（高电压与绝缘技术专业论文）变电设备状态监测及其故障诊断方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i 电力设备绝缘在线监测及其故障诊断技术是及早发现绝缘缺陷，确定设备绝缘状 态、提高系统运行可靠性的重要技术手段。所谓“监测”就是通过仪器测量获得特征量 的数据，而“诊断”就是对测量数据进行处理，并根据这些数据进行故障判断。夕 在第一章，文章首先对目前存在的在线监测以及故障诊断系统作一个总览，并分析 了目前监测和诊断的水平以及主要存在的问题。 在第二章，文章给出了个基于浏览器服务器模式的在线监测与诊断系统的基本 结构，并研究了面向对象的知识的表达方式在在线监测中的应用。 在第三章，文章讨论了设备在线监测的原理和方法，并重点给出了测量介质损耗的 m c s 5 1 单片机数据采集卡的实现，包括采用f f t 算法提高测量精度的m a t l a b 仿真、硬件 结构和软件规划。采用谐波分析法来测量介质损耗的一个影响测量精度的很大原因是不 能保证整周期采样，作者使用锁相环技术来跟踪电网波动频率，从而保证整周期采样。 在第四章，文章讨论了设备故障诊断的原理和方法，通过对绝缘模型的分析，提出 将一些特征参数作为闽值的确定性诊断方法：并通过对断路器设备故障的试验，提出了 d s 证据理论在故障诊断不确定性推理中的应用。采用阈值法的时候，将绝对值、变化 率、相似性三要素加权平均做为闽值，权值根据经验调整。 文章最后给出一个集合数据采集和故障诊断功能的上位机监控软件系统的简要介 绍。 关键词：变电设备，故障诊断，d - s 证据理论，在线监测，浏览器服务器，面向 对象 华中科技大学硕士学位论文 t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i so fi n s u l a t i o nf o rp o w e re q u i p m e n t s a r eo f g r e a ti m p o r t a n c et os a f e o p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s o n - 1 i n e m o n i t o r i n g ，m e a n sm e a s u r i n gk e yp a r a m e t e r st h a tc a nr e p r e s e n tt h e s t a r eo f e q u i p m e n t sw i t hv a r i o u ss e n s o r sc o n t i n u o u s l y f a u l td i a g n o s i s ，o nt h eo t h e r h a n d ， m e a n sp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t ac o l l e c t e d b ys e n s o r s ，a n df i n dt h e i n s u a t i o nc o n d i t i o no fe q u i p m e n t sf r o mt h er e s u t s i n c h a p t e r l ，as u m m a r ya b o u tt h ea r t o f - t h e s t a t ea b o u tt h eo n li n e m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo c c u r r i n gi nt h ef i e l do fe l e c t r i c a l i n d u s t r yisg i y e n i ti sa p p e a r st h a tt h e r ea r em a n yo n 一1 i n em o n j t o r i n gs y s t e m s u s e di nt h ef i e l d s o m eo ft h e ma c t e dw e l l ，a n dp r o v j d e de f f e c t i v er e s u t s b u t m o s to ft h es y s t e m ss u f f e r e db ym a n yd e f e c t s i nt h ee n do ft h i sc h a p t e r ，ar e v i e w a b o u tt h e s ep r o b l e m si s g i y e n i nc h a p t e r2 ，t h es y s t e m a t i c a lc o n s t r u c t i o no fo n 一1 i n ei n s u l a t i o nm o n i t o t i n g s y s t e mi sp r o v i d e d ，t h e nm a k e ss o m ew o r k si na n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h eo n l i n e m o n it o r i n gd a t aa n d j u d g e i n gt h ec o n d i t i o no fe q u i p m e n t s i nc h a p t e r3 ，t h ed e v i c e so n l i n em o n i t o r i n gt h e o r y sa n dm e t h o d s a r eg i v e n 。 