（电力系统及其自动化专业论文）基于故障树的变电设备故障诊断专家系统.pdf

声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：越壁4 生 日 期：2 竺! 圭! 堡! 1 9 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力的发展是国民经济持续发展的基础。随着现代社会的发展，对能源的巨大 需求促进了电力工业的飞速发展，使得电力系统向大容量、超高压和跨区域方向发 展。然而，随着系统容量的增大和电力网规模的扩大，电力设备故障给人们的生产 和现代化生活所带来的影响越来越大，电力用户对系统的安全运行和可靠供电也提 出了越来越高的要求 变电站是电力系统的重要组成部分，是发电厂与电力用户之问输送电能与分配 电能的中间环节，它担负着变电的重要任务。变电站设备发生故障时，为了减少停 电带来的损失，要求运行维护人员能够迅速准确地判别故障元件与故障性质，维修 人员能够迅速到达现场，及时处理故障、在最短时间内恢复系统的正常运行【1 1 。 长期以来，电力行业采用定期维修和绝缘预防性试验制度，其特点是以单纯的 时间周期为基础，依据规程、规范和制度编制计划，安排设备维修。这种维修方法 是不管设备实际状况的差异。由此产生了过剩维修和维修不足双重局限【2 1 。因而，为 了对变电设备做出及时的故障诊断，更好的保障设备的正常运行，出现了一种新的 维修策略，即状态维修策略( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 采用科学合理的状 态维修方式是一个具有旺盛生命力和发展前景的方向。所谓状态维修就是根据设备 的运行状态和健康状况而执行检修的预知性作业。无论对设备运行部门还是对生产 厂商，状态维修的实施都具有重要的经济意义。但要实现状态维修，其前提条件有 赖于完善的设备状态监测和故障诊断技术的发展和普及。 在现场设备的故障诊断中，专业人员的经验和所掌握的专业知识对快速诊断故 障起决定性的作用，但随着电力系统复杂化和自动化提高，一旦发生故障仅靠一、 两位技术人员或者专家往往难以很快发现并解决问题，并且由于人是一个复杂的生 理机体，电力企业在生产过程中，人为差错也时有发生，这些都给迅速恢复系统正 常运行增加了难度因此十分有必要建立集多专家知识于一体的故障诊断系统，以 节省人力，降低成本。同时，专家系统完整的专家知识库中的知识也为培训现场运 行技术人员提供了方便。近年来研究工作者一直致力于开发先进、准确、高效的自 动故障诊断系统。 本论文开发的基于故障树的变电设备故障诊断专家系统希望实现故障诊断和故 障分析等诊断功能，同时通过故障树的引入，描述故障闯的因果关系，查出故障失 华北电力大学硕士学位论文 效源和发展趋势。更好的为现场服务，提高变电工作人员的工作效率和专业技术水 平，提高系统的供电可靠性。论文工作也将会是以后开发的变电设备状态诊断专家 系统的基础。 1 2 变电设备故障诊断现状 对于大多数变电设备绝缘故障，是有可能通过对进行认真的日常检查以发现一 些异常现象，进而在故障的初期阶段即采取相应的措施来减小故障损失的【3 1 。所以， 对电力设备进行目视、触摸、监听等日常检查是实施故障检测与诊断的第一步，但 是仅依靠日常检查的结果来进行绝缘故障的诊断还面临一些困难，这时就只有通过 对变电设备进行常规的预防性试验以及时发现其内部的绝缘故障。目前常规的预防 性试验项目主要有电气试验、绝缘油试验以及油中溶解气体分析等1 4 】，通过对试验结 果的综合分析，即可对故障的部位与严重程度做出一定的预测，这对于顺利地进行 故障检查与修理并使其恢复原状是很有帮助的。 结合人工智能的故障诊断方法，由于既可以吸收多位专家的专业知识，形成完 善的知识库，有助于诊断知识的积累和扩充；又可以大大减少人力，提高诊断的准 确率，所以具有非常广阔的发展前景。专家系统是人工智能所有分之中最为活跃、 最少争议、最具实用和最富成果的分支，目前，专家系统已经逐步在电力系统中开 始得到应用，主要应用领域包括电力系统规划、控制、诊断、调度、管理等方面。 1 2 1 电气试验和绝缘油溶解气体分析在电力设备故障诊断中的应用 常规预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是电力设备绝 缘监督的主要依据1 5 】。因此，目前常用的设备绝缘故障诊断方法基本上都是以预防性 试验的结果为数据来源进行故障诊断的，如电力设备预防性试验规程中通过规 定一些电气试验结果的界限值以判断电力设备是否异常、国际电工委员会 ( i n t e r n a t i o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 推荐的基于油中溶解气 体分析结果的“三比值”法等【量6 j 进行变压器故障分析。但是这些方法对于故障诊断 过程中经常遇到的模糊性问题却往往难以处理，并且对于不同的电力设备、不同电 压等级、不同绝缘结构的电力设备采用统一的判断标准进行故障诊断也是有待商榷 的。 1 2 i 1 电气试验在电力设备故障诊断的应用 变电设备绝缘电阻试验很早就开始实施，而其它的试验项目大多是在五十年代 初期研究发展起来的【引。