（电力系统及其自动化专业论文）rcm和免疫算法在变电设备状态检修中的应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 t h e a p p l i c a t i o n o fr c ma n di m m u n e a l g o r i t h m i ne l e c t r i c e q u i p m e n t s c o n d i t i o nm a i n t e n a n c e a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e mt o w a r d ss u p e rh i g hv o l t a g e ，v a s tc a p a c i t y a n da u t o m a t i o n ，t h em a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t sb e c o m e s m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e da n d c o s t sm u c hm o r e s oi t st h ep u r p o s eo fa l lp o w e re n t e r p r i s e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h em a i n t e n a n c eo fe q u i p m e n t s ，r e d u c et h ec o s t sa n di n c r e a s et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f e q u i p m e n t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fr c ma n di m m u n ea l g o r i t h mi nt h ec o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c eo fe l e c t r i ce q u i p m e n t sa n dt a k ei n t oa c c o u n to ft h es t a t em a i n t e n a n c e s t r a t e g y i td e a l sw i t ht h ei n f o r m a t i o na r r a n g e m e n to fe q u i p m e n ts t a t ev a r i a b l e sa n dt h e c l a s s i f i c a t i o no ft h ee q u i p m e n tc a p a b i l i t yi n d e x b ym a k i n gu s eo ft h ei m m u n ea l g o r i t h m ， t o g e t h e rw i t ht h ee x p e r ts y s t e m ，f u z z ym a t h e m a t i c s ，ad i a g n o s i sa n a l y s i s o fe l e c t r i c e q u i p m e n t sc a nb ec a r r i e do u t w i t ht h ea n a l y s i so f t h ei m p o r t a n c eo fe l e c t r i ce q u i p m e n t s i nt h ep o w e rn e t w o r k ，t h er c m s t r a t e g ym o d e li se s t a b l i s h e d t h ei m p o r t a n c ei n d e xo f e q u i p m e n t sa n de q u i p m e n ts t a t ei n d e xc a l lb ec o m b i n e da n da p p l i e di n t op r a c t i c eo f t h e s t r a t e g yo f e l e c t r i ce q u i p m e n t sm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ea n a l y s i s s y s t e m o fe l e c t r i ce q u i p m e n t ss t a t em a i n t e n a n c ei sd e v e l o p e da n dt h e r ei sag o o dr e s u l ti n i t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c e q u i p m e n t s ，t r a n s f o r m e r , c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ，i m m u n e a l g o r i t h m ，e x p e r ts y s t e m ，r c m - 2 一 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 1 1 引言 第一章绪论 当今电力设备在向大机组、大容量、高电压和高自动化方向不断发展，电网管理的 最基本的任务是维护好这些设备，确保电网安全可靠运行，由于电网装置的急剧增加， 其维修工作量在不断加重，而且费用也在不断攀升，己成为电力企业最基本和最主要的 成本之一，因此如何提高设备的维修效率，减少维修成本，提高设备的安全可靠性水平， 是电力企业设备管理所不断追求的目标。 