二進(jìn)制圖像分析的變壓器油氣相色譜分析故障診斷方法

文章編號(hào)：1003-6199(2011)04-0029-05

摘 要：針對(duì)三比值法在變壓器油氣相色譜分析中的局限性，采用雷達(dá)圖來(lái)直觀的表示油中溶解氣體的相對(duì)含量，建立典型的故障類型雷達(dá)圖模型。利用MATLAB將待測(cè)數(shù)據(jù)雷達(dá)圖圖像與典型的故障類型雷達(dá)圖像做二進(jìn)制圖像相似度計(jì)算，依此給出某些故障的發(fā)生概率，提供潛在故障出現(xiàn)的可能性，避免三比值法的結(jié)果單一性。

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關(guān)鍵詞：變壓器；氣相色譜分析；雷達(dá)圖；二進(jìn)制圖像；故障診斷

中圖分類號(hào)： TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Transformer Fault Diagnosis Method of Gas Hromatographic Analysis Using Computer Image Analysis

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HU Jingtao ，JIONG Qiong， SONG Mingling，CHEN Chun， LI Xiaolong 

(Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China)

Abstract:According to the limitations of Three ratio method in Gas chromatographic analysis of transformer， uses radar chart to show the relative content of gases dissolved in oil intuitively， sets up the typical radar chart modeles of fault type. Calculates the similarity of binary images of the radar chartes prepared to be tested and typical modeles of fault type， to export the probability of some failures，provids the possibility of potential failures，avoids the unicity of results by the three ratio method.

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Key words:transformer; gas chromatographic analysis; radar chart;binary image; fault diagnosis

1 引 言現(xiàn)在我國(guó)的變壓器診斷過(guò)程一般都依據(jù)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（國(guó)標(biāo)GB/T 7252-2001和行標(biāo)DL/T 722-2000）推薦的改良的三比值法。但是此方法仍然存在一定的局限性，無(wú)論是從其應(yīng)用原則和判斷過(guò)程中仍然不盡人意。首先，在應(yīng)用原則上，只有根據(jù)氣體各組分含量的注意值或氣體增長(zhǎng)率的注意值有理由判斷設(shè)備可能存在故障時(shí)，氣體比值才是最有效的。其次，結(jié)果的單一性，即便是將三比值法規(guī)則體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中，只增加了判斷的速度，并沒(méi)有提供其他潛在故障出現(xiàn)的可能性，導(dǎo)致診斷結(jié)果的準(zhǔn)確度不高。

針對(duì)變壓器故障本身的復(fù)雜性和不確定性，以及檢測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏差，如何避免使用三比值法帶來(lái)的結(jié)果單一性和不高的準(zhǔn)確性，而利用計(jì)算機(jī)分析二進(jìn)制圖像相似性結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)分析給出某些故障出現(xiàn)的概率，提供潛在故障出現(xiàn)的可能性，同時(shí)利用雷達(dá)圖的表示方法將檢測(cè)數(shù)據(jù)以圖像的方法表現(xiàn)出來(lái)，為電力系統(tǒng)操作人員直觀的了解變壓器中氣體的各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行人工參考提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 雷達(dá)圖模型

21 特征氣體雷達(dá)圖模型

研究表明，變壓器故障診斷與變壓器油中溶解的特征氣體的相對(duì)含量有關(guān)，本研究雷達(dá)圖的五個(gè)坐標(biāo)軸也是由H2、CH4、C2H6 、C2H4、C2H2 這五種典型的油中溶解特征氣體的相對(duì)含量來(lái)表示。根據(jù)對(duì)變壓器油氣相色譜分析測(cè)得的大量數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)方差分析計(jì)算，方差最小即氣體增長(zhǎng)率最低的氣體依次是C2H6＜C2H4＜CH4。但由于在建立典型故障類型雷達(dá)圖模型換算中的復(fù)雜性，最終選取CH4、C2H4作為基量，即定義CH4的含量為a，C2H4的含量為b。由此五種氣體的含量表示如下：

CH4 (μL/L)—a; H2 (μL/L)—n1a;

C2H4(μL/L)—b; C2H2(μL/L)—n2b;

C2H6(μL/L)—n3b

式中，n1=H2/CH4，n2=C2H2/C2H4，n3=C2H6/C2H4。

根據(jù)雷達(dá)圖的結(jié)構(gòu)結(jié)合變壓器油中特征氣體測(cè)量中獨(dú)有的倍數(shù)關(guān)系，采用雷達(dá)圖表示時(shí)需要進(jìn)行對(duì)數(shù)變換。五個(gè)同心圓表示為：最小的圓圈表示的是0.1倍關(guān)系，從內(nèi)到外倍數(shù)關(guān)系依次為0.1、1/3、1、3、10，高于10倍的情況統(tǒng)一定義為等于10倍。由于實(shí)際中CH4、C2H4分別被賦值為a、b固定長(zhǎng)度，實(shí)際上要進(jìn)行的相似比較的雷達(dá)圖經(jīng)過(guò)裁剪如圖1所示。

