基于模糊三比值法的电力变压器绝缘故障诊断研究
2011-05-29万志聪
李 林,万志聪
(1.成都纺织高等专科学校,成都 611731;2.四川大学电气信息学院,成都 610065)
1 模糊三比值法的提出
油浸变压器出现绝缘故障时,变压器油中会分解出一些气体,通过检测和分析这些气体的成分和含量,就能初步诊断变压器的运行状态和故障程度,这种方法称为油中溶解气体分析技术(Dissolved Gas Analysis, 简称 DGA)[1]。 多年来,DGA作为检测变压器故障的有效手段被广泛采用。在传统的各类DGA方法中,三比值法及各种改良三比值法应用效果最好[2-3],但长期的实践和大量统计资料均表明,三比值法主要存在缺少编码和编码区间过于绝对化的缺陷,在许多情况下存在无法判断和容易误判的可能,有较大的局限性。近年来又出现多种方法用于变压器绝缘故障诊断,如神经网络、专家系统和模糊集合理论等[4-5]。针对三比值法的缺点,本文提出了模糊三比值法。
模糊三比值法是引入模糊数学理论来诊断变压器故障,将三比值法的比值边界区间模糊化,建立根据三比值法的模糊隶属函数,再依据三比值法编码规则与变压器故障类别之间的对应关系来识别故障类别。模糊三比值法的优点是在一定程度上克服了编码区间过于绝对化的缺点,诊断准确率更高。
2 模糊集优化三比值法
2.1 三比值法
三比值法是根据充油变压器内油、绝缘纸在故障下裂解产生气体组分含量的相对浓度与温度的相互依赖关系,从5种特征气体中选择两种溶解度和扩散系数相近的气体组分组成3对比值,以不同的编码表示,根据比值的编码判断变压器所属的故障类型。这种方法消除了油的体积效应的影响,多年来一直是诊断变压器故障的主要方法。本文采用GB/T 7252-2001《变压器油中溶解气体分析和判断导则》推荐的三比值法的编码规则和故障诊断类型。
采用三比值法时,都是根据气体比值的范围划分区间,得出比值范围的编码,对于一个确定的比值,其编码是唯一确定的。经过大量的实践及实例验证,这种编码基本上是合理的,在比值法的气体区间划分中,分界点为0.1,1.0,3.0,这是根据大量的变压器故障实例,并经过检查、分析,采用数学统计方法得出的。显然三比值法对于编码范围的边界区分非常分明,编码也是确定的。实际上这个比值的增长极小,比值在分界点处的编码具有不确定性。比值法的编码和故障类型的关系也是绝对的,一种编码严格对应一种故障,而实际上一组编码可以在不同程度上反映几种故障,某一种故障也可以由几种不同的编码综合反映。对某些特殊情况,传统的三比值法将无法做出判断。
2.2 模糊三比值法编码的隶属函数构造
(1)三比值边界区间的模糊化
在气相色谱分析中,变压器故障类型主要取决于油中气体的相对含量而非气体的绝对值。根据三比值法分类编码规则,可对其比值分割区间进行模糊处理。
单个编码的模糊化处理是将5种特征气体H2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2组成的 3 对比值对编码0,1,2的模糊化。当比值C2H2/C2H4,CH4/H2,C2H4/C2H6记为x时,它们隶属于编码0,1,2 的隶属度分别记为 u0(x), u1(x), u2(x), v0(x),v1(x), v2(x), w0(x), w1(x), w2(x)。
三比值法的比值分割区间为0.1,1,3,分割区间模糊化将结合具体的个人经验和统计分析,一般选择既能刻画区间又能方便计算,再根据诊断的准确度进行验证,并反复修改。模糊化区间选择是否合理,直接影响到变压器故障诊断结果的正确性,是本文的技术关键之一。根据多年绝缘油色谱异常变压器故障诊断的经验和大量色谱异常变压器的验证结果,笔者认为比较合理的模糊区间是将“0.1”的边界值模糊为“0.08~0.12”,“1.0”的边界值模糊为“0.85~1.15”和“0.9~1.1”,“3”的边界值模糊为“2.9~3.1”和“2.85~3.15”。
(2)隶属函数构造
正确构造编码隶属函数来刻画边界点的模糊区间,是模糊集合应用于油中气体分析时如实反映故障的关键。隶属度函数的建立并没有一个统一的通用定理或计算公式。