传统的设备定期计划维修是目前电力企业设备维修的主要方式。在过去的几十年 中，定期计划维修无疑在防止设备事故的发生，保证安全可靠供电等方面起到了很好的 作用。时至今日已日显弊端，用它来指导检修实践的结果，往往在“量”上表现为检修 过剩或检修不足，有时在“质”上还表现为负效应，从而危及电网安全。随着我国电力 体制改革和电力市场经济的发展，一方面要求电力系统供电的可靠性进一步提高，另一 方面要求电力企业在发展中能有较好的经济效益，即把电力企业管理主要成本之一的设 备维修费用进一步降低。因此，如何采用合理的维修策略和运用高科技手段，采用最佳 的维修方式，以保证设备安全运行，提高设备运行的可靠性，节约维修费用，最大限度 利用设备是供电企业必须直面思考与认真研究的问题。在这种情况下，以可靠性为中心 的状态检修的研究与实践对于国内供电企业来讲显得尤为重要与势在必行。 1 2 国内外检修策略的发展 工业发展从手工作坊到机械化和电气化，各个时期的设备管理与检修方式有很大的 变化，文献 1 】f 2 】、 3 1 、” 5 】1 6 】【7 1 分析了维修策略从故障维修到预防性维修再到状态维修 的演变过程。一般来说可概括为三个阶段。 1 2 1 事后检修阶段 第一阶段是事后检修( b m ，b r e a km a i n t e n a n c e ) ，也称故障检修( c m ，c o r r e c t i v e m a i n t e n a n c e ) ，是最早的检修方式。这种检修方式以设备出现功能性故障为判据，在设 备发生故障且无法继续运转时才进行维修。显然，这种应急维修需付出很大的代价和维 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设各状态检修中的应用 修费用，不但严重威胁着设备或人身安全，而且维修不足。 1 2 2 定期检修阶段 第二阶段是定期检修( t b m ，t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) ，也称计划检修( s m ，s c h e d u l e m a i n t e n a n c e ) 。这种检修方式以时间为依据，预先设定检修工作内容与周期。定期检修 制度直到二战后，才被各国陆续地从军事工业移植到民用工业。中国电力工业的定期检 修制度是2 0 世纪5 0 年代从苏联引入的。直到8 0 年代，t b m 仍是主流的维修制度。定 期检修在保证重大机械设备正常工作中确实起到了直接防止或延迟故障的作用，但这种 不根据设各的实际状况，单纯按规定的时闯间隔对设备进行相当程度解体的维修方法， 不可避免地会产生“过剩维修”，不但造成设备有效利用时间的损失和人力、物力、财 力的浪费，甚至会引发维修故障。据统计，1 9 9 6 年我国的1 0 0 m w , 1 2 5 m w , 2 0 0 m w 火 电机组非计划停运与出力降低的责任原因，分别有3 6 ，3 1 和4 1 是由于这种过剩检 修造成的。 1 2 3 状态检修阶段 第三阶段是以设备状态监测和故障诊断为基础的状态检修( c b m ，c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) 或预知性维修( p d m ，p r e d i c t i v ed i a g n o s t i cm a i n t e n a n c e ) 。状态检修是一种以 设备状态为基础、以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。它根据对设备的日常检 查、定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提供的信息，经过分析处理，判断设备 的状况与发展趋势，并在设备故障发生前及性能降低到不允许的极限前有计划的安排检 修。这种检修方式的目的是实现按需检修，更具有针对性，因而，在提高设各的可用率 的同时，减少不必要的检修费用。但这种检修也有一定的缺点，首先安装监测设备价格 昂贵，同时对故障诊断技术要求较高。 八十年代在美国开始引入一种新的维修策略一一以可靠性为中心的维修( r c m r e l i a b i l i t y c e n t e r e dm a i n t e n a n c e ) 。其维修思想源于美国航空业对飞机维修方式的反思和 探索。早在6 0 年代，由于波音7 4 7 的产生，这种技术先进的飞机给维修体制提出了严 峻的考验。如果还是依照传统的维修体制，高额的维修费用将使用户没有利润可言。