟的色谱仪分析技术基础上，东北电力院着眼于油样自动全脱 气的研究，将室内色谱仪分析技术与遥控技术结合起来应用于变压器在线监测， 不失为一种好的研究方向。b s z 装置先后在大连、辽阳、长春、辽源等电业局l o 几台大型变压器上推广使用，对于突发性故障具有预警作用，实际效果仍在继续 观察。该装曼质量体积都大，属于大型监测装置。该类检铡装置的特点如下：信 息量大；因为采用了室内色谱分析技术的变形体，这类装置可以检测到7 种特征 气体( h 2 、c o 、c 晚、c h 4 、c 2 h 6 、c z h t 、c 她) 的各自含量，如果加上另外的检测量 数据( 如微水、温度等) ，完全可以对故障的性质和位置进行推测。但产品通常 体积较大，结构复杂，从而导致维护难度很大；产品大多尚处于试运行阶段，要 开发商业化产品，必须在检测精度或检测气体种类，价格与装置结构等关键技术 作大量的研究，才具有推广使用价值f l l 口”。 由此可见在线监测法与常规的离线油色藉分析法都是分析油中溶解气体的 组分及浓度，本质上都与变压器的运行状态有关。其故障诊断的方法应用同一标 准，但在线监测的信号传输和处理等是在现场进行，必须采取良好的防干扰措施， 才可能使在线监测结果与离线诊断结果具有可比性。目前对于信息处理的发展， 生堕奎兰堡生堂笪堡壅一! ! 鱼 是随着国家电力数据网的建设，变电站综合自动化和配电网自动化系统的普及而 发展，使各种信息管理系统在电力领域的广泛应用，这表明了i t 技术已越来越 融入到电力系统中来。但总体来说，目前电力系统在信息处理技术上还较为落后， 主要表现在信息的加工还居于底层的数字信号处理阶段( 最普遍的应用是各种滤 波算法) ，信息的采集重复性较大，未能实现信息的优化，造成硬件建设的重复 与控制回路的复杂：信息的应用过于简单( 如各种控制系统往往只利用某一个量 或少数几个量的比较做出决策) ，导致控制系统在处理边缘问题上的缺陷十分突 出( 如取样某电厂主变的各特征气体含量，经故障分析判断气体总烃含量超标， 但c 。h 。较小，为一般过热性故障，但按“三比值法”分析，则属于7 0 0 高温的 热故障) 。所有这些都对电力系统的信息处理技术提出了更高的要求。本文根据 对国内外现有技术的研究分析后，我们认为，降低系统的复杂度( 这决定了整个 系统的成本、可维护性和使用寿命) 和增加系统采集的特征信息量( 这决定了能 否对故障性质和位置进行判断) 是一组矛盾关系，在两者之间取得优化平衡是变 压器故障在线监测系统的发展趋势。同时也是提高系统性能和可行性的关键所 在。因此我们采用了多种传感器和小型烃类气体色措分析仪在现场采集信息，并 综合其它相关的信息进行信息融合等智能诊断技术，由于信息融合是通过对传感 器及其观测信息的合理分配和使用，把多个传感器和其它仪器在空间和时间上的 冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描 述，其基本目标是通过数据组合而不是出现在输入信息中的任何个别元素，推导 出更多的信息。因此可在一定程度上可有效的解决了上述所遇到的矛盾。 1 3 故障在线检测与诊断方法 在线故障检测与诊断技术既是相对独立发展的技术，也是容错控制的重要支 柱之一，现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方法、决策论、统计数学 等是其理论基础，实际系统可生成的故障是多种多样的，并且分类也可以从多个 不同的方面进行，如按故障发生的部位分类可分为内部故障( 铁芯故障等) 和外 部故障( 套管故障等) ，按故障发生的过程分类可分为突发性故障( 层问短路等) 和缓慢性故障( 过负荷引起的绝缘老化等) ，但故障诊断的方法按照通行的分类方 法可以分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三大类 川8 1 。 基于解析模型的方法是最早发展起来的，此方法需要建立被诊断对象的较为 准确的数学模型。进一步，它又可以分为参数估计方法，状态估计方法和等价空 间方法。这三种方法虽然是独立发展起来的，但是它们之间存在着定的联系。 