基于计算实验辅助的电力变压器运行维护规程完备性检验方法研究

钟国平，张前进*

（1.广东运峰电力安装有限公司公司总部，广东佛山528200；2.佛山科学技术学院自动化系，广东佛山528000）

基于计算实验辅助的电力变压器运行维护规程完备性检验方法研究

钟国平1，张前进2*

（1.广东运峰电力安装有限公司公司总部，广东佛山528200；2.佛山科学技术学院自动化系，广东佛山528000）

针对大型电力变压器的运行维护规程的完备性检验问题，提出了基于计算实验的检验方法，该检验方法能够对于电力变压器的运行维护规程提出具有科学依据的修订意见，确保变压器运行维护规程的完备性，运行维护人员严格执行相应的运行维护规程能够保证电力生产的安全可靠运行。

电力变压器；计算实验；运行维护规程检验

电力变压器是电力系统的核心设备，保证电力变压器的安全可靠运行，就是保证电力系统的安全可靠运行。适用于各种电力变压器的运行维护的规章制度，是保证电力变压器可靠运行的基本管理方法。对比一个全自动的机器运行维护系统和基于人力资源执行运行维护规程的人工系统，则人工系统具有更好的自适应能力［1］。尽管工作人员执行运行维护规程的准确性比较容易考核，但人工系统最大的问题是，用来指引人员工作的运行维护规程的完备性检验问题。对于一般的物理系统，可以通过模拟仿真、物理仿真或者实际系统的实验验证等手段，验证系统是否对于输入空间的激励有预期的响应［2］。一般地，很容易对一个温度检测仪表进行校验，在它的量程范围内调整输入变量、检测输出变量，然后给这个温度检测仪表一个完善的精确度评价。但是，无法对一个管理规程和规章制度做同样的检验，原因是无法实现系统输入的遍历实验。

虽然一个规章制度的设计和设置会参照各个方面的工作经验和工作案例，但是对于有限案例和经验的参照不能保证管理规程的完备性。当现行的管理规程出现问题的境况下，无法确定修改这个规程的方向。或者说，假设所设置的工作规程有不完善或者不正确之处，它所造成的后果也无法在系统的实际运行中得到归纳和追究。人工设计设置的管理规程系统在投入运行之前，只有设计和建造，没有验证试验，唯一能够验证系统是否有效和完善的就是系统的运行过程，而系统的运行过程是一个不充分的验证试验。系统的运行过程也不能验证系统的设计和创建是否有效和完善的，因为在有限的运行时间内的运行过程中，系统不可能遍历输入空间的全部状态。

运行维护人员对规章制度的执行容易检验，而规章制度自身的完备性和正确性不容易检验。规章制度是人为设计设置的，因此其正确性和完备性需要得到检验。一个普通的物理系统的设计和检验比较容易做到，例如，一台机器设备经过设计以后，会进行制造试验，在经历实验改进的反复过程后得到一个功能完备的系统。

针对上述问题，方法论层面上一种普遍有效的做法是，对于人为创建的管理信息系统进行人工制造的事件演练，例如防火系统的演习。人工制造的事件演练，由于资源消耗的巨大，也做不到对于输入空间的遍历。借鉴上述技术路线，本文提出了一种基于计算实验辅助的管理规章制度完备性和正确性的校验方法。该方法利用计算实验辅助，实现对管理制度所针对的物理系统的分析和建模优化，然后利用计算实验辅助建立一个物理和人工的混合系统。这个计算机仿真的物理和人工的混合系统，可以实现对于管理制度本身的正确性完备性检验。

1 电力变压器的技术剖析和建模

1.1 电力变压器的技术剖析

所有技术方法都是用来解决技术矛盾的，在变压器技术中也不例外。电力变压器的第一个技术难题是导热和绝缘问题。变压器需要一种导热但是能够绝缘的材料或者结构，把变压器运行过程中间核心产生的热量散发出来，使得变压器本身的温度不至于太高而使得绝缘破坏。对这个问题的解决导致了变压器制造技术中的两个方向，即油浸式变压器和干式变压器。

