面向知识可视化的变压器故障诊断系统开发及应用研究

陕西省引汉济渭工程建设有限公司 刘 凯

0 引言

随着我国现代电网网架结构的快速发展，计算机可视化技术已在电力系统中得到大力度应用，电力设备运维故障诊断已成为电网运行部门的一项重要工作及手段[1]。电力变压器是变电站中最重要的设备，其运行状态的良好程度直接关系到电力系统的稳定运行，准确及时的预判出设备潜伏性故障是很有必要的。变压器电气特性试验、糠醛含量测试以及油中溶解气体分析(DGA)等多种常规测试方法为判断设备的绝缘状况提供支撑。其中，油中溶解气体分析法对反映早期潜伏性故障较为灵敏，所以在1997年颁布的《电力设备预防性试验规程》中，将其列为对变压器进行调试时的首要位置[2]。

本文在分析变压器故障诊断业务应用数据、方法的基础上，提出将知识可视化集成技术应用到变压器故障诊断中，运用数据集成、组件化和信息可视化等技术，提取变压器设备油中气体的状态量，同时通过变压器故障模式、影响及故障原因准确获取当前变压器运行状况及后期运行趋势，提高变压器故障诊断的准确率。

1 变压器故障诊断技术

1.1 变压器常见故障类型[3]

（1）短路故障

由于变压器绕组间或内部引线对地短路、相间短路及出口短路而导致的变压器运行故障为短路故障特征。根据笔者统计，变压器运维过程中出现出口短路故障的情况比较严重，特别需要注意的是：变压器低压侧出口短路时一般需要及时更换绕组，严重时还需要更换全部绕组，以免造成不必要的损失。

（2）放电故障

根据变压器放电的能量密度大小，将放电故障分为三类：即火花放电、局部放电及高能量放电。放电对变压器的绝缘有破坏作用，主要有如下两种原因：第一是因为放电质点直接对绝缘体进行轰击，使设备局部绝缘受到破坏并快速扩大，从而击穿绝缘；第二种是因为放电后产生的活性气体，通过进行化学作用腐蚀局部绝缘体，从而增加介质发热损耗，导致热击穿。

（3）绝缘故障

电力变压器的绝缘好坏是决定设备正常运行和服役寿命的基本条件，变压器的绝缘材料主要有油纸或树脂等。笔者通过多年工作总结到：大多数变电站变压器设备的故障损坏的主要原因是由于绝缘系统的破坏，加强对变压器绝缘系统的定期维护及异常诊断，可以在很大程度上提高设备的运行寿命，而预判性故障诊断是提高变压器供电可靠性的重要手段之一。

1.2 变压器故障特征气体

变压器油与油中的固体有机绝缘材料(油纸或树脂)在运行中会受到化学、物理作用进而分解、裂变，产生一定量的低分子烃类，从而生成CO、H2和CO2气体。变压器油中溶解气体的成分与含量可以反映变压器运行的绝缘体老化及故障严重程度，进而可以根据各类特征量来判断变压器故障的性质、严重程度及故障部位[4]。不同类型的气体组分和含量反映了设备的故障性质，同类性质的气体量随故障的严重程度而不同。我国现行的《GB/T7252-200：变压器油中溶解气体分析和判断导则》中，对变压器故障类型进行了归纳，总结出变压器常见故障类型及产生的各类气体含量，见表1。

表1 变压器常见故障类型及气体成分

1.3 变压器油中气体故障诊断方法

变压器油中特征气体比值法是一种快捷有效的故障诊断方法，可以对设备故障与否作出初步诊断。但仅仅依赖此方法进行故障诊断是不可靠的，通过研究特征气体相对含量，可以有效地对故障性质和部位的诊断。因此，产生了CH4/ H2、C2H2/ C2H4、C2H4/ C2H6、C2H6/ CH4四比值法。由于C2H6/ CH4对设备故障影响甚小，国际电工委(IEC)推荐采用CH4/ H2、C2H4/ C2H6、C2H2/ C2H4值进行常规变压器故障诊断。

作为国际电工委员会和我国国标推荐的电力变压器故障诊断方法。在应用时应注意三比值法是用于已经识别发生故障电力变压器的诊断[5-7]。在应用该方法的前导中应该有识别出故障电力变压器。正常运行的电力变压器油中溶解气体在三比值法中没有参考意义，状态的识别可以避免误诊断造成的非必要经济损失。本方法主要参考各气体组分相互影响构成的比值，然后以编码代替故障类型便于诊断系统输出结果。三比值故障诊断编码见表2，基于三比值的变压器故障判断类型见表3。

表2 三比值法故障诊断编码规则

表3 变压器故障类型

2 基于可视化环境下的变压器诊断系统搭建

知识可视化技术[8]是钱学森首先提出来的，本文在可视化理论技术基础上，引入了数据整合技术、组件技术可视化技术及综合集成平台，实现其在变压器故障诊断方面应用，基于知识可视化技术的变压器故障诊断系统结构，如图1所示。