长期运行过程积累起来的经验表明：电气试验的结果对设备 故障部位的确定往往具有较好的效果，如变压器绕组直流电阻的测试结果就有助于 2 华北电力大学硕士学位论文 对分接开关及引线接触不良故障进行定位p j 。 试验项目是对前人多年工作的总结，曾在确保电力设备安全运行过程中发挥过 不少积极的作用，但近年来的实践表明，它们也存在一些不足，这主要表现在电气 试验所测的绝缘参数往往反映的是整体绝缘性能，而对于局部性缺陷灵敏度不够； 并且在停电后进行的某些非破坏性电气试验时，按现行规程规定所加交流电压一般 不能超过i o k v ，而这种条件下测得的绝缘状况并不能完全反映出真实的工作电压下 设备的绝缘状况1 5 j 。 因此，如能利用运行电压对设备进行检测，就能够真实地反映出工作电压下设 备的绝缘状况；并且在线检测的实现也有助于实时观测被测量的变化趋势，这将会 给及时诊断缺陷、确保设备的安全运行带来帮助。但是并不能认为将所有的停电试 验项目均改为在线检测就可以万无一失，因为现有的电气试验并不能全面、真实地 反映出设备的绝缘状况，而且一些试验项目也很难实现在线检测，所以继续研究新 的预防性试验参数也是势在必行嗍。 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 理论的出现及其在故障诊断 中的成功应用，为电气试验诊断技术的发展开拓了新的途径。例如，当利用电气试 验试验的结果进行故障诊断时，通常是给出一个判定的边界，并以此边界作为确定 设备是否存在异常的标准。但实践应用中，电力设备的故障诊断过程中经常会遇到 模糊性问题。文献 9 分别对变压器的绝缘电阻、吸收比以及进行模糊化处理，较 好地解决了故障诊断过程中的模糊性问题，然后考虑到一种试验的结果往往难以全 面反映出设备的绝缘状况，因此引入模糊综合评判的思想，以综合考虑绝缘电阻、 吸收比以及的结果来判断变压器是否进水受潮，取得了满意的效果；而文献 1 0 则 引入了模糊关系方程的概念，先建立变压器各项试验结果与故障原因间的模糊关系 矩阵，然后确定出已有试验结果的模糊隶属度值，再通过求解模糊关系方程的方法 诊断故障原因，也是一种新的智能化诊断思路。 1 2 1 2 油溶解气体在充油设备故障诊断的应用 油溶解气体分析是对充油电力设备进行故障诊断的基本方法目前在电力系统 中运行的电力变压器和互感器主要采用的是油一纸绝缘结构，在电应力及热应力的 联合作用下，绝缘油、绝缘纸和纸板等绝缘材料将会逐渐老化、分解而产生各种气 体。这些气体在某种程度上将溶解于绝缘油中，若使用i e c 5 6 7 号出版物所述的方法 【1 1 】，即可从油样中分离出这些溶解气体，并可进一步利用色谱分析技术对其进行定 量测试。当充油电力设备内部发生故障时，油中溶解的各气体成分及其相对含量取 决于故障处能量的释放形式及故障的严重程度，因此根据色谱分析的结果即可对故 障的类型及严重程度进行诊断。 由上小结介绍知道，常规电气试验虽然能有效地检测和监视其内部故障，但是 华北电力大学硕士学位论文 由于受到诸多条件的限制，对于发现局部缺陷以及运行中早期潜伏性故障，如铁心 局部过热，较低能量放电等就不够灵敏。而油中溶解气体分析能够在无需停电的情 况下进行，而且不受外界电场和磁场因素的影响，并且具有较高的灵敏度。目前， 它已成为电力系统诊断充油电气设备早期潜伏性故障的重要方法。油中溶解气体分 析( d i s s o l v e dg a s e sa n a l y s i s ，简称d g a ) 作为目前电力系统对油浸电力设备常规使 用的重要检测手段之一，并且由于它可以在现场对运行设备随时进行检测，因此也 有助于促进从定期维修制到状态维修制的转变。 虽然d g a 在充油设备的故障诊断中发挥了重要作用，但是该方法在应用中存在 不少问题【1 2 1 ： ( 1 ) 由于油中溶解气体的累积效应和取样分析时的误差影响，目前常规的d g a 诊 断方法很难在溶解气体含量较小的情况下对故障进行分析，只有当某些特征气体含 量超过“注意值”时，根据d g a 结果的判断才被认为是有意义的。 ( 2 ) d g a 技术与负荷、温度、油中的含水量、油的保护系统和循环系统，以及取 样和测试的许多可变因素有关。因此，在判断设备是否存在故障及故障的严重程度 时，要根据电力设备运行的历史状况和变压器的结构特点及外部环境等因素进行综 合判断。 ( 3 ) 比值所定义的分类方法主要是基于人们的判断，而没有对d g a 数据做系统的 研究。 ( 4 ) 目前大部分研究者在根据d g a 结果判断设备故障类型方面，仍主要局限于i e c 三比值法的分析思想，仅从分析故障点的物理特性出发，最终的判断结果实际上仅 能给出故障所表现出来的征兆( 如过热或放电) ，对维修策略的制定缺乏指导意义。 本文的三比值诊断分析工作中，将会针对表现的征兆( 过热或放电) ，给出具体编码 下所对应的具体故障模式，为设备的实际维修提供依据。 ( 5 ) 尽管1 9 9 9 年i e c 新的d g a 导则也取消了原有的编码方式，并修改了对典型 故障的分类方法，这样在提高准确度的同时，避免了比值编码边界的过于绝对化， 降低了判断结果中的不确定性。