22 典型故障模型

典型故障模型最初由三比值法轉(zhuǎn)換而來(lái)，根據(jù)行標(biāo)DL/T 722-2000，故障類型可分為九種，每種故障類型可能出現(xiàn)多個(gè)編碼組合，如故障類型低能放電對(duì)應(yīng)的編碼組合有200、201、202、210、211、212六種，故障類型的典型雷達(dá)圖模型將會(huì)有存在可伸縮的區(qū)域。我們根據(jù)《導(dǎo)則》，將其中的氣體比值進(jìn)行換算，得出建立故障模型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān)系，再將九種典型故障類型雷達(dá)圖模型繪制出（如圖2所示）。在圖中我們將黑色區(qū)域定義為故障發(fā)生必備區(qū)域（表示為An，n=1，2，3…9），灰色部分為伸縮區(qū)域（表示為Sn，n=1，2，3#8226;#8226;#8226;9），白色部分為故障不發(fā)生必備區(qū)域(表示為Bn，n=1，2，3…9)。故障類型高溫過(guò)熱（高于700℃）不存在故障發(fā)生必備區(qū)域，故障類型低能放電不存在故障不發(fā)生必備區(qū)域。

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3 油色譜數(shù)據(jù)圖像分析

31 二進(jìn)制圖像

位圖圖像，也稱為點(diǎn)陣圖像或繪制圖像，是由稱作像素的單個(gè)點(diǎn)組成的。二進(jìn)制圖像是只有兩個(gè)色階的灰度位圖。根據(jù)二進(jìn)制圖像的特點(diǎn)，圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)賦值0或1，以簡(jiǎn)化圖像相似度計(jì)算。

32 相似度計(jì)算

根據(jù)二進(jìn)制圖像的特點(diǎn)，將二進(jìn)制圖像原圖A用矩陣的方法表示出來(lái)為：

A=a11a12…a1na21a22…a2nam1am2…amn，若待測(cè)圖B=b11b12…b1nb21b22…b2nbm1bm2…bmn，比較兩張圖像的相似性時(shí)將兩個(gè)矩陣相加得：

I=A+B=I11I12…I1nI21I22…I2nIm1Im2…Imn。設(shè)A、B中白色的相同的像素點(diǎn)為aij和bij，黑色部分相同的像素點(diǎn)為aop和bop，A中為黑色B中為白色的像素點(diǎn)為ars和brs，A中為白色B中為黑色的像素點(diǎn)為axy和bxy。由此可以推出兩張二位圖相加后的四種情況：aij +bij =Iij =0aop+bop=Iop=2ars +brs =Irs =1axy +bxy =Ixy =1由以上可知兩張圖片的不同部分為I中值為1的點(diǎn)Irs和Ixy ，相似度比較范圍為原圖A中像素點(diǎn)為1值的點(diǎn)aop和ars，再設(shè)n(Irs=1)，n(Ixy=1)，n(aop=1)，n(ars=1)分別為矩陣I中Irs=1、Ixy=1、A中aop=1、ars=1的元素個(gè)數(shù)。由此可以推導(dǎo)出圖像B與圖像A的相似度為：

相似度=1－n(Irs=1)+n(Ixy=1)n(aop=1)+n(ars=1)

式中，n(Irs=1)+n(Ixy=1)即為I矩陣中所有元素為1的個(gè)數(shù)，n(aop=1)+n(ars=1)即為A中所有元素為1的個(gè)數(shù)。兩張圖片必須像素大小相同，否則無(wú)法進(jìn)行相似度計(jì)算。典型故障模型中存在伸縮區(qū)域，所以分兩次來(lái)分別比較故障發(fā)生必備區(qū)域和故障不發(fā)生必備區(qū)域的相似性，最后取相似度最高的值作為結(jié)果。