以C2H2/C2H4为例,设C2H2/C2H4=x,当C2H2/C2H4的编码为0,1,2时,其比值编码的数学函数模型可用集合的特征函数C(x)来表示:
该函数在分界点 x=0.1 处, 0 采用Γ型分布、岭型分布来进行拟合。Γ型分布中参数k值的确定需要根据统计知识和模糊诊断效果来调整,虽然有多个k值,实际上只需要确定3个即可,即确定k1,k2,k3值。根据诊断结论与实际故障结果的情况,经过多次调整与诊断,最终选择较为合适的3个参数值作为最终值,至此建立隶属函数。所以,当C2H2/C2H4编码分别为 0,1,2时, 相应的隶属度函数 u0(x),u1(x), u2(x)分别为: 用上述方法还可得到CH4/H2和C2H4/C2H6编码的隶属函数 v0(x), v1(x), v2(x), w0(x), w1(x),w2(x)。 依据给定的变压器油中溶解气体浓度数据,计算5种气体的3组组分比值,根据组分比值使用构造好的隶属函数求出隶属度,进而找出最大隶属度对应的编码,得出编码组合,再根据三比值法的编码组合与故障类型对照表,定出故障类型。变压器故障诊断的具体过程如下: (1)输入油色谱样本数据,计算3对比值C2H2/C2H4, CH4/H2, C2H4/C2H6。 (2)根据隶属函数公式计算3对比值的9个模 糊隶 属函 数 值 , 即 u0, u1, u2, v0,v1, v2, w0,w1, w2。 (3)找出各比值隶属函数的最大值,有ui=max{u0, u1, u2},vj=max{v0, v1,v2},wk=max{w0, w1, w2}。 (4)三比值编码组合为ijk,按照编码组合与故障类型关系表得出故障类型。 以某一组变压器油中气体浓度数据作为样本数据,见表1。选取了35组油色谱数据来验证模糊三比值法的诊断效果,诊断结果与效果最好的三比值法作比较。表2列举了35组油色谱数据中的部分数据来加以说明。 表1 变压器油中气体数据 μL/L 表2 模糊三比值法诊断结果 μL/L 从表2中的测试结果看出,有几项油色谱数据在三比值法下的编码组合出现误判,而模糊三比值法的诊断结果是正确的。统计35组油色谱数据的诊断结果,经过模糊化处理后的三比值法诊断准确率为80%,而三比值法只有68%。分析发现,在三比值编码边界清晰的区间,模糊诊断与三比值法判断结果一致,而在比值编码边界模糊的区间,模糊诊断往往能准确判断,而三比值法很容易出错。 通过区间模糊化处理,更合理地确定编码组合,对故障判断更为有利,编码的模糊化处理在三比值法的基础上更进一步,具有实际意义。基于特征气体和三比值法的模糊诊断模型有效解决了故障诊断中的不确定因素,克服了三比值法存在的临界值判据缺损的问题,通过实际计算和比较,提高了诊断的准确率,实例诊断结果也表明了这种诊断方法的有效性。 [1]操敦奎.变压器油中气体分析诊断与故障检查[M].北京:中国电力出版社,2005. [2]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 7252-2001,变压器油中溶解气体分析与判断导则[S].北京:中国标准出版社,2001. [3]杨振勇.变压器油中溶解气体分析与判断导则判断变压器故障的探讨[J].变压器,2008,45(10)∶24-26. [4]颜湘莲,文远芳.模糊神经网络在变压器故障诊断中的应用[J].变压器,2002,39(7)∶41-43. [5]SU Q.,LAI L.L.AUSTIN P..A Fuzzy dissolved gas analysis method for the diagnosis of multiple incipient faults in a transformer[C].IEE Conference Publication,2001,4∶344-348. [6]LIN C E,LING J M.An Expert System Fault Diagnosis Using Dissolved Gas Analysis[J].IEEE Trans.on Power Delivery,1993,8(1)∶231-238.2.3 模糊三比值法诊断步骤
3 模糊三比值法故障诊断结果
4 结语