符杨
（上海电力学院电力系，上海 200090）
摘 要：电力变压器故障诊断管理系统（TFDES）的研制对变压器、电力系统的安全运行意义重大．介绍了变压器故障诊断的常用方法，描述了所开发的TFDES结构、推理机制、实现方法，以及诊断管理的主要功能．现场测试表明：TFDES结构合理，推理正确，能有效诊断运行中变压器内部故障．
关键词：电力变压器；故障诊断；专家系统
引 言
安全、优质、经济地供电，是对现代电力系统运行的3大要求，其中以安全性最为重要．供电系统的关键设备大型电力变压器在长期运行过程中，因受外界环境各种因素的影响，不可避免地会逐渐老化，以致丧失其本身的设计功能，如未能及时发现并采取适当的修复措施，则缺陷会不断发展，从而引发运行事故．因此，必须运用一定的管理方法和手段对运行中的变压器进行管理和监控．这是电力行业安全生产的重要任务．
目前对电力变压器采取的检修策略是以定期检修为主．一般根据定期的时间间隔进行预防性维修，其周期按照国家制定的规程和制造厂推荐的方案确定，这样的维修方案通常过度保守，并与设备实际运行状态没有内在联系，因此可能发生以下情况：在不需要维修的时候进行了维修，从而加快了设备损坏老化的进程；在急需维修的时候又因固定不变的维修周期而延误了维修，造成设备的损坏乃至发生严重的事故．
上述任何情况都将导致不必要的维修成本．
因此，有必要对电力变压器状态监测和故障诊断技术进行深入研究，以利尽快提高运行人员的诊断管理水平．
基于以上原因，我们在上海市科技启明星计划资助下，研制出“电力变压器故障诊断管理系统”，并在丰富、完善原有专家系统的基础上进行了应用技术的开发．
1 电力变压器故障分析机理简述
1．1 油中气体色谱分析法（DGA）
IEEE认为对变压器故障早期诊断的最佳方法是油中气体分析法．正常情况下充油电气设备内的绝缘油机的有机绝缘材料，在热电作用下会逐渐老化和分解，产生少量的大部分溶于油中的各种低分子烃CO2和CO等．
当变压器内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快产气的速度．一般说来，对于不同性质的故障，绝缘物分解产生的气体不同；而对于同一性质的故障，由于程度不同，所产生的气体数量也不同．
故障气体的组成和含量与故障的类型、严重程度有密切联系．对气体分析数据的解释有多种，目前最常用的判断方法包括静态的特征气体法、比值法（比值法中尤以罗杰斯法最为常用，我国采用类似的三比值法）、大卫三角形法和动态产气速率法（包括绝对产气速率法和相对产气速率法）．
1．2 绝缘预防试验诊断法
大型变压器经过长期使用，会正常老化，特别是在发生故障后，其绕组的直流电阻、绝缘电阻及吸收比、介质损耗角正切值和直流泄露电流都会发生变化，与出厂数据有很大差别［1］．为此，可采用本次测试数据与试验规程数据比较、与上次测试数据比较，以及与不同相数据比较的方法来判断变压器内部故障的性质、程度、部位等，从而为变压器的综合诊断提供依据．
1．3 绕组变形试验诊断
变压器在长途运输中受到冲撞或者在运行中遭受到短路电流的冲击，均有可能使绕组发生变形或位移．变压器绕组变形或者位移后，其绝缘距离会发生改变，固体绝缘受到损伤，这些均有可能导致突发性绝缘事故；绕组机械性能的下降，有可能承受不住电动力作用而发生损坏事故．
目前，频响法（FRA）是检测变压器绕组是否变形的主要方法．其方法为：用平时实测的绕组频率响应曲线与变压器在正常状态（出厂）时预先录制的频率响应曲线进行比较，根据其是否发生变化，就可以判断绕组是否遭受冲击及绕组的变形情况，并初步给出是否进行吊罩检查等建议及一些预防性措施．
1．4 老化鉴定试验
糠醛是绝缘纸经过热降解、氧化降解及水降解等一系列复杂化学反应后生成的最终产物之一．在运行温度下，溶解于油中的糠醛含量与绝缘纸的平均聚合度之间有较明确的对应关系．因此，油中糠醛含量能反映包括深层绝缘纸在内的纸绝缘的总体劣化程度．应用高效的液相色谱法检测绝缘油中的糠醛含量来判断绝缘纸的劣化程度是鉴定变压器老化状态的主要手段，必要时再测量纸样的聚合度和抗张拉力．其主要方法是通过分析糠醛含量来估算绝缘纸的老化程度，通过计算糠醛的产气速率来推断绝缘的剩余寿命．
当然，电力变压器的状态检测与故障诊断方法还包括各种常规的外部特征检查（油温、油位、声音、当前运行状况等）、绝缘油特性检查（酸值、电阻率、含水量、表面张力、介质损耗及击穿电压等）、局部放电试验、油流带电试验等方法．
2 电力变压器故障诊断管理系统
2．1 变压器故障诊断专家系统
2．1．1 专家系统结构
变压器故障诊断专家系统由知识库、数据库、推理机、知识获取与维护、数据管理、解释机制、人机接口等7个部分组成［2］，其结构如图1所示．
