1　引言 　　隨著電力系統電壓等級的提高和系統容量的增大，電力系統結構更趨復雜，對電力設備運行的可靠性要求也更高。在惡劣環境和不良工況下，電氣設備的內部絕緣材料常常會加速老化，造成突發性損壞。一旦絕緣損壞就會造成整臺設備退出運行，甚至造成系統大范圍停電，這在現代社會是一種災難。因此，絕緣監視和故障診斷對于保證電氣設備的正常運行具有重要意義，也是供電企業的一項日常工作。 　　以往，設備絕緣狀況的判斷是通過專業人員對試驗數據進行縱向和橫向的比較及分析，并依據相關的規程、導則、標準以及經驗來作出的。由于絕緣監視是一項日常性的工作，人工判斷的工作量非常大，也難以對歷史數據進行全面的考察，而且專家判斷容易受到地理位置、工作強度、外界環境、心理狀態的影響。因此，供電企業對電氣設備絕緣監視和故障診斷系統的需求非常迫切。 　　 隨著計算機和人工智能技術的發展，利用數據庫對試驗數據進行分析和監視、利用模糊技術進行故障診斷已成為可能。為了滿足未來發展需要，筆者結合福州電業局生計科管理信息系統（MIS）工程，開發了電氣設備絕緣監視和故障診斷系統。 　　系統以Windows NT為網絡操作系統，采用了客戶/服務（client/server）結構。數據庫采用Oracle 7.3，客戶端開發工具采用PowerBuilder 5.0。為了保證系統的開放性、可重用性和可維護性，系統采用了面向對象的設計、分析和編程方法。 　　以變壓器故障診斷為例，在檢測油中溶解氣體方法的基礎上引入模糊理論，不僅能對變壓器故障性質進行合理判斷，而且能提出建議和預防措施。 2　模糊理論的引入 　　目前用于電氣設備故障診斷的各種規程中，一般只給出一個判定邊界的描述，難以確切反映故障與表現特征之間的客觀規律。這種“判定邊界的描述”有的以確定的數值形式給出，有的以歧義性很大的語言描述。在用特征氣體法進行變壓器故障診斷時，氣體含量用“高”、“較高”、“主要成分”等含糊字樣描述，具有不確定性。用三比值法判斷時，由于其比值范圍編碼不多，在實際工作中常因查不到比值范圍而無法對故障進行判斷。模糊數學正是對人類模糊思維和模糊語言加以定量分析，尋找適合于計算機仿效人腦進行模糊識別和判別等的數學工具，并具有多因素綜合分析的特點。本文運用閾值原則和擇近原則，判斷變壓器過熱故障、放電故障和鐵芯多點接地故障。其基本思想是： 　　（1） 確定模糊模式　設U為所有變壓器全部故障的集合，u為故障集中任一具體故障。以H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C1+C2（總烴）等相互比值作為參量確定模糊子集。 　　（2） 構造模糊模式的隸屬函數　根據統計試驗結果，模糊子集的隸屬函數近似為正態分布：μ（u）＝e－k（u－a）2，其中k和a可通過分析與試驗經計算得到。計算出隸屬函數值后就能夠用數字表示各參量隸屬于故障樣本的嚴重程度。 　　（3） 對故障進行識別判斷 　　1）根據閾值原則判斷過熱、放電故障 　　設A1為變壓器放電故障，A2為變壓器過熱故障，隸屬函數分別為μA1（u），μA2（u）。根據統計計算結果，規定一個閾值λ∈［0，1］，則 　　①當max｛μA1（u）,μA2（u）｝<λ，uA1且uA2時，則認為沒有故障發生； 　　②當min｛μA1（u）,μA2（u）｝≥λ，u∈（A1⌒A2）時，則認為發生了放電兼過熱故障； 　　③當λ為其它值，u∈A1或u∈A2時，則認為發生了放電或過熱故障。 　　