i np a r t i c u l a r ，a r e a l i z a t i o no fm c s 一5 1s i n g l ec h i pd a t a g a t h e r i n gc a r di sg i v e d ， i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o nu s i n gm a t l a b 、h a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r e c o n s t r u c t i o n p h a s el o c kt e c h n o l o g yi st a k e nt or e d u c em e a s u r e m e n te r r o rb y g a n r a n t e eg a t h e r in g d a t ai nf u l1 p e r i o d s i nc h a p t e r4 ，t h ed e v i c e sf a u l tj u d g e m e n tm e t h o d sa r eg i v e n b ya n a l y s i n g t h ef a u l tm o d eo fi n s u l a t i o n ，s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf o ri n s u l a t i o n d i a g n o s i s ，w h i c hi n c l u d et h et h r e s h o l dv a l u ea n dc h a n g er a t eo fo n l i n ed a t a a r ep u t e df o r w a r d ，i n c l u d i n gt h ed - se v i d e n t i a lt h e o r yb yt h ee x p e r i m e n t a t j o n o fj u d g i n gt h em a l f u n t i o nt y p eo fac i r c u i tb r e a k e r i nt h ee n d ，as o f e w a r es y s t e mc o n t a i n sd a t ag e t h e r i n ga n df a u l tj u d g e m e n t 一 i i 华中科技大学硕士学位论文 k e yw o r d a ：s u b s t a t i o ne q u i p m e n t ，f a u i t d i a g n 。s i s ，t i m es e r i e s o li n e m o n i t o r i n g ，b r o w s e r s e r v e r ， r i e n t e d o b j e c t d - s e v i d e n t i a l t h e o r y 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 综述了变电设备绝缘在线监测技术的发展历程、基本原理、在国内应用情况以及目 前存在的一些问题，最后介绍了本文的主要工作。 1 1 引言 变电站设备的安全、稳定、经济运行是电力系统可靠工作的保证，电气设备，特别 是大型高压设备发生事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。提高电气设备的 可靠性，可以从两个方面着手，一种方法是提高设备的设计和制造质量，选用优质材料 和先进工艺合理选择设计裕度，力求在设备的工作寿命期限内不发生故障，即所谓“免 维护”的概念。但这样会导致设备制造成本的大幅度增加。此外，设备在运行中，总会 逐渐老化，而大型设备不可能像一次性工具那样“用过即丢”，因此，另方面，必须 对设备进行必要的检查和维护，这构成了电力系统运行管理部门的重要工作内容。 早期是对设备使用直至发生故障，然后进行维修，称为事故维修。考虑到事故所造 成的经济损失和社会影响，对大型设备，逐渐的由事故维修向预防性维修转变。所谓预 防性维修，也就是定期维修，即对大型设备，根据其寿命曲线和工作状况，结合现场运 行经验，制定一个定期维修计划。根据计划对设备进行定期的检查和试验。现在，定期 的预防性试验和维修已经在电力部门形成制度，国家也对电力设备的定期维修制度管理 制定了相应的标准。 定期维修对减少和防止事故起到了很好的作用。