一、研究背景

電力變壓器作為電力系統(tǒng)的安全關(guān)鍵設(shè)備，也是最為昂貴、復(fù)雜的設(shè)備之一。目前國(guó)家電網(wǎng)公司在運(yùn)的110kV（66kV）及以上電壓等級(jí)變壓器數(shù)量已達(dá)3萬(wàn)余臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)3.4TVA。由于電力變壓器處于電網(wǎng)的中心位置，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，且時(shí)常遭受各種不良運(yùn)行工況的沖擊，一旦發(fā)生故障，極有可能造成突發(fā)大面積停電，甚至引起爆炸、火災(zāi)等事故，帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元人民幣。因此，攻克電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的健康管理和故障預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提升其預(yù)防和應(yīng)對(duì)故障的能力、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

目前對(duì)于電力變壓器常用的研究方法大多基于某一因素或某幾個(gè)因素做出判斷，并未綜合考慮變壓器的全面狀態(tài)信息，加之測(cè)試手段的局限性、知識(shí)的不精確性等原因，導(dǎo)致所獲取的信息具有模糊性、隨機(jī)性等特征，其診斷結(jié)果的精確性和時(shí)效性遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用要求。

故障預(yù)測(cè)與健康管理(PrognosticandHealthManagement,PHM)是一種利用先進(jìn)傳感器技術(shù)，并借助各種算法和智能模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測(cè)和管理的理論與技術(shù)體系，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以解決故障后修復(fù)和定期維護(hù)方式造成的“維護(hù)不足”或“維護(hù)過(guò)剩”等問(wèn)題，進(jìn)而逐步被狀態(tài)維護(hù)或預(yù)測(cè)維護(hù)所取代。PHM已在航空、電子、機(jī)械等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。然而，針對(duì)電力變壓器的PHM方法還不太完善，主要體現(xiàn)在：①變壓器的健康監(jiān)測(cè)大部分關(guān)注化學(xué)和電故障，很少關(guān)注機(jī)械故障；②變壓器的油、氣和溫度被廣泛用于健康監(jiān)測(cè)和診斷，相比較而言，振動(dòng)信號(hào)很少被用到；③對(duì)于變壓器PHM的研究目前僅處于監(jiān)測(cè)和診斷階段，對(duì)于故障預(yù)測(cè)和剩余壽命(RUL)預(yù)測(cè)的研究還很少。

二、電力變壓器故障的復(fù)雜性分析

從目前電力系統(tǒng)運(yùn)行的歷史統(tǒng)計(jì)記錄來(lái)看，電力變壓器外部短路、絕緣受潮、分接開關(guān)觸頭接觸不良等故障出現(xiàn)次數(shù)最多，故障頻發(fā)部位的次序大致為繞組、鐵芯、分接開關(guān)、套管、絕緣油、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置、測(cè)試系統(tǒng)、油箱。此外，電力變壓器在運(yùn)行中會(huì)受到來(lái)自“電-磁-力-熱”等多種內(nèi)、外應(yīng)力的綜合作用，進(jìn)而破壞變壓器的絕緣性能，導(dǎo)致產(chǎn)生缺陷甚至故障，如圖1所示。

圖1影響電力變壓器正常運(yùn)行的主要因素

因此，單一使用傳統(tǒng)的物理建模方法對(duì)于大型電力變壓器來(lái)說(shuō)已顯得力不從心。通過(guò)綜合運(yùn)用現(xiàn)代電氣科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)以及成熟的系統(tǒng)科學(xué)方法，有望為電力變壓器健康狀況的分析和管理提供切實(shí)可行的方案和解決途徑。

三、電力變壓器PHM的內(nèi)涵及趨勢(shì)分析

PHM方法目前主要分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法、模型驅(qū)動(dòng)方法以及混合方法。更進(jìn)一步的，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法又有統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)兩種；模型驅(qū)動(dòng)方法又有失效物理分析和系統(tǒng)模型方法。目前針對(duì)電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)形式與規(guī)模比以往有了較大增長(zhǎng)。例如，實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、缺陷信息、檢修歷史、家族質(zhì)量史等信息并存。得益于先進(jìn)的信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)處理方法，在電力變壓器的管理、維護(hù)領(lǐng)域開展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的PHM過(guò)程具有切實(shí)可行的操作性。