但是，三比值法推荐的故障性质及比值范围有限， 实践中仍出现查找不到相应比值范围而无法判断故障类型的现象。针对这一问题， 本文开发专家系统的后续工作中将会利用神经网络进行故障诊断。 鉴于电气试验与油中溶解气体分析在反映设备故障的灵敏程度方面各有不足之 处，所以如能结合两者的优点进行故障诊断，无疑将有助于提高故障诊断的质量， 而a i 技术在其中可以起到了桥梁的作用。文献 1 3 尝试利用模糊数学进行变压器故 障的综合诊断，先利用模糊关系方程建立故障诊断模型，模型的输入为故障原因， 输出为故障征兆，然后根据观测到的故障征兆对模糊关系方程求解即可得到故障原 因，其中故障征兆集合中包含了多项电气试验与油中溶解气体分析的结果。文献 1 4 4 华北电力大学硕士学位论文 介绍了一种在框架上集成概率理论的诊断模型，该诊断模型有利于对电力变压器在 多因素、多征兆、强干扰条件下的绝缘故障进行诊断推理，由于综合利用了电气试 验与油中溶解气体分析中包含的有效信息，所以具有较高的诊断可靠性和实用性。 由于综合诊断既充分考虑了油溶解气体分析在故障诊断中的作用，又很好地利 用了电气试验中的有效信息，因而是一个值得深入研究的发展方向。如何将两者的 信息进行更有效的综合，将是今后研究的重点。 1 2 2 基于人工智能的故障诊断 由上节所述可知道，智能故障诊断方法是目前十分活跃的研究课题之一，人工 智能的理论和方法，可以很好融入故障诊断领域；将维护人员关于故障诊断的经验 和知识加以系统化，形成知识库，将有利于故障诊断知识的积累和扩大。基于专家 系统、神经网络、模糊理论和粗糙集等技术的智能综合故障诊断方法目前在变电设 备的故障诊断中都有成功的应用。 1 2 2 i 基于人工神经网络的故障诊断 1 9 4 3 年，美国心理学家w a r r e nsm c c u l i o n 与数学家w a l t e rhp i t t s 合作，用逻辑的理论工具研究客观事件在形式神经网络中表述，从而开创了对神经 网络的理论研究。人工神经网络具有自组织、自学习的能力，能映射高度非线性的 输入输出关系。这是由于人工神经网络( a n n ) 本身就是简单的非线性函数的多次复 合，无需建立任何物理模型和人工干预，而故障诊断基本上就是在输入数据样本和 一个或多个故障状态之间建立联系的过程，a n n 的应用开发已经渗透到各个领域， 为知识工程师诊断变电设备故障开辟了新的途径。 国内外专家学者将神经网络应用于变电设备故障诊断，取得了很多成功的经验。 文献 1 5 通过对某电力公司大量试验数据的统计，建立起油中溶解各特征气体含量 及其比值的模糊隶属函数，克服了常规诊断方法中对特征气体含量注意值和i e c 三 比值法的标准过于绝对的缺陷；文献 1 6 通过对不同输入矢量的网络性能进行比较， 认为选取除二氧化碳以外的六种特征气体为好；文献 1 7 认为选择五种特征气体为 优，这虽减少了输入矢量的维数，但对网络的分类能力却也有所影响。 国内外研究表明：用神经网络进行故障诊断是一种很有前途的方法，尤其在那 些难以描述故障类型与故障信号之间的逻辑关系及无法对专家经验作明确表达的场 合。但神经网络诊断也有它的局限性：现有网络算法均存在不同程度的不足，这制 约了故障诊断准确度的提高，影响了它的应用程度；神经网络极易陷入局部极小点， 收敛速度较慢；神经网络自身自我完善的调度性能较差；神经网络不擅长处理启发 性知识；神经网络缺乏解释自身行为和输出结果的能力，而这对于故障诊断的决策 5 华北电力大学硕士学位论文 的可信度是必不可少的【1 引。 1 2 2 2 基于模糊理论的故障诊断 自1 9 6 5 年美国自动控制专家l a z a d e h 提出模糊集( f u z z ys e t s ) 理论以来， 模糊理论的理论与应用研究取得了许多重大进展。模糊理论是用精确的理论方法来 处理过去无法用经典理论描述的模糊事物，它能够解决经典理论所不能解决的在人 脑中大量存在的非确定性语义及模糊概念的问题。目前，模糊理论在自动控制、信 息处理、天气预报、地震研究、人工智能等方面得到了广泛的应用，显示了广阔的 应用前景i l ”。 在变电设备发生故障时，其故障现象、故障原因及故障机理之间存在大量的不 确定性和模糊性，用传统的精确数学理论难以描述其问的关系，因此，就很难诊断 出变压器的真实绝缘故障及其原因。由于模糊数学的特点正好能有效地解决其间的 模糊性和不确定性问题，因此，它为变电设备的故障诊断提供了一种较为有效的新 方法。近年来，国内外学者在上述研究领域发表了大量学术论文，其中主要有：缘 诊断领域并取得了一定的成果。文献 1 9 将模糊集理论运用到变压器的诊断中，运用 模糊关系矩阵来建立变压器的诊断模型，将故障现象和故障原因建立在矩阵中，通过 输入和输出关系来进行诊断：文献e 2 0 将模糊辨识应用于变压器的绝缘诊断中并在 模糊诊断模型中引入了最小二乘法，减少了人为因素对模型的干扰；文献 2 1 将模糊 集理论用于电气设备故障诊断专家系统中，对模糊集理论与专家系统相结合并应用 于电气设备的故障诊断作了有益的探索。 模糊数学作为一种处理不精确信息的有效工具，毫无疑问它将有助于提高诊断 系统的准确性和稳定性。然而，在模糊集理论中，由于隶属度的获取，复杂系统的 模糊模型的建立、辨识等理论和方法还不够完善，使该理论的应用受到了限制。