2）根據擇近原則判斷變壓器鐵芯多點接地故障 　　設有一狀態B，其隸屬函數為μB（ui）；鐵芯多點接地故障A，其對應的隸屬函數為μA（ui），狀態B中有故障A的可能性則用貼近度n（A,B）描述。n（A,B）愈大，狀態B中有故障A的可能性也愈大。當貼近度超過0.5時，則認為存在變壓器鐵芯多點接地故障，否則認為運行良好。 3　系統分析與設計 3.1　網絡體系結構設計 　　為了實現信息快速傳遞與資源高度共享，必須建立監督信息網絡。網絡結構如圖1所示。系統運行在由福州電業局和高壓試驗班構成的廣域網上，它們之間用電纜線直接聯接或通過Modem用電話線相連，油務試驗班、變電部和生計科處于電業局局域網內。生計科內部以太網是基于服務器體系結構，高壓試驗班是基于客戶機體系結構，單機既是服務器又是客戶機。油務試驗班和絕緣專職都是網絡客戶。選用Windows NT Server 4.0為網絡操作系統，網絡協議為TCP/IP，網絡數據庫選用Oracle7.3，客戶端開發工具PowerBuilder,操作系統選用Windows95。 3.2　運行模式設計 　　從覆蓋范圍、安全性、開放性和易擴展性等多方面要求綜合考慮，傳統的文件管理系統開發模式已遠遠不能滿足需要，因此本系統采用客戶/服務器（client/server）模式。在基于客戶/服務器結構的電氣設備故障診斷系統中，各類關鍵性數據統一存放于服務器中，在客戶機上只有一般的輸入、輸出以及故障診斷等應用程序。查詢、翻閱、存儲等操作都是通過客戶機上的應用程序發出對服務器的請求來實現的。在這樣的結構中，網絡上傳輸的是客戶請求和一般結果，而不是以前的整個數據文件，使網絡上傳輸的信息量減少到最小，以改善系統的性能，提高數據處理的效率，使得在數據共享、網絡性能、安全性能、數據的完整一致性、數據的并發操作、數據的故障恢復等方面滿足企業管理信息系統的需要。 3.3　數據體系結構設計 　　數據庫設計時采用集中管理與分布應用相結合的方式，電業局內部采用集中式結構，油務班數據和試驗注意值存放于生計科服務器；電業局和高壓班采用分布式結構，局部數據局部存取，使用時才向相應的節點申請服務，這樣可以有效地減少網絡上的數據傳輸量，減輕服務器壓力。因此數據庫分為生計科數據庫和高壓班數據庫。 　　 網絡上不同用戶對數據訪問的權限是不同的，根據系統功能需求，系統中的數據按使用情況可分為以下幾類：類型1，變電部設備銘牌數據，全局統一為一份數據，只有變電部有權修改，基層試驗班組只能調用；類型2，各種電氣設備的電氣試驗數據、充油設備的油中溶解氣體分析數據（包括中間計算結果和診斷結論）、油務試驗數據，生計科只能查詢不能修改；油務班對油務數據具有讀寫權，對高壓班數據只有讀的權利，而高壓班的數據訪問權限正好相反；類型3，試驗規程中的試驗注意值，絕緣專職可以修改，基層班組只能調用。 　　對于類型1數據，分別在生計科和高壓試驗班數據庫建立對變電部的數據庫鏈（database link）和同義詞（synonym）調用數據。對于類型2數據，在生計科和高壓試驗班數據庫中分別建立數據表（table），數據存放在數據的產生地，生計科數據庫建立對高壓試驗班的數據庫鏈、數據表的快照（snapshot），絕緣專職對有示警情況的設備和指標進行查詢。