1　引言
　　随着电力系统电压等级的提高和系统容量的增大，电力系统结构更趋复杂，对电力设备运行的可靠性要求也更高。在恶劣环境和不良工况下，电气设备的内部绝缘材料常常会加速老化，造成突发性损坏。一旦绝缘损坏就会造成整台设备退出运行，甚至造成系统大范围停电，这在现代社会是一种灾难。因此，绝缘监视和故障诊断对于保证电气设备的正常运行具有重要意义，也是供电企业的一项日常工作。
　　以往，设备绝缘状况的判断是通过专业人员对试验数据进行纵向和横向的比较及分析，并依据相关的规程、导则、标准以及经验来作出的。由于绝缘监视是一项日常性的工作，人工判断的工作量非常大，也难以对历史数据进行全面的考察，而且专家判断容易受到地理位置、工作强度、外界环境、心理状态的影响。因此，供电企业对电气设备绝缘监视和故障诊断系统的需求非常迫切。
　　 随着计算机和人工智能技术的发展，利用数据库对试验数据进行分析和监视、利用模糊技术进行故障诊断已成为可能。为了满足未来发展需要，笔者结合福州电业局生计科管理信息系统(MIS)工程，开发了电气设备绝缘监视和故障诊断系统。
　　系统以Windows NT为网络操作系统，采用了客户/服务(client/server)结构。数据库采用Oracle 7.3，客户端开发工具采用PowerBuilder 5.0。为了保证系统的开放性、可重用性和可维护性，系统采用了面向对象的设计、分析和编程方法。
　　以变压器故障诊断为例，在检测油中溶解气体方法的基础上引入模糊理论，不仅能对变压器故障性质进行合理判断，而且能提出建议和预防措施。

2　模糊理论的引入
　　目前用于电气设备故障诊断的各种规程中，一般只给出一个判定边界的描述，难以确切反映故障与表现特征之间的客观规律。这种“判定边界的描述”有的以确定的数值形式给出，有的以歧义性很大的语言描述。在用特征气体法进行变压器故障诊断时，气体含量用“高”、“较高”、“主要成分”等含糊字样描述，具有不确定性。用三比值法判断时，由于其比值范围编码不多，在实际工作中常因查不到比值范围而无法对故障进行判断。模糊数学正是对人类模糊思维和模糊语言加以定量分析，寻找适合于计算机仿效人脑进行模糊识别和判别等的数学工具，并具有多因素综合分析的特点。本文运用文［1］［2］中介绍的阈值原则和择近原则，判断变压器过热故障、放电故障和铁芯多点接地故障。其基本思想是：
　　(1) 确定模糊模式　设U为所有变压器全部故障的集合，u为故障集中任一具体故障。以H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₁+C₂(总烃)等相互比值作为参量确定模糊子集。
　　(2) 构造模糊模式的隶属函数　根据统计试验结果，模糊子集的隶属函数近似为正态分布：μ(u)＝e^－k(u－a)2，其中k和a可通过分析与试验经计算得到。计算出隶属函数值后就能够用数字表示各参量隶属于故障样本的严重程度。
　　(3) 对故障进行识别判断
　　1)根据阈值原则判断过热、放电故障
　　设A₁为变压器放电故障，A₂为变压器过热故障，隶属函数分别为μ_A1(u)，μ_A2(u)。根据统计计算结果，规定一个阈值λ∈［0，1］，则
　　①当max｛μ_A1(u),μ_A2(u)｝<λ，uA₁且uA₂时，则认为没有故障发生；
　　②当min｛μ_A1(u),μ_A2(u)｝≥λ，u∈(A₁⌒A₂)时，则认为发生了放电兼过热故障；
　　③当λ为其它值，u∈A₁或u∈A₂时，则认为发生了放电或过热故障。
　　2)根据择近原则判断变压器铁芯多点接地故障
　　设有一状态B，其隶属函数为μ_B(u_i)；铁芯多点接地故障A，其对应的隶属函数为μ_A(u_i)，状态B中有故障A的可能性则用贴近度n(A,B)描述。n(A,B)愈大，状态B中有故障A的可能性也愈大。当贴近度超过0.5时，则认为存在变压器铁芯多点接地故障，否则认为运行良好。

3　系统分析与设计
3.1　网络体系结构设计
　　为了实现信息快速传递与资源高度共享，必须建立监督信息网络。网络结构如图1所示。系统运行在由福州电业局和高压试验班构成的广域网上，它们之间用电缆线直接联接或通过Modem用电话线相连，油务试验班、变电部和生计科处于电业局局域网内。生计科内部以太网是基于服务器体系结构，高压试验班是基于客户机体系结构，单机既是服务器又是客户机。油务试验班和绝缘专职都是网络客户。选用Windows NT Server 4.0为网络操作系统，网络协议为TCP/IP，网络数据库选用Oracle7.3，客户端开发工具PowerBuilder,操作系统选用Windows95。