一般情況下，PHM涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、決策支持以及系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用7個(gè)層次，可實(shí)現(xiàn)由故障機(jī)理到剩余壽命的關(guān)聯(lián)，這與電力變壓器的健康管理周期基本吻合。圖2初步定義了電力變壓器的PHM周期。

圖2電力變壓器PHM周期

3.1健康監(jiān)測(cè)

目前，電力變壓器評(píng)估、診斷與預(yù)測(cè)的相關(guān)研究多是基于DGA數(shù)據(jù)，但基于DGA數(shù)據(jù)的理論研究成果在實(shí)際應(yīng)用中仍具有一定的局限性。振動(dòng)信號(hào)分析法與整個(gè)電力系統(tǒng)無(wú)電氣連接，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行無(wú)任何影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和靈敏度，因此，近幾年基于振動(dòng)數(shù)據(jù)的變壓器PHM方法受到廣泛關(guān)注，該方法通過(guò)實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)反映變壓器內(nèi)部的相關(guān)狀態(tài)信息。另外，從圖像識(shí)別的角度對(duì)電力變壓器進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，也具有一定的借鑒意義。

3.2特征提取與故障診斷

健康因子(HealthIndex,HI)在表征變壓器健康狀態(tài)和退化程度中占有重要地位，構(gòu)建HI的關(guān)鍵在于相關(guān)特征的提取、選擇和融合。目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T722-2000-《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》推薦的改良三比值法在實(shí)際應(yīng)用中暴露出缺編碼、編碼界限過(guò)于絕對(duì)等缺陷。因此，一些智能化診斷算法被提出。例如，模糊理論、支持向量機(jī)、粗糙集、灰色理論、深度學(xué)習(xí)等。為此，未來(lái)的變壓器故障診斷將是以完備數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、多算法融合的深度診斷。

3.3故障預(yù)測(cè)

目前的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，與預(yù)測(cè)相關(guān)的研究高度依賴于與診斷相關(guān)的研究。這是因?yàn)樵\斷包括識(shí)別和量化已發(fā)生的故障(本質(zhì)是回顧性的)，而預(yù)測(cè)是盡可能預(yù)測(cè)尚未發(fā)生的故障，預(yù)測(cè)必須依賴于診斷的輸出(如故障指標(biāo)、退化率等)，兩者不能孤立進(jìn)行。準(zhǔn)確做出剩余壽命預(yù)測(cè)是PHM的核心和基礎(chǔ)，也是正確決策的關(guān)鍵和前提。然而，現(xiàn)有的壽命預(yù)測(cè)多是基于英國(guó)EATechnology的電力設(shè)備健康狀況老化公式：

式中，DHI是健康指數(shù)，B是老化系數(shù)。

該理論雖然可計(jì)算出剩余壽命的大概取值，但取值過(guò)于絕對(duì)。因此，如何構(gòu)造電力變壓器剩余壽命的概率密度分布函數(shù)，求得概率分布區(qū)間，也是未來(lái)的難點(diǎn)問(wèn)題。

四、有待深入研究的問(wèn)題

目前，電力變壓器的PHM研究還處于初步階段，尤其是在大型電力變壓器的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域，筆者認(rèn)為目前還有如下一些問(wèn)題需要引起關(guān)注：

4.1電力變壓器大數(shù)據(jù)

隨著先進(jìn)傳感設(shè)備在變壓器表面和內(nèi)部的大量部署，變壓器檢測(cè)技術(shù)趨向于智能化。其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多元、異構(gòu)的大數(shù)據(jù)特征，圖3用數(shù)據(jù)立方體的形式展示了電力變壓器大數(shù)據(jù)的多維特性。針對(duì)電力變壓器的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、并行處理、挖掘技術(shù)將是未來(lái)開展變壓器精細(xì)化管理研究的方向。

圖3電力變壓器故障數(shù)據(jù)多維立體展示

4.2數(shù)據(jù)質(zhì)量提升

目前，電網(wǎng)公司已積累了大量電力變壓器狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行工況、停電試驗(yàn)、帶電測(cè)試、在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行檢修、故障缺陷、環(huán)境氣象以及設(shè)計(jì)圖紙等，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式各異、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。在智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)背景下，需要深入開展電力變壓器故障特征數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)冗雜數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選、剔除、轉(zhuǎn)換等預(yù)處理操作。提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要手段就是針對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化模型表示與多元多尺度數(shù)據(jù)的融合。

