基于電力電子的電力變壓器故障診斷與維護(hù)

摘 要：為實(shí)現(xiàn)電力變壓器的優(yōu)化運(yùn)行及高效利用，本文基于電力電子技術(shù)，提出一種新的電力變壓器故障診斷與自動(dòng)化維護(hù)方法，通過模擬試驗(yàn)對(duì)該方法的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于電力電子技術(shù)的電力變壓器故障診斷與自動(dòng)化維護(hù)能有效識(shí)別電力變壓器的故障原因、故障定位和自動(dòng)化維護(hù)，有助于提高電力變壓器的運(yùn)行效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提升其安全性。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；變壓器；故障診斷；自動(dòng)化維護(hù)；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電力變壓器是電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行的核心設(shè)備，一是實(shí)現(xiàn)電能在不同等級(jí)下的傳輸、轉(zhuǎn)換，二是實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離輸送能力，降低傳統(tǒng)電能輸送過程中的損耗率，三是通過等級(jí)轉(zhuǎn)換為用戶提供個(gè)性化服務(wù)。因此，及時(shí)診斷電力變壓器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障并及時(shí)修復(fù)、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的自動(dòng)化維護(hù)對(duì)電力變壓器高效運(yùn)行至關(guān)重要，是電力系統(tǒng)對(duì)電力變壓器在新經(jīng)濟(jì)常態(tài)下提出的基本要求。其中，故障診斷是指對(duì)電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，從而能高效、精確對(duì)其出現(xiàn)的故障、發(fā)生位置做出判定，進(jìn)一步提高故障維修效率，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行效率。自動(dòng)化維護(hù)的實(shí)現(xiàn)需要引入各種先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)電力變壓器可能出現(xiàn)的故障在預(yù)測(cè)出現(xiàn)時(shí)間前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，降低故障率，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，隨著電力系統(tǒng)趨向“雙高特征”，傳統(tǒng)故障診斷和維護(hù)已無法滿足電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展，對(duì)電力變壓器的故障診斷和維護(hù)提出更高的要求。在此背景下，基于電力電子技術(shù)，對(duì)電力變壓器的故障診斷與自動(dòng)化維護(hù)進(jìn)行深入研究具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)必要。

1 電力變壓器常見故障分析

1.1 油溫過熱故障

長(zhǎng)時(shí)間工作下變壓器繞組的絕緣能力降低、冷卻裝置異常是電力變壓器出現(xiàn)油溫過熱的主要因素。另外，內(nèi)部鐵芯多點(diǎn)接地形成短路導(dǎo)致在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生渦流，造成鐵芯局部過熱、油路堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致無法正常散熱[1]、冷卻風(fēng)扇丟失電源、隨著工作時(shí)間增加漏磁問題隨之增強(qiáng)，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間處于超載運(yùn)行狀態(tài)等也會(huì)引起油溫過熱故障。

1.2 工作聲音異常故障

電力變壓器運(yùn)行中發(fā)出的連續(xù)且均勻“嗡嗡”響聲，是由交變磁通引發(fā)鐵芯震動(dòng)而發(fā)出的聲音，為正常現(xiàn)象。但當(dāng)出現(xiàn)斷續(xù)、尖銳且分貝較大的噪聲時(shí)，就說明電力變壓器出現(xiàn)故障。導(dǎo)致聲音異常的主要原因如下。1） 存在過電壓?jiǎn)栴}[2]。2）繞組或絕緣子出現(xiàn)小幅漏電問題。3）電力變壓器內(nèi)部鐵心的緊固螺栓存在松動(dòng)問題。這些原因均會(huì)導(dǎo)致硅鋼振動(dòng)變大，進(jìn)而產(chǎn)生異響。

1.3 過電壓及過負(fù)載故障

過電壓是指電力變壓器在工作時(shí)的端電壓超過其額定電壓2倍時(shí)的工作狀態(tài)，過負(fù)載是指電力變壓器長(zhǎng)期工作在過負(fù)荷條件狀態(tài)。過電壓和過負(fù)載工作均會(huì)引起電力變壓器出現(xiàn)故障，其主要表現(xiàn)行為為導(dǎo)致繞組線圈電流過大，出現(xiàn)嚴(yán)重的電流熱效應(yīng)，使變壓器油溫異常上升，最終會(huì)導(dǎo)致電力變壓器絕緣能力降低甚至損壞，縮短電力變壓器的使用壽命[3]，甚至引發(fā)安全事故。

1.4 漏油故障

漏油屬于電力變壓器的嚴(yán)重故障，故障點(diǎn)一般出現(xiàn)在各類閥門位置[4]。其主要原因如下。1）閥門材質(zhì)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2）閥門工藝存在缺陷。3）墊圈質(zhì)量不合格。4）安裝操作存在違規(guī)因素。