这 就促使航空公司努力去尝试新的检修策略，并在7 0 年代末形成了以可靠性为中心维修 策略。这种维修策略一改传统的定期维修那种只凭经验和推断以及上级规定来确定维修 浙江大学硕士学位论文r c m 和免疫算珐在变电设备状态检修中的应用 计划的模式，而根据可靠性评价的结果和保持设备功能的需要来确定维修计划，这就较 好的避免了维修不足和维修过度问题，不仅控制了维修费用，而且还有效的提高了设备 的可用率和可靠性，使传统的只考虑“要做那些维修工作”的思想拓展成为进一步考虑 “为什么和是否需要做这些维修工作? ”。电力工业从1 9 8 3 年开始研究r c m ，并于1 9 8 4 年由美国电力研究院( e p r i ) 将其用于核电厂的检修。到1 9 9 7 年，在美国排名前1 0 0 0 家 的大公司中，己有6 8 的公司采用r c m 的检修策略。 检修策略的发展过程见图1 1 。从检修策略发展的历史重，我们可以清楚的看到设 备检修策略是随着生产力的发展、科学技术的进步而不断演变的。它很大程度上反映出 生产力发展水平和技术管理水平的高低。 1 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0 图l - 1 检修策略的发展过程 1 2 4 我国设备状态检修应用现状 我国电力企业于上世纪8 0 年代末开始试行状态检修的探讨，1 9 9 0 年以后有少数电 力企业开始应用，特别是绝缘在线监测技术的探讨，作了较深入的研究，同时一些在线 监测状态仪器在实践中获得应用，积累了一些经验。文献【8 】指出大连电业局是较早进行 状态检修的少数试点企业之一，他们于1 9 9 2 年试点应用，在1 9 9 4 年正式修订了供电 设备状态维修规定。绍兴电力局在学习、借鉴国内外同行先进检修方式的同时，从1 9 9 5 年开始开展状态检修的应用研究工作，经过多年的实践，积累了较好的经验，取得了较 显著的效果。 大连电业局等单位对设备状态的掌握主要是依靠常规的预防性测试手段及以此为 基础的数理统计分析方法，结合一些在线监测技术给出设备的当前健康状态和未来发展 趋势，为检修策略运用提供完备的信息准备和科学的理论支持。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设各状态检修中的应用 1 3 当前存在的问题 状态检修是一种以设备状态监测和故障诊断为基础、以预测设备状态发展趋势为依 据的检修方式，它根据对设备的日常检查、定期重点检查、在线状态监钡4 和故障诊断所 提供的信息，经过分析处理，判断设备的状况与发展趋势，并在设备故障发生前及性能 降低到不允许的极限前有计划的安排检修。目前国内就如何正确开展变电设备状态检修 各方做法不一，主要表现在设备健康状态评价缺乏统一的分析诊断模型，仅仅依靠常规 的预防性试验项目的判断标准比较，和以此为基础的简单的数理统计分析方法；各专业 技术人员测试分析缺乏横向联系，难以形成跨专业的统一分析模型；缺乏对设备检修总 体策略的研究，只注重于设备的状态和故障，没有从整个系统、设备的功能、故障后果 分析的角度分析设备的重要性，设备的检修策略过分强调安全运行这个中心，不关注经 济效益和维修成本。 1 4 本文的主要研究工作 本论文结合设备状态分析现状，引入以可靠性为中心的维修方法，在对变电设备进 行可靠性分析的基础上，综合考虑变电设备在电网中的重要性，决定变电设备的最佳检 修方式，以使检修管理更加科学，实现在提高设备可用率的同时，降低维修成本，提高 检修的经济效益的目标。 ( 1 ) 讨论状态信息采集及分类整理原则，设备性能指标的划分方法，建立状态量信息 与设备性能指标之间的关系。 ( 2 ) 进行免疫算法在变电设备故障诊断中的应用研究，建立基于抗原抗体对最小结合 能量的变压器油中溶解气体故障诊断模型。 ( 3 ) 变电设备状态分析模型应用研究。结合专家系统、免疫算法、模糊数学等方法， 从绝缘、导电、机械三大性能指标入手，量化地描述设备当前健康状态。 ( 4 ) 根据r c m 方法，对变电设备进行功能、故障、原因后果分析，并在其基础上应用 层次分析法实现变电设备重要度评价。 ( 5 ) 结合变电设备状态分析和重要度评价，利用基于可靠性的维修策略( r c m ) 模型， 确定设备的检修策略。 浙江大学硕士学位论文r c m 和免疫算法在变电设各状态检修中的应用 第二章状态信息分类 设备状态分析要求能全面地、准确地反映该设备现时的实际状态，要做到这点，首 先应当了解哪些状态量能对哪些设备性能指标分别产生多大的影响，某种意义上说，状 态分析实际上是对这些状态量的影响量作出分析。 2 1 设备状态量的确定 通常情况下，我们无法直接得到设备的状态模型，只能通过分析设备运行过程中表 现出的一些现象或对一些能反映设备状态的参数的测量来间接得出设备当前的状态。原 则上一切可以反映设备性能的数据都可以作为状态量，但实际确定状态量要考虑数据采 集是否方便以及状态量集合是否能全面准确地反映设备的性能指标。 作为状态量自身，可按重要程度或与设备性能指标的相关程度划分为关键状态量、 一般状态量、次要状态量等集合，不同重要等级的状态量赋予不同的权重系数及是否每 次均参加设备状态分析过程来区别。 状态量的数据来源和获驭方法可以多种多样，主要有常规性的预防性试验数据、在 线监测数据、运行情况等。 ( 1 ) 厂家的产品( 设备) 质量信息包括厂家的信誉、质量等级、设备出厂的时间、 出厂检验报告及有关质量存在的问题和记录等。