基于专家系统的变压器故障可视化诊断

基于专家系统的变压器故障可视化诊断摘要：为克服传统变压器故障诊断的局限性，将可视化技术和信息融合技术应用于变压器故障诊断专家系统。该系统采用基于实例知识和基于规则知识的混合式推理机制，运用面向对象的编程设计语言VisualC#和GDI+图形控件来完成显示程序和制作数据监视的人机界面，从而达到实时在线监测和故障诊断的功能。关键字：智能变压器；专家系统；可视化;三比值法；ApplicationofVisualizationinTransformerFaultDiagnosisBasedonExpertSystemAbstract:InordertomakeDGAtechnologiesplayamoreimportantroleintransformerfaultdiagnosis,avisualizationtechnologyisintegratedwithInformationfusiontechnologyforpowertransformerinsulationfault,whichisbasedonIECthreeratiomethod.Theexpertsystembasesonexamplesbasedonrulesofknowledgeandknowledgehybridreasoningmechanism,adoptstheobject-orientedprogrammingdesignlanguageC#andGDI+ActiveXControltocompletetheshowprogramandproductiondatamonitoringofman-machineinterface,soastoachievethereal-timeonlinemonitoringandfaultdiagnosisofthefunction.Keywords:Intelligenttransformer；Expertsystem;visualization;threeratiomethod;1引言在电力系统中变压器被视为电网的“心脏”，保证变压器正常运行是电网的重要工作之一,对于电能经济传输和灵活调配具有十分重要的作用[1]。智能变压器在线监测系统是从电力行业变电站管理的现状和电力变压器可靠性要求日益提高的实际情况和国家建设智能电网要求出发。对变压器绝缘油中的溶解气体含量进行在线监测分析，是发现、诊断变压器内部潜在性故障的有效方法[2]。为保障变压器的安全运行，依据以往的研究成果，对变压器故障领域知识进行分析、总结和完善，并结合专家系统技术，构建变压器故障诊断专家系统。2变压器故障诊断专家系统故障诊断专家系统负责故障信息的管理，并协调其他相关机制完成相应任务，其功能包括：(1)根据知识库对特征气体进行分析，推断故障种类、性质、原因和位置，制定解决方案;（2）自身知识库和数据库更新完善，实现数据库的存储、查看、增减、修改等功能;（3）具有历史查询和报表输出功能，方便用户了解设备运行状况。按照专家系统的基本功能，在上位机上构建专家系统，其整体结构如图1所示：人机交互界面气体采集单元实例知识库规则知识库知识库维护基于实例的推理三比值法模糊数学特征气体大卫三角法基于规则的推理特征气体数据中间数据原始数据数据库维护图1故障诊断专家系统结构图Fig.1Structureoffaultdiagnosisexpertsystem2.1数据库模块变压器故障诊断专家系统采用SQLSever2005构造数据库,数据库中存放变压器综合信息、常规电气试验数据、油中溶解气体原始数据和以规则形式存在的知识库，以及在推理过程中得到的各种中间数据，用户通过ADO应用程序接口访问数据库中的数据。2.2推理模块推理是根据一定的原理(如规则)从已知的事实(或判断)中推导出新的事实(或新的判断)的过程[3]。为真实准确的得出诊断结果，系统采用基于实例和基于规则的混合推理机制，前者在处理新问题时，其推理效率不高，而后者在求解小规模的新的问题时，效率较高，将两者有机结合起来能够相互补充逐步完善，提高诊断的准确率和效率。诊断推理是指依据一定的原则从已有的征兆事实推出诊断对象存在的故障过程[4]。系统从基于实例的推理开始的，如果在某一个诊断状态下，当现有的经验知识不足以确定故障源时，便自动转换到基于规则的推理，当基于规则的推理结束时，系统便自动返回基于实例的推理。在基于规则的推理过程中采用正向推理方法，结合特征气体法、IEC三比值法和大卫三角法，对变压器进行故障诊断。由于变压器内部在不同故障下产生的气体有不同的特征，因此可以根据特征气体的含量及变化量进行初步的判断，然后再应用IEC三比值法和大卫三角法进一步判断设备故障部位，并给出解决方案。由于IEC三比值法的气体区间在分界点处的编码具有不确定性，因此利用模糊数学方法构造编码隶属度函数来刻画边界点的模糊区间,以更准确全面地反映故障信息[5]。2.3知识库模块变压器故障诊断专家系统将先前所有出现的故障、可能出现的故障现象、产生故障的原因、判断故障的方法及相关标准、规则和专家经验，尽可能地收集归纳，形成规则并存入到知识库中。