从 目前情况来看，将模糊集理论与人工智能中的专家系统、神经网络等相结合不失为 解决这一困难的好方法【埔】。 1 2 ，2 3 基于粗糙集理论的故障诊断 粗糙集理论( r o u g ht h e o r y 。r h ) 是由波兰的z p a w l a k 教授于2 0 世纪8 0 年代 初提出的。它是一种刻画不完整性和不确定性的数学工具，能有效地分析和处理不 精确、不一致、不完整等各种不完备信息，通过发现数据间隐藏的关系，揭示潜在 的规律，从而提取有用的信息，简化信息的处理。为了对变电设备故障诊断过程中 大量的冗余特征进行压缩或约简，提高诊断的效率，国内外学者将粗糙集理论引入 到变电设备故障诊断中【强】。 文献 2 2 提出了一种变压器故障诊断专家系统知识库形成的粗糙集方法，以解 决专家系统较难获取完备知识的瓶颈问题该方法从历史故障数据所形成决策表的 6 华北电力大学硕士学位论文 约简出发，通过计算规则的粗糙隶属度、形成不同简化层次上符合置信度要求的节 点网络规则集，用变压器故障信息与知识库中相应节点的规则集进行匹配、即使在 气相色谱分析数据不完备的情况下，也能得到正确的诊断结果。还有如沈阳农业大 学开发的基于粗糙集变压器故障诊断专家系统，其基本思想是把观察或测量到的变 压器故障征兆作为对故障分类的条件属性，实际存在的故障作为决策属性，建立决策 表，化简决策表删除多余的属性后就可以得到故障诊断规则【2 3 1 。我们也应该看到粗糙 集方法的不足之处：粗糙集方法的诊断规则的获取取决于条件属性集下各种故障 情况训练样本集；当丢失或出错的信息不是关键信号时，不会影响诊断结果；然 而，当丢失或出错的信息是关键信号时，诊断结果将受到影响；当考虑发生多重 故障时，粗糙集方法将出现决策表十分庞大、甚至出现组合爆炸的情况【”l 。 i 2 2 4 基于专家系统的故障诊断 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能的一个重要分支，它产生于6 0 年代中期， 其发展速度相当惊人。它是种能够在一定程度上模拟人类专家经验及推理过程的 计算机程序系统；能根据用户提供的数据、信息或事实，运用系统中存贮的专家经 验或知识进行推理判断，最后给出结论及结论的可信度以供用户决策之用：能对某 一任务提出聪明的建议或智能的决策；还能判断自己的推理路线并以简明易懂的方 式告诉询问者，这样才能解决人类专家都很难解决的一些问题。由于故障诊断是生 产上一项经验性很强的工作，又往往缺乏数学模型，不易用常规软件来实现；另一 方面，这些任务的原始数据又较易从测量、运行规程和运行人员的经验中获得，而 且判断得出的结论数日或待定的原因有限，搜索空间相对较少，因此宜用专家系统 技术来实现m j 。 专家系统在电力设备故障诊断中已经有一些成功的实例。文献 2 5 利用产生式 规则，在电力设备故障诊断知识库的基础上实现电力设备故障诊断推理过程，实现 了电力设备故障诊断专家系统模型。文献 2 6 则开发了针对变压器油状态监测的专 家系统，实现了变压器油状态各部分模块的设计，既可以用于变压器油质变化状况 的判断，也可用于变压器的故障诊断，还可作为电厂或供电局油质检验的主要工具， 并在实践中取得了较为满意的结果。 人们在电力变压器绝缘故障诊断专家系统的开发中取锝了一些成绩，在一定程 度上缓解了现场对维修人员在经验方面的要求。但是任何专家系统的质量完全取决 于它所采用的判断规则和领域经验的质量，实际上故障诊断知识的获得是非常困难 的，这是传统专家系统所存在的主要缺陷。变电设备故障诊断是个相当复杂的问题， 涉及到多方面的因素，根据各种参数作出正确判断必须要有坚实的理论基础和丰富 的运行维护经验。国内外的研究人员已采用了诸如神经网络模式识别、基于不确定 推理的模糊化处理以及综合现场运行经验的专家系统智能诊断等多种技术，在各自 7 华北电力大学硕士学位论文 擅长的领域内取得了一定的成果。但是，单一的方法均存在不同程度的弊端。针对 前述存在的一系列问题，因此，提出了引用人工神经网络的专家系统、模糊推理的 专家系统、基于粗糙集的专家系统和上述各种方法相结合的专家系统，从而充分发 挥多智能综合的优势。 1 3 故障诊断存在问题和发展趋势 社会生产的需要推动了状态监测与故障诊断技术的发展，同时对检修体制提出 了更高的要求，而状态监测与故障诊断技术的日益深入和发展又为状态维修的实现 提供了可能性。状态检修体制是建立在对设备比较完善的状态监测与故障诊断的基 础上，只有对设备的运行状态有一个比较全面的了解，才有可能对设备实施状态检 修。状态监测和故障诊断是实现状态维修的两大技术支柱，即对设备状态的检测和 对所检测信息的分析，该检测可以是离线的，也可以是在线的。随着电子、计算机、 传感器及信息处理技术的长足发展，电气设备故障检测手段也得以迅速发展，研制 了变电设备故障的在线监测系统1 2 r l 。 根据国内外文献资料，变压器在线监测系统：如油中溶解气体分析，局部放电 监测，绕组变形和绕组温度监测，绝缘水分监测等；高压断路器在线监测主要包括 机械性在线监测、触头电寿命监测等，监测内容有泄漏电流监测、气体密度监测、 开断次数监测等。这些为实现变电设备的状态维修奠定了技术基础。 