产品质量直接影响设备安全性和可靠 性。 ( 2 ) 设备安装调试的各种记录、安装质量验评记录、交接试运行小结和有关质量 问题、缺陷记录。遗留的缺陷问题等对设备的安全运行一直是个隐患。 ( 3 ) 历次的预防性试验报告，历次检修( 大修) 记录和报告所记录问题和缺陷会 影响设备的日后运行。 ( 4 ) 在线监测数据，容性设备的泄漏电流、介质损耗、变压器油溶解气体在线检 测数据，特别是监测中的异常数据和参数变化率表明现在设备已有缺陷或潜在故障。 ( 5 ) 运行情况，设备运行参数是否已有越限或告警，是否出现过热、过载或过电 压损坏；设备巡视检查情况是否有异常声响、变色、振动以及闪烙放电、密封不良、泄 漏等；点检情况是否有异常及潜在故障发生；运行环境的变化，系统短路故障次数及大 小，雷电活动情况及设备表面污闪情况。 ( 6 ) 同类设备运行情况，特别是同一厂商、同一型号及同一批次的产品设备在其 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 他系统运行情况，尤其是在同一环境条件下同类设备，更可以作参考对象。 ( 7 ) 糠醛含量，变压器的老化是伴随着其固体绝缘的老化而发展起来的，糠醛含 量，文献【9 】指出主变固体绝缘的聚合度变化与主变运行年限之间的关系对于掌握设备当 前的老化程度和发展趋势将是十分有益的。 ( 8 3 红外测温，近年来，便携式远红外热像仪的应用取得了良好的效果，通过对 设备导体过流过热、导体连接部位以及充油设备运行状况( 如油温、油位、主变冷却循 环系统) 等进行运行状态监测，及时发现和预防了一批停电试验未能发现，而在过负荷 及老化发展过程中发生的严重危害设备正常运行的事故苗头。 ( 9 ) 变压器绕组变形测试，利用频率响应法为变压器建立绕组指纹档案，投产前 进行变压器的频响特性测试，今后如发生近区短路故障，由于动、热稳定性的影响，变 压器绕组的频响茴线将发生变化，通过与指纹档案的相关性比较可分析变压器绕组的变 形受损情况。 2 2 设备性能指标分类 反映电力系统设备性能的技术监督可以有多方面组成，如：绝缘监督、金属监督、 热工监督、化学监督、电测监督、继电保护监督、环保监督等。具体到不同的设备。技 术监督的含义会有所不同。如何确定反映设备状态的性能指标或参数是一个关键因素， 状态分析的前提是必须明确表征设备状态的性能指标和参数。即设备的性能将从多方面 去考察，对高压电力设备，如主变压器，可以从绝缘性能，导电性能和机械性能三方面 去评判该设备的状态。掌握了这三方面的性能指标，我们基本可以把握变电设各健康状 况的发展态势。 2 3 设备状态量与设备性能指标之间的关系 每一个状态量都或多或少地反映了设备性能的情况，如直流电阻反映了分接开关的 烧蚀情况；绝缘电阻、极化指数等反映了变压器的受潮情况；体积电阻、酸价、油介损 反映了油污染情况。分接开关的烧蚀、变压器的受潮、油污染等情况均是反映变压器性 能的一个方面。一个状态量也有可能会反映出多种设备性能，如变压器绕组变形测试可 能反映出绝缘、导电、机械三方面的性能。把这种反映情况抽象出来，就是隶属度的概 念。对于每个状态量都应相应确定它对不同设各不同性能指标的隶属度。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 通过状态量重要程度及相应性能指标的隶属关系的确立，可以产生如表2 1 所示的 状态量号陛能指标之间的关系表： 表2 1 状态量与性能指标关系表 影响绝缘性影响导电性影响机械性 编号状态量名称 能隶属度能隶属度能隶属度 1绝缘电阻 loo 2气相色谱 10 0 3绕组变形测试 o t 3 o 3o 4 2 4 设备状态分值表示 传统意义上的设备状态判别是依据各级检修试验规程、标准中所规定的合格与否的 标准进行界定，设备的各个专业的检修试验数据在规程、标准规定的合格阀值范围内， 就判定该设备状态良好；反之，则认为该设备状态不良。这种简单的合格不合格判断 法把设备的一些重要特征信息完全淹没在标准阀值中了，使人们忽视这些重要特征信 息，因此不能准确地判断出设备的状态。譬如当前设备的各个专业的检修试验数据虽然 在规程、标准规定的合格阀值范围内，但已接近不合格的阀值范围，按照简单的合格 不合格判断法，该设备状态良好，但实际上该设备已处于亚良好状态或是要引起注意的 状态。因此本文提出对设备状态采用评分制的方法，通过三大性能指标为设备状态打分。 评分方法采用百分制，1 0 0 分则表示所有预试数据均远离注意值或与优质产品的出厂值 相近，且既没有经历不良工况，又没有家族质量缺陷史，即设备完全处于良好状态，无 需维护。其他情形的状态评分介于0 分与1 0 0 分之间。 表2 2 设备状态评分标准表 i 评分o 2 0 2 1 4 04 l 6 06 1 8 58 6 1 0 0 f 状态不良注意一般较好良好 采用状态评分可以打破以往只有合格或超标两种状态，满足了状态检修对设备状态 进行更细分的要求，摆脱了在维修活动之前试图诊断设备具体缺陷的陷阱。虽然根据目 前的技术水平不能妄言9 9 分设备的状态一定比9 8 分的要好，但只要评分原则合理、程 序明确、操作简单、结果唯一性好，状态评分不失为一个好的指导状态检修的依据。 