知识库是专家系统的重要组成部分，存储从变压器专家那儿得到的领域知识（包括经典的共性理论知识、规程和现场领域专家经验、个性知识等）．一个完善的专家系统必须尽可能多地充实必要的领域知识．由于电力变压器故障诊断管理系统（TFDES）采用模块结构，因此，有利于知识库的扩充和维护．
TFDES数据库可分为3个部分，即：模块数据库、变压器特征参数数据库和变压器基准数据库．模块数据库是一上下文树，用以存放专家系统当前的已知工作，以及用户提供的事实和由推理得到的中间结论．在诊断过程中它是动态更新的，因而有利于实现采集数据与历史数据之间的纵向比较．模块数据库主要包括油中气体分析数据库、绝缘油特性实验数据库、老化试验数据库、绝缘预防性试验数据库和绕组频谱试验数据库．其主要用途有以下两种：一是对变压器的历史资料存档；二是对变压器特性数据进行横向比较及变化趋势分析，以提高运行人员的运行、维护和诊断水平．变压器特征参数数据库实现变压器信息的计算机管理（TMIS）．变压器基准数据库实现绝缘预防实验的纵向比较，同时也可以根据实际情况作动态更新．
推理机是专家系统的核心部分，它能根据所获得的知识智能地推理出结论．TFDES采用反向 推理机制和深度优先搜索策略进行推理． 知识的获取与维护主要通过变压器诊断专家与知识工程师交流，利用模块化的结构来丰富完善知识库．在TFDES中，除了尽可能丰富协调诊断模块外，在油色谱分析知识库维护中，我们还建立了基于特征气体法和三比值法的人工神经网络（ANN）［3］，这就大大提高了专家系统的自学习能力．
数据管理的任务主要是对所建数据库进行维护（包括数据库的建立、修改、添加、删除、检索、分类、排序、格式打印等）、各试验数据的纵横向比较与曲线模拟分析、历史状态的分类存档等．
解释机制的功能是解释系统的推理过程、最终结果，以及给出建议、回答用户的问题，并为现场人员的培训和专家经验的传授提供方便．
人机接口负责把用户输入的信息转换为系统内部的表示形式，然后把这些内部信息表示形式交给相应的模块处理．这次我们设计的TFDES人机接口是用DELPHI编译的，因而建立了友好的人机界面，用户只需轻点鼠标，输入有关信息和基本数据即可，大大方便了用户操作．
2．1．2 知识库的构成
知识库是专家系统的核心．根据国家标准中对各个实验的规定和现场的工作情况，我们把整个知识库分为潜伏性故障诊断模块和预防性试验诊断模块两个部分．潜伏性故障诊断模块又分为气体色谱分析模块、产气速率分析模块、外部检查模块、绝缘油特性测试模块、分接开关油特性测试模块、老化测试模块、综合诊断模块．它主要用来判断变压器是否有潜伏性故障、故障的性质与程度，以及是否有必要停运等．预防性试验诊断模块又分为直流电阻测试模块、绝缘电阻测试模块、泄漏电流测试模块、绕组及套管介质损耗测试模块，局部放电试验模块、绕组频谱试验模块、综合分析模块．它主要用来判断故障的性质与程度、故障的位置等．由于TFDES的知识库采用了模块化结构，故各个模块之间具有很好的独立性，因而有利于程序的维护和扩充．下面仅以气体色谱分析模块为例介绍其知识库的构成．
根据气色分析领域知识的不同，气体色谱分析模块可分为3个基本部分［4］，即：气体（H2，CH4，C2H6，C2H4，C2 H2，CO，CO2）正常值知识、特征气体法知识、三比值法知识或大卫三角形法知识．考虑到三比值法和大卫三角形法更为准确，故本
系统优先采用三比值法和大卫三角形法诊断，同时采用特征气体法并行辅助分析．气体产气速率诊断包含静态分析和动态分析．对于相对气体产生速率分析，TFDES保存了出厂基本数据和历次测试数据，因此可实现本次和上次采集数据的比较（当相对产气率每月大于10％时应引起注意），并实现动态数据的曲线描述，如图2所示．这样，可大大提高诊断的直观性、有效性和正确性．
2．1．3 知识的表示与模糊处理
合适的知识表示是专家系统准确高效工作的保证．TFDES采用目前使用广泛的产生式规则表示法来表示变压器故障诊断知识，它具有模块性强、清晰性好、易于理解、便于修改扩充，以及便于表示专家的启发性知识等优点．
变压器故障诊断存在许多不确定因素，其容量、电压、绝缘等级、冷却方式、负荷特性、工作时间及绝缘结构等因素均可对诊断结论产生影响，且这些因素的数学相关年性目前尚不清楚．因此，在气体色谱分析等模块中采用精确的边界划分规则来诊断各种临界故障显然是不科学的，为此，我们引进模糊处理技术［5］．如在三比值法中，将原来精确的划分模糊化，当0．1＜CH4／H2＜1时，编码为r＝0．经模糊处理后的编码依旧，只是增加一个隶属度u．这样，每个编码可用两个元素（编码、隶属度）来表示．每个编码并不绝对等于0，1，2，而是某种程度上等于0，1，2．系统推理时可能发生几条规则同时满足前提条件的情况，此时以隶属度最大的那条规则进行触发．
