鐘國平，張前進*

（1.廣東運峰電力安裝有限公司公司總部，廣東佛山528200；2.佛山科學技術(shù)學院自動化系，廣東佛山528000）

基于計算實驗輔助的電力變壓器運行維護規(guī)程完備性檢驗方法研究

鐘國平1，張前進2*

（1.廣東運峰電力安裝有限公司公司總部，廣東佛山528200；2.佛山科學技術(shù)學院自動化系，廣東佛山528000）

針對大型電力變壓器的運行維護規(guī)程的完備性檢驗問題，提出了基于計算實驗的檢驗方法，該檢驗方法能夠?qū)τ陔娏ψ儔浩鞯倪\行維護規(guī)程提出具有科學依據(jù)的修訂意見，確保變壓器運行維護規(guī)程的完備性，運行維護人員嚴格執(zhí)行相應的運行維護規(guī)程能夠保證電力生產(chǎn)的安全可靠運行。

電力變壓器；計算實驗；運行維護規(guī)程檢驗

電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心設備，保證電力變壓器的安全可靠運行，就是保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行。適用于各種電力變壓器的運行維護的規(guī)章制度，是保證電力變壓器可靠運行的基本管理方法。對比一個全自動的機器運行維護系統(tǒng)和基于人力資源執(zhí)行運行維護規(guī)程的人工系統(tǒng)，則人工系統(tǒng)具有更好的自適應能力［1］。盡管工作人員執(zhí)行運行維護規(guī)程的準確性比較容易考核，但人工系統(tǒng)最大的問題是，用來指引人員工作的運行維護規(guī)程的完備性檢驗問題。對于一般的物理系統(tǒng)，可以通過模擬仿真、物理仿真或者實際系統(tǒng)的實驗驗證等手段，驗證系統(tǒng)是否對于輸入空間的激勵有預期的響應［2］。一般地，很容易對一個溫度檢測儀表進行校驗，在它的量程范圍內(nèi)調(diào)整輸入變量、檢測輸出變量，然后給這個溫度檢測儀表一個完善的精確度評價。但是，無法對一個管理規(guī)程和規(guī)章制度做同樣的檢驗，原因是無法實現(xiàn)系統(tǒng)輸入的遍歷實驗。

雖然一個規(guī)章制度的設計和設置會參照各個方面的工作經(jīng)驗和工作案例，但是對于有限案例和經(jīng)驗的參照不能保證管理規(guī)程的完備性。當現(xiàn)行的管理規(guī)程出現(xiàn)問題的境況下，無法確定修改這個規(guī)程的方向?；蛘哒f，假設所設置的工作規(guī)程有不完善或者不正確之處，它所造成的后果也無法在系統(tǒng)的實際運行中得到歸納和追究。人工設計設置的管理規(guī)程系統(tǒng)在投入運行之前，只有設計和建造，沒有驗證試驗，唯一能夠驗證系統(tǒng)是否有效和完善的就是系統(tǒng)的運行過程，而系統(tǒng)的運行過程是一個不充分的驗證試驗。系統(tǒng)的運行過程也不能驗證系統(tǒng)的設計和創(chuàng)建是否有效和完善的，因為在有限的運行時間內(nèi)的運行過程中，系統(tǒng)不可能遍歷輸入空間的全部狀態(tài)。

運行維護人員對規(guī)章制度的執(zhí)行容易檢驗，而規(guī)章制度自身的完備性和正確性不容易檢驗。規(guī)章制度是人為設計設置的，因此其正確性和完備性需要得到檢驗。一個普通的物理系統(tǒng)的設計和檢驗比較容易做到，例如，一臺機器設備經(jīng)過設計以后，會進行制造試驗，在經(jīng)歷實驗改進的反復過程后得到一個功能完備的系統(tǒng)。

針對上述問題，方法論層面上一種普遍有效的做法是，對于人為創(chuàng)建的管理信息系統(tǒng)進行人工制造的事件演練，例如防火系統(tǒng)的演習。人工制造的事件演練，由于資源消耗的巨大，也做不到對于輸入空間的遍歷。借鑒上述技術(shù)路線，本文提出了一種基于計算實驗輔助的管理規(guī)章制度完備性和正確性的校驗方法。該方法利用計算實驗輔助，實現(xiàn)對管理制度所針對的物理系統(tǒng)的分析和建模優(yōu)化，然后利用計算實驗輔助建立一個物理和人工的混合系統(tǒng)。這個計算機仿真的物理和人工的混合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對于管理制度本身的正確性完備性檢驗。