但预防性试验是离线进行的，有许 多不足之处： 1 1 试验需停电进行，而不少重要电力设备是不能轻易停止运行的： 2 ) 停电后设备的状态( 如作用电压、温度等) 和运行中不符，影响判断准确度； 3 ) 由于是周期性定期检查，而不时连续的随时监测，设备仍可能在试验间隔期间 发生故障，即造成维修不足： 4 1 由于是定期检查和维护，在设备状态处于良好时，仍需要按计划进行试验和维 修，造成人力和物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成损坏，即造成所谓维修过度。 针对预防性试验和定期维修的不足，国务院在1 9 8 7 年颁发的全民所有制工业交 华中科技大学硕士学位论文 通设备管理条例中明确指出：“应采用以设备状态监测为基础的方法，不断提高设备 管理和维修的现代化水平”。许多专家也撰文指出状态维修方式具有减少停电时间、减 少设备因维修造成的损害、减少因维修不当所造成的事故、减少维修所需的人力、物力 以及财力、减少值班人员和人为事故等优点。 大量的统计也说明了实施状态检修的必要性与迫切性。以高压开关为例，大连电业 局在1 9 8 3 年至1 9 9 3 年的1 1 年中，队全局l o k v 到2 2 0 k v 的高压断路器共做了2 0 7 4 台 次大修，属于内部缺陷的只占大修总台数的1 2 2 ，在相同的运行周期内没有达到额定 开断次数、甚至没有开断电流的达9 8 。另据我国对1 9 8 9 年至1 9 9 3 年的断路器故障统 计，因检修造成的事故责任占总事故的3 8 | t l 。对变压器、避雷器等其他变电站设备也 存在同样的情况。因此，实行以状态监测和故障诊断为基础的状态检修就称为电力工业 不可回避的重大课题。 以状态为基准的检修，即状态检修，可分为三层内容： 1 ) 在线监测是状态检修的基础和前提，通过在线膝测，在不影响设备运行的前提 下获取各种反映设备运行状态的参数信息： 2 ) 故障诊断是状态检修的核心，根据在线监测数据信息判定设备运行状况，识别 故障的类别和程度： 3 ) 维修策略的制定是状态维修的目标。 1 2 绝缘在线监测技术的发晨概况 我国对在线监测的重要性认识比较早，6 0 年代时就提出过不少带电试验的方法但行 之有效的不多。近年来，国内外对变电设备绝缘状况的在线监测进行了大量的研究，取 得了很大进展，也有不少形成了产品和系统。其发展大体经历了以下三个阶段【2 j ： ( 1 ) 带电测试阶段。这一阶段起始于7 0 年代左右。当时人们仅仅是为了不停电而 对电气设备的某些绝缘参数( 主要是泄漏电流) 进行直接测量。其结构简单，测试项目 极少，而且要求被试设备对地绝缘，测试的灵敏度较差，所以应用范围较小，未能得到 普及应用。 ( 2 ) 从8 0 年代开始，出现各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术开始从传统 的模拟量测试走向数字化测量，摆脱了将测试仪器直接接入测试回路中的传统测量模 华中科技大学硕士学位论文 式，而代之以利用传感器将被测量转换成数字仪器可直接测量的电气信号。同时还出现 了一些其它通过非电量测量来反映绝缘状况的测试仪器，如红外装置、超声装置等。 ( 3 ) 从9 0 年代开始，出现以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能绝缘在 线监测系统。利用先进的传感器技术，计算机技术和数字波形采集与处理等技术，实现 更多的绝缘状态参数( 如介质损耗角正切t g6 、试品电容c x 、泄漏电流、局部放电、 色谱等) 在线监测。这种监测系统可以实时连续地巡回监测各被测量，监测内容丰富， 信息量大，处理速度快，实现了绝缘监测的自动化。 1 3 在线监测的主要项目及原理 电气设备在线监测的基本原理是在电气设备处于运行状态中，利用其工作电压来监 测各种特征参数。因此，可以有效反映设备的实际工况，从而对设备状态做出比较准确 的判断。 电气设备种类繁多，结构各异，在线监测项目各有不同。目前，国内电气设备在线 监测的主要项目如表1 - 1 所示口j 。 袁1 - l 电气设备在线监测的主要项目 变压嚣 + + 互感器 + 电容器 + 断路器 + 电力电缆 + g i s + m o a + 绝缘支柱 + 由于不同电气设备的在线监测项目不同，因此要求采用各种不同形式的传感器，将 华中科技大学硕士学位论文 被测信号( 电信号和非电量) 抽取出来，转换成监测装置可以检测的信号，并通过电缆送 入监测装置。现代的监测装置大多采用数字化铡量或微处理机系统，因此要求对被测信 号进行a d 转换。 目前，国内电气设备在线监测装置大体可以分为集中式微机在线监测系统和分散式 在线监测系统两大类。前者是将被测信号通过电缆引入设在中央控制室的微机在线监测 屏，进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处理和分析。其突出优点是，可以对所有被测 设备实施定时或巡回自动监测，运行方式灵活、易于扩展、监测容量大、便于建立专家诊 断系统，实现发电厂、变电站的综合自动化。后者则是利用专用的测试仪器，从固定安装 在电气设备附近的专用传感器上取得信号，就地进行测量。其优点是结构简单，价格较低； 缺点是测试工作仍需人工操作，不能纳入发电厂和变电站的整个自动化系统。 