目前电力设备状态维修工作的重点，已经从检测技术的研究向对监测结果解释 及维修决策确定转移，即故障诊断和维修决策。现代诊断技术是以检测技术为支持 的，以信号处理和建模处理为基础的技术。 1 3 1 存在的问题 虽然现代诊断技术对变电设备维修实践应用中取得了显著成果和经济效益，但 仍存在诸多问题，主要表现在以下几个方面： 1 、智能化故障诊断方法的应用。智能诊断方法在电力设备故障诊断得到了比较 广泛的应用，但是通过上面资料分析，可以看到i + 1 前开发的电力设备故障诊断智能 诊断系统多是针对电力变压器，也有部分断路器诊断系统，其中变压器还多以油色 谱分析为主。其它电力设备部件和结构虽然不如变压器复杂，重要性也不如变压器， 但是它们的故障原因和类型也很多，出现故障也需要准确、有效、快速的排除，因 此有必要增加对它们的智能化诊断研究。 2 、通常具有一定规模的电力系统总是逐步发展起来的，往往陆续装备了各个时 期制造的型号、材质及工艺不同和类型不同的变电设备，充分放映了新老技术的更 8 华北电力大学硕士学位论文 迭以及不同国家及厂商当时的生产水平，即使同一类型的设备所采用的设计结构和 使用材料也有着较大的差别，因此给建立通用的诊断方法造成了很大的困难【2 8 l 。例 如变压器电压等级的升高、容量的增大及员部件结构的改变等，都会对故障模式产 生影响。 3 、现有的诊断方法都未将诊断对象看成一个有机的整体【2 8 1 。大多利用诊断对象 所表现出的特定信号来诊断特定类型的故障，未能有效地考虑各种故障现象之间可 能存在的相互联系。只是将种类繁多的检测手段和多种具体的诊断方法在某种程度 上进行。堆砌”，缺乏故障模式系统化的理论基础和统一的综合方法。故障模式分析 是故障诊断和维修的基础，但现有文献的故障模式的分析并不很全面，缺乏变电设 备故障模式部位、机理和有效检测方法和事后维修措施等方面的统一分析。 4 、大量故障实例的积累与诊断手法的单一性之间的矛盾日趋明显i 捌。如何将数 量不断增加的故障实例和维修经验转化为可被诊断系统利用的知识，已成为提高故 障诊断水平的关键。 5 、人一机接口柔性差1 2 9 1 ：诊断系统专用性强，一旦完成，其诊断能力在很大程 度上也就确定了，扩充性和维护性差，且诊断结果一般缺乏解释能力。对用户来说， 整个诊断系统是一个“黑匣子”，诊断结果不透明，缺乏合理的解释。如利用的神经 网络，根据变压器的油溶解气体数据判断故障类型，其故障样本学习的知识存储于 权网络中，对结论缺乏解释性。 1 3 2 发展的趋势 随着电力系统的发展，计算机技术和网络技术以及数学和智能科学理论的发展， 不断有新的故障诊断方法出现，为了更好的应用设备故障诊断问题，今后应该重点 开展的工作： ( 1 ) 多智能技术的故障诊断方法的研究。由前面的智能诊断方法介绍可以看出， 采用单一智能模式仅能解决某个或某些方面的问题，诊断性能有一定的提高，但不 可能很好地解决设备故障诊断所面临的所有难题，甚至一种方法的采用还带来了一 些新的问题。因此，如何更好的把多种智能方法混合起来实现故障诊断将成为一个 必然的研究思路。 ( 2 ) 为可靠性维修服务的电力设备诊断研究。故障诊断是根据故障特征对已经 发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断，其内容还可以进一步拓展。指通 过对设备、状态实时进行扫描，建立其档案，实施动态跟踪，根据其特征量的变化， 诊断其可靠性程度，及时发现故障并报警，必要时加以消除。该诊断可以掌握设备 的状况，做到防患于未然，消除潜伏性故障，防止突发性故障发生，减少事故的损 失【圳。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 故障诊断的实用化研究。虽然故障诊断有不短的研究历史，也取得了不少 成果，但与需求之间还有一定距离，实用化也比较差。目前迫切需要争取电力企业 的支持，依托科研机构的研究实力，开展故障诊断的实用化研究从实际应用中提炼 出关键问题，采用智能化诊断方法实现诊断和故障后的分析处理，为运行、检修人 员查找事故原因提供辅助分析和决策手段。 1 4 本文所做工作 本文针对变电站内的一次设备的故障特点，对设备做了故障模式分析，在此基 础上搭建故障树，进行诊断分析，为解决设备故障诊断提供大量的事实依据。工作 的目的是开发应用于变电设备故障诊断的专家系统。 根据上节分析中在变电设备故障诊断领域中存在的诸多不足，确定了本文主要 研究内容如下： l 、研究变电设备的故障模式分析。 故障模式分析是我们整个工作的基础，模式分析结果中的项目可以为设备故障 树搭建和规则整理提供素材。归纳出检测和维修设备某种故障模式的详细策略、发 生该故障的异常现象、故障原因，通过对设备故障模式部位、机理和有效检测方法 和事后维修措施等方面的统一分析，这些工作能够更好的为设备故障诊断与维修服 务。我们所分析设备将涵盖变电站内主要的一次设备，包括变压器、断路器、隔离 开关和电力四小器。为了增强分析结果对故障诊断和维修的支持性，还对系统定义 方式及具体的分析项目进行讨论。 2 、建立变电设备的故障树 通过故障模式分析实现设备各子系统故障全面细致的整理，但是整理的故障间 关系错综复杂，相互交织，为进一步的故障诊断造成困难。