浅谈专家系统在干式变压器故障诊断系统中的应用

魏丽峰，张志东，杨亚奇

（1.山西省电力公司检修公司变电检修中心，山西 太原 030032；2.东北电力大学，吉林 吉林 132012）

0 引言

干式变压器运行中出现异常现象将对电网的安全运行造成威胁。如何提高干式变压器运行的可靠性，是现今电力行业研究的重要课题之一。及时、准确地掌握干式变压器的运行状态和故障状态，对于确保电网运行的可靠性、安全性具有非常重要的现实意义。国内许多单位正积极地开展变压器的在线监测和故障诊断。故障诊断与专家系统相结合，可以提高故障诊断的效率，是现今研究电力设备故障诊断的热点[1]。本文着重浅述专家系统及其在干式变压器故障诊断系统中的应用。

1 专家系统

故障诊断专家系统是基于在线监测体系的基础上，将专家系统应用到故障诊断中。当系统发生故障时，专家系统根据系统中的各种可测的和不可测的参量所表现出的异于常态的特性，利用领域知识和专家经验找出故障的特征描述并进行故障的检测与隔离。目前，故障诊断专家系统广泛应用于电力、机械、化工、船舶、军事等领域[2]。

1.1 专家系统的基本组成

一个以规则为基础，以问题求解为中心的专家系统由知识库、推理机、综合数据库、解释接口和知识获取等五部分组成[3]，其系统流程如图1所示。

图1 专家系统流程框图

知识库用于存储领域专家的经验性知识、一般常识等。推理机是用于求解问题的计算机软件系统，即专家系统的“思维”机构。综合数据库用于存放推理的初始证据、中间结果及最终结果等。解释接口把用户输入的信息转换成系统内规范化的表示形式，再把系统输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式，并能做出解释。知识获取将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性知识转化为计算机程序。

1.2 专家系统的诊断机理

专家系统的诊断过程是模式识别的过程，经历如下三个阶段[4]。

a）确定监测内容，提取系统状态的特征信号。这些特征信号包括：系统工作时的约束条件及应满足的技术规定，这是系统主要的监测内容与诊断信息；系统的功能信息，主要反映系统的工况；系统工作的历史信息，主要反映系统状态参量的变化。

b）从所检测到的特征信号中提取征兆。通过对信号的分析确定各信息对应的状态，作为故障诊断的依据。

c）根据征兆或有关参数的变化趋势做出某些故障的预测和诊断。

2 专家系统在干式变压器故障诊断系统中的应用

对干式变压器的故障诊断，应对干式变压器的状态参量进行在线监测，然后通过专家系统实现其故障识别，做出故障诊断。本系统利用传感器获取的三相运行电压、三相运行电流、三相绕组温度、铁芯温度和接地电流等信号经双屏蔽电缆传输至调理单元，选通放大后由数字采集单元完成数据采集，通过软件对信号进行分析处理与存储，并生成各类谱图、报表、发展趋势图等。

2.1 干式变压器故障诊断专家系统的基本功能

干式变压器故障诊断专家系统的基本功能如下。

a）诊断变压器是否存在故障。系统运行后进入自动诊断状态，定期对设备状态做出评价，确定是否存在故障。该系统以干式变压器三相运行电压、三相运行电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流数值及其变化分析为主，判断是否存在内部故障。

b）推断故障发生的部位及原因。当怀疑设备存在内部故障时，系统提示用户输入设备的其他试验数据，以进一步证实故障，确定故障原因及部位等。当用户未知或无法取得某项参数时，系统可根据其他已知信息推断。当所有数据都不知道时，则系统输出几种可能的部位、原因及其经验性概率。例如，若变压器内部过热，且其他电气结果未知，则故障部位为分接开关0.6，磁路0.3，线圈0.1。

c）提出故障处理意见，例如立即停运检修、加强跟踪监测或正常运行等。

2.2 干式变压器故障诊断专家系统的总体结构

干式变压器故障诊断专家系统的总体结构包括以下几部分。

数据库由干式变压器的铭牌数据库和试验数据库两部分组成。

a）铭牌数据库。铭牌数据库包含系统内35 kV及以上电压等级被监测变压器的全部铭牌参数。当新增需要监测的变压器要采用此铭牌库时，仅需把各自变压器的铭牌参数像填表一样输入即可。某台35 kV无励磁调压干式变压器铭牌数据库如表1所示。