1 4 国内在线监溯技术基本应用情况 在1 9 9 8 年，国家电力公司电力科学研究院对全国各省、市、自治区电力局，电力 试验研究所，科研单位和供电局共3 0 个单位提供的1 2 7 个变电站的在线监测系统或装 置的运行情况进行了调查，归纳出以下几点。 1 在线监测采用的形式多种多样 这1 2 7 个变电站中，有5 7 个变电站装有集中型在线监测系统，主要是电容型设备 的介质损耗，电容及其变化量，泄漏电流及其变化量，不平衡电压，避雷器的全电流和 阻性电流，或加上变压器套管的介损和油中氢气含量等。有1 0 个变电站装有分散型在 线监测装置。还有只监测某一参量的仪器，如避雷器泄漏电流的有3 9 个站。此外，监 测变压器的局部放电或只监测油中色谱，少油开关的泄漏电流及其他设备如发电机放电 等等。 2 监测系统的正常运行率 集中型监测系统一次投入费用较高，因此，人们更加关注其投入运行后的工作状况。 5 7 个系统中。基本运行正常的占3 0 左右，已不能正常使用或处于瘫痪状态的占3 6 。 使用单位反映的意见主要集中在以下几点： 1 ) 介损测量不够准确，稳定性、重复性较差，测量误差较大。 2 ) 信号采集部分故障，如传感器失效、破损，电压信号畸变。 一4 一 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 测量系统抗干扰性能差，抗温度、湿度变化的能力差。 4 ) 数据传输与处理部分故障，数据丢失。 安装分散型的监测装置的1 0 个变电站，运行正常的占9 0 ，主要用于本系统变电 站。 有2 7 个变电站只装监测避雷器泄漏电流的装置，基本能正常运行。 3 通过在线监测发现故障隐患的事例 共统计有8 例是由于在线监测结果发生明显变化而发现的故障。其中，避雷器受潮 2 例，放电1 例，变压器套管受潮3 例，电抗器局部放电1 例，主变压器接地不可靠1 例。 1 5 绝缘在线监测目前存在的问曩 电气设备绝缘在线监测技术经过多年的发展，已逐渐得到运行部门的认可，该项技 术的应用已深入到各种类型的发电厂、变电站中，但由于技术的复杂性和变电设备的多 样性，使其目前还未达到十分成熟的程度，尚存在许多问题有待进一步研究解决【4 j 。 ( 1 ) 测试精度及其稳定性校验是在线监测系统面临的一个重要技术问题。由于现 场情况的复杂性，使监测的准确度无法进行校准，更难以与停电试验结果进行对比。 ( 2 ) 传感器的特性是在线监测的关键之一。现在用量最大的传感器是罗可夫斯基 线圈，为了追求对小信号的灵敏度大多采用软磁芯，其磁性易受外界条件( 如温度、压 力、冲击) 的影响，甚至被测信号的大小不同也会影响传感器自身的角差。 ( 3 ) 基准电压的特性将影响监测结果的分析。目前抽取基准电压的方法大多是从 p t 的二次侧抽取，实践证明，其误差较大，同时也增加了现场安装的复杂性。曾经有 人提出从耦合电容器( o y ) 抽取基准电压的方法，但当耦合电容器本身的损耗角较大 时，也会出现较大的误差。 ( 4 ) 由于在线监测的实时连续性，干扰问题一直是影响在线监测系统可靠运行的 重要因素。而且变电站处于复杂的电磁干扰环境中，使微弱信号的监测难度增加。 ( 5 ) 在线监测会得到大量数据，这些数据的存储、处理和识别需要一个完善的管 理和诊断系统的支持，这个系统设计的成败将会直接影响在线监测的效果。 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 在线监测数据受到设备工作电压、运行方式以及环境因素的影响，因此，即 使同样的设备其绝缘在线监测数据也会有较大的差别，这样就很难像停电预防性试验那 样规定一个统一的标准。如何通过大量的在线监测数据获得设备的运行状态是一个能否 实现状态监测的又一个瓶颈。 1 6 本文的主要工作 变电设备绝缘在线监测技术是变电设备由传统的“计划检修”向先进的“状态维修” 过渡的重要技术手段，具有巨大的社会经济效益和广阔的发展前景。经过多年的研究、 开发，变电设备绝缘监测技术已取得一定的进步，但尚有许多技术问题，如传感器技术、 抗干扰技术、数据处理技术以及管理和诊断系统的结构设计等，有待迸一步研究。 本文首先给出b s ( 测览器，丑匪务器) 模式的状态监测系统的一般构成框架，然后讨 论变电设备的一般性监测手段，并重点给出一个m c s 5 1 单片机数据采集卡的硬件结构 以及c 5 1 程序结构，然后讨论变电设备的一般性诊断手段，并在理论上对不确定性推理 作出一些探讨，最后给出一个集合监测功能以及诊断功能的上位机监控程序的构成。 i 变电设鲁在残监测爰诊断系坑的基本结构 图1 - 1 论文结构图 黧 华中科技大学硕士学位论文 2 变电设备在线监测及诊断系统的基本结构 2 1 引育 变电设备在线监测及诊断系统需要管理及分析大量监测得到的数据，由于在线监测 获得的信号往往更加及时、灵敏和真实，因而在线监测系统对于实现变电设备的状态维 修十分重要，其性能直接影响状态监测及诊断的效果。因此，不论是从网络结构、知识 表达技术及数据库结构等方面都对此系统提出了新的要求，本章就将对这一问题进行分 析。 目前，各地供电局都纷纷建成了内部数据网络，这大大改善了电力系统各种资料及 信息的生存环境，有助于电力系统的管理水平上升到一个新台阶，同时也对变电设备在 线监测及绝缘诊断专家系统提出了新的要求1 5 。