油浸式变压器用变压器油解决了导热和绝缘的问题，而干式变压器则使用封装变压器结构的环氧树脂解决了导热和绝缘问题。电力变压器的第二个技术难题是导磁但不导电的问题，就是要构成一个磁通回路，但是在磁场回路里面的所有结构又不允许形成导电回路。对这个问题的解决，导致了变压器铁心结构的两个主要方向，一个是硅钢片叠层铁芯，另一个是非晶合金铁心回路。上述导热绝缘问题和导磁但不导电问题，是电力变压器是否运行正常的核心问题。任何针对电力变压器的运行监控，运行维护系统都必须以上述两个问题作为出发点。

1.2 油浸式变压器的故障要素和建模

油浸式电力变压器的设计从原始应用设计到现在，几乎没有什么改进，这说明最初的设计经过时间检验是完备和正确的。此外，油浸式变压器在当代电力系统仍然广泛应用，也体现了它的性能和设计的优点。油浸式电力变压器的结构设计的技术演化过程是，为了解决导热和绝缘问题，铁芯和线圈必须完全浸入到变压器油中。问题包括：1）如果油面对大气环境敞开，则油中会吸收空气中的水分或者固体杂质，导致变压器油的绝缘性能下降。2）如果油浸铁芯和线圈部分对大气环境密封，当变压器过载时，铁损和铜损的大部分热量会导致密封腔内的油液膨胀和压力升高，形成一个压力容器，油液的体积随着温度变化必然使得变压器的外壳反复变形。因此，变压器油面必须对大气开放，同时必须防止大气中的水分和固体颗粒进入变压器油。该技术难点的解决办法是油浸式变压器采取一种从下向上的大气联通管结构［3］，如图1所示。由图1可知，在连通管中设置一个吸湿剂空气过滤装置，以阻断空气中的水分进入。考虑空气过滤吸湿装置会阻碍故障状态时油液快速膨胀的外泄通道，增设了一个在高压力下可以爆裂泄压的防爆玻璃或者安全阀装置。结合变压器油体积随温度变化的问题，油浸式电力变压器就形成了防爆玻璃或者安全阀、空气吸湿过滤器、油枕、瓦斯保护继电器、油位指示和测试放油阀等构成的油液运行回路。

图1 油浸式变压器的结构示意

由此可知，一个人工的或者自动的变压器运行监控系统，必须检测下列变量：1）安全阀的状态；2）空气吸湿过滤器的状态颜色；3）油液的液面位置；4）瓦斯继电器的状态；5）油液的成分变化状态变量；6）变压器壳体的温度。

针对电力变压器运行维护的建模，只要建立其热力学模型。对于油浸式电力变压器的热力学建模，主要是建立可观测的状态变量之间的物理关系。这些物理关系的确立，在理论分析之后，可以根据实际运行数据归纳，回归求解出特定变压器的特定参数。

1.3 干式变压器的故障要素和建模

干式电力变压器是在油浸式边变压器之后兴起的，干式变压器的优点正好互补了油浸式变压器的缺点。与油浸式变压器相比，干式变压器的缺点是过载能力差。干式变压器能够广泛进入应用，主要配合了自动检测和自动化技术的进步。由于干式变压器采用固化的环氧树脂来完成导热和绝缘的问题，它不具备变压器油的快速吸热降温能力，因此干式变压器的过载能力较差。干式变压器的正常运行，依靠壳体的温度自动控制系统和为了保护变压器而设立的自动限载断路器系统。壳体自动温度控制系统能实时检测壳体的温度，使其保持在设定的安全温度之下。在负载侧设立的自动限载断路器系统能实时地检测用户负载，在用户负载超出变压器的过负荷范围时，对负载断电来保护变压器。

干式变压器的建模只在两个自动控制系统之上建模，从而使问题得到简化。

2 计算实验辅助校验系统的设计

2.1 平行系统理论的ACP方法

ACP方法［4］是平行系统理论的核心，是人工社会、计算实验和平行执行系统方法的简称（ACPArtificial societiey,Computational experiments,Parallel execution)。针对一个复杂的系统创建、优化和管理问题。ACP方法提供的解决方案是：创建一个与目标系统相对应的人工系统。而人工系统的创建原则是，系统的相应行为尽量与目标系统的行为相一致，即人工系统是目标系统的映像。对于输入空间的外部事件触发，目标系统和人工系统能给出一致的或者相近的响应。

