黃明明*，顧捷，孫娜

（南京工程學(xué)院電力仿真與控制工程中心，江蘇南京，211167）

電力變壓器故障診斷與狀態(tài)評估方法的綜合與探析

黃明明*，顧捷，孫娜

（南京工程學(xué)院電力仿真與控制工程中心，江蘇南京，211167）

變壓器是輸配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，變壓器的穩(wěn)定運行對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及保證電能質(zhì)量具有重要意義。本文綜合闡述了變壓器故障診斷原理、研究意義、傳統(tǒng)和智能變壓器故障診斷方法、發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題以及進一步的研究發(fā)展方向。針對不同故障類型，相應(yīng)的故障診斷分析對于找出故障點或發(fā)現(xiàn)潛在缺陷具有非常重要的意義。

電力變壓器；故障診斷；狀態(tài)評估

引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)的核心裝置，其安全穩(wěn)定的運行關(guān)系到方方面面。檢測變壓器的方法很多，有傳統(tǒng)方法，智能檢測法等，方法很多。本文對目前的變壓器故障診斷方法進行了準(zhǔn)確的歸納整理以及對今后變壓器故障診斷的趨勢進行了預(yù)測。本文對于快速了解變壓器故障診斷方法具有重要的指導(dǎo)和參考作用。

1 電力變壓器故障診斷的意義

21世紀(jì)以來，我國國民經(jīng)濟進入一個“井噴”期，科學(xué)技術(shù)持續(xù)進步。顯然，一切的發(fā)展均離不開電能，社會對電網(wǎng)的總發(fā)電量及電能質(zhì)量的要求日益提高，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定是社會持續(xù)進步的重要基礎(chǔ)。我國有10余個跨省級的大型電網(wǎng)，涵蓋3萬多個變電站，除此之外，石油，化工，煉鋼等重工業(yè)都自備電廠和變電站。近幾年，電力系統(tǒng)也朝著自動化、大容量、特高壓、大電網(wǎng)的大方向發(fā)展，電力工業(yè)“十二五”規(guī)劃滾動報告中提到：“十一五”期間全國凈增發(fā)電裝機容量4.5億千瓦，刷新了全球電力建設(shè)的新紀(jì)錄，相比2010年的“五直八交”，2015年西電東送主網(wǎng)架形成“九直八交”的送電通道，各省(區(qū))建成了堅強的800千伏骨干網(wǎng)架。而且最近幾年國家在電力變壓器這一領(lǐng)域投入很多新型設(shè)備，也研究出很多新的技術(shù)[1]。

變壓器故障對電網(wǎng)的危害極其嚴(yán)重，而2013年以來，國內(nèi)自然災(zāi)害頻發(fā)，特別是東部沿海地區(qū)，臺風(fēng)，龍卷風(fēng)，暴雨，暴雪等自然災(zāi)害都對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了極高的要求，其中以變壓器最為典型。

變壓器非計劃停運屢見不鮮，變壓器的內(nèi)部絕緣是故障發(fā)生率最大的部位，主要是由十分惡劣的運行環(huán)境、絕緣材料老化引起的。且變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，電也很不均勻，隨著電網(wǎng)電壓水平的升高，越來越多的變電站建成投入運行，但故障率相比于國外，仍有很大的提升空間。提前發(fā)現(xiàn)隱患，及時診斷并有效處理故障，減少變壓器非計劃停運，提高檢修水平，加強電力變壓器故障診斷技術(shù)的研究，對實現(xiàn)早期預(yù)報故障，盡量避免惡性事故的發(fā)生，有著極為重要的實際意義。

2 變壓器故障診斷原理

電力變壓器是電網(wǎng)中調(diào)節(jié)電壓升降的重要設(shè)備，它的運行狀態(tài)分為：正常運行、異常運行、故障運行。三種運行狀態(tài)下，變壓器的運行參數(shù)會發(fā)生很大變化，例如：變壓器局部溫度、變壓器油箱內(nèi)分解的氣體濃度、局部放電量等一系列參數(shù)。圖1為變壓器故障診斷的流程圖。

圖1 變壓器故障診斷流程圖

由圖可分析出其基本原理：將變壓器的實時運行參數(shù)與它正常運行狀態(tài)下的參數(shù)進行比較和分析，根據(jù)參數(shù)的變化趨勢，判斷變壓器的運行狀態(tài)，從而決定保護是否動作。

3 變壓器故障診斷方法

3.1 傳統(tǒng)故障診斷方法

傳統(tǒng)的變壓器故障診斷方法大部分是通過測量變壓器的電氣參數(shù)，從而判斷變壓器的運行狀態(tài)，或者通過離線試驗來進行判斷。例如：電氣預(yù)防性試驗、油色譜分析法（DGA）[2]、局部放電法[3]等，詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

表1 變壓器傳統(tǒng)故障診斷舉例

3.2 智能故障診斷方法

相比于傳統(tǒng)的變壓器故障診斷功能的單一性，智能故障診斷突出的特點就是綜合考慮變壓器多種電氣量的變化，然后按照人類思維的方式對獲取到的信息進行歸類和分析比對，最后對變壓器的運行狀態(tài)給出精準(zhǔn)的判斷。到目前為止，趨向于成熟和取得重大進步的人工智能診斷技術(shù)有：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類、遺傳算法、灰色診斷以及數(shù)據(jù)挖掘等，其中又以專家系統(tǒng)[5]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）[6]更為突出。表2列出了兩種方法的異同點。