过去，专家系统多为单机版，很难实现 资料的共享，这与电力系统自动化的要求很不适应。同时，现有的网络版专家系统大多 采用c l i e n t s e r v e r 结构【6 1 ，它把集中管理模式转化为种服务器与客户机负荷均衡的分 布式计算模式，解决了执行效率及容量不足的问题，但在c l i e n t s e r v e r 模式下开发的应 用系统也有一些不够完善方面，不能适应不断增长的多方面需求，主要体现以下几点： 1 ) 封闭式系统，不同系统之间无法交流； 2 ) 用户接口风格不一，使用繁杂，不利于推广使用； 3 ) 系统开发和维护复杂，移植及升级困难； 4 ) 无法包容已有系统，造成重复投资； 5 ) 不能接纳新技术，限制了扩展性： 6 ) 缺乏系统性和具有前瞻性的结构框架。 而建立在i n t r a n e t 构架上，基于b r o w s e r s e r v e r 结构的变电设备监测及诊断系统却 有效地克服了这些缺点，在异构分布式环境下实现了信息的集成，接口风格采用统一的 浏览器样式，便于掌握，利于推广，满足了现有的电力工业发展的需要1 7 1 。 在专家系统的实现过程中，如何适当表达专家知识，使系统快速地进行推理，一直 是开发专家系统的瓶颈。如果将面向对象技术及决策属性编码方案引入专家系统，就会 使专家知识的表达更加容易、推理过程更加迅速。这种方案已应用于为上海电力局所开 华中科技大学硕士学位论文 发的专家系统中，从调试结果来看，此方案是比较有效的。 2 2 系统的结构设计 i n t e m e t 在全球的迅速普及标志着一场新的技术革命的开始，w w w ( w o r l dw i d e w e b ) 方式的服务成为其中发展最为迅猛的部分，它采用跨平台的标准接口( 浏览器 b r o w s e r ) 与标准协议h r r p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 来浏览与连接文本、图像、动画、 声音、视频等多媒体信息，操作极为简单，且无须培训，这使得很多基于大型数据库的 信息管理系统正在采用一种全新的技术模式：b r o w s e r s e r v e r 模式。而w e b 技术与数 据库技术互相渗透、融合，形成了又一新领域分布式数据库系统【7 】。 2 2 1 系统网络结构 图2 - 1 系统网络结构图 华中科技大学硕士学位论文 意图如图2 1 所示。 目前，各电力局内部大多已组成一个相对独立的局域网。数据库服务器、w e b 服务 器位于局内的计算机中心，由网络管理人员及开发人员集中管理，由于应用程序、数据 库以及其他一些组件全部位于服务器端，就可以直接在服务器上进行程序的升级和维 护，避免了维护大量客户机烦琐工作，节约了大量的人力，物力。各职能部门只要通过 客户机端的浏览器就能操作所需的数据，而无须安装其他软件。因此实现了开发环境和 应用环境的分离，使开发环境独立于用户前台应用环境，避免了为多种不同操作系统开 发同一应用系统的麻烦，也便于用户的使用、培训以及软件安装和升级，使开发人员可 以将注意力转移到如何组织信息并提供给用户服务上来。 2 2 2 系统数据库结构 随着计算机网络的迅速发展，人们对实现数据充分共享的要求越来越迫切。过去的 集中式数据库系统越来越不能满足这种需要，在这种背景下，产生了更利于实用的分布 式数据库系统，因为它可实现对分散的、各自独立而又有共享要求的数据进行集中统一 的管理，并完成统一的描述，使分散在各处的应用数据在物理上或逻辑上相对集中到一 个数据库中1 7 j 。 在电力部门，要实现不同单位之间的数据共享需要分布式数据库，即使在一个单位 内部，随着电力系统自动化的推进，今后大量的变电设备安装了在线监测系统，这样就 图2 - 2 系统分布式数据库结构 华中科技大学硕士学位论文 会产生大量的数据需要存储和处理，如果采用集中式数据库系统会使网络数据流量、数 据库服务器的负担大大增加，甚至会使系统不能正常工作。为解决上述矛盾，采用了分 布式数据库及分布式计算的方案，也就是把一个变电站的在线数据存储于一台数据库服 务器上，它将数据经过预处理后得到可以反映设备运行状态的有价值的数字序列，并将 其存储于设备状态表中：再通过网络将数据传送到监控室，这有效减少了网络流量。 在设计时，每一个服务器上都建有一张表，上面记录了与它相连的其它服务器的地 址，每一个服务器的直接客户机可以向其服务器发出数据库访问申请，服务器首先到自 己节点的数据库去查询，如果存在相应信息，则将它返回给客户机，否则，就按照地址 表向其它服务器发送查询请求；如果其它服务器上有相应信息，也把它们返回给客户机， 否则，告知客户机查询失败。因此，所有的客户机都能够透明地访问所有服务器上的数 图2 - 3 系统功能模块结构 据库。因而就可实现一个w e b 环境下的分布式数据库应用。其结构示意图如图2 2 所示。 2 2 3 系统功能模块结构 变电设备在线监测及绝缘诊断系统的功能模块结构框图可如图2 - 3 。包括台帐管理、 在线监测数据管理、设备绝缘诊断、权限管理等5 个模块。 台帐管理模块负责台帐数据的输入、检索、删除、修改、设备统计以及打印报表等 功能。在线监测数据管理模块负责在线数据的预处理与检索功能。 