2 基于電力電子技術(shù)的變壓器故障診斷與自動(dòng)化維護(hù)應(yīng)用研究

2.1 電力電子技術(shù)基本原理與設(shè)備組成

電力系統(tǒng)向“高比例可再生資源”、“高比例電力電子設(shè)備”、“雙高特征”發(fā)展，對(duì)變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行提出更高的標(biāo)準(zhǔn)[5]，將電力電子技術(shù)引入變壓器故障診斷和自動(dòng)運(yùn)維中具有較強(qiáng)的可行性。一般情況下，電力電子元件構(gòu)成的電力電子系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，具體為主電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、控制電路及保護(hù)電路，基于電力電子元件的基本工作原理實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變壓器故障的診斷與自動(dòng)化維護(hù)。其中，晶閘管、場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT等組成主電路，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。晶閘管具有開關(guān)功能，利用電壓正偏或反偏對(duì)其導(dǎo)通和截至進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)公開功能，即導(dǎo)通時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)中的關(guān)效應(yīng)[6]，截至?xí)r實(shí)現(xiàn)開關(guān)中的開效應(yīng)；控制電路根據(jù)運(yùn)行動(dòng)態(tài)和外部輸入指令執(zhí)行對(duì)元件狀態(tài)的控制命令，最終實(shí)現(xiàn)電能的精確轉(zhuǎn)換與控制。保護(hù)電路的主要職能是對(duì)出現(xiàn)的過溫、過壓、過流等異常信號(hào)進(jìn)行收集與處理，一旦發(fā)生故障就立即采取保護(hù)措施，防止電力電子系統(tǒng)的損壞。基于電力電子技術(shù)的電力變壓器故障診斷及自動(dòng)化維護(hù)設(shè)備的主要組成部分包括電源、控制、電力電子元件及散熱等4個(gè)模塊。其中，電源模塊的主要職責(zé)是為電力電子設(shè)備提供電能，途徑是將電能轉(zhuǎn)化成設(shè)備所需的額定電壓和額定電流；控制模塊主要負(fù)責(zé)接收和處理由終端輸入的信號(hào)，并通過輸入的信號(hào)對(duì)電力電子元件的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高精度轉(zhuǎn)換與控制，其主要構(gòu)成部分包括數(shù)字處理器、信號(hào)處理器等；電力電子元件起到開關(guān)、整流、調(diào)整等作用。如圖1所示。

2.2 電氣電力變壓器故障診斷模型

電力變壓器故障診斷涉及故障檢測(cè)、故障定位、故障分析及故障維修等4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，故障檢測(cè)是基于電力電子技術(shù)，利用電力電子設(shè)備對(duì)電力變壓器的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障，就立即開啟故障診斷程序；故障定位是基于電力電子電路及設(shè)備對(duì)發(fā)生故障的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并對(duì)發(fā)生故障時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障信息進(jìn)行收集，并向中央處理器進(jìn)行傳遞；故障分析階段是中央處理器利用電力電子技術(shù)、電路控制及控制理論等許多專業(yè)知識(shí)，對(duì)接收到的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息進(jìn)行深度分析，以確定故障原因，為后續(xù)維修提供指導(dǎo)；故障維修是在中央處理器分析故障位置和原因后，制定并實(shí)施相應(yīng)技術(shù)手段。其流程如圖2所示。

基于電力電子技術(shù)的電力變壓器故障診斷可采用LSTM算法構(gòu)建故障診斷模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)圖3，假設(shè)算法單元中基本組成輸入門、輸出門、遺忘門、算法單元的基本狀態(tài)分別用i、o、f和C表示，檢測(cè)數(shù)據(jù)定義為包括電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)在內(nèi)的集合X。利用公式（1）、公式（2）對(duì)輸入門和遺忘門進(jìn)行計(jì)算。

it=σ（Wi·[ht-1，Xt]+bi） （1）

ft=σ（Wt·[ht-1，Xt]bt） （2）

式中：W和b在公式（1）中為輸入門的參數(shù)；W和b在公式（2）中為遺忘門的權(quán)重和偏置。

然后，創(chuàng)新備用的新單元狀態(tài)，并使其可加入最終的單元狀態(tài)中，如公式（3）所示。

=tanh（WC·[ht-1，Xt]+bC） （3）

式中：tanh函數(shù)取值范圍為[-1，1]；w和n分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重和偏置。

該單元狀態(tài)Ct可用于長(zhǎng)期信息的記憶，其狀態(tài)融合了前一時(shí)刻的單元狀態(tài)和當(dāng)前建立的備用單元狀態(tài)，如公式（4）所示。