浙江大学硕士学位论文r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 2 5 本章小结 充分做好前期准备工作是科学稳妥开展变电设备状态检修的首要环节，本章讨论了 设备状态量信息的采集、设备性能指标的划分。状态量来源主要有常规性的预防性试验 数据、在线监测数据、运行情况等，状态量可以按照重要等级划分为关键状态量、一般 状态量、次要状态量等集合，重要等级将以权重体现影响设备总体健康状况的程度；设 备健康状况打破了传统高压、检修、油务等单一专业合格与否的评价结果，统- - n 绝缘、 导电、机械三大性能指标的评价结果上来，通过三大性能指标为设备健康等级打分，将 健康状态分成良好、较好、一般、注意、不良五种状态，有利于量化把握设备当前健康 状况和未来发展趋势。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设各状态检修中的应用 3 1 引言 第三章免疫算法在设备故障诊断中的应用 故障诊断是开展输变电设备状态检修的核心环节之一，由于电力设备故障原因、故 障现象与故障机理间存在着随机性和模糊性的十分复杂的不确定关系，此外，在故障诊 断过程中，已知的故障参数有限，有时甚至很不全面，这些情况会导致某些故障分类的 不确定。传统诊断分析方法仍存在许多值得改进与完善的地方。以主变压器为例，其作 为核心设备，如何及时发现早期潜伏性故障，提高诊断预控水平成为输变电设备维护管 理中普遍关注的焦点问题。油中溶解气体分析( d o a ) 技术是目前油浸式变压器故障诊断 中晟方便、有效的手段之一，能够较为灵敏地反映主变内部故障的发展。d g a 故障类 别分析目前一般沿用i e c 三比值法及相关改良比值澍1 0 】f 1 】等经典方法加以判别，但上 述经典模型在工程实际使用中仍暴露出编码不全、编码边界过于绝对等弊端，离开专家 经验，往往会出现漏判和误判。 国内外许多学者采用了不同的方法，如模糊数学、1 1 3 人工神经网络【1 4 1 、 1 5 1 6 1 、专 家系统【1 7 l 、灰色算法【1 8 1 9 1 等对电力设备进行故障诊断。基于生物免疫机理发展的人工 免疫系统口o 】通过学习自然防御机理，可提供无教师学习、自组织、能明晰地表达学习的 知识，同时还具有分布式并行处理、鲁棒性和解决复杂问题的优势，可为故障诊断领域 提供一种新的诊断方法，解决其它方法解决不好或难以解决的某些问题。免疫算法有三 个研究分枝，其一是模仿免疫系统抗体和抗原识别、结合，抗体产生过程而抽象出来的 免疫算法，基于这种免疫系统中最基本的免疫机制的算法目前应用较多；其二是基于免 疫系统中其他特殊机制抽象的算法，比如基于克隆选择原理的克隆选择算法等。其三是 与遗传算法等其他计算智能融合产生的新算法，目前主要是免疫遗传算法。本章在分析 免疫系统抗原和抗体互识别机理及形式模式的基础上，以变压器油中溶解气体( h 2 、 c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c o ) 作为抗原，局部放电或受潮、低能量放电、高能量 放电、低温过热( 7 0 0 。c ) 六种故障 模式作为抗体，结合矩阵奇异值分解，研究了基于抗原抗体互识别机理的故障诊断方法， 实现了设备故障快速诊断。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 3 2 免疫算法原理 免疫算法【2 1 】的思想来自模拟人体的免疫系统。免疫系统是人体抵抗细菌、病毒和其 它致病因子入侵的基本防御系统。免疫系统通过一套复杂的机制来重组基因，以产生抗 体对付入侵的抗原，达到消灭抗原的目的。为了有效地提供防御功能，免疫系统必须进 行模式识别，把自身的分子和细胞与抗原区分开来。 3 2 1 免疫反应机理 生物免疫系统主要由b 细胞组成( 另外还有t 细胞和免疫分子) ，如图3 ! 所示， a g 是外部入侵抗原，符号m 、t 、b 、b m 分别表示吞噬细胞、t 细胞、b 细胞和记忆 b 细胞，i g 表示b 细胞生成的抗体分子，箭头表示后一个细胞刺激前一个细胞的活化 并前向传递信息或产生相应的细胞分子。免疫系统通过对外部环境抗原输入信息的采集 与识别i 捌自组织地连接相应免疫细胞，并通过b 细胞生成的抗体分子来反映免疫系统 的输出。在整个免疫系统调节过程中，各细胞之间的相互作用关系是通过亲和度进行联 系的。 图3 1 免疫系统示意图 图3 ，1 中细胞之间的作用解释如下：b m 细胞和m 细胞作为接收器接收输入信息抗 原，能对输入信息进行必要的前期处理；t 细胞作为决策控制器对输入信息和特征进行 识别、判断和决策，能给出相应的决策控制信息和命令；b 细胞作为综合数据处理器对 输入信息和决策信息进行综合，能给出适合输入抗原的输出抗体信息。 整个免疫系统通过识别抗原类型，括化、分化、增殖抗体来产生不同的抗体，并通 过抗体和抗原的结合，使抗原最终得以清除。有机体内的免疫系统能够识别“自己”和 “非己”，使自身分化激活并最终清除抗原的过程称为免疫反应或免疫应答。 免疫系统产生的抗体和识别的抗原之间的匹配程度可以用抗体和抗原的结合能量 1 0 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设各状态检修中的应用 来表示，二者匹配程度越好，抗原与抗体的亲和力就越大，所需的结合能量就越小。 3 2 2 抗原和抗体结合的形式模型 w = 一1 。