设备绝缘诊断模块是这些模块中最复杂的一个模块，负责根据设备的在线检测数据 和运行数据来判断设备的状态；诊断的标准中除了规程己规定的以外，还引入了纵向比 较及横向比较等方法，十分重视由试验数据的变化趋势来判断设备所处的状态。对于变 电设备中主要的设备，如变压器，除了应用以上的方法以外，对色谱数据分析等还引入 华中科技大学硕士学位论文 了人工神经网络、援例推理等方法来协助诊断。全部诊断结果以报表的形式输出，有关 专家的建议等也可对结果进行修正，并通过检修的结果以及反馈系统反映到知识库中， 使系统的知识库不断扩充和修正。 权限管理模块负责为操作人员分配操作权限，这能有效地防止非法操作对数据造成 破坏。系统管理员可为其他人员分配权限和初始密码，用户进入系统后可随便更改自己 的密码，以防别人盗用。用户对于权限范围内的数据具有读写权限，而对于其它数据仅 有只读权限。如油务班人员对油务数据具有读写权限，而对其它数据仅具有只读权限。 另外，系统对数据的操作进行纪录，将操作人员、操作日期以及操作内容写入到日志文 件中，系统对日志文件循环更新。这样，如果出现误操作能够迅速地更正，同时也能做 到责任明确。 2 3 面向对象的知识表达 知识表达是专家系统最重要的部分之一，它直接影响专家系统的质量。为了有效地 解决这一问题，该系统引入了面向对象技术及决策属性编码方案，使开发难度大大降低 并提高了推理效率。 2 3 1 对象的层次 任何事物都是对象，而任何复杂对象都可以由相对简单的对象层层组合而成。面向 对象的知识表达方法就是以对象为中心，将任一层次的对象与一个知识框架相对应，而 每个知识框架中包含有与对象相关的完成特定任务的所有知识。如以油浸大型电力变压 器为例介绍对象层次的划分，其结构层次划分如图2 - 4 所示。 2 3 2 知识的表达 为了让每一个知识单元包含的知识规模尽可能小，必须将专家知识作适当的表达。 这样能够使推理搜索空间变小，大大提高推理效率。 对于变压器这样的大型设备来说，试验项目、故障类型都比较多，若仅使用一个知 识库，其搜索速度将会十分缓慢，构造其知识库也将是项较大的工程。该系统在设计时， 将知识库分成几个相对独立的部分：套管试验、有载分接开关、本体油务以及本体电气 试验等四个知识库。对于本体油务试验先广泛采用神经网络、援例推理等方法，而对于 华中科技大学硕士学位论文 其它三个知识库则在未掌握足够范例前先采用决策属性编码的方案。 首先选择条件属性，也就是所进行的试验项目，可设为t l 到t n ；然后选择决策属 性，以变压器套管的各类故障类型为例，决策属性可表示为d l 到d m 。完成以上步骤后， 就可对决策属性进行编码，编码方案有以下两种： 1 用一个字段表示全部故障类型的组合。例如可以用一个n 位的字符串对所有故障 类型组合进行编码。 2 每一种故障类型是一个决策属性，这样共有n 个决策属性。 第一种方案的优点是信息表生成过程的思路比较简明。缺点是当对象具有多决策属 性( 同时出现多种故障类型) 时，决策属性的值域空间将急剧增大，需要大量的训练样 本才能覆盖决策属性的值域空间。例如对于n 个故障类型，需要2 n 个编码。 第二种方案的优点是可以从具有多 种故障特征的对象中提取出关于每一种 故障的知识( 与故障相关的试验项目) 。 从以上两种编码方案的优缺点可以 看出当故障类型较少，即n 较小时以采 用第一种方案比较简单：反之，宜用第 二种方案。决策属性编码方案示意图如 图2 5 所示。 嚣 擎肇决策属性( 变压器套管故障类型) p 编码方案 ff f i ii 条件属性( 试验项目) i it lt 2 i h i 套管 试验 图2 5 决策属性蝙码结构示意图 鬲丽两 色谱试验 试验定位信息 简化试验 试验定位信息 慧ll 鼗li 墓ll 剽l 笋谢ll 黼ii 跚l 下_ 7 糊幽幽 褂+氏 b ) 变压器对象的第二层结构( 以油务试验为例) 图2 _ 4 以变压器为对象的层次结构 一1 2 一 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 基于b r o w s e r s e r v e r 模式构造变电设备在线监测及诊断系统代表着发展的必然趋 势，开发的系统很容易进行扩展和维护。分布式数据库结构的采用实现了对异种数据库 进行透明访问，能够使不同单位之间进行充分数据共享。本章的主要结论如下： 1 浏览器朋务器体系与分布式数据库的引入能够较好地解决在线监测数据量大、数据 分散的问题。 2 设备对象化以及属性编码方案的采用使系统的开发难度大大降低并提高了推理效 率。 一1 3 一 华中科技大学硕士学位论文 3 1 在线监测原理 3 变电设备状态监测方法 绝缘在线监测的基本原理是在电气设备处于运行状态中、在工作电压下监测设备绝 缘的各种特征参数。因此，在线监测可以比较有效地反映绝缘的实际情况，从而对绝缘 状况作出比较准确的判断。 目前在我国运行的绝缘在线监测装置大体可分为二大类f s ：集中式微机在线监测系 统和分布式在线检测系统。前者是将被测信号通过电缆或光缆引入设在中央控制室的微 机进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处理与分析。其突出优点是可以对所有被测 设备实施定时或巡回自动监测，运行方式灵活、易于扩展、监测容量大、便于建立专家 诊断系统，实现变电站的综合自动化。