现己证明了基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。非线性系统的 故障诊断的难点在于数学模型很难建立。相比之下，参数估计方法比状态估计方 4 生堕盔兰堡兰垡堡壅笪鱼 法更适应非线性系统，因为非线性系统的状态观测器的设计有很大的困难。 当难于建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用的， 因为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点。而直接利用信号模型，如相关 函数、高阶统计量、频谱和自回归滑动平均过程，以及现在的小波分析技术。这 种方法对于线性系统和非线性系统都是适应的。但是避开对象数学模型，是这种 方法的优点，也是它的缺点。 基于知识处理的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学 模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分地 利用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领域。 基于知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。基于症状的 方法包括专家系统方法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等；基于 定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器等。其中每类又包含若 干具体的诊断方法，如下图卜l 所示。 广一参数估计方法 r 一基于解析模型的方法卜一状态估计方法 ll 等价空间方法 故l 障f广一藉分析法 诊广一基于信号处理的方法l 一概率密度法 断 ll小波分析法 j i 广一专家系统的方法 i 卜一基于案例的方法 l 一基于知识处理的方法 l 基于人工神经网络的方法 卜- 一基于模糊数学的方法 l 基于故障树的方法 图卜1故障诊断方法分类示意图 由于目前的电力系统在经过数十年的发展历程后，已成为高阶非线性，高复 杂性的大系统。设备内部的结构复杂多样，有机械旋转电磁型的( 如电动机与发 电机) 、静止耦合电磁型的( 如变压器、电流互感器t a 、电压互感器t v ) 、中低压 短线路( 可不考虑分布电容) 、超高压长距离输电线路( 分布电容较大) 等等，加上 目前电力电子装置的逐步推广与使用，更是加大了这种复杂度。单就电力系统数 学建模来说，就可达到数十阶。所有这些，都大大增加了电力系统控制的不确定 因素。在传统的系统控制方式中，确定性方法占据主体地位，这一方面是因为过 生壹查堂堡! ：兰垡鲨塞! i 塑 去的系统相对简单，用确定性方法基本可以满足系统的要求：另一方面，不确定控 制策略( 如模糊控制、享申经网络、模式识别等智自方法) 无论在理论与实现方法上 距离实用化还有较大差距。但随着系统的不断扩大，确定性方法的缺陷日益表现 出来，而微机技术的飞速发展，相关领域研究成果的逐步实用，为不确定性控制 策略在工业控制领域的推广与普及铺平了道路。即便是在对实时性、可靠性要求 非常严格的电力系统，不确定控制也在逐步得到推广。以设备故障诊断为例，在 2 0 世纪初至6 0 年代，主要根据个体专家依据感官和对材料的部分检测来获取设 备的状态信息。但随着系统的日益复杂，其系统设备出故障后产生的影响越来越 突出，在2 0 世纪6 0 年代以后，由于传感器技术发展和计算机的使用使得对各种 诊断信号和数据的测量变得容易，同时随着人工智能技术的发展，特别是专家系 统在故障诊断领域中的应用，为设备故障诊断的智能化提供了可能性，也使诊断 技术进入了新的发展阶段，在原来以数值计算和信号处理为核心的诊断过程被以 知识处理和知识推理为核心的诊断过程所代替。这些智能诊断判断与传统的经验 判断比较，最大的区别在于其控制方式已由传统的单一、确定的方式变为多样、 随运行方式变化而变动的控制方式，其系统控制的不确定性却是一致的，正因为 这种不确定性与目前复杂系统的不确定性相适应，才导致控制效果的明显改善。 