为使构造出的专家系统能够尽量接近领域专家在自己工作和思维过程中采用的形式，首先对系统诊断知识进行分析[6]，并将他们分为实例知识和规则知识两大类。1）实例知识数据库变压器故障诊断专家系统将早先变压器设备出现过的故障按照热性故障、电性故障和受潮分成三类建立故障数据库，作为实例知识数据库。其中包括故障发生的事件、故障部位、表现形式、原因和处理方案等，如表1所示：表1故障实例数据表表结构Tab.1Thestructureofdatatableforfaultexamples字段名说明数据类型是否主键Case_ID故障实例的ID号intNFaultPart设备在结构上故障的部位varchar(40)NSymptom故障现象及具体表现varchar(40)NCause以往诊断出的故障原因varchar(40)NRepair以往成功的维修方案varchar(40)NMemo备注信息，记录这条实例的发生时间，处理人员的附加信息varchar(40)N2)规则知识数据库规则知识数据库中可以存放相关国家标准、规则和推理算法等，系统将变压器油中溶解气体的含量和变化速率作为测试知识，在规则知识库中寻找与其条件相匹配的知识，从而判断设备是否存在潜在性故障。例如，油中溶解气体的含量和产气率数据表，其数据表中H2部分如表2所示：表2氢气含量数据表结构Tab.2ThestructureofdatatableforH2字段号说明数据类型是否主键H2_IDH2的ID号Numeric(10,3)NH2_Caution氢气含量注意值Numeric(10,3)NH2_Caution_ChangeRate氢气变化量注意值Numeric(10,3)NH2_Alarm氢气警戒值Numeric(10,3)NH2_Alarm_ChangeRate氢气变化量警戒值Numeric(10,3)N2.4人机交互界面人机交互界面用于专家系统和用户之间的交互作用，负责把用户熟悉的自然语言、表格和图形等信息表示手段转换成内部表示形式，再交给各相应的组成部分去处理。专家系统输出的信息也用人机接口转换成用户能理解的形式，并显示给用户。该专家系统采用了可视化面向对象的设计方式和客户机/服务器（C/S）的架构体系，使系统具有良好的扩展性和重用性。可视化故障诊断就是通过图元和图素来模拟专家形象思维的故障诊断过程，通过对数据进行可视化处理,将数字信息转化为有几何特征的图形图像信息,更迅速准确地发掘数据中蕴涵的信息[7]。系统利用面向对象的编程语言VisualC#和GDI+图形控件来完成显示程序和制作数据监视的人机交互界面，达到实时准确在线监测和故障诊断的目的。其功能包括（1）设置报警参数,如图2所示；（2）掌握特征气体含量和变化的趋势，根据特征气体判断潜在故障；（3）三比值诊断的可视化显示，如图3所示；(4)实现了变压器故障诊断二维的可视化输出（大卫三角）,如图4所示；（5）对历史数据的查询以及报表的生成。图2变压器油色谱在线监测报警值界面Fig.2Theinterfaceofalarmvalueinon-linemonitoringanddiagnosissystemfortransformer图3IEC三比值法Fig.3IECthree-ratiomethod图4大卫三角法Fig.4Davidtrianglemethod3专家系统诊断流程特征气体数据进入故障诊断专家系统，经过知识推理，得出诊断结论。同时，系统本身具有不断完善故障库和自动更新知识库的功能，因此可以通过简单的故障库扫描来快捷地处理一些重复发生的故障。系统诊断流程如图5所示：诊断开始数据读入进入专家系统故障诊断系统得出诊断结论查看系统结论库中存在？解释机制在用户界面显示将结论与系统故障库比对故障是否存在？告知用户故障正确生成故障样本，并录入故障库自动更新知识库自动更新结论库诊断结束诊断结束NYYN图5变压器故障诊断专家系统推理诊断流程Fig.5Flowchartoffaultdiagnosisinexpertsystem4小结为了对变压器潜在的绝缘故障进行正确诊断并确定故障的大致部位，围绕绝缘油中溶解气体分析的数据，采用模糊数学、三比值法和大卫三角的方法及可视化技术，构建基于信息融合的变压器故障诊断专家系统。它提高了诊断分析的有效性，使检查周期和测试项目更合理、更具针对性，极大地提高变压器的运行可靠性及利用率，延长了变压器的使用寿命。参考文献：[1]朱华，刘佳，李德志，赵亚军，郭向红.气相色谱分析技术应用于大型电力变压器故障诊断中的实例.河南电力,2009.[2]操敦奎.变压器油中气体分析诊断与故障检查[M].北京：中国电力出版社，2005.[3]赵瑞清，王晖，邱涤虹.知识表示与推理.气象出版社，1991，3.[4]王铭阳，等.基于范例推理的专家系统ICMLX.计算机学报，1991，20(2)，105-110.[5]吴吉平,吴运新,隆志力.基于模糊数学的故障诊断专家系统的设计和实现[J].包装工程,2003,24(2):49-52.[6]何新贵.知识处理与专家系统.国防工业出版社，1990，2.[7]赵林度,盛昭瀚.可视化故障诊断方法的研究[J].汽轮机术,2000,42(4)，197-201.