m v ( 3 1 ) 式中：、y 表示一个抗原和一个抗体结合对，且p 、v 为单位向量( 即：t 。2 1 v t y = 1 ) ，其维数分别为胛一和m ，m 为抗原卢和抗体v 的结合矩阵，缈表示抗原和 抗体之间的结合能量。虽然各种抗原抗体对都可以结合，但只有具有最低结合能量的抗 原抗体对才有最稳定的结合。 3 2 3 矩阵奇异值分解与形式模式的关系 矩阵奇异值分解 2 3 】有以下定义： 若m r ，则存在正交矩阵，即： u = 7 i 甜2 ，删。】cr ( 3 2 ) v = 【v 】，v 。，v 。】cr ( 3 3 ) 使得 m = j i “l v i + 5 2 “2 v ；+ + j ，v j ( 3 4 ) 式中，5 一为矩阵m 的奇异值， ，和v i 分别为矩阵的左右奇异向量，r 为矩阵的 秩。 矩阵奇异值分解具有以下特性： sls2s，0；(35) “，t ，= 1 ；v r , v ，= 1 ( f = 1 ，2 ，r ) ， ( 3 6 ) u t u ，= o ；v f v = 0 ( f )( 3 ，7 ) 由矩阵的奇异值分解性质可知，5 - 远大于其它的奇异值，如果把“t 和7r 看作抗 原抗体对，由式( 3 1 ) 可知，抗原抗体对通过矩阵竹的结合能量可由下式表示： 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 w i2 一“。m v 如果用矩阵m 的各分解项去近似该矩阵，则可得到以下公式： m 兰s f “。v ； 一s ：= 吲：m v ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1o ) t k 较式( 3 8 ) 和式( 3 1 0 ) 可知，一s i 即为“和”一的结合能量。由式( 3 5 ) 可知，对所有的 抗原抗体对，通过结合矩阵m ，只有“1 和”才具有最低结合能量，很显然下式成立： w 。= 一“i m y l ( 3 ) w 。w 0 ，v l v “，v ：u t “= 1 2 1 v = 1 另外，由文献可知：矩阵m 只与自身的抗原抗体对才具有最低结合能量，而与其 它矩阵的抗原抗体对的结合能量都大于该最低结合能量。 3 3 故障诊断方法 由于变压器油中溶解气体分析( d g a ) 样本丰富齐全，本文以变压器故障诊断为 例，将免疫算法应用于变压器的故障诊断。具体步骤如下： 步骤1 求取故障模式平均向量 对应局部放电或受潮、低能量放电、高能量放电、低温过热( 7 0 0 。c ) 六种故障模式，对每种故障模式的故障样本分 别求取平均向量。 每种故障模式样本为： x f = b 妒x 归，x 咖) ( 3 1 2 ) 式中，i = 1 ，2 ，6 分别对应六种故障模式； j = 1 ，2 ，q 表示每种故障模式的故障样本数量； 月= 6 故障样本维数，分别对应h 2 、c h 4 、c z h 6 、c 2 h a 、c z h 2 、c o 六种特 征气体组分含量。 对于每种故障模式样本，通过以下方法求取故障模式平均向量： 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 互：f 壶x , j j q , 妻砀，妻1 (313)qqq1 3 ) 互= i x ，：i ( 3 j = 1，i产1， 步骤2 折叠成故障模式矩阵 把每类故障模式平均向量折叠成3 行3 列的故障模式矩阵肘t ，m z ，m 6 。当故障 模式平均向量的维数不能分解成两个整数相乘时，可用故障模式平均向量最后补零的方 式增加向量维数，使其能进行分解。 步骤3 矩阵奇异值分解( 样本学习和训练) 对于每种故障模式矩阵m t ，m 2 ，眠，通过奇异值分解，求出每类故障模式的抗 原抗体对： 0 ，匕；】0 ：，v ：，) ，0 。，v 。，) ( 3 1 4 ) 经过故障样本的学习和训练，以上抗原抗体对产生了对各种故障模式的记忆 步骤4 故障诊断 把待诊断的样本以同样的方式折叠成与故障模式矩阵具有相同维数的模式矩阵 m + ，然后通过m + 与所训练的各抗原抗体对“n 和7 儿干目结合，求出结合能量，即： w l = 一“：m + v j l ( 3 1 5 ) 则m 属于结合能量最小的抗原抗体对所决定的故障模式。 3 4 故障实例分析 根据上述模型及方法，用2 0 0 0 5 2 0 0 3 4 月间浙江电力技术监督月报中变压器 d g a 异常状况的典型例子来证明该方法的有效性。本模型同时结合经典i e c 三比值法 进行辅助验证，结果表明基于免疫算法的故障诊断能较为有效地弥补传统比值出现的编 码不全，编码边界过于绝对的弊端，表现了较强的泛化能力，它已逐步成为传统比值分 析方法的有力补充。表3 2 列举了一些比较典型的故障诊断案例。 表3 2 免疫算法诊断结果及与传统法的比较 免疫算 故障情况h 2 c h d c 。 1 6c 2 h 4c 2 h 2 c o 三比值法 法 主变油泵 2 4 1 76 11 24o6 1 7 5超出编码局部放 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 迸水受潮范围无法电或受 判断潮 主变铁芯 高于7 0 0 多点接地高温过 4 29 71 5 76 0 00 2 1 3 高温热 ( 高温过 执 故障 热) 主变散热 高于7 0 0 器未开启高温过 4 45 1 91 51 1 8 90 66 6 4高温热 ( 高温过 孰 故障 热) 主变匝间 超出编码 短路。