表1 35 kV无励磁调压干式变压器铭牌数据库

b）试验数据库。试验数据库包括：变压器代码库，绕组联结组别标号校核数据库，三相运行电压，三相运行电流，三相绕组温度，铁芯温度，接地电流，绝缘电阻，电压比及变比误差，直流电阻，泄漏电流，交流耐压，局部放电等。

试验数据库可以完成数据的输入、删除、查询及修改。试验数据都与标准值进行比较，判断是否合格。如有某一项不合格，就进入缺陷库，以备查询。

c）知识库。知识库由事实库和规则库组成，它集中了干式变压器的有关标准、规程及导则的规定，并收集了国内许多专家分析判断干式变压器故障的权威经验。随着标准、规程及导则中有关部分的变化，经验的不断积累和增加，知识库可以随时扩大、修改、更新。

知识库由三相运行电压、三相运行电流、三相绕组温度、铁芯温度、接地电流等子库组成，考虑了干式变压器的几乎全部可实现在线监测的项目及数据的标准值。

d）推理机。推理机是实现干式变压器故障微机诊断的关键部分。专家系统能否得出正确的结论，取决于推理关系的准确性。干式变压器的故障诊断的全过程，都是在推理机的关联库的引导下完成的。

专家系统以干式变压器常见的几类故障为分析判断的对象，先列出进行诊断的推理逻辑关系，然后编制程序，形成推理关联库，实现干式变压器故障的微机诊断。专家系统的几类关联库为：三相运行电压超标或变化率超标，三相运行电流超标或变化率超标，三相绕组温度异常，铁芯温度异常，铁芯接地电流超标等。

根据干式变压器故障性质的特点，利用专家系统进行推理。例如，某台35 kV干式变压器铁芯温度高于200℃，那么故障的原因可能是：负载太重，某相绕组内部短路，铁芯多点接地，铁芯片间短路或异物短路，高压端进线短路等。其规则表达式如下。

IF铁芯温度高于200℃

THEN负载太重OR某相绕组内部短路OR铁芯多点接地OR铁芯片间短路或异物短路OR高压端进线短路

通过专家系统对铁芯接地电流监测发现，该干式变压器铁芯接地电流为数值大于规程规定（见表2、表3、表4）。

表2 35 kV无励磁调压干式变压器铁芯接地电流监测数据

表3 35 kV无励磁调压干式变压器直流电阻数据mΩ

表4 35 kV无励磁调压干式变压器实时电流数据mA

然后根据这些可能的故障原因，借助其他特征量信息、历史数据、规章指标等利用信息融合技术逐步核实，确定在铁芯接地处可能存在的缺陷。

e）解释器。专家系统对全部几大类推理规则和几类知识进行了详细的解释说明。推理规则的解释主要以框图的形式给出，知识部分的解释主要以表格数据和文字的形式给出，并且用户可以进行修改和编辑。可利用Labview软件编写的干式变压器故障诊断系统界面说明。

3 结束语

故障诊断专家系统是在线监测技术的发展方向，对干式变压器实时数据的分析判断可以实时监测设备的运行参数变化，对设备发生故障及时报警并提供可靠的参数分析。采用专家系统对干式变压器进行故障诊断是一项具有挑战性的课题。本文构造了干式变压器故障诊断专家系统的基本模型，为干式变压器的智能化诊断奠定了一定的基础。专家系统的开发需要不断改进：首先，要有完善的知识库，这需要大量专家知识、运行维修经验及设备的试验数据和故障剖析的积累；其次，依赖于诊断技术的发展，如模糊推理、人工神经网络等人工智能理论。

［1］ 曾小超.电力变压器运行与故障诊断专家系统［J］.电力系统自动化，1994，3（5）：14-16．

［2］ 谢峰.电力变压器故障诊断专家系统研究现状及开发前景［J］.山东电力技术，1998，4（6）：25-28．

［3］ 张全寿，周建峰.专家系统建造原理及方法［M］.北京：中国铁道出版社，1992：7-10．

［4］ 关惠玲.设备故障诊断专家系统原理及实践［M］.北京：机械工业出版社，2000：122-130．