故障树是描述故障间因 果关系的有效模型，建立变电设备故障树可实现对变电设备故障发展过程的进一步 描述。如果我们从故障树的由上向下看，就可以找出系统的故障与哪些部件、零件 的状态有关，从而全面查清引起系统故障的原因，把系统的故障与导致该故障的各 种因素直观而又形象的呈现出来；如果我们由下向上看，就可以发现故障的发展趋 势，针对它的后果影响采取相应措施。 3 、变电设备故障诊断分析 实际诊断设备发生了哪种故障，需要从在线监测的数据和故障征兆来进行判断。 故障诊断分析就是从现象到故障模式的过程，形成诊断规则，然后再利用故障模式 分析结果内容来安排检查和维修。故障模式中的征兆和检测项目可以帮助我们进行 故障诊断分析。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 4 、建立诊断系统 以故障模式分析和诊断分析为依据，构建系统的规则知识库，同时将故障树引 入到知识库的设计中，组织成树的形状，可以较为直观的反映出故障及其产生原因 之间的结构和逻辑关系；构造系统推理机，推理机主要作用是利用知识库中知识实 现推理。我们采用正向推理策略，根据故障征兆给出诊断设备可能发生的故障，并 给出每个故障模式的可信隶属度、维修措施及进一步确认该故障的试验项目。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 第二章变电设备故障模式分析 变电站内设备种类很多，其中一次设备是电力生产运行使用过程中不可缺少的 硬件设备，是直接生产和输配电能的设备，本文所说的变电设备指的是变电站内的 次设备，主要包括变压器、开关、互感器、电力电容器和避雷器等。一次设备的 性能和运行状态的好坏，直接关系到电力系统的安全运行和人身安全，做好电力一 次设备的巡视检查和运行检查维护是保证安全运行的重要环节；而了解和熟悉变电 一次设备发生故障时的特点和处理策略，对保障电网的安全运行至关重要。 故障模式是设备故障的外部表现形式，它们是可以通过人的感官或测量仪器、 仪表观测到的故障形式。我们进行设备的故障诊断时，首先需要通过事实数据确定 故障模式，而后是通过确定的故障模式判断其对系统的影响，提出针对性的维修措 施和处理办法。变电设备的类型很多，大多都属于复杂系统，部件繁多，结构各异， 它们的故障类型也是多种多样，故障类型还有不同的划分，如按故障发生的部位、 按故障发生的过程、按设备结构、按设备故障发生的部位等。这些原因造成了设备 异常和故障情况的多样性，以至于我们在罗列和分析设备的故障模式时比较困难。 针对这些问题，本文在变电设备的故障分析中引入f i h e a 技术。依据收集到的有关变 电设备故障的各种资料，重点研究了变电站内各种一次设备为系统的系统定义方式 及其分析项目根据对故障模式的多方面分析，可以为后面搭建设备故障树和设备 的故障诊断分析提供依据。 2 1 故障模式分析的必要性 故障诊断可以看作是一个依据故障知识，按照一定求解策略，推断出故障发生 部位、原因并给出定维修指导的过程。在每个推理和决策环节都需要相应的故障 知识作为依据，如故障征兆、故障检测方法、故障原因，故障的危害度以及维修措 施等。以往针对变电设备的研究大多集中在对监测系统以及诊断方法的研究上，但 是作为诊断工作的基础，对设备故障规律的深入了解是十分必要的。对于变电中的 设备，因其故障征兆与故障模式之间并非具有一一对应的关系，也不存在任何一种 检测方法能有效地鉴别所有故障，为了获得更为明确的诊断结论，必须通过多种检 测方法综合的方式。目前，结合一定的理论存在一些综合诊断的推理模型，如证据 理论、模糊理论、决策理论等，但由于每种设备的故障种类繁多，不同故障的原因 各异，有效的故障征兆、检测方法也不同，一个统一的推理模型并不适用于多种故 华北电力大学硕士学位论文 障【3 2 】。所以，对变电设备进行故障分析，研究具体故障的规律，是推进故障综合诊 断技术的一个现实途径。 2 2f m e a 技术 2 2 1f m e a 背景即应用 f m e a 是故障模式及影响分析( f m e a - - f a u l tm o d ee f f e c ta n a l y s i s ) 的简称。 核工业、航空工业等领域常对系统或设备使用f m e a 技术，以在设计阶段就消除可能 导致严重后果的故障隐患，f m e a 是对系统的故障模式进行比较全面的定性分析。它 是在产品设计和加工过程中分析各种潜在的故障对其可靠性的影响，用以提高产品 可靠性的一门分析技术，它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻 辑思维分析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究 问题及故障的原因，以及对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措 施，以提高产品质量和可靠性【3 3 , 3 4 , 3 5 1 。 2 0 世纪5 0 年代初，美国格鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用f m e a 方法，取得了良好的效果。