( 高高温过 3 2 43 4 57 4 89 9 61 7 71 4 3范围无法 温过热及 孰 判断 电弧放电) 主变3 5 k v 套管内接高于7 0 0 高温过 头发热，接 4 27 9 43 0 51 5 2 40 65 5 5高温热故 热 触不良( 高障 温过热) 主变分接 开关带负高能量放高能量 2 5 6 34 0 93 31 2 0 36 3 35 6 5 1 荷切换( 高电放电 能量放电) 3 5 本章小结 本文运用免疫算法对变压器故障诊断进行了研究，提出了利用抗原抗体对结合能量 的方法来诊断变压器故障，根据最小结合能量原则能确定变压器的故障类型。 在实例诊断过程中，发现对于一些较难判断的故障用该方法也具有较好的准确性， 故障诊断的精度高于传统分析方法，表明其在非线性故障模式识别具有特殊的优越性。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 由于样本限制，本模型只进行了变压器油中溶解气体的故障诊断，但该算法表明， 只要能获得其它变电设备典型的故障案例，则该算法在其它变电设备相关故障诊断中必 然有良好的应用前景。 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 4 1 引言 第四章状态分析模型 目前，国内电气设备状态维修己酝酿了十余年，但至今仍处在探索尝试范围中。对 于状态维修的定义和如何开展，仁者见仁，智者见智，其中重要的表现就在于国内尚缺 乏指导电力企业正确开展变电设备状态分析模型，导致人为化地开展状态检修。有些人 把状态维修简单化，认为延长设备预试和检修周期就是状态维修，或者认为状态维修就 是在线监测，这两种极端均制约了状态维修的开展。文献【2 4 阐述了当前建立电气设备状 态维修原则框架及统一分析模型的迫切性和重要性。本章将重点讨论设备状态分析模型 的研究。 4 2 状态检修应用导则的建立 状态检修应用导则是正确开展状态检修的理论指导，传统电气设备预防性试验规 程( 以下简称预试规程) 是目前我国电力行业设备维护的指导性文件，已对我国电 网的安全运行发挥了积极的作用。预防性试验所确定的原则仍然是导则中的是重要依据 之一，但规程仍存在以下几方面的不足：绝大多数预试项目的判断标准是静态的，一般 给出一个阈值( 或注意值) ，其中个别项目的阈值还有待完善，如避雷器阻性电流及主变 压器油中氢气含量的注意值等；预试数据分类偏于简单化，仅有合格、超标( 不合格) 两 种状态，没有更细致的评价相对优劣的方法；预试周期有较大的弹性范围( 事实上也是 为状态维修考虑) ，但没有给出相应的选择依据；没有考虑不良工况对预试或检修周期 的影响，如断路器开断短路电流的幅僮、次数，变压器出口或近区短路等：没有考虑设 备缺陷( 包括自身和同类设备) 对预试或检修周期的影响；未能及时考虑1 9 9 7 年之后发 展的一些新的试验手段，如变压器绕组变形、红外检测等：没有考虑在线监测技术的应 用；未仔细考虑地域差异等。 作为一个指导设备维护的标准文件，状态检修应用导则首先应是可操作的，因为模 糊的、概念化的条文使决策的压力落到标准执行者身上，最终可能会导致本身无法贯彻 执行。此外导则还必须考虑地域的差异，包括地理环境、供电网络环境等差异，即导则 要为本地化留有空间。因此导则应具有统一的原则和程序，但贯穿导则的量化指标应既 有缺省值，又可以本地化。近年来，本企业为了迸一步开展状态检修探索实践，加强了 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 变电设备状态检修导则的制定，导则引用相关预防性试验标准，结合绍兴电力局设备管 理的实践，从状态量等级定义、状态信息量的采集方法与要求、主要状态量及分类标准、 异常状态信息量的处理程序和原则入手，建立了一套较为系统完整的，可以规范和量化 指导变电设备状态检修的指导性文件，为进一步开展状态评估模型的研究提供了有力的 理论支持。如油浸式电力变压器异常状态量及区分标准如表4 1 所示。 表4 1 异常状态量及区分标准 序号状态量信息来源紧急缺陷状态重要缺陷状态一般缺陷状态 运行人员大量漏油喷油； 套管漏油，但非碎裂；套 1漏油管闪络烧损；其它部位严渗油 通知套管碎裂漏油 重漏油 热红外测天雨时搭头冒 有断股、发红，地上熔天雨时搭头处冒热气严 得； 热气，红外测 3搭头过热料发现；重：温度1 0 0 1 5 0 ；目 值班员通 定互比高出 温度超过1 5 0 。c视认定过热 知2 0 k 因故障停掉冷却器； 冷却电源全停；油泵有异声；油泵振动较 运行人员 因故障停掉冷却器1 2上层油温告警发信；大： 强油循环通知： 4及以上，致使上层油温油泵烧坏；风机有异声及 不良检修人员 9 5 以上；风机因故障停掉1 4 及以部分停掉： 巡视发现 油泵负压吸气上：低压电器不良 冷却系统电器烧坏 经受严重短路时喷油，轻瓦斯动 经受多次大短路电流后， 出口短路局信息系作，电气和油务测定数 5电气和油检测数据出现异 或多次近统据异常；承受出口短路 常 区短路后，经综合分析需要时 通过短路电流后直阻直阻、变比、阻抗变化大，介损比前一次 电气检测超标，变比超标，阻抗绝缘低下；介损超标并比明显增加，绝 6信息系统 数据异常超标，频谱判定变形，上一次明显增加，电容量缘电阻低于下 