33 油色譜數(shù)據(jù)分析

3.3.1 典型故障模型雷達(dá)圖二進(jìn)制圖像

在MATLAB中繪制雷達(dá)圖需要用到系統(tǒng)函數(shù)polar，原polar函數(shù)默認(rèn)的顯示格式為每隔30度顯示一條徑向線并進(jìn)行角度標(biāo)注，需要將polar進(jìn)行修改并建立新函數(shù)apolar。極坐標(biāo)上不能用對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，故要將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)由于導(dǎo)出的二進(jìn)制圖像會(huì)出現(xiàn)一定程度的拉伸，因此要用到命令axis(［-2 2 -2 2］);和daspect(［1 1 1］); 最終導(dǎo)出的典型故障類型雷達(dá)圖模型An（n=1，2，3…9）部分圖像如圖3所示。



由圖2我們可以看到，故障類型高溫過(guò)熱（高于700℃）不存在故障發(fā)生必備區(qū)域，因此圖4中也不存在此區(qū)域，而只需要計(jì)算故障不發(fā)生必備區(qū)域的相似度即可。

3.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

MATLAB中需要使用閾值操作將圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像。通過(guò)使用函數(shù)graythresh和im2bw創(chuàng)建一個(gè)新的圖像bw，即是一個(gè)元素值為0和1的矩陣，而在MATLAB中值為0

的像素點(diǎn)為黑色，而值為1的像素點(diǎn)為白色，需要將修改算法：

相似度=1-n(Irs=1)+n(Ixy=1)n(aij=0)+n(axy=0)



4 實(shí)例分析

分別將九組變壓器故障的數(shù)據(jù)輸入程序進(jìn)行實(shí)例分析^［9-10］，取概率最大的兩到三種故障類型，列表1所示（《導(dǎo)則》即為行標(biāo)DL/T 722-2000）：



由上表可以看出程序分析的結(jié)果絕大多數(shù)和《導(dǎo)則》的判斷結(jié)果一致，而第六和第七組的結(jié)果卻不一樣。第六組變壓器在停電后高壓試驗(yàn)班做高壓側(cè)直流電阻發(fā)現(xiàn)，三相電阻不平衡，同一相電阻出現(xiàn)連續(xù)兩檔一樣的情況。經(jīng)吊芯檢查發(fā)現(xiàn)，中壓側(cè)分接開關(guān)4檔三相動(dòng)靜觸頭均嚴(yán)重?zé)龘p，高壓、中壓繞組外側(cè)上部附著很多黑色碳粒^［9］。由于變壓器很可能同時(shí)伴隨有多種故障同時(shí)發(fā)生，因此程序分析的結(jié)果也有一定的參考性。第七組變壓器經(jīng)吊罩檢查，確定故障原因是高壓套管均壓球與導(dǎo)管接觸不良，造成均壓球與導(dǎo)管之間產(chǎn)生懸浮電位放電^［10］。將第七組數(shù)據(jù)輸入主程序1（Test1），得到待測(cè)雷達(dá)圖和對(duì)比范圍圖（圖4）。圖4中，綠色直線框?yàn)榇郎y(cè)圖的范圍，藍(lán)色直線框?yàn)楣收习l(fā)生必備區(qū)域An，藍(lán)色直線框外紅色直線框內(nèi)為伸縮區(qū)域Sn，紅色直線框外黑色直線框內(nèi)為故障不發(fā)生必備區(qū)域Bn。從圖中可以看出，待測(cè)圖明顯與低能放電的相似度很高，但是分析結(jié)果計(jì)算顯示電弧放電的相似度要稍微高一些，因?yàn)楣收夏Ｐ蜕性跈z測(cè)階段，計(jì)算條件的判斷的和閾值的確定還需更進(jìn)一步的研究。相反此結(jié)果正顯示出了潛在故障電弧放電存在的可能性。

5 小 結(jié)

現(xiàn)有的故障診斷方法如特征氣體法、三比值法、無(wú)編碼比值法，雖然在一定范圍上有良好的性能，但局限性也很明顯，太絕對(duì)化且不能有效的處理不精確性、不完全性和不確定性信息。本研究利用計(jì)算機(jī)分析圖像相似性的方法來(lái)對(duì)變壓器故障進(jìn)行診斷，比絕對(duì)化的三比值法有一定的優(yōu)越性，

但同時(shí)也存在精確性不足的現(xiàn)象，原因是典型故障雷達(dá)圖模型就是以典型三比值法轉(zhuǎn)換而來(lái)，要提高判斷的準(zhǔn)確性必須要建立數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)不斷的修正閾值，對(duì)變壓器故障診斷的實(shí)例診斷還有待進(jìn)一步的研究。

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收稿日期：2011-09-08

基金項(xiàng)目：湖南省自科基金資助項(xiàng)目(10jj5059)

作者簡(jiǎn)介：胡靖濤 (1987—），男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向：電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和故障診斷(E-mail：jluhjt@163.com)；蔣 瓊（1986—），男，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)。