一、研究背景

　　變壓器" title="電力變壓器" target="_blank">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。目前國家電網(wǎng)公司在運(yùn)的110kV（66kV）及以上電壓等級變壓器數(shù)量已達(dá)3萬余臺(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)，對提升其預(yù)防和應(yīng)對故障的能力、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實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測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)過剩”等問題，進(jìn)而逐步被狀態(tài)維護(hù)或預(yù)測維護(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)測和診斷，相比較而言，振動(dòng)信號很少被用到；③對于變壓器PHM的研究目前僅處于監(jiān)測和診斷階段，對于故障預(yù)測和剩余壽命(RUL)預(yù)測的研究還很少。

　　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、測試系統(tǒng)、油箱。