2．2 电力变压器信息管理系统
TFDES的信息管理系统是专家系统的重要组成部分，它使专家系统在基于动态数据库的基础上完成故障诊断，同时也实现了变压器信息（特性参数、测试数据、诊断结论等）的计算机管理，包括变压器特征数据管理系统、各试验基准数据（出厂测试数据）管理系统、各试验历史测试数据库管理系统、变压器历史诊断结论管理系统．各管理系统都具有添加、删除、修改、查询、排序、浏览、打印、分析等功能和友好的人机界面．见图3．
2．3 系统的实现
TFDES是在WINDOWS98（中文）操作平台基础上，利用最新智能型专家推理语言PROLOG和数据库管理语言DELPHI（5．0）开发出来的．由于VISUAL－PROLOG语言具有很强的逻辑推理功能和独特的演绎推理能力，专家知识易于表达和维护，并具有良好的解释机制和用户界面，因而使其成为专家系统中最成功的计算机语言．本专家系统的核心部分开发就是采用最新的基于WINDOWS平台的VISUAL－PROLOG语言，同时考虑到现场运行部门对电力变压器各种历史、试验数据进行计算机管理的要求．因此，在动态数据库中，我们选用DELPHI（5．0）完成了对各历史数据、动态数据的统计管理、曲线描述、打印等功能的开发．我们还采用FORTRAN语言对DGA中知识获取的人工神经网络进行开发，并与专家系统进行了有效连接．
3 诊断实例
某厂7＃主变（额定容量为63MVA，额定电压为110／35／10．5 kV）．其测试数据如下：
1 气体色谱分析试验（ppm） H2＝217．5，
CH4＝40，C2H6＝4．9，C2H4＝51．8，C2 H2＝67．5，CO＝464．7，CO2＝1 264；
2 绝缘油特性试验 酸值0．195mgkoh／g，电阻率1．5Ωm，含水量33．5ppm，表面引力20N／m，击穿电压39．5kV，介质损耗1．75；
3 外部检查 声音异常（局部有沙沙声），温度计和油位计正常；
4 预防性电气试验 高压侧、中压侧、低压侧的直流电阻为0．312 8Ω，0．059 58Ω，0．002 656Ω，绝缘电阻（15s／60s）为200／400MΩ，200／300MΩ，130／200MΩ，泄露电流为8μA，12μA，6μA，介质损耗为0．6，0．7，0．7．
TFDES的诊断结论如下．
1 气体色谱分析认为H2，C2 H2含量超过正常值，变压器内部故障；三比值编码为102，变压器故障性质为高能量放电．
2 外部检查分析认为，根据声音异常判断为变压器内部异常．
3 绝缘油特性试验分析认为，绝缘油性能良好，可继续使用．
4 潜伏性故障诊断－综合分析后建议，立即停机，进行内部检查．
5 预防性试验分析认为，绝缘预防性试验异常（直流电阻异常），变压器内部焊接不良，并给出直流电阻异常．同时提请操作人员注意以下5个方面：（1）分接开关不良，主要是分接开关不清洁、电镀脱落、弹簧压力不够等；（2）引线和线圈焊接处接触不良；（3）三角接线一相断线；（4）套管的导杆和引线连接接触不良；（5）使用导线型号不一致．
停机后现场检查结论为：变压器绕组故障，高能量放电．
4 结论与展望
电力变压器故障诊断管理系统的设计与开发是一个非常复杂的课题，不仅要求对变压器的运行、维护、电气试验、检修有充分的了解，而且要求掌握专家系统的关键部分—知识的表示和知识库的构造，以及ANN技术与专家系统融合在变压器故障诊断中的应用，而对于诊断过程中的不确定性的分析处理又需要模糊数学的知识．可以肯定，在融进了以上的关键技术后，电力变压器故障诊断专家系统的诊断结论是可靠准确的，这将大大提高电力部门变压器运行维护的水平．
电力变压器的故障诊断与管理系统是一个很有发展前景的研究领域，随着硬件技术的不断提高，专家系统应逐渐向实时在线诊断的方向发展，并努力与SCADA和MIS系统融合，以完成变压器的实时检测与自动控制任务．
参考文献
［1］ 蓝之达．电气绝缘试验［M］．北京：中国电力出版社，1997．
［2］ 符 杨，王 啸，白利军．电力变压器故障诊断专家系统研制及其应用技术开发［J］．上海电力学院学报，1996，12（3）：1～9．
［3］ 符 杨．电力变压器故障诊断的人工神经网络法［J］．上海电力学院学报，1998，14（4）：1～7．
［4］ 国家经贸委电力司．变压器油中溶解气体分析和判断导则［M］．北京：中国标准出版社，2001．
［5］ 王大忠，徐 文，陈 珩．模糊理论、专家系统及人工神经网络在电力变压器故障诊断中的应用［J］．中国电机工程学报，1996，16（5）：
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