后者则是利用专用的便携式测试仪器，从固定安 装在电气设备附近的专用传感器上取信号，就地进行测量。其优点是结构简单，价格较 低，易于更新，便于推广；缺点是测试工作需人工参与，很难纳入变电站的整个自动化 系统。 由于电气设备种类繁多，结构各异，其绝缘在线监测的项目各有不同。目前我国变 电设备绝缘在线监测的主要项目如表3 1 所列。 表3 1 变电设备绝缘在线监测项目 变电设备在线监测项目 油浸电力变压器油中溶解气体、铁芯接地电流、局部放电 高压套管介质损耗角正切、电容量 电流互感嚣( c t )介质损耗角正切、电容量 电容式电压互感嚣( c v t )介质损耗角正切、电容量 耦合电容器介质损耗角正切、电容量 金属氧化物避雷嚣全电流、阻性电流 3 , 1 1 电力变压在线监羹 1 变压器油中溶解气体监测 一1 4 华中科技大学硕士学位论文 等应力的联合作用下，绝缘油、纸和纸板等绝缘材料将会逐渐老化、分解而产生各种气 体( 表3 - 2 ) 。对这些气体进行定量测试，即可对故障的类型及严重程度进行判断，这就 是油中溶解气体分析法( 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 ) ，或称油色谱分析法。它 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，在诊断变压器内部潜 伏性故障及其发展程度上效果显著。 表3 2不同故障类型所产生的气体 故障类型主要的气体成分次要的气体成分 油过热 c 地c 2 i - h- 1 2 、c 2 h 6 油及纸过热 c h 4 、c 2 1 - h 、c o 、c 0 2h 2 、c 2 h 6 油纸中局部放电h 2 、c i - h 、c 2 h 2 、c o c 2 h 6 、c 0 2 油中火花放电 c 2 h 2 、h 2 油申电孤 h 2 、c 2 h 2c i - h 、c 2 l - h 、c 2 h 6 油纸中电孤 h 2 、c 2 h 2 、c o 、c 0 2c h 、c 2 i - h 、c 2 h 6 受潮或油有气泡h 2 油中溶解气体在线监测的两个关键技术难题是现场脱气技术和定量检测技术。目前 现场常用的脱气技术是利用有机合成的半透膜脱气法。而实用的现场定量检测方法，有 的将实验室用的色谱仪适当简化，有的利用半导体传感器，但这些方法在测量结果的灵 敏度、稳定度和精度方面目前还不能完全满足现场的需要i s 。再加之价格比较昂贵，因 此至今为止多种气体的在线监测设备的性价比还没有能达到令人满意的要求。 变压器在运行过程中所发生的绝缘故障，通常可分为过热性故障和放电性故障 两大类型。过热性故障主要表现为铁芯多点接地、局部短路和接触不良等形式， 放电性故障主要表现为电弧放电、火花放电和局部放电等形式。研究表明，任何一 种变压器故障都会引起油中氢气含量的变化【9 l 。表为不同故障类型所产生的较主要的 几种特征气体，其中氢气是主要组成成份。如果油中氢气含量显著增加，通常可 认为变压器内部可能出现异常。可见，理论上氢气是反映变压器可能有故障的有 效特征气体之一。而在以前的测试中，氢气还没有引起足够的重视，主要是由于 氢鱼笪坌王量堡尘：垄墼壁塑堡查塑闷查垒墼：堡堡型彗笙墨旦墼塑查塞塞垦墼 华中科技大学硕士学位论文 因而也有助于反映变压器内部缺陷。目前广泛采用的监测设备主要是透气薄膜型 传感器( 如加拿大s y p r o t e c 公司生产的h y d r a n 2 0 1 等) 。 2 变压器铁芯接地电流监测 为防止铁芯悬浮电位引起的放电，运行中变压器铁芯接地线常经套管引出。 正常运行条件下，铁芯接地电流极小，一般不大于毫安级，当铁芯发生多点接地 而导致铁芯过热故障时，铁芯接地电流会明显增加。根据经验，如果铁芯接地电 流增加到0 1 a 时应采取措施。因此通过对铁芯接地电流的在线监测，可有效地发 现铁芯发生多点接地故障。 3 1 2 电窖型设备在线监测 电容型设备泛指绝缘层中含有极板或插有电容屏的电气设备，主要包括电容型的套 管、电流互感器( c t ) 、电容式电压互感器( c v t ) 以及耦合电容器等，其数量约占变 电站电气设备的4 0 ，其绝缘状态的好坏将直接影响整个变电站的安全运行【l o l 。电力 部门每年需要花费大量的人力物力对其进行预防性试验，迫切需要开展绝缘在线监测工 作。 电容型设备绝缘在线监测是电力系统中开展较早的项目之一，国外在这方面的研究 u f 曲 ( a ) 信号的采集 图3 - 1 ( b ) 检测过程框图 t 9 6 在线检测的原理图 始于六十年代初，国内也于同时期展开了早期研究工作8 1 。由于通过带电测量介质损耗 角正切( t g6 ) 及电容量( c x ) ，可较为灵敏地发现电容型设备的绝缘缺陷，目前几乎 所有的在线监测系统均把该项目作为重点测量的对象之一。 目前，电容型设备的介损在线监测基本原理如图3 - 1 所示。要实现电容型设备t g 6 华中科技大学硕士学位论文 的在线监测，关键技术是如何准确求取反映试品性能的电流信号i 和电压信号u 基波的 相位差。这方面的研究形成两大分支：一是主要靠“硬件”实现的监测方法，以过零点 的相位比较法( 也称脉冲计数法) 、电压比较器法等为代表【1 1 】，此外还有一些其它方法， 如改进的西林电桥法f l 】等；二是主要靠“软件”实现的监测方法，其典型代表是谐波分 析法【1 2 】。