1 電力變壓器的技術(shù)剖析和建模

1.1 電力變壓器的技術(shù)剖析

所有技術(shù)方法都是用來解決技術(shù)矛盾的，在變壓器技術(shù)中也不例外。電力變壓器的第一個技術(shù)難題是導熱和絕緣問題。變壓器需要一種導熱但是能夠絕緣的材料或者結(jié)構(gòu)，把變壓器運行過程中間核心產(chǎn)生的熱量散發(fā)出來，使得變壓器本身的溫度不至于太高而使得絕緣破壞。對這個問題的解決導致了變壓器制造技術(shù)中的兩個方向，即油浸式變壓器和干式變壓器。

油浸式變壓器用變壓器油解決了導熱和絕緣的問題，而干式變壓器則使用封裝變壓器結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂解決了導熱和絕緣問題。電力變壓器的第二個技術(shù)難題是導磁但不導電的問題，就是要構(gòu)成一個磁通回路，但是在磁場回路里面的所有結(jié)構(gòu)又不允許形成導電回路。對這個問題的解決，導致了變壓器鐵心結(jié)構(gòu)的兩個主要方向，一個是硅鋼片疊層鐵芯，另一個是非晶合金鐵心回路。上述導熱絕緣問題和導磁但不導電問題，是電力變壓器是否運行正常的核心問題。任何針對電力變壓器的運行監(jiān)控，運行維護系統(tǒng)都必須以上述兩個問題作為出發(fā)點。

1.2 油浸式變壓器的故障要素和建模

油浸式電力變壓器的設計從原始應用設計到現(xiàn)在，幾乎沒有什么改進，這說明最初的設計經(jīng)過時間檢驗是完備和正確的。此外，油浸式變壓器在當代電力系統(tǒng)仍然廣泛應用，也體現(xiàn)了它的性能和設計的優(yōu)點。油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)設計的技術(shù)演化過程是，為了解決導熱和絕緣問題，鐵芯和線圈必須完全浸入到變壓器油中。問題包括：1）如果油面對大氣環(huán)境敞開，則油中會吸收空氣中的水分或者固體雜質(zhì)，導致變壓器油的絕緣性能下降。2）如果油浸鐵芯和線圈部分對大氣環(huán)境密封，當變壓器過載時，鐵損和銅損的大部分熱量會導致密封腔內(nèi)的油液膨脹和壓力升高，形成一個壓力容器，油液的體積隨著溫度變化必然使得變壓器的外殼反復變形。因此，變壓器油面必須對大氣開放，同時必須防止大氣中的水分和固體顆粒進入變壓器油。該技術(shù)難點的解決辦法是油浸式變壓器采取一種從下向上的大氣聯(lián)通管結(jié)構(gòu)［3］，如圖1所示。由圖1可知，在連通管中設置一個吸濕劑空氣過濾裝置，以阻斷空氣中的水分進入?？紤]空氣過濾吸濕裝置會阻礙故障狀態(tài)時油液快速膨脹的外泄通道，增設了一個在高壓力下可以爆裂泄壓的防爆玻璃或者安全閥裝置。結(jié)合變壓器油體積隨溫度變化的問題，油浸式電力變壓器就形成了防爆玻璃或者安全閥、空氣吸濕過濾器、油枕、瓦斯保護繼電器、油位指示和測試放油閥等構(gòu)成的油液運行回路。

圖1 油浸式變壓器的結(jié)構(gòu)示意

由此可知，一個人工的或者自動的變壓器運行監(jiān)控系統(tǒng)，必須檢測下列變量：1）安全閥的狀態(tài)；2）空氣吸濕過濾器的狀態(tài)顏色；3）油液的液面位置；4）瓦斯繼電器的狀態(tài)；5）油液的成分變化狀態(tài)變量；6）變壓器殼體的溫度。