對于類型3數據，數據存放在生計科的數據庫中，高壓試驗班通過創建視圖（view）調用數據。具體表、視圖、快照的關系如圖2所示。 4　軟件功能與實現 　　系統主要功能包括：調用變電部服務器的設備銘牌數據；完成對各種電氣設備的電氣試驗數據，充油設備的油中溶解氣體分析數據，油務試驗數據的錄入、修改、查詢和打印；對試驗的重要指標進行監測，當超過注意值時發出示警，還可以用圖形方式進行監督；絕緣專職可按設備和指標對有示警情況的設備進行查詢；對變壓器故障進行自動診斷；試驗數據可按不同條件組合打印。 4.1　主控模塊 　　主控模塊通常稱為“主菜單”，它是進入系統的總入口，也是系統和操作人員進入人機會話的界面。系統開始運行時，主控模塊展現在用戶面前的是系統所具備的各種功能及提示信息。使用者只要按照菜單中的提示進行選擇，按主菜單一步一步地選擇自己所需要的信息。 　　系統對操作實施密碼和權限控制。每個操作員有自己的密碼，禁止非操作人員使用該系統，對操作員實施權限控制。操作員分為3類：系統管理員、一般操作員和絕緣專職。由于某些特定操作只能由某類操作員完成，因此系統在判別操作員身份后，會根據操作員的類型屏蔽掉一些不能由該操作員執行的功能菜單。系統管理員可修改各種操作人員的權限。 　　主控模塊有6個子模塊，它們相互獨立，各自可以作為一個系統選擇安裝，有利于新功能的擴充。 4.2　高壓絕緣試驗子系統 　　此模塊包括變壓器、互感器、套管、電容器、避雷器等17種電氣設備試驗報告，這些報告單的形式很相似，都由不同的絕緣預防性試驗構成。每種試驗報告都有錄入、修改、查詢、打印和調用遠程數據功能。 4.3　油務試驗子系統 　　此模塊包括絕緣油氣相色譜、絕緣油油質、絕緣油微量水分、SF6氣體濕度4種試驗報告以及氣相色譜、油質、微量水分、氣體濕度4種分析臺帳。4種分析臺帳主要是把試驗報告中的數據按設備分類匯總，并按時間排序，這樣有利于對數據進行縱向歷史分析，更加直觀地反映數據變化趨勢。設備的各項試驗周期是按照試驗規程和前一次的試驗值自動劃分的，并跟蹤設備的絕緣變化。如果試驗值與注意值相差很遠裕度較大時，則取較長的周期。這樣做的目的是為了減輕管理與試驗人員的工作量。 4.4　示警子系統 　　當高壓試驗和油務試驗的數據超過《電力設備預防性試驗規程》中規定的注意值時，數據的背景顏色則變為紅色，以提醒工作人員注意，縮短試驗周期并進行跟蹤分析。除用上述方式進行監督外，還可以用圖形方式更加直觀地監測各指標的發展趨勢，如各氣體含量隨時間的變化曲線和T-D（過熱-放電）圖。絕緣專職還可以通過兩種方式進行示警查詢：一種是按設備查詢，可對變電站、設備類型和設備名稱任意組合進行查詢；另一種是按指標進行查詢，如查看H2、C1+C2（總烴）、介質損耗因數示警情況。 4.5　故障診斷子系統 　　對變壓器油中色譜數據的結果進行分析及運用色譜數據進行狀態診斷時，系統從數據庫中自動取出所需要的數據。此時有兩種可能，一是從數據庫采集來的是兩組數據，二是從數據庫采集來的只是一組數據。對于后者，說明數據庫只有一次記錄（例如新投運的變壓器，首次進行油色譜分析的變壓器），此時的診斷系統約定為非跟蹤狀態，而對前者則約定為跟蹤狀態。獲取數據后，系統便進行一系列計算及診斷。若其中有一項氣體含量大于《導則》規定的注意值時，則根據是否處于跟蹤狀態再分別對待。在非跟蹤狀態，數據不足，盡管進行故障診斷，僅給出“可能的結論”，并提示近期應進行色譜跟蹤分析。