由于硬件法的抗干扰性低，硬件电路复杂，谐波对测量的影响很大，难以保证 测量精度和长期稳定性。因此目前的变电设备绝缘在线监测系统大多采用软件法，利用 快速傅里叶变换，求取被测电流信号与电压信号基波分量的相位差。在后面会给出一个 基于f f t 算法的用于测量介质损耗角度的单片机数据采集卡的实现，包括原理，硬件和 软件实现。 3 1 3 金一氧化物避在线监测 金属氧化物避雷器( 简称m o a ) 是近十年来广泛使用的一种新型过电压保护设备， 具有非常好的非线性特性。但由于目前采用的m o a t 常不带串联间隙，阀片的特性很可 能会因长期有电流通过等而加速劣化。此外，m o a 密封结构不良造成的内部元件受潮 或污秽，也是危害安全运行的重要因素。因此，监测运行中m o a 的工作状况，准确判 断其劣化或受潮程度，也是运行部门十分关心的问题。 在线监测m o a 的全电流是发现其受潮故障的较简便而有效的方法，由于正常情况 下阻性电流分量占其全电流比例较小，因此仅测全电流对检测m o a 的早期劣化很不灵 敏。在运行状态下同时监测m o a 阻性电流的变化，是判定阀片劣化和受潮程度的更为 有效和灵敏的方法。 对m o a 阻性电流基波分量的监测，通常采用与测电容型设备t g6 和c x 类似的方 法，如前图1 1 。如果不考虑避雷器相间的电磁干扰问题及瓷套表面泄漏电流等的影响， 则可方便地计算得到阻性电流的基波峰值i r 等参数。 3 1 4 运行环境及污秽在线监测 对环境温度、湿度等常规气候参数的监测，以及通过对m o a 瓷套表面泄漏电流的 监测以判断设备外部绝缘的污秽状况，这都有助于提高诊断结果的可靠性。为此，在线 监测系统一般都配备了环境温湿度的测量元件。也有的装以表面泄漏电流的测量单元。 其中通过m o a 瓷套根部处所安装的金属屏蔽环来监测瓷套表面泄漏电流的大小，它既 一j 7 一 华中科技大学硕士学位论文 有利于对表面脏污状况进行监测，又可分析其对m o a 阻性电流等监测结果的影响程度。 如果测得瓷套表面的泄漏电流较大，则认为m o a 阻性电流及全电流的变化很可能是由 外部环境变化引起。 3 2 介质损耗的监测 如上节中提到，这部分内容介绍的测量方法是第二种方法，主要靠“软件”实现的 监测方法，也就是谐波分析法。利用快速傅里叶变换，求取被测电流信号与电压信号基 波分量的相位差【t 4 , 1 5 。 3 。2 1 采用f f t 算法提高介质损耗测精度的仿真 这部分首先介绍采用f f t 算法提高测量精度的理论分析依据。采用m a t l a b 仿真。 为了消除谐波对测量的影响，考虑通过离散傅立n - l - 变换，对采集的离散数据进行分析， 然后取出其中的基波分量，再进行相角的计算。将电压和电流的相角相减，得到计算相 角偏差。 以下通过m a t l a b 仿真，观察频率和谐波对d f t 算法的误差影响。 1 情形1 一个周期采样4 8 个点； 图3 2 频率为4 9 9 0 h z 时的误差曲线 一1 8 一 华中科技大学硕士学位论文 考虑电压频率的不稳定性，取f - - 4 9 9 0 h z ： 考虑谐波的影响，取3 次和5 次谐波的分量分别为基波的1 1 0 和1 2 0 。 作相角偏差从t a n o o 度到t a n l o o 变化的曲线图。如图3 - 2 。 2 情形2 一个周期采样4 8 个点： 考虑谐波的影响，取3 次和5 次谐波的分量分别为基波的1 1 0 和1 2 0 ： 电压频率分别取4 9 8 0 ，4 9 9 0 ，5 0 0 0 ，5 0 1 0 ，5 0 2 0h z 。 作相角偏差从t a n o o 度到t a n l o o 变化的曲线图。如图3 3 。 图3 - 3 频率从4 9 8 0 h z 一5 0 2 0 h z 变化时的误差曲线 3 误差分析及锁相环的采用 以上产生误差的原因，是计算采用的频率是工频5 0 h z ，而实际频率却在5 0 h z 左 右变动，信号采样的频率不变，而信号的频率却在变动，所以导致没有整周期采样，从 而引起误差。由上图，当信号频率为5 0 h z 时，误差在0 周围抖动就可以说明这一点， 为了验证这一点，改动第二步中的采样频率为4 9 9 0 h z 的4 8 倍，再用m a t l a b 分析。 一个周期采样4 8 个点， 考虑电压频率的不稳定性，取f - - 4 9 9 0 h z ， 考虑谐波的影响，取3 次和5 次谐波的分量分别为基波的1 1 0 和1 2 0 华中科技大学硕士学位论文 将程序中的采样频率改动为实际频率4 9 9 0 h z 的4 8 倍，以保证一个周期采样4 8 个 图3 4 频率为4 9 9 0 h z 时整周期采样的误差曲线 点，即整周期采样，结果如图3 4 。 由上图可见，保证了整周期采样的误差已经非常的小，在0 8 1 0 - 1 6 h z 之间变化。 可见此时的算法误差已经可以忽略了。只需要考虑仪器误差。 实际使用中整周期采样的措施可以采用锁相环来保证。 3 2 2m c s s l 单片机数据采集卡的硬件实现 3 2 2 1 采样卡总体构成 此采样卡可以用来测量介损角度，同时考虑到通用性，