到了6 0 年代后期和7 0 年代初中期，f m e a 方法开始广泛 地应用于航空、航天、舰船和兵器等军用系统的研制中，现在已普及到机械、电子、 医疗设备等民用产品。各个国家、各个行业纷纷推出f m e a 要求和方法，并形成了相 应的实施标准、规范或手册，如国际标准i e c 8 1 2 3 6 1 、中国的军标g j b1 3 9 1 - 9 2 3 7 】和 汽车行业标准i s 0 t s l 6 9 4 9 ，目前，日、美等国家在一些重要产品出厂时还要附带详 细的故障模式分析资料。 f m e a 分矩阵形式和表格形式，其中表格形式由于具有清晰、易操作的优点，实 用性更制3 邸们，本章讨论表格式的f m e a 在变电设备故障中的应用。 2 2 2f m e a 分析应遵循的原则 对变电设备的故障模式分析要注意把握好以下几个原则： 1 、现象和本质的关系 在分析故障原因时，挖掘其本质原因很重要。故障以一定的症状表现出来，这 些现象往往既直观又复杂，透过表面直观而又复杂的现象去认识故障的实质，在分 析故障原因时应该受到足够的重视。因而，要求收集的故障素材是经过细致检查、 综合分析后得到的结论。否则，容易发生“头痛医头、脚痛医脚”，治标不治本的错 误。( 如例1 ) 例1 ：变压器检修中发现铁芯表面沉积导电异物造成硅钢片短路，导致片间绝缘 破坏。重新涂上绝缘漆以及清扫导电异物是必要的处理手段，但是仅仅这样做还是 华北电力大学硕士学位论文 不够的，如不进一步查明异物的来源，则该故障还可能反复发生。因为，通过分析 这些金属异物的来源可知，若异物是脱离的螺母、电焊渣则经过一次性处理便可以 解决问题，若异物是油泵轴承磨损产生的金属粉末，则一次性的清扫工作不能达到 彻底解决问题的目的。 2 、普遍性和特殊性的关系 在故障分析过程中，需要同时了解故障现象的普遍性和特殊性。如果不认识故 障的普遍性，就无从发现故障发展的普遍规律；但是，如果不研究故障的特殊性， 就无从确定同一故障现象不同于其它故障的特殊的实质，便无从发现故障发展的特 殊原因和规律。例如利用变压器油中溶解气体分析方法分析变压器铁芯过热和绕组 过热时便存在普遍性和特殊性的问题( 如例2 ) 。 例2 ：通过油中溶解气体判断变压器故障是运行中普遍采用的故障检测方法。其 机理是变压器油和固体绝缘在电和热作用下分解会产生一些特征气体，而且不同运 行状态下外界对变压器油的理化作用不同，产生的气体在成分和含量上也不相同 0 1 7 j 。以变压器磁路过热和电路过热性故障的溶解气体数据为例，说明变压器故障 规律的普遍性和特殊性。 普遍性：当发生过热性故障时，油中溶解气体以乙烯，甲烷为主要成分。故障 点温度较低时，甲烷占的比例大一随着热点温度的升高( 5 0 0 1 2 以上) ，乙烯、氢气 的比例增大。当严重过热( 8 0 0 ) 时，也会产生少量乙炔( 乙炔含量不超过乙烯含 量的1 0 ) 。而且，依据乙烯、甲烷、氢气、乙烷和乙炔五种特征气体制定的i e c 三 比值编码中，铁芯过热故障和绕组过热故障的三比值编码都常集中在“0 2 2 ”编码上。 特殊性：铁芯过热和绕组过热的区别在于绕组过热涉及固体绝缘。因此，绕组 过热除了以上在氢、炔上具有的特征外，还产生较多的c 0 和c 0 2 ，因此，根据其增 长率或比值( c 0 c 0 2 ) 来判断是否属于涉及固体绝缘的过热故障。 3 、主要和次要的关系 保证故障分析全面性的同时，需要分清主次，找出其主要问题，以免将工作陷 入到次要问题中。结合例3 可见断路器部件上各故障模式在发生频度上存在差异。 例3 ：根据国内外多年来对断路器运行故障的统计，机械故障( 包括操动机构及 控制回路) 占断路器总故障的7 0 8 0 ，电气故障其次。机械故障发生较频繁主 要是拒动或误动，其次断路器的偷跳现象也时有发生。丽断路器电气故障则主要体 现在触头烧损、灭弧介质质变( 油断路器) 、压力或密度不合格( 真空或s f 6 ) 等。 2 2 3f m e a 分析项目 本论文设立的f m e a 分析项目将包括“故障征兆”、“检测方法”、“故障原因”、“预 防措施”、“维修措施”。各具体分析项目的定义或描述如下。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 1 、故障征兆 故障征兆是对故障各种特征属性值表现为异常时的一种定性或定量的描述。故 障特征是诊断的重要依据，通过它来反映有关设备状态的信息。故障特征有两种表 现形式，第一种为温度、电磁、振动、噪声等能量形式，可通过装置实现检测；第 二种为可直接观测到的物态形式，由人的感官( 视觉、听觉、触觉和嗅觉) 判断，在 实践中常用而有效。因而，故障征兆可以看作一种故障即将发生或正在发生时可识 别的状态，既表明该信息是对变压器状态的反映，同时还强调了它的可测性。 2 、检测方法 检测方法是获得故障征兆的手段。对应于不同表现形式的故障征兆，检测方法 既可以是人为感知型的，也可以是需要特定仪器的检测技术。对于电力设备，听运 行中振动声，察看渗漏、嗅气体和观察温度等，这些是巡检项目的主要内容，是实 际较为通用和有效的故障监视手段。