绝缘严重低下，切换开变化较大；自动分析信息限，直阻变化 浙江大学硕士学位论文 r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 关波形和切换角严重系统发出告警信号接近标准 异常，低压阻抗法判定 变形 气相色谱分析 气相色谱分析结果显示有 油务测试气相色谱分析乙炔严显示有一般故 7信息系统重大故障，信息系统自动 异常重超过注意值障，油质检测 分析告警 显示超标准 巡视发现；保护电气距离 防雷设旆损坏、不良； 防雷保护保护距离超标， 8防雷设施试验不合格； 不良验算；接地体严重锈 保护电气距离严重超标 信息系统蚀 4 3 状态分析模型的建立 设备状态分析的过程是通过对设备状态量的检测结果及故障征兆集合，结合规程标 准及工程实际经验加以诊断判别，最终得出评价结果并给出相应的处理方案。状态检修 分析过程基本需要借鉴专家系统的解决方案。 4 3 1 专家系统概述 专家系统( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系 统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平和知识与经验，能够运用人类专家的 知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复 杂问题。 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的应用领域之一。自从1 9 6 5 年第一 个专家系统d e n d r a l 在美国斯坦福大学问世以来，各种专家系统己遍布各个专业领 域，取得很大的成功。 1 9 8 3 年，h a y e r r o t h 等人根据专家系统处理的问题类型，把专家系统分为以下l o 种： 1 ) 解释型。解释型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析，解释这些信 浙江大学硕士学位论文r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 息和数据的实际含义。典型的解释型专家系统有信号理解和化学结构解释等专 家系统。 2 ) 诊断型。诊断型专家系统的任务是根据输入信息找出处理对象中存在的故障。 主要在电力电子、医疗、机械等领域的各种诊断专家系统。 3 1 调试型。调试型专家系统的任务是给出已确认故障的排除方案。主要有电子设 备和机械设备的计算机辅助调试专家系统。 4 ) 维修型。维修型专家系统的任务是制定并实施纠正某类故障的规划。 5 ) 教育型。教育型专家系统的任务是根据学生的学习特点，把需要学习的知识以 适当的教学方法和教案组织起来，用于对学生进行教育和辅导、诊断和处理学 习过程中的错误。 6 1 预测型。预测型专家系统的任务是根据处理对象过去和现在的情况分析及推测 未来的演变和发展。典型的应用有天气预报、财政预报、经济发展预报、人口 预测、交通预测等。 7 1 规划型。规划型专家系统的任务是寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或 步骤，规划型专家系统可用于机器人动作规划、交通运输调度、工程项目论证 与规划、通信及军事指挥以及生产作业规划等。 8 1 设计型。设计型专家系统的任务是根据给定的要求形成所需要的方案或图形描 述。典型的应用有电路设计和机械设计。 9 1 监测型。监测型专家系统主要用于完成实时监控任务，对系统、对象或过程的 行为进行不问断监测，把监测到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现 异常情况，发出警报。典型的应用有空中交通管制监测和核电站安全监测等。 l o ) 控制型。控制型专家系统的任务是适应地管理一个受控兑现或客体的全部行 为，使之满足预期要求，通常用于实时控制型任务。 实际上，上述1 0 种任务之间往往相互关联，有些专家系统通常要求完成具有集中 类型的任务。专家系统一般的系统结构框图如图4 1 所示。 浙江大学硕士学位论文r c m 和免疫算法在变电设备状态检修中的应用 1人机接口j lj 气产气产 2r 、 l l 知识获取ll 推理机l l 孵释器l 百t 夕 in l知识库全局数据库 图4 1 专家系统结构 ( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 。知识库以某种存储结构存储领域专家的知识，包括 事实和可行的操作与规则。 ( 2 ) 全局数据库( g l o b a ld a t a b a s e ) 亦称为总数据库，它用于存储求解问题的初始数据 和推理过程中得到的中间数据。 ( 3 ) 推理机( r e a s i o nm a c h i n e ) 根据全局数据库当前内容，从知识库中选择可以匹配 的规则，并通过执行规则来修改数据库中的内容，再通过推理导出问题的讨论。 推理机中包含从知识库中选择规则的策略和当有多少个可用规则时如何消解规 则冲突的策略。 ( 4 ) 解释器( e x p o s i t o r ) 用于向用户解释专家系统的行为，包括解释“系统是怎样得出 这一结论的”、“系统为什么要提出这样的问题来询问用户”等用户需要解释的问 题。 ( 5 ) 人机接t ( i n e r f a c e )