信息融合技术可以说是在充分考虑系统不确定性因素基础上提出的一整套理论， 其理论的创始人在运用过程中发现，作为一种大系统多信息处理模式，由于确定 性方法不适用于多数据融合，因而在理论的形成与实现技术的提出上主要偏重于 不确定方法，相对于前述的智能方法，信息融合诊断技术具有以下优点：( 1 ) 容错 性：在单个诊断方法出现误差或失效的情况下，系统仍能正常可靠工作。( 2 ) 互补 性：各诊断方法除提供故障征兆信息的共性反映外，还提供与各诊断方法本身有关 的特性反映，因而利用信息融合就能实现不同诊断方法信息的互补，从而提高信 息的利用率，减少系统诊断的不确定性。( 3 ) 实时性：能以较小的时间获得更多的 信息，大大提高系统的识别效率。对于故障监测、报警与诊断系统，数据融合的 级别按照数据抽象的三个层次可分为三级：数据层、特征层和决策层。 1 数据层信息融合与故障检测传感器系统( 或分布式传感器系统) 获得的信息存入 数据库，进行数据采掘，并进行检测层的数据融合，实现故障监测、报警等初级 诊断功能。 2 特征层信息融合与故障诊断特征层融合需要检测层的融合结果及变压器诊断知 识的融合结果。诊断知识包括各种先验知识及数据采掘系统得到的有关对象运行 的新知识。结合诊断知识融合结果和检测层的数据融合结果，进行特征层数据融 合，实现故障诊断系统中的诊断功能。 3 决策层信息融合与故障隔离决策层融合的信息来源是特征层的数据融合结果和 对策知识融合的结果，根据决策层数据融合的结果，采取相应的故障隔离策略， 6 堕查堂堡主堂垡堡壅! i 堡 实现故障检测、故障诊断等。故障诊断系统的最终目的就是故障状态下的对策。 下面表明的结构图卜2 比较适合”1 4 ”。 数据库系统 jlj。 ： 决策层融合l j 1r j 。 l l 特征层融合 1 l 数据层融合u 工 ， r1r l 多传感器信 息 图1 2 多传感嚣信息融合层次化结构 信息融合技术的基本方法中用于多传感器数据融合的d s 方法做为贝叶斯 ( b a y e s ) 理论扩充而来的d s 推理技术( 证据理论) ，目前它在多传感器数据融合中 已得到广泛运用，其基本思想是通过集合表示命题，利用概率分配函数，所有这 些都大大增加了电力设备控制的不确定因素。因此本系统采用不需要精确数学模 型的基于知识的方法，运用不确定性因素基础上的理论进于亍控制推断。系统控制 的基本步骤可见下图卜3 。 采集 数据 输出分 析结果 定义系统模 型故障判据 可能的预防 措旌和对策 构造故障 逻辑关系 研究故障监 测诊断方法 列出所有可能发生 的故障模式并分析 故障机理 综合评定 故障后果 图l 一3 故障模式与结果分析的基本步骤 作为复杂大系统的信号处理技术，信息融合技术具有的多信息量( 来自多传 感器的丰富信息) 、多层次( 可实现由低到高三层融合) 、多手段( 各种信息处理 与融合技术的综合) 等优点与特点，将其引入与应用到运行方式变化大、系统结 构复杂的电力系统中来，充分发挥其强大的信息处理优势，可以弥补目前电力系 统在信息处理技术上的不足与缺陷，同时有可能解决系统控制中长期存在的一些 技术难题。 中南大学硕：学位论文 电力变压器故障诊断模型 第二章电力变压器故障诊断模型 2 1 电力变压器结构简介 电力变压器的主要部件为一闭合磁路( 铁心) 以及环绕着磁路的原边电路和 副边电路( 线圈) 。它从变压器结构设计方面来说，通常分为六大部分即绕组、铁 心、引线、器身、油箱和总装。其中绕组、引线、器身和总装( 涉及外绝缘) 四大 部分直接与绝缘有紧密的联系，铁心和油箱也涉及到绝缘问题。另外，绝缘问题 无论是在变压器制造过程中，还是在变压器运行中，往往都是最敏感，最直观表 现出来，所以电力变压器各部件的绝缘成为变压器制造厂家和使用部门最为关 注，最为重视的问题。变压器结构可用图2 1 表示2 2 】【4 1 】【4 7 】【4 ”。 变压器 广- 铁芯 卜_ 绕组 身士篙耋鬈巍联 油箱( 包括油箱本体附件) 冷却装置( 散热器或冷却器) 保护装置( 储油柜、油表、吸湿器、继电器等) 出线装置( 高、中、低压瓷套管等) 变压器油 图2 1 油浸式电力变压器结构 2 2 变压器故障诊断中的信息分类与处理 变压器结构复杂，在变压器故障诊断过程中，可以利用的信息很多，因而需 先将这些信息进行分类。 ( 1 ) 变压器设备运行的台帐信息和检修历史：为变压器当前运行状态的正确 评估提供历史背景资料。 ( 2 ) 变压器预防性电气试验结果：被认为是诊断变压器故障的最主要方法。 ( 3 ) 变压器油气相色谱试验结果：是发现变压器早期潜伏性故障的一种有效 和灵敏的方法。 8 中南大学硕士学位论文 电力变压器故障诊断模型 ( 4 ) 变压器运行时的各种在线测量的信息：是状态维修理论在工程上得到实 际应用的必要前提。 ( 5 ) 其他一些变压器运行时外部直观信息。特别是一些异常现象可以为现场 的直观判断提供参考。这些异常随时通过声音、振动、气味和温度等现象反应出 来，能表现各种故障的信息，运行人员应及时结合试验或根据检测得来的数据， 进行综合分析，基本上能对变压器的运行状态作出正确的判断，并及时采取相应 的处理措施。因此掌握对系统的异常情况分析和提示是非常重要的。 2 2 1 变压器常见的异常情况与可能的原因 1 声音异常 变压器在正常运行中会发出轻微的，均匀的，连续的“嗡嗡”声，这是运行 中电气设备的一种固有特性。若产生的声音不均匀或有特殊的响声，则应视为异 常现象。有下列情况： 变压器声音比平时增大，但均匀，则异常原因可能为电网发生过电压或变压 器过负荷。 ( a ) 变压器有杂音，则异常原因可能为内部夹件或压紧铁芯的螺钉松动。 ( b ) 变压器有放电声，则异常原因可能为变压器内部发生故障。 ( c ) 变压器有水沸腾声，则异常原因可能为绕组发生短路故障或分接开关因 接触不良引起严重过热。 2 油温异常 运行中变压器的铁损和铜损转化为热量，若在同样条件下，变压器上层油温 比平时高出1 0 以上，或负载不变而温度不断上升( 冷却装置运行正常) ，则为 温度出现异常。异常的原因有： ( a ) 变压器内部有故障。如绕组匝问或层间短路，绕组对周围放电，内部引 线接头发热及铁芯多点接地等。 ( b ) 冷却装置不正常。如潜油泵停运，风扇，散热器损坏等。 3 油位异常 变压器运行中温度的变化会使油体积发生变化，从而引起油位的上下移动。 常见的油位异常有： ( 1 ) 假油位。假油位指的是当变压器温度变化正常时，变压器油表管内的油 位变化不正常或不变。产生的原因是( a ) 油标管堵塞( b ) 油枕呼吸器堵塞( c ) 防爆 管通气孔堵塞( d ) 变压器油枕内存在一定量的空气。 ( 2 ) 油面过低。产生的原因有( a ) 变压器严重渗漏油( b ) 工作人员放油后，因 疏忽，未作充分补充( c ) 气温过低且油量不足 4 外表异常 ( 1 ) 防爆管防爆膜破裂，原因可能是内部故障引起。 堕查兰堡主堂堡笙塞 堂垄壅生墨垫堕堡堕! 蔓墅 ( 2 ) 套管闪络放电，原因可能有：( a ) 套管表面过脏( b ) 套管制作工艺不良( c ) 系统出现内部过电压或雷电冲击过电压。 ( 3 ) 渗透油。主要原因是油箱与零部件连接处密封不良，焊接或铸件存在缺 陷，运行中额外重荷或受到振动等。 总之以上是根据声音、温度及其它现象，对变压器进行直观观察，是运行人 员作出的初步判断。在实际诊断过程中准确的故障诊断需要多源信息的支持即对 诊断的要求越高，越需要各方面更全面的信息。同时离线与在线，时间与空间上 存在的差异以及不同试验对不同故障的灵敏度各不相同，使变压器的故障诊断信 息表现出多层次性。所以只有这样从多方面获得关于同一对象的多维信息，并加 以融合处理，才能对设备进行更可靠更准确的监测与诊断。如图2 2 所示。 圈2 2变压器故障诊断过程 2 2 2 信息融合基础与证据理论的基本原理1 6 】 信息融合的本质是系统的全面协调优化；将不同来源、不同模式、不同媒质、 不同时间、不同表示方法，特别是不同层次的信息加以有机地结合，寻求一种更 为合理地准则来组合信息系统在时间和空间上地冗余和互补信息，以获得对被评 估问题的一致性解释和全面的描述，从而使该系统获得比它的各个组成部分或其 简单的加和更优越的性能。 证据理论的基本原理证据理论采用信度的“半可加性”原则，较好地对 不确定性推理问题中主、客观性之间的矛盾进行了折衷处理。