針對電力變壓器運行維護的建模，只要建立其熱力學模型。對于油浸式電力變壓器的熱力學建模，主要是建立可觀測的狀態(tài)變量之間的物理關(guān)系。這些物理關(guān)系的確立，在理論分析之后，可以根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)歸納，回歸求解出特定變壓器的特定參數(shù)。

1.3 干式變壓器的故障要素和建模

干式電力變壓器是在油浸式邊變壓器之后興起的，干式變壓器的優(yōu)點正好互補了油浸式變壓器的缺點。與油浸式變壓器相比，干式變壓器的缺點是過載能力差。干式變壓器能夠廣泛進入應用，主要配合了自動檢測和自動化技術(shù)的進步。由于干式變壓器采用固化的環(huán)氧樹脂來完成導熱和絕緣的問題，它不具備變壓器油的快速吸熱降溫能力，因此干式變壓器的過載能力較差。干式變壓器的正常運行，依靠殼體的溫度自動控制系統(tǒng)和為了保護變壓器而設立的自動限載斷路器系統(tǒng)。殼體自動溫度控制系統(tǒng)能實時檢測殼體的溫度，使其保持在設定的安全溫度之下。在負載側(cè)設立的自動限載斷路器系統(tǒng)能實時地檢測用戶負載，在用戶負載超出變壓器的過負荷范圍時，對負載斷電來保護變壓器。

干式變壓器的建模只在兩個自動控制系統(tǒng)之上建模，從而使問題得到簡化。

2 計算實驗輔助校驗系統(tǒng)的設計

2.1 平行系統(tǒng)理論的ACP方法

ACP方法［4］是平行系統(tǒng)理論的核心，是人工社會、計算實驗和平行執(zhí)行系統(tǒng)方法的簡稱（ACPArtificial societiey,Computational experiments,Parallel execution)。針對一個復雜的系統(tǒng)創(chuàng)建、優(yōu)化和管理問題。ACP方法提供的解決方案是：創(chuàng)建一個與目標系統(tǒng)相對應的人工系統(tǒng)。而人工系統(tǒng)的創(chuàng)建原則是，系統(tǒng)的相應行為盡量與目標系統(tǒng)的行為相一致，即人工系統(tǒng)是目標系統(tǒng)的映像。對于輸入空間的外部事件觸發(fā)，目標系統(tǒng)和人工系統(tǒng)能給出一致的或者相近的響應。

計算實驗是人工創(chuàng)建的事件發(fā)生器，模擬系統(tǒng)的輸入空間，隨機驅(qū)動人工系統(tǒng)，評價人工系統(tǒng)的響應，這就是數(shù)據(jù)實驗原理。由于目標系統(tǒng)的運行周期很長，無法進行驗證試驗，數(shù)據(jù)實驗可以通過對人工系統(tǒng)進行外部事件輸入，達到測試驗證人工系統(tǒng)的目的。因此，數(shù)據(jù)實驗類似于物理系統(tǒng)的加速老化實驗的效果，從而縮短了系統(tǒng)驗證的時間周期。

平行執(zhí)行是指在系統(tǒng)運行過程中，外部輸入不僅觸發(fā)目標系統(tǒng)的響應，同時也觸發(fā)人工系統(tǒng)的響應。當兩個響應一致或者接近一致時，兩個系統(tǒng)都不做調(diào)節(jié)；當兩個系統(tǒng)的響應不一致時，則要對于目標系統(tǒng)和人工系統(tǒng)都做出調(diào)節(jié)，這個評價和調(diào)節(jié)的過程可能有專家在調(diào)節(jié)回路中，或者沒有專家在調(diào)節(jié)回路中。平行執(zhí)行的過程是一個3方互動的過程。這個互動過程的順利運行，特別是數(shù)據(jù)實驗手段的主動應用，將能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對于環(huán)境的自適應，延長系統(tǒng)的生命周期。