表2 變壓器智能故障診斷舉例

4 發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及人工智能的優(yōu)化，新的變壓器技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，但是絕大多數(shù)方法目前只能用仿真手段證明其可行性，真正可以做出實物，形成有效產(chǎn)品的是少之又少。從文獻[7-9]不難看出，變壓器故障診斷領(lǐng)域的關(guān)鍵問題有以下幾點：

（1）數(shù)據(jù)庫不完整。目前有效的變壓器故障診斷設(shè)備幾乎都是基于可信的故障狀態(tài)參量制造而成的，若變壓器故障時，故障狀態(tài)參量變化在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中匹配不到，診斷就可能出現(xiàn)誤差乃至錯誤，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。不斷完善數(shù)據(jù)庫將是此類方法的關(guān)鍵所在。

（2）信息融合技術(shù)的研究。傳統(tǒng)方法診斷模型建立單一，測量的狀態(tài)參量很少，從而得到的診斷結(jié)果可靠性也不高，多種信息融合的變壓器故障診斷研究應(yīng)運而生，借助先進的信息融合技術(shù)，利用信息的互補性特點提高變壓器故障診斷的可靠性將是未來的研究熱點。

（3）多種變壓器故障診斷方法的綜合研究。單一的故障診斷法缺陷很大，顧此失彼，將多種算法和模型適當(dāng)結(jié)合，引入新的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可很好的彌補這個缺陷，也是當(dāng)下很火的研究方向。

（4）產(chǎn)品開發(fā)。目前為止，變壓器故障診斷大多只限制于仿真，實用化程度不高，所以電力企業(yè)應(yīng)加大科研力度，早日研究出行之有效的產(chǎn)品。

5 進一步的研究課題和發(fā)展方向

21世紀(jì)以來，隨著越來越多的大電網(wǎng)的出現(xiàn)，并網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)等一系列決策的提出和推行，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行成為重中之重，對變壓器故障診斷的要求也越來越高，新興、先進的變壓器故障診斷技術(shù)不斷涌出，當(dāng)下要數(shù)“學(xué)科交叉”最為熱門。

學(xué)科交叉，顧名思義就是指多門學(xué)科相互交叉、融合，取各學(xué)科的優(yōu)勢進行結(jié)合，進而產(chǎn)生比單學(xué)科更好的解決問題的方法。科學(xué)上的新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生，新的工程技術(shù)的出現(xiàn)，經(jīng)常是在學(xué)科的邊緣或交叉點上，重視交叉學(xué)科將使科學(xué)本身向著更深層次和更高水平發(fā)展，這是符合自然界存在的客觀規(guī)律的。

近幾年的時間里，興起了許多基于非電力學(xué)科的變壓器故障診斷方法，即將其他模型應(yīng)用于變壓器故障診斷。例如：基于信息融合[10-11]、基于自由權(quán)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運用[12-15]、基于熵權(quán)[16-18]、基于RF[19]改良的三比值法[20]等。如圖2所示，以基于支持向量機（SVM）和遺傳算法（GA）為例，據(jù)文獻[21]所述，基于SVM和GA優(yōu)選的新特征參量較常用DGA和IEC三比值診斷正確率提高10%-25%。

圖2 基于SVM和GA的診斷法

這些方法都是基于非電力領(lǐng)域知識的變壓器故障診斷方法，且相比于單一的故障診斷方法，它們都有很明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在處理更快速，定位更精準(zhǔn)，準(zhǔn)確率更高等。相信很長一段時間內(nèi)，將交叉學(xué)科引進變壓器故障診斷技術(shù)中，是未來我們研究的主要方向和研究熱點。

在交叉學(xué)科思想的研究中，引進信息融合技術(shù)，建立多參量診斷模型，將多種變壓器故障診斷方法有機結(jié)合，提高故障診斷率是很值得研究的一個方向。

6 結(jié)束語

變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其安全可靠性是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保障。本文通過一系列政策、事例及數(shù)據(jù)說明了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對于加快我國經(jīng)濟發(fā)展步伐以及提高人民的生活水平具有舉足輕重的地位，對變壓器的安全穩(wěn)定運行提出了極高的要求。 綜合闡述了傳統(tǒng)、智能以及基于非電力知識的變壓器故障診斷方法、發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題，指出學(xué)科交叉的優(yōu)點以及它在變壓器故障診斷中所發(fā)揮的重要作用，對于讀者全面了解變壓器故障診斷具有指導(dǎo)作用。

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Synthesis and Analysis of the Fault Diagnosis of Power Transformer

HUANG Mingming*,GU Jie,SUN Na
(Power simulation and control engineering center of Nanjing Institute of Technology Nanjing,Jiangsu Nanjing,211167,China)

The transformer is one of the most important equipment in the transmission and distribution system,The stable operation of transformer is very important to the security and stability of power system and to guarantee the power quality. The principle and significance of transformer fault diagnosis are expounded in this paper and traditional,intelligent and transformer fault diagnosis method based on cross discipline. The corresponding fault diagnosis analysis is very important for finding fault points or finding potential defects.

power transformer; fault diagnosis; condition assessment

TM85

A

1672-9129(2017)06-0109-03

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.037

黃明明,顧捷,孫娜,等. 電力變壓器故障診斷與狀態(tài)評估方法的綜合與探析[J]. 數(shù)碼設(shè)計,2017,6(6)： 109-111.

Cite：HUANG Mingming,GU Jie,SUN Na,et al. Synthesis and Analysis of the Fault Diagnosis of Power Transformer[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 109-111.

2017-02-07；

2017-03-15。

黃明明（1992－），江蘇南京，南京工程學(xué)院在讀研究生，研究方向，電力變壓器保護，大數(shù)據(jù)挖掘。

Email：2396499537@qq.com