计算实验是人工创建的事件发生器，模拟系统的输入空间，随机驱动人工系统，评价人工系统的响应，这就是数据实验原理。由于目标系统的运行周期很长，无法进行验证试验，数据实验可以通过对人工系统进行外部事件输入，达到测试验证人工系统的目的。因此，数据实验类似于物理系统的加速老化实验的效果，从而缩短了系统验证的时间周期。

平行执行是指在系统运行过程中，外部输入不仅触发目标系统的响应，同时也触发人工系统的响应。当两个响应一致或者接近一致时，两个系统都不做调节；当两个系统的响应不一致时，则要对于目标系统和人工系统都做出调节，这个评价和调节的过程可能有专家在调节回路中，或者没有专家在调节回路中。平行执行的过程是一个3方互动的过程。这个互动过程的顺利运行，特别是数据实验手段的主动应用，将能够实现系统对于环境的自适应，延长系统的生命周期。

2.2 变压器运行维护的计算实验设计

图2 计算实验系统信息流

变压器运行为维护的计算实验系统的主要技术创建流程如图2所示。系统由4个主要的功能单元构成，包括故障数据发生器、变压器的物理模型、运行维护规程的规则模拟单元以及运行维护结论的对比输出。故障数据发生器是根据其他同类型变压器的实际运行数据，截取在典型运行故障时的数据区间，归纳出故障的触发事件，输出触发事件给变压器的物理模型。典型触发事件经过物理模型的推演，对环境输出可观测的状态变量。状态变量被运行维护规程按照规定的时间频度获取，再按照运行维护规程的规则进行判断和结论。将形成的结论与故障数据发生器的数据进行对比，形成一个数据实验记录。该系统的运行可以获得电力变压器的不同触发事件下的实验记录，并评价在不同触发事件时，人工运行维护的时间频度和处置行动是否恰当。当故障数据发生器能够所有故障出发事件的遍历时，就实现了对于运行维护规章制度的完备性检验。在系统单元中，故障数据发生器主要依据普通的数据处理技术，变压器的物理模型建立采用常用的建模技术就能够成功，运行规则的模拟采用当代基本的人工智能技术就能够满足要求。

3 总结

（1）本文提出的基于计算实验辅助的电力变压器运行维护规程完备性检验方法尚处于研究的初期阶段，研究的意义在于本方法有效的实现管理规程和规章制度的完备性和正确性，能够防止因为管理制度的弊端所导致的安全事故隐患。

（2）电力变压器的运行监控比较容易实现自动化，近年来已经推广应用的智能运行维护系统普遍具有较好的技术性能。电力变压器作为电力系统的核心设备，其运行维护不能完全自动化的主要原因是不能检验为自动系统设定的运行规则，人工运行维护具有更好的自适应性。

（3）电力系统行业是一个标准化管理程度很高的企业，标准化体系遍布企业的各个生产岗位。本文的完备性检验方法在电力变压器的运行维护方面取得成功以后，能够方便地推广到其他管理规程的正确性检验中去。

［1］杜言.基于网络三维技术的电力安全工作规程仿真培训考核系统［J］.广东科技,2012,21（21）:113-114.

［2］左敏.平行系统理论在现代矿山管理中的应用［J］.金属矿山,2011,40（9）:131-133.

［3］鹏芃科艺.电力变压器的构造［EB/OL］.［2017-02-05］.http://www.pengky.cn/dianjixilie011/kjdh-bianyaqimoxing/2017.

［4］王飞跃.平行控制——数据驱动的计算控制方法［J］.自动化学报,2013,39（4）:293-302.

【责任编辑：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

钟国平（1972-），男，广东梅州人，广东运峰电力工程有限公司工程师。

*通信作者：张前进（1964-），男，陕西西安人，佛山科学技术学院高级工程师，博士。

1008-0171（2017）04-0063-04