若總烴產氣率也大于注意值，則用模糊數學兩種方法判斷故障性質以及調出故障點部位、故障源溫度等結論的顯示。若總烴產氣率未超過注意值，則給出近期還需跟蹤提示。診斷流程見圖3所示。 　　當鼠標移到窗口中的某些控件時，會在控件附近自動產生黃底黑字的提示條，以提示注意事項。如對于開放式變壓器，當CO含量突然增大并且超過300　ppm時，則給出注意負載、油溫的提示；當CO/CO2的比值超過注意值時也會給出相應的提示等等。當以上兩種情況并存時，則會出現“可能存在固體絕緣故障”的提示。 4.6　組合打印子系統 　　高壓絕緣試驗和油務試驗子系統中的打印功能是針對正在編輯的試驗報告而言的。在實際工作中，試驗人員不可能調出一份打印一份，都是大批量的錄完數據后，再進行集中打印。此模塊可以按照不同的條件組合進行批量打印。 4.7　系統維護子系統 　　此模塊包括高壓試驗人員維護、油務試驗人員維護、示警注意值維護和用戶權限管理。不同的操作人員有不同的口令和權限，以保證系統安全性。 5　系統特點 　　本系統作為一種工具，為電業局及基層班組保存電氣設備歷史資料和評價設備性能提供了一種有效手段。它具有如下特點： 　　（1） 監視信息網絡，實現信息及時傳遞和資源高度共享。 　　（2） 將模糊數學引入故障診斷，對變壓器故障性質進行診斷，并給出相應的預防措施及故障源位置、故障點溫度等輔助結論。 　　（3） 采用多種方式實現絕緣監視。如重要試驗指標超過注意值就示警，用圖形方式監視氣體變化趨勢以及對示警情況進行查詢。 　　（4） 整個系統界面清晰美觀，操作簡單，用戶無需太多計算機方面知識，按照屏幕提示就能完成所需進行的全部工作。提供了鍵盤操作和鼠標驅動兩種方式，漢字輸入量很少。 　　（5） 采取了多種安全措施，只要頁面或窗口有變化，就會彈出對話框提示保存，防止數據丟失。系統保密性強，安全性好。 6　實例分析 　　某變電站110 kV的SFSB6-31500/110型變壓器，1996年11月投入運行，投運一個月后，色譜檢測發現總烴為184 ppm（大于部頒《導則》規定值150 ppm），色譜繼續跟蹤。1997年8月19日，總烴高達604 ppm，而且乙炔為10 ppm（超過注意值5 ppm）。具體測試數據如表1所示。 　　為了查明原因，消除事故隱患，1997年10月14日該變壓器停運。經試驗，多項電氣試驗項目正常。但吊芯檢查時將上接地小套管聯接片解開后鐵芯仍有接地，后用電容儲能放電法沖擊，發現變壓器下鐵軛與箱底間有根鐵絲和大量金屬屑，造成多點接地而引起過熱。經處理后投運，每次色譜分析均正常。 　　應用本系統對“1997-08-19”色譜數據進行分析，診斷結果（見圖4）與試驗檢查結果相一致，驗證了本系統的準確性和實用性。 7　結束語 　　本文系統不僅能及時、快速地傳遞數據，實現數據共享，消除數據冗余，而且提高了數據的準確性，保證了數據的一致性和安全性。它改變了原來的管理模式，大大減輕了試驗人員和絕緣專職的工作量，提高了辦公效率和工作質量，并通過示警系統和故障診斷系統的綜合分析，為試驗人員采取相應措施提供了依據，保證電氣設備的安全運行。特別是在故障診斷方面，通過對幾個單位的變壓器潛伏性故障的及時、準確的分析診斷，為企業帶來了一定的經濟效益和社會效益，同時也驗證了本系統的準確性和實用性。該系統的應用使得絕緣監視管理工作更趨于科學化、現代化。