而且证据理论下先 验概率的获得比主观b a y e s 方法要容易得多，已经成为构造具有更强的不确定性 处理能力专家系统的一种有效手段。以下证据理论的一些基本定义和定理。 定义1 设对于一个决策问题，所有能够认识到的可能结果用有限集合。 表示，则称。为一个识别框架，记为：o = f h ，h ，h 。 。 定义2 设 为识别框架，如果集函数m ：2 9 斗 0 ，1 满足：m ( 0 ) = 0 和 1 0 中南大学硕士学位论文 电力变压器故障诊断模型 卅( 爿) 2l ，则称m 为。上的基本可信度分配或m a s s 函数。 c o 定义3 如果：b e l ( o ) = 0 且b e l ( o ) = 1 ： v a 。，a ：。c 0 ( n 为任意自然数) 使得： b e l u 4 ； ( 一1 ) “1b e l n 彳， ，则称函数b e l ：2 。_ + o ，1 为 的信任 ，= 1 ，c f i ，2 ， i坨， 测度，其形式为： b e l ( a ) 2 肌( b )( 2 1 ) 口c 其中m 为 上的m a s s 函数。 定义4 如果：p l ( o ) = 0 且p l ( o ) = 1 ： v a ，a ：a 。c ( n 为任意自然数) 使得： p l n 4 ( 一1 ) “p l u 4 ，则称函数p l ：2 e _ o ，1 为。的似 然测度，其形式为： p 1 ( a ) 2 m ( 功( 2 2 ) 其中m 为 上的m a s s 函数。 定理1 设e 一，e ：，e 。为m 个证据，对于e ，( j ) ，如果m ( e ，) 是 识别框架0 上的m a s s 函数，p ( e ，) 是e ，的概率，则 m ( a ) = m ( 4 e ，) p ( e ，) a c ( 2 3 ) 仍为。上的m a s s 函数。 定理2 ( d e m p s t e r s h a f e r 证据合成公式) 设m 1 和m 2 是。上的两个m a s s 函 数，对于j l ( $ ) - 0 及 m ( a ) 2 吉聊。( e ) m ：( ，) ( a o ) ( 2 4 ) 1 e 1 f 一 其中n2 辨。( 印掰2 ( f ) 且n o ：则m 仍然是。上的m a s s 函数， 记做m = m 1 om 2 。 在证据理论中，不同专家的经验和知识可以通过式( 2 4 ) 来有效融合；而某个 诊断结论成立的可信度可以通过信任区间 b e l ，p 1 来表示。 生堕查堂堡生兰垡笙壅! 邀型塑塾堕兰堕! ! 生 2 3 变压器油中气体色措分析法 2 ，3 1 油中气体色措分析法的原理【1 】【2 m 】 油气相色莆分析法是目前检测变压器内部故障的常用方法，是监督与保障设 备安全运行的一个重要手段，在1 9 9 9 年8 月1 日，g b t1 7 6 2 3 一1 9 9 8 绝缘油中 溶解气体组分含量的气相色措测定法已正式实施。 目前变压器几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材 料( 纸和纸板等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐 渐变质，裂解成低分子气体，由于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着不同的 热稳定性，所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃， 每一种烃类气体最大产气率都有一个特定的温度范围，故绝缘油在各不相同的故 障性质下产生不同成分、不同含量的烃类气体。由此可见，油中溶解气体的组分 和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以作为反映电气设 备电气异常的特征量。通常，故障性质与气体组分有下述关系： ( 1 ) 当发生裸金属过热使周围的油受热分解时，产生的气体主要是氢和烃类( 甲 烷，乙烷) ；当发生固体绝缘材料介入热分解时，会有大量的c o 和c 0 2 产生。