Ct=ft·Ct-1+it· （4）

當(dāng)前模型下隱藏狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前輸入序列的總結(jié)，其更新依賴于當(dāng)前單元的狀態(tài)和輸出門，如公式（5）所示。

ht=ot·tanh（Ct） （5）

最終輸出的故障分類由softmax層求出并將其轉(zhuǎn)化為概率分布，計(jì)算得出每種故障類型的可能性，如公式（6）所示。

yt=softmax（Wy·ht+by） （6）

2.3 自動(dòng)化維護(hù)模型

基于LSTM的電力變壓器故障診斷模型在對(duì)電力變壓器的故障進(jìn)行精準(zhǔn)診斷后，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的自動(dòng)化維護(hù)[7]。利用公式（7）對(duì)故障預(yù)測(cè)發(fā)生事件、故障可能類型或緊急維護(hù)程度進(jìn)行測(cè)算。

（7）

式中：m為中間層；y為最終的自動(dòng)化維護(hù)需求決策。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)提出的基于電力電子技術(shù)和LSTM算法的電力變壓器故障分類診斷在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的有效性和自動(dòng)化維護(hù)效果。通過對(duì)比傳統(tǒng)方式和優(yōu)化方式故障診斷及自動(dòng)化維護(hù)的效果確定優(yōu)化方案。采集數(shù)量容量為505臺(tái)電力變壓器運(yùn)行及故障相關(guān)數(shù)據(jù)的近10萬條數(shù)據(jù)記錄。收集數(shù)據(jù)后，經(jīng)LSTM算法得到處理的輸入、輸出和遺忘門等各項(xiàng)信息，用人為方式對(duì)電力變壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行改變，對(duì)各種可能的故障情況進(jìn)行模擬，例如改變輸入電壓模擬過電壓故障、改變負(fù)載設(shè)備模擬過電流故障、關(guān)閉風(fēng)險(xiǎn)模擬過溫故障等，在模擬試驗(yàn)中繼續(xù)對(duì)電力變壓器的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理，并將數(shù)據(jù)中80%部分作為模擬訓(xùn)練，剩余20%用于模型驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集與處理

試驗(yàn)需要收集的數(shù)據(jù)集是包括輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、開關(guān)頻率和功率因素等在內(nèi)的多模態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過后臺(tái)維修日志對(duì)電力變壓器在不同時(shí)段、不同運(yùn)行模式下的故障情況進(jìn)行標(biāo)識(shí)和分類，一般可以分為機(jī)械故障、環(huán)境故障、電氣故障和操作故障。

模擬試驗(yàn)前，對(duì)所有傳感器和變頻器數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。收集到的數(shù)據(jù)主要為正常運(yùn)行及故障模擬狀態(tài)下的電力參數(shù)，設(shè)置固定的時(shí)間間隔對(duì)信息進(jìn)行采集，收集的數(shù)據(jù)見表1。

在完成數(shù)據(jù)收集后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理，基于收集的數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)的均值、方差和峰值。計(jì)算后的參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征見表2。

數(shù)據(jù)清洗后，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械奶卣飨蛄浚瑢⑵漭斎隠STM模型中。利用LSTM模型UI數(shù)據(jù)中具有時(shí)間序列依賴關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，能對(duì)具有時(shí)序特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與轉(zhuǎn)換處理。通過公式（1）挑選具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，通過公式（2）挑選具有弱關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并用公式（3）～公式（5）對(duì)其進(jìn)行描述，再利用公式（6）～公式（7）計(jì)算得出輸出門獲取的最終輸出數(shù)據(jù)。

將清洗后的電力變壓器數(shù)據(jù)擬作訓(xùn)練集，如公式（8）所示。

Ut={u1，u2，...，un} （8）

然后，將數(shù)據(jù)中80%部分作為模擬訓(xùn)練，剩余20%用于模型驗(yàn)證。

3.3 結(jié)果分析

對(duì)人為改變電力變壓器工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，維護(hù)人員根據(jù)收集的數(shù)據(jù)對(duì)故障類型進(jìn)行標(biāo)注，將其分為機(jī)械故障、環(huán)境故障、電氣故障和操作故障，測(cè)試結(jié)果見表3、表4。

由表3和表4的模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于電力電子技術(shù)的電力變壓器故障診斷正確率和自動(dòng)化維護(hù)有效率均比傳統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)方法高，說明基于電力電子技術(shù)的電力變壓器故障診斷和自動(dòng)化維護(hù)具有較高的準(zhǔn)確性和高效性。

4 結(jié)語

以風(fēng)電、光伏等為代表的可再生電能持續(xù)并入電網(wǎng)使我國(guó)電力系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)雙高特征，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。電力變壓器作為電力系統(tǒng)主要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其正常運(yùn)行是保證高效率電網(wǎng)供電的基礎(chǔ)，對(duì)其故障進(jìn)行診斷與及時(shí)維護(hù)至關(guān)重要。本文基于電力電力技術(shù)構(gòu)建了LSTM算法的電力變壓器故障診斷和自動(dòng)化維護(hù)系統(tǒng)，通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于電力電子技術(shù)的變壓器故障診斷與自動(dòng)化維護(hù)比傳統(tǒng)方法更高效，能對(duì)電力變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、故障分析，并制定高效的維修措施，提升了電力變壓器的運(yùn)行效率，進(jìn)而提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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