2.2 變壓器運行維護的計算實驗設計

圖2 計算實驗系統(tǒng)信息流

變壓器運行為維護的計算實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)創(chuàng)建流程如圖2所示。系統(tǒng)由4個主要的功能單元構(gòu)成，包括故障數(shù)據(jù)發(fā)生器、變壓器的物理模型、運行維護規(guī)程的規(guī)則模擬單元以及運行維護結(jié)論的對比輸出。故障數(shù)據(jù)發(fā)生器是根據(jù)其他同類型變壓器的實際運行數(shù)據(jù)，截取在典型運行故障時的數(shù)據(jù)區(qū)間，歸納出故障的觸發(fā)事件，輸出觸發(fā)事件給變壓器的物理模型。典型觸發(fā)事件經(jīng)過物理模型的推演，對環(huán)境輸出可觀測的狀態(tài)變量。狀態(tài)變量被運行維護規(guī)程按照規(guī)定的時間頻度獲取，再按照運行維護規(guī)程的規(guī)則進行判斷和結(jié)論。將形成的結(jié)論與故障數(shù)據(jù)發(fā)生器的數(shù)據(jù)進行對比，形成一個數(shù)據(jù)實驗記錄。該系統(tǒng)的運行可以獲得電力變壓器的不同觸發(fā)事件下的實驗記錄，并評價在不同觸發(fā)事件時，人工運行維護的時間頻度和處置行動是否恰當。當故障數(shù)據(jù)發(fā)生器能夠所有故障出發(fā)事件的遍歷時，就實現(xiàn)了對于運行維護規(guī)章制度的完備性檢驗。在系統(tǒng)單元中，故障數(shù)據(jù)發(fā)生器主要依據(jù)普通的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，變壓器的物理模型建立采用常用的建模技術(shù)就能夠成功，運行規(guī)則的模擬采用當代基本的人工智能技術(shù)就能夠滿足要求。

3 總結(jié)

（1）本文提出的基于計算實驗輔助的電力變壓器運行維護規(guī)程完備性檢驗方法尚處于研究的初期階段，研究的意義在于本方法有效的實現(xiàn)管理規(guī)程和規(guī)章制度的完備性和正確性，能夠防止因為管理制度的弊端所導致的安全事故隱患。

（2）電力變壓器的運行監(jiān)控比較容易實現(xiàn)自動化，近年來已經(jīng)推廣應用的智能運行維護系統(tǒng)普遍具有較好的技術(shù)性能。電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設備，其運行維護不能完全自動化的主要原因是不能檢驗為自動系統(tǒng)設定的運行規(guī)則，人工運行維護具有更好的自適應性。

（3）電力系統(tǒng)行業(yè)是一個標準化管理程度很高的企業(yè)，標準化體系遍布企業(yè)的各個生產(chǎn)崗位。本文的完備性檢驗方法在電力變壓器的運行維護方面取得成功以后，能夠方便地推廣到其他管理規(guī)程的正確性檢驗中去。

［1］杜言.基于網(wǎng)絡三維技術(shù)的電力安全工作規(guī)程仿真培訓考核系統(tǒng)［J］.廣東科技,2012,21（21）:113-114.

［2］左敏.平行系統(tǒng)理論在現(xiàn)代礦山管理中的應用［J］.金屬礦山,2011,40（9）:131-133.

［3］鵬芃科藝.電力變壓器的構(gòu)造［EB/OL］.［2017-02-05］.http://www.pengky.cn/dianjixilie011/kjdh-bianyaqimoxing/2017.

［4］王飛躍.平行控制——數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算控制方法［J］.自動化學報,2013,39（4）:293-302.

【責任編輯：任小平 renxp90@163.com】

Research on completeness test method for operation andmaintenance of power transfor merbased on computational experiment

ZHONG Guo-ping1,ZHANG Qian-jin2*
（1.Guangdong Yunfeng Power Installation EngneeringCo.Ltd.,Foshan 528200,China; 2.Department of Automation Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

In this paper,a testmethod based on the computationalexperiment isproposed.Themethodmay solve the problem of the integrity confirmation of the operation andmaintenance rule.The testmethod can provide a scientific basis for the operation andmaintenance of the power transformer.Thismethod can ensure the integrity of the operation and maintenance procedures of the transformer.So that a strictly operation and maintenance procedureswillbe implemented,the safeand reliableoperation ofelectricity productionwillbeachieved.

power transformers;computationalexperiments;operation andmaintenance

TM41

A

2017-03-18

鐘國平（1972-），男，廣東梅州人，廣東運峰電力工程有限公司工程師。

*通信作者：張前進（1964-），男，陜西西安人，佛山科學技術(shù)學院高級工程師，博士。

1008-0171（2017）04-0063-04