图1　系统网络结构图
Fig.1　Network structure of system

3.2　运行模式设计
　　从覆盖范围、安全性、开放性和易扩展性等多方面要求综合考虑，传统的文件管理系统开发模式已远远不能满足需要，因此本系统采用客户/服务器(client/server)模式。在基于客户/服务器结构的电气设备故障诊断系统中，各类关键性数据统一存放于服务器中，在客户机上只有一般的输入、输出以及故障诊断等应用程序。查询、翻阅、存储等操作都是通过客户机上的应用程序发出对服务器的请求来实现的。在这样的结构中，网络上传输的是客户请求和一般结果，而不是以前的整个数据文件，使网络上传输的信息量减少到最小，以改善系统的性能，提高数据处理的效率，使得在数据共享、网络性能、安全性能、数据的完整一致性、数据的并发操作、数据的故障恢复等方面满足企业管理信息系统的需要。
3.3　数据体系结构设计
　　数据库设计时采用集中管理与分布应用相结合的方式，电业局内部采用集中式结构，油务班数据和试验注意值存放于生计科服务器；电业局和高压班采用分布式结构，局部数据局部存取，使用时才向相应的节点申请服务，这样可以有效地减少网络上的数据传输量，减轻服务器压力。因此数据库分为生计科数据库和高压班数据库。
　　 网络上不同用户对数据访问的权限是不同的，根据系统功能需求，系统中的数据按使用情况可分为以下几类：类型1，变电部设备铭牌数据，全局统一为一份数据，只有变电部有权修改，基层试验班组只能调用；类型2，各种电气设备的电气试验数据、充油设备的油中溶解气体分析数据(包括中间计算结果和诊断结论)、油务试验数据，生计科只能查询不能修改；油务班对油务数据具有读写权，对高压班数据只有读的权利，而高压班的数据访问权限正好相反；类型3，试验规程中的试验注意值，绝缘专职可以修改，基层班组只能调用。
　　对于类型1数据，分别在生计科和高压试验班数据库建立对变电部的数据库链(database link)和同义词(synonym)调用数据。对于类型2数据，在生计科和高压试验班数据库中分别建立数据表(table)，数据存放在数据的产生地，生计科数据库建立对高压试验班的数据库链、数据表的快照(snapshot)，绝缘专职对有示警情况的设备和指标进行查询。对于类型3数据，数据存放在生计科的数据库中，高压试验班通过创建视图(view)调用数据。具体表、视图、快照的关系如图2所示。