其它的，需要特定仪器，采用不同原理，如化 学、电磁、声波等的测试手段，都包括在电力设备的各类例行试验中 3 、故障原因 故障原因是指导致设备可能发生故障或无法达到期望的性能标准的所有可能因 素，可能属于制造方面的因素，可能属于运行维护不当，也可能是系统或环境等外 界因素。 4 、预防措施 预防措施是指为了防止某个故障发生而提前采取的措施，它可以降低该故障的 发生率。 5 、维修措施 维修措施是指发生故障时应该采取怎样的处理措施，针对不同的故障模式可采 用的维修和故障排除方案。 归纳起来，。故障征兆”和“检测方法”表明了对某故障模式进行检测预防的可 行性；“故障原因”、“预防措施”和“维修措施”使诊断、预防和消除故障决策更具 有支持性。 2 3 变电设备故障模式分析的系统定义划分 图2 - 1 示意性地给出本论文对变电设备进行故障模式分析的步骤。首先是熟悉 系统情况，收集有关要分析设备结构、功能、运行条件、维护措施和预防措施等多 方信息1 4 e 4 1 l 。了解其部件的结构和功能，收集典型故障，为故障模式分析积累素材。 其后的主要任务是：对分析的变电设备进行系统定义，建立逻辑框图；针对 逻辑框图中各子系统列举典型故障模式；对各故障模式的具体项目进行分析。最 华北电力大学硕士学位论文 后，列出各子系统的f m e a 结果。 按照一定的原则将设备中各组件按照一定的逻辑关系，建立一个可靠性逻辑框 图。可靠性框图表明了系统内部在功能上的相互依赖关系，且便于明确故障模式。 如何构造一个系统、全面和对维修有针对性的系统可靠性框图成为f m e a 的核心和关 键 f m e a 的格式灵活，可以根据不同故障方式进行，或根据系统不同层次的硬件法 或根据系统功能法进行【4 2 1 。目前工程上运用最为广泛的是硬件法。单纯采用硬件法 容易导致分析者把主要注意力放在逐个列写所有元器件、零部件的全部故障模式上， 其中无法消除的偶然性故障通常会占大多数。功能法可以很好的体现故障间的功能 相关性，便于描述局部和整体的故障关系。因此在变电设备的系统划分中，本文采 用硬件法和功能法相结合，这有利于实现对系统级故障和部位级故障的综合考虑 下面详细介绍每种设备的系统定义。 2 3 1 电力变压器系统定义 图2 1 故障模式分析步骤 电力变压器一直是变电设备中最复杂、最重要的设备。按冷却方式可分干冷式 和油浸式两种，我们主要分析油浸式电力变压器。油浸式变压器按硬件结构分主要 华北电力大学硕士学位论文 有芯体( 铁芯、绕组、绝缘、引线、分接开关等) 、油箱( 油箱本体、附件) 、冷却 装置( 散热器、冷却器) 、保护装置( 油枕、油表、防爆管、呼吸器、测温元件、净 油器和瓦斯继电器等) 和出线装置( 高、中、低压套管等) 。而按功能分则主要由载 流、磁路、机械结构、密封、冷却、绝缘和测量保护七个部分，其中绝缘还可以继 续分为“纵绝缘”和。主绝缘”。 在此，综合电力变压器在结构和功能上的特点对电力变压器进行系统划分，得 到如图2 2 所示的可靠性系统框图。图中首先将变压器划分为本体和附件；其次， 按照一定的功能形成。铁芯”、“载流系统”、“绝缘油”、。冷却系统”、“套管”、“有 载分接”、“油箱”、“保护装置和测示装置”，共8 个子系统；然后，对子系统再分， 直至元部件。 秉统缀变压嚣 厂l 奉件耐件 部件组 豢裂曩昼嚣 喜li l藿 组嫂幕囊路 盏罢嚣詈蔷 图2 2 大型电力变压器框图 图2 - 2 中都没有出现功能结构中的“绝缘”和“密封”部分，不是忽略了这些 问题。本文将密封问题划归到了常常发生渗漏故障的具体部件上，如油箱渗漏和套 管渗漏等；绝缘问题也是类似，许多部件都涉及到绝缘问题，故障发生部位的不同， 故障征兆、检测方法以及应该采取的维修措施亦不同，如套管或分接开关的绝缘故 障就不同于本体故障，无需要吊芯处理，因此，将绝缘问题也归结到各个具体部件 上。而本体的绝缘油被单独列出，原因在于绝缘油充满了整个变压器本体，与其它 很多子系统都紧密相关，且与绝缘油相关的测量方法较为独特。 2 3 2 断路器系统定义 在电力系统中，高压断路器也是最为重要的一类设备，是发电厂和变电站高压 配电装置中不可缺少的部件。正常运行时可用它来倒换系统运行方式，把设备接入 或退出系统运行，起着控制作用；当设备发生故障时用它用来快速切除故障点，保 1 7 华北电力大学硕士学位论文 证电网正常运行，起着保护作用。 高压断路器按硬件逻辑如图2 3 ：开断元件( 动触头、静触头和消弧装置) 、支 撑元件、底座、操动机构和传动机构。高压断路器按功能可分为导电部分、绝缘部 分、接触系统和灭弧装置、操作系统等部分： 图2 - 3 断路器组成的逻辑图 断路器在变电设备中比较有特色，与其它设备主要是电气性能相比，它还有机 械性能的要求。断路器的分、合闸动作由操动机构经中间传动机构( 连杆机构) 控 制断路器本体中的动触头的运动而实现的。断路器本体中的开断元件是关键部件， 它通过触头的分、合动作达到接通或断开电路的目的，而触头的动作则依靠一定的 机械操动系统才能完成；断路器本体以外的机械操动装置可以称为操动机构，操动 机构与断路器触头之间连接的传动部分就是连杆。 断路器进行系统划分。首先将断路器划分为断路器本体( 电气结构) 和操动机 构( 机械结构) 两部分。断路器本体由灭弧原理上分有少