4.3多源數(shù)據(jù)的不確定性問(wèn)題

電力變壓器具有明顯的不確定性，如傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性、退化狀態(tài)的不確定性、變壓器本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、運(yùn)行工況的不確定性、健康狀態(tài)評(píng)判的模糊性等。這些因素均會(huì)導(dǎo)致變壓器PHM的準(zhǔn)確度降低。因此，針對(duì)以上問(wèn)題，具備不確定性管理能力的PHM方法將成為研究的突破口。

4.4長(zhǎng)壽命周期數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題

對(duì)于新服役的電力變壓器，我們無(wú)法觀察并獲取大量的故障數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，在這種情況下，數(shù)據(jù)量和完整性無(wú)法適應(yīng)完整統(tǒng)計(jì)模型以及深度學(xué)習(xí)所需要的大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本要求。因此，在現(xiàn)有基于少量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的診斷方法基礎(chǔ)上，仍需對(duì)電力變壓器故障機(jī)理進(jìn)行深度分析，同時(shí)結(jié)合物理模型以及專家經(jīng)驗(yàn)，來(lái)對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行糾正和補(bǔ)充，進(jìn)而使得因果分析與統(tǒng)計(jì)分析互為作用。

4.5在線技術(shù)

傳統(tǒng)不定期的老化實(shí)驗(yàn)在保障電力變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行中扮演了重要角色，然而其局限性也越來(lái)越突出。為了能夠捕捉電力變壓器運(yùn)行過(guò)程中形成故障或缺陷的早期特征參數(shù)，需要通過(guò)信息手段對(duì)這些特征參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析診斷，找出相互關(guān)系，才能對(duì)電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)做出實(shí)時(shí)評(píng)定。因此，研發(fā)具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化以及信息互動(dòng)化的智能變壓器是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)硬件保障。與此同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也是在線技術(shù)中需要解決的核心問(wèn)題之一。

4.6深度故障診斷

電力變壓器PHM所要求的深度診斷是既要定位故障的具體發(fā)生部位，也要識(shí)別故障發(fā)生的根本原因。當(dāng)然，現(xiàn)有的故障分類可能被普適的分類規(guī)則所局限，在今后的研究中，可以嘗試將訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本以更多可能的方式進(jìn)行劃分，以期獲取到更深層次的故障診斷結(jié)論。

4.7其他

1）環(huán)境因素

環(huán)境因素往往影響著電力變壓器的智能檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器受到周圍溫度、振動(dòng)、粉塵、腐蝕性氣體、雷擊等環(huán)境條件的影響，其性能可能會(huì)發(fā)生一定變化，為此，變壓器日常巡檢過(guò)程中，除了變壓器本身檢測(cè)外還要根據(jù)周圍環(huán)境的不同做一些特殊的檢查和處理，以此來(lái)保證變壓器的可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)其剩余壽命。

2）新工藝新技術(shù)

電力變壓器正朝著大型化、高可靠型、高智能型、高節(jié)能型以及高環(huán)保型的方向發(fā)展。具有自診斷能力的智能變壓器是當(dāng)前變壓器產(chǎn)業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)，它較以往的變壓器最大的不同之處是配備了更多的電子器件、智能傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，繼而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵狀態(tài)參量的監(jiān)測(cè)、控制與數(shù)據(jù)共享等。然而，智能變壓器中的電力電子器件的可靠性問(wèn)題，也同樣需要深入分析。

五、結(jié)語(yǔ)

目前，電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)獲取方式已經(jīng)比較完備，大數(shù)據(jù)架構(gòu)也已初具規(guī)模，但當(dāng)前的行業(yè)技術(shù)還不能完全滿足電力設(shè)備的“五性”(可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性)需求和降低壽命周期費(fèi)用的需要，這正是實(shí)施PHM技術(shù)需要解決的問(wèn)題。本文即是在此背景下，對(duì)裝備保障領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和電力設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的發(fā)展需求做了分析探討，以期為電力變壓器基于狀態(tài)的維護(hù)提供可借鑒的方法體系，我們也將持續(xù)關(guān)注電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估與預(yù)測(cè)管理中的新方法，并希望能夠?yàn)殡娏I(yè)的健康發(fā)展提供一種可借鑒的思路，這既具有時(shí)代緊迫感，也是提升電力行業(yè)服務(wù)質(zhì)量與水平的良好契機(jī)。