图2　系统中各数据库对象间的关系
Fig.2　Relationship between database objects in system

4　软件功能与实现
　　系统主要功能包括：调用变电部服务器的设备铭牌数据；完成对各种电气设备的电气试验数据，充油设备的油中溶解气体分析数据，油务试验数据的录入、修改、查询和打印；对试验的重要指标进行监测，当超过注意值时发出示警，还可以用图形方式进行监督；绝缘专职可按设备和指标对有示警情况的设备进行查询；对变压器故障进行自动诊断；试验数据可按不同条件组合打印。
4.1　主控模块
　　主控模块通常称为“主菜单”，它是进入系统的总入口，也是系统和操作人员进入人机会话的界面。系统开始运行时，主控模块展现在用户面前的是系统所具备的各种功能及提示信息。使用者只要按照菜单中的提示进行选择，按主菜单一步一步地选择自己所需要的信息。
　　系统对操作实施密码和权限控制。每个操作员有自己的密码，禁止非操作人员使用该系统，对操作员实施权限控制。操作员分为3类：系统管理员、一般操作员和绝缘专职。由于某些特定操作只能由某类操作员完成，因此系统在判别操作员身份后，会根据操作员的类型屏蔽掉一些不能由该操作员执行的功能菜单。系统管理员可修改各种操作人员的权限。
　　主控模块有6个子模块，它们相互独立，各自可以作为一个系统选择安装，有利于新功能的扩充。
4.2　高压绝缘试验子系统
　　此模块包括变压器、互感器、套管、电容器、避雷器等17种电气设备试验报告，这些报告单的形式很相似，都由不同的绝缘预防性试验构成。每种试验报告都有录入、修改、查询、打印和调用远程数据功能。
4.3　油务试验子系统
　　此模块包括绝缘油气相色谱、绝缘油油质、绝缘油微量水分、SF₆气体湿度4种试验报告以及气相色谱、油质、微量水分、气体湿度4种分析台帐。4种分析台帐主要是把试验报告中的数据按设备分类汇总，并按时间排序，这样有利于对数据进行纵向历史分析，更加直观地反映数据变化趋势。设备的各项试验周期是按照试验规程和前一次的试验值自动划分的，并跟踪设备的绝缘变化。如果试验值与注意值相差很远裕度较大时，则取较长的周期。这样做的目的是为了减轻管理与试验人员的工作量。
4.4　示警子系统
　　当高压试验和油务试验的数据超过《电力设备预防性试验规程》中规定的注意值时，数据的背景颜色则变为红色，以提醒工作人员注意，缩短试验周期并进行跟踪分析。除用上述方式进行监督外，还可以用图形方式更加直观地监测各指标的发展趋势，如各气体含量随时间的变化曲线和T-D(过热-放电)图。绝缘专职还可以通过两种方式进行示警查询：一种是按设备查询，可对变电站、设备类型和设备名称任意组合进行查询；另一种是按指标进行查询，如查看H₂、C₁+C₂(总烃)、介质损耗因数示警情况。
4.5　故障诊断子系统
　　对变压器油中色谱数据的结果进行分析及运用色谱数据进行状态诊断时，系统从数据库中自动取出所需要的数据。此时有两种可能，一是从数据库采集来的是两组数据，二是从数据库采集来的只是一组数据。对于后者，说明数据库只有一次记录(例如新投运的变压器，首次进行油色谱分析的变压器)，此时的诊断系统约定为非跟踪状态，而对前者则约定为跟踪状态。获取数据后，系统便进行一系列计算及诊断。若其中有一项气体含量大于《导则》规定的注意值时，则根据是否处于跟踪状态再分别对待。在非跟踪状态，数据不足，尽管进行故障诊断，仅给出“可能的结论”，并提示近期应进行色谱跟踪分析。若总烃产气率也大于注意值，则用模糊数学两种方法判断故障性质以及调出故障点部位、故障源温度等结论的显示。若总烃产气率未超过注意值，则给出近期还需跟踪提示。诊断流程见图3所示。

图3　故障诊断流程图
Fig.3　Fault diagnosis flow chart

　　当鼠标移到窗口中的某些控件时，会在控件附近自动产生黄底黑字的提示条，以提示注意事项。如对于开放式变压器，当CO含量突然增大并且超过300　ppm时，则给出注意负载、油温的提示；当CO/CO₂的比值超过注意值时也会给出相应的提示等等。当以上两种情况并存时，则会出现“可能存在固体绝缘故障”的提示。
4.6　组合打印子系统
　　高压绝缘试验和油务试验子系统中的打印功能是针对正在编辑的试验报告而言的。在实际工作中，试验人员不可能调出一份打印一份，都是大批量的录完数据后，再进行集中打印。此模块可以按照不同的条件组合进行批量打印。
4.7　系统维护子系统
　　此模块包括高压试验人员维护、油务试验人员维护、示警注意值维护和用户权限管理。不同的操作人员有不同的口令和权限，以保证系统安全性。

5　系统特点
　　本系统作为一种工具，为电业局及基层班组保存电气设备历史资料和评价设备性能提供了一种有效手段。它具有如下特点：
　　(1) 监视信息网络，实现信息及时传递和资源高度共享。
　　(2) 将模糊数学引入故障诊断，对变压器故障性质进行诊断，并给出相应的预防措施及故障源位置、故障点温度等辅助结论。
　　(3) 采用多种方式实现绝缘监视。如重要试验指标超过注意值就示警，用图形方式监视气体变化趋势以及对示警情况进行查询。
　　(4) 整个系统界面清晰美观，操作简单，用户无需太多计算机方面知识，按照屏幕提示就能完成所需进行的全部工作。提供了键盘操作和鼠标驱动两种方式，汉字输入量很少。
　　(5) 采取了多种安全措施，只要页面或窗口有变化，就会弹出对话框提示保存，防止数据丢失。系统保密性强，安全性好。

6　实例分析
　　某变电站110 kV的SFSB₆-31500/110型变压器，1996年11月投入运行，投运一个月后，色谱检测发现总烃为184 ppm(大于部颁《导则》规定值150 ppm)，色谱继续跟踪。1997年8月19日，总烃高达604 ppm，而且乙炔为10 ppm(超过注意值5 ppm)。具体测试数据如表1所示。

表1　故障前后色谱分析数据(单位：ppm)
Tab.1　The values of chromatography analysis(Unit:ppm)

图4　应用本文系统的故障诊断窗口
Fig.4　Window for fault diagnosis

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