变 压器内部发生这类故障的原因，主要有：分接开关接触不良，引线和分按开关连 接处焊接不良，导线和套管连接处导电不良，铁芯多点接地和局部短路过热等。 ( 2 ) 纸、纸版、布带等固体绝缘材料受热分解时，其特征是烃类气体含量不高， 所产生的气体主要是c o 和c 0 2 。产生这一内部故障的原因主要是变压器长期过 负荷运行，使固体绝缘大面积过热，或者是由于裸金属过热，引起邻近固体绝缘 局部过热。 ( 3 ) 变压器内部由于放电丽使绝缘材料分解产生气体，根据放电时能量级别的不 同，可以分为高能量放电( 电弧放电) ，低能量放电( 火花放电) 和局部放电等 不同故障类型。 ( a ) 电弧放电：产生的特征气体主要是乙炔和氢气，但也有相当数量的甲烷和乙 烯。 ( b ) 火花放电能量比电弧放电低得多，特征气体以氢气和乙炔为主，但也有相当 数量的甲烷，乙烷，有时也有c o 和c 0 2 的增加。 ( c ) 局部放电能量最低，特征气体主要是氢气，其次是甲烷，并有少量的乙炔。 一般情况下，总烃值不高。 ( 4 ) 变压器本体受潮。变压器本体受潮，也会产生氢气，其特征气体同局部放电 所反映的特征气体极为相似，要利用其它试验与观测加以区别。 ( 5 ) 儿是涉及到固体绝缘劣化时，均会引起c o 和c 0 2 的明显增长。 ! 查查堂堡! ：兰丝笙苎 兰! 壅堕兰堕堡墅型堑堡兰 2 3 2 气相色措法判断故障的常用方法 1 特征气体法。 按油中溶解的特征气体含量与注意值的比较进行判断，特征气体主要包括总 烃( c l + c 2 ) ，c 2 h 2 ，h 2 ，c o ，c 0 2 等。由于变压器内部在不同故障下产生的气体 有不同的特征，因此可以根据绝缘油的气相色谱测定结果和产气的特征性及特征 气体的注意值等，对变压器等油浸式设备有无故障及故障性质作出初步判断。但 据有关资料显示，正常运行的5 9 4 8 台变压器中，总烃( c 1 + c 2 ) 含量大于注意值 1 5 0 “l 几的占5 8 ：5 7 5 7 台变压器中乙炔( c 2 h 2 ) 含量大于注意值5 卢l l 的 占5 8 。可见这种方法只能粗略地判断设备内部有无故障，而不是划分故障的 唯一标准。 表2 一l判断故障性质的特征气体法 夸号故障性质特征气体的特点 l 一般过熟性故障总烃较高，c 2 h 2 5 p p m ，但c 2 h 2 未 构成总烃的主要成分，h 2 含量较高 3 局部放电总烃不高，h 2 1 0 0 p p m ，c h 4 占总烃 的主要成分 4 火花放电总烃不高，c 2 h 2 1 0 p p m ，h 2 较高 5 电弧放电总烃高，e 2 h 2 高并构成总烃的主要 成分， 2 含量高 需要注意的几点： ( a ) 乙炔的含量是区分过热和放电两种故障性质的主要指标。但放电性故障所引 起的过熟，同样也会产生乙炔。所以两者之间并没有严格的区分，存在不确定性。 ( b ) 有时变压器内部并未有故障，特征气体是由于其它故障引起的。例如：变压 器油脱气不彻底，冷却装置故障等。它们引起的特征气体的异常，需综合分析， 爿。能得出正确结论。 2 根据故障点的产气速率判断。 有的设备因某些原因使气体含量超过注意值，不能断定有无故障：而有设备 虽低于注意值，如含量增长迅速，也应引起注意。产气速率对反映故障的存在， 严重程度及其发展趋势更加直接和明显，可以进一步确定故障的有无及性质，它 包括绝对产气速率( r 。) 和相对产气速率( r ，) 两种，实际判断变压器故障多采用 绝对产气速率。其每个运彳亍小时产生某种气体组分体积数的平均值( m 1 h ) 计算 公式为： ! 塑奎兰堡主兰垡堡苎 一垡塑婆鲨型曼堂堂! ! 生 ，：鱼! = 鱼。里 ( 2 5 ) 。 rd 式中： r 。一绝对产气速率( m l h ) ； c ，一第二次取样测得油中气体组分( i ) 含量( p 1 1 ) ： c 。，第一次取样测得油中气体组分( i ) 含量( l 1 ) ： 出一 二次取样时间间隔中实际运行时间( h ) ： g 设备的总油量( t ) ： d 油的密度“m 3 ) 注意值：开放式设备为o 2 5 m l 1 密闭式设备为0 5 m 1 l 3 三比值法。 当根据各组分含量的注意值或产气速率注意值判断可能存在故障时，可用三 比