基于Matlab模糊逻辑工具的变压器振动状态评估系统仿真

李 伟 冀增华

（1.华北电力大学研究生院，河北 保定 071003；2.保定天威新域科技发展有限公司，河北 保定 071056；3.保定天威电气设备结构有限公司，河北 保定 071056）

随着电力工业的不断发展，电力网络规模的不断扩大，设备日益更新，电力行业的信息化应用不断深化，变电站正在逐步向着“智能化”、“无人值守”的方向发展，因此“智能变电站”应运而生，“智能电网”的提出，加快了智能变电站建设的步伐。

电力变压器是电力系统的枢纽设备，在变电、输电、配电等电力变换系统中必不可少，一旦发生故障，不但花费巨大，而且无形经济损失和影响也将难以估计。

本文将以电力变压器运行时的振动信号为监测量，基于Matlab模糊工具，介绍变压器振动状态评估方法，并进行建模仿真。

1 基于变压器振动的故障诊断概述

基于振动和噪声的变压器状态诊断技术作为一种新的变压器状态监测和分析方法，越来越受到人们的重视，因其现场测量时与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行就不会产生影响，非常适宜于在线监测。正常运行的变压器，绕组振动信号基本上集中在基频100Hz处，且振动信号的大小与负载电流平方成正比；铁心振动信号主要集中在100～400Hz，而1000Hz后基本衰减到零。因此，在变压器油箱表面测得的振动信号高次谐波分量是由铁心振动引起，可通过200Hz、300Hz等高次谐波分量的变化诊断铁心状况[1]。

鉴于此，可以对不同位置的振动信号分辨出不同频率进行有目的监测和分析，这样就能有效判断出故障产生部位，评估出故障程度。为判断变压器内部故障程度，可以采取出厂前振动测试值与运行时振动程度周期对比的方式，进行状态评估，如图1所示。

图1 振动状态评估系统

其中“模糊对比状态分析”部分的实现将在本文中详细介绍。

2 模糊控制理论

模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统，它的核心就是由所谓的 IF-THEN规则组成的知识库，在模糊系统与模糊控制中，人类知识可以使用模糊IF-THEN规则来表述，一条模糊IF-THEN规则就是用连续隶属度函数对所描述的某些句子所作的IF-THEN形式的陈述。

工程应用中的模糊系统（如图2所示）是由模糊器、模糊规则库、模糊推理机、解模糊器等几部分组成，通过该系统就可以将论域U上的输入量x，转化成论域 V上的输入量 y，从而将专家的知识和经验应用到工程系统中去，对下一步操作做出决策。

图2 模糊系统的基本框图

3 变压器振动状态评估系统仿真

图1所表述的系统是建立在Matlab模糊逻辑工具基础上的，严格的讲此评估系统仅是整个变压器振动状态评估系统的一个子系统，它的功能是对变压器某一相某个频率段的振动信号进行评估，多个此类子系统与其他软硬件进行有机组合，便会升级成一个完整的评估系统。

Matlab是一种交互式的以矩阵为基础的系统计算平台，它用于科学和工程的计算与可视化。Simulink软件是Matlab中功能最强大的仿真软件之一。下面将按照模糊系统的不同组成部分，逐项介绍变压器振动模糊系统的建立过程。

3.1 模糊推理机

模糊推理机是根据模糊逻辑原理，通过模糊IFTHEN规则，将输入的模糊集合映射到输出模糊集合上。

依据图1所表示的系统实现过程，“模糊对比状态分析”模块应有两个输入、一个输出。如图3所示，左边的两个输入取名为SCALE和DATUM LINE，分别表示实际振动信号与理论估计信号的比较及预先设定的危险信号阈值；右边的一个输出取名为EVALUATION，输出值可以作为下一个控制系统或指示系统的输入。中间部位为模糊逻辑的核心推理部分，取名为ZHEND，包括了推理方法及多条模糊IF-THEN规则，本文选用了“Mamdani”方法，当然也可以根据不同用途选用“Sugeno”等其他方法。

图3 模糊推理系统

3.2 模糊器

在工程实际中，模糊系统的输入是实际值，因此必须在模糊推理机与外界环境之间建立一个界面，确定隶属度值、克服噪声干扰、便于推理机计算。

根据变压器振动监测及评估特点，本文选用三角形模糊器。图4由两个三角波组成，分别为“＜20%”和“≥20%”，交叉点设置在X轴的0.2位置；图5也由两个三角波组成，分别为“＜0.1mm”和“≥0.1mm”，交叉点设置在X轴的0.1位置。

3.3 解模糊器

解模糊器是将模糊规则转变成真值变量或定性描述。

图4 输入1

图5 输入2

本模糊系统中的解模糊器采用了重心解模糊方法，图6由3个三角波组成，分别代表“OK”“ALARM”和“DANGER”，交叉点设置在X轴的0.477和0.56位置，根据模糊系统的输入信息，模糊推理系统计算后，其结果将显示在输出中，对应“OK”、“ALARM”或“DANGER”中的某一个。

图6 输出1

3.4 模糊规则库

模糊规则库是由规则集合组成的，它是模糊系统的核心，模糊系统通过IF-THEN规则,可以将人类知识融入控制系统中。

通过对变压器运行时振动状态分析，确定了所需的模糊IF-THEN规则库，本文截取了一部分规则展示如下：

1）if(SCALE is＜20%) and (DUTUM_LINE is＜0.1mm) then(EVALVATION is OK)(1)；

2）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is＜0.1mm)then(EVALVATION is ALARM)(1)；

3）if(SCALE is≥20%)and(DUTUM_LINE is≥0.1mm)then(EVALVATION is DANGER)(1)；

4）if (DUTUM_LINE is≥0.1mm) then (EVALVATION is DANGER)(1)；

……

模糊推理机使用“Mamdani”方法组合这些规则，形成从输入模糊集到输出模糊集的映射，并按照重心解模糊方法计算具体数值。

3.5 建立Simulink模型仿真

为验证模糊逻辑方法的可行性，现将图1所示各过程在Matlab/Simulink系统中建立模型并进行仿真，如图7所示。

图7 仿真模型

图 7中 A是来自加速度传感器的振动信号，B是来自电压、电流等监测仪器的信号经理论计算后的值，A的值有两个功用：①与B的值进行对比计算；②用途就是直接作为模糊推理系统的输入（即输入2）。B的值也有两个功用：①与 A的值进行对比计算；②作为分母计算实际振动信号对应估计振动信号的变化率，并将此作为模糊推理系统的输入（即输入1）。在模糊逻辑控制器中，模糊推理机对两个输入端数据进行分析后得出评估值。

假定系统采集到的数据为：A接收的振动信号数值为0.08mm，B接收的监测信号数值为0.07mm，经系统计算后，从查看器（如图8所示）中可以看出输出为0.409，位于OK区域内。这说明变压器运行时的振动情况正常。

图8 仿真结果

4 结论

基于Matlab模糊逻辑工具上的振动评估系统，经建模仿真，证明能够很好的实现预期功用。进一步凭借Simulink的开放性，我们可将Matlab中模块转化为C代码等形式，很方便的移植入自行开发的控制系统或软件中，从而在更复杂、更完整的变压器振动评估系统中发挥关键作用。

[1]冯永新，邓小文, 范立莉,等. 大型电力变压器振动法故障诊断与发展趋势[J].变压器,2009,6(10):69-70.