一种变压器油中溶解气体故障诊断方法

柳大海，韩冬，张航，张聪，王振岳

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000;2.漯河供电公司，河南 漯河 462000)

1 改良IEC三比值法的使用现状

采用油中溶解气体分析法对油浸式电力设备的故障诊断是十分有效的。目前，利用色谱分析的数据来判断油浸式电力设备故障的方法有许多，如罗杰斯法、特征气体法、三比值法等。IEC三比值法是根据ANSI/IEEE C57.104—1991《油浸式变压器产生气体的描述指南》进行编码的油中气体分析方法，也是目前应用最广泛的油浸式电力设备状态检测方法。它利用变压器油中的 H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H25种特征气体含量的比值以及CO，CO2气体的含量来判断油浸式电力设备的故障状态。由于IEC三比值法编码不全，导致故障判断精度不高，因此，目前大多采用编码数目多的改良IEC三比值法进行油色谱分析。

在实际故障诊断过程中发现，因改良IEC三比值法编码的边界条件过于绝对化而降低了故障诊断准确度，特别是在多种故障同时发生的情况下，过于绝对的边界条件对诊断准确度影响更大。究其原因，主要是因为改良IEC三比值法的诊断依据是根据5种故障特征气体的比值以及对应的编码规则得出相应的编码，然后与改良三比值法相关表格对照，寻找相应的编码以确定故障类型。该方法要求严格按照准确数值进行编码值的判定，但由于故障严重程度是个渐进过程以及测量误差带来一些影响，容易引起编码值的判断失误。举例来说，按照改良IEC三比值法编码规则表，当0.1≤w(CH4)/w(H2＜1.0)时，编码值为 0，w(CH4)/w(H2)≥1.0时，编码值为2，那么如果 w(CH4)/w(CH2)=1.01，按照规则，编码值应该为2。我们知道，在油纸绝缘中存在局部放电时，油裂解产生的气体主要是氢和甲烷，在低温过热时，产生的气体主要是甲烷，所以，直接采用改良IEC三比值法将会产生错误的诊断结果。

2 新诊断方法的原理及实现方式

本文需要解决的核心问题是:基于油中溶解气体常用的改良IEC三比值法，联合模糊理论和改进遗传算法模糊处理气体比值边界和故障编码，通过模糊推理得到故障诊断结果，提高其故障判断准确度和精度，以确保变压器绝缘油的运行可靠性。

技术方案做如下考虑:如果只是在改良IEC三比值法的基础上做数值区间上的规划和细分，使数值更好地对应所示故障，不可能达到改良的目的。因为没有考虑变压器油纸局部放电、油裂解、低温过热等情况下产生的气体对比值的影响，仅仅是在算法上的一种改进，因此，故障诊断准确度在数据采集之初就受到限制。本文论述的对改良IEC三比值法的优化是结合模糊理论和改进遗传算法对改良IEC三比值法气体比值边界和故障编码进行模糊处理，通过模糊推理得到故障诊断结果，从而最大限度地发挥改良IEC三比值法诊断的准确度，改良IEC三比值法的编码规则见表1。

优化实现方式如下:

(1)选择测试样本。根据经验选择模糊隶属度函数所需参数，利用输入参数的模糊隶属度函数得到测试样本的模糊编码，通过模糊理论求解函数“evalfis”并应用编码规则和输出参数的模糊隶属度函数获取故障类型编码。

1)将模糊逻辑应用于改善改良IEC三比值法的边界条件，即利用模糊隶属度函数来模糊其边界条件;

2)对输入、输出数据分别采用不同的模糊隶属度函数进行边界模糊化处理;

3)采用if-then的模糊逻辑推理方法，将改良IEC三比值法对应的26种故障编码类型转换成26条if-then规则;

表1 改良IEC三比值法的编码规则

4)利用输入参数的模糊隶属度函数，得到测试样本的模糊编码，通过模糊理论求解函数“evalfis”;

5)应用编码规则和输出参数的模糊隶属度函数获得故障类型编码。

(2)采用自适应调整变异概率的遗传算法改进经验模糊隶属度函数，获取最优模糊隶属度函数(包括输入模糊隶属度函数和输出模糊隶属度函数)。改进后的遗传算法主要包括:

1)选择编码策略，把参数集合x转换为位串结构空间S;

2)定义适应值函数f(x)，在此，f(x)定义为群体解码后使用的模糊隶属函数，主要作用体现在该群体条件下，利用f(x)训练数据的最大故障诊断准确度;

3)确定遗传策略，包括选择群体大小n，选择交叉、变异方法以及确定交叉概率pc、变异概率pm等遗传参数。具体的策略如下:

①选择群体大小n=10;

②选择算法采用轮盘赌方法;

③交叉算法采用多点交叉方法，交叉概率pc=60%;

④变异算法采用二进制变异，初始变异概率pm=10%，如果f(x)连续3次的差别小于1%，则增大变异概率，每次增大5%，直至增大到30%;反之，如果f(x)连续3次的差别大于10%，则减小变异概率，每次减小5%，直至减小到5%。

4)预设5组、随机产生5组群体，组合生成初始群体p;在预设的5组群体中，解码后用于改良IEC三比值法的最大故障识别准确度为79.8%;

5)计算群体中个体位串解码后的适应值f(x);

6)按照遗传策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代群体;

7)判断f(x)是否满足算法结束条件，或者已完成预定迭代次数，满足即结束算法;不满足则转6)继续运行。

3 新诊断方法的优越性

IEC三比值法作为一种变压器油中溶解特征气体的分析方法，在油浸电力设备故障检测领域的作用是巨大的。在变压器油故障检测领域，联合模糊理论和改进遗传算法对改良IEC三比值分析法进行优化，形成了新诊断方法，其优越性主要体现在:

(1)采用模糊理论对改良IEC三比值法的边界条件进行了模糊化处理，解决了改良IEC三比值法因编码边界条件过于绝对而故障诊断准确率不高的问题，对改良IEC三比值法诊断准确率的提高有一定的作用。

(2)采用if-then的模糊逻辑推理方法对故障编码进行模糊处理，通过模糊推理得到故障诊断结果，模糊理论的应用使故障诊断结果更加接近实际工作情况。

(3)采用自适应调整变异概率的遗传算法修正经验模糊隶属度函数，以获得最优模糊隶属度函数，为模糊理论在改良IEC三比值法上的新应用奠定了很好的基础，是提高故障诊断准确度的基本保证。

(4)针对随机初始化种群带来的初始种群过于分散导致进化代数增多的现象，采用给定部分种群的方法对初始化进行一定的约束，加快进化的效率，对于故障诊断速度的提高有积极的意义。

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