图1 基于知识可视化集成技术的变压器故障诊断系统结构

2.1 知识可视化集成关键技术[9-10]

（1）组件技术

组件技术代表了一个集合、一个环境、一个编程的基础结构。具体来讲，是要在分布式站点之间建立协定，促进各站点的协同合作，实现信息的双向自动交流，从而帮助用户最大限度的获取数据及业务信息，并进行简单、高效的业务管理。组件技术采用计算机网格技术，可以将应用组件分布式存储，综合利用多服务器端的计算能力，实现多重任务的快速处理。

（2）数据集成技术

数据集成技术是一种新型大数据技术，主要有数据的共享、挖掘、学习等功能，可以对不同类型的异源异构数据进行有效分类整合，通过数据集成中间件的映射，对外提供统一安全的数据访问接口，通过对不同来源、不同类型的业务数据集成，可实现变压器故障诊断业务对数据格式的需求。

（3）可视化技术

可视化技术是利用计算机图像处理和图形学技术，将业务数据转换成各类个性化图形显示，再进行交互处理的理论、方法的技术。其核心是以一种或多种个性化图表的方式对业务信息进行信息描述、实现有数据—信息—知识的显性可视化描述。通过知识图表达的变压器故障诊断模型更加公开透明，业务任免能够及时了解设备数据的变化情况，同时可视化技术还可以将业务系统移植发布，有助于故障诊断的学习积累、复用集成等。

2.2 基于知识可视化的业务系统开发

知识可视化是故障诊断业务中人机交互的纽带，可视化技术的应用主要是为满足变压器故障诊断业务的需求，使变压器故障诊断系统具有一定的快捷性和适应性[11]。基于综合平台的变压器故障诊断系统开发流程如图2所示，可分为以下几个步骤：

（1）建立故障诊断数据库：分析变压器故障诊断业务中各类结构化与非结构化数据，设计数据结构；

（2）故障诊断组件开发：按照故障诊断的流程及方法划分组件库，采用Java语言进行组件开发；

（3）Web封装发布：采用Web server技术进行组件封装发布，形成变压器故障诊断方法组件库；

（4）诊断系统可视化：在集成环境下，绘制变压器故障诊断系统知识主界面，添加相关故障诊断业务组件，而实现变压器故障诊断系统的可视化。

图2 变压器故障诊断系统开发流程

2.3 基于知识可视化技术的系统开发优势

变压器故障诊断系统是以知识可视化技术为基础，建立变压器故障诊断数据库，为故障诊断业务提供数据支持，搭建可视化知识系统主界面，根据变压器的各类特征气体含量及各模块间相互逻辑关系，概化、绘制故障诊断流程知识图，定制相关变压器故障诊断计算组件，完成故障诊断计算、建模及结果分析，从而实现变压器故障诊断系统可视化，这种系统应用具有如下优势：（1）快速搭建可视化系统；（2）具备一定的移植扩展复制行；（3）能够集成其他业务；（4）能够实现数据间及业务系统的共享；（5）故障诊断的细节公开透明；（6）模块化应用。

3 应用实例

针对传统故障诊断系统存在的可重用行和可扩展性差，且难以维护、移植等缺陷，本文提出“一台三库”模式故障诊断系统开发的，即集成平台+故障类型组件库+设备诊断知识图库+变压器故障诊断主题库。以引汉济渭工程某变电站为对象进行应用，系统主界面如图3所示。

图3 变压器故障诊断系统应用主界面

4 结语

本文从变压器故障诊断的业务需求出发，首先分析了变压器故障类型及故障过程中气体变化情况，对传统的判断变压器是否故障的主要方法进行了总结分析，以三比值气体故障诊断为对象，列举了故障诊断的局限性和使用的注意事项。针对变压器故障诊断系统手段缺乏、故障诊断工具落后的问题，提出了一种新的基于知识可视化技术的变压器故障诊断系统开发模式，使变压器故障诊断系统具有移植扩展等优势，为变压器故障诊断系统扩展提供了良好的基础平台。

在此基础上，以引汉济渭工程某变电站变压器运行数据为对象，采用本文所建立的故障诊断系统进行变压器运维故障诊断，使理论与实际应用想结合。应用结果表明，本文提出的变压器故障诊断系统开发模式能够使故障诊断工作更贴近实际，使故障诊断的结果更真实可靠，对变压器安全运行具有指导意义。

引文

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②操敦奎,许维宗,阮国方.变压器运行维护与故障分析处理[M].北京:中国电力出版社,2008:156-170.

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④高文胜,严璋,谈克雄.基于油中溶解气体分析的电力变压器绝缘故障诊断方法[J].电工电能新技术,2000,19(1):22-26.

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⑦陈维荣,宋永华,孙锦鑫.基于神经网络的电力变压器状态监测[J].变压器,2002,39(z1):53-57.

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⑨解佗,张刚,武昕,等.面向水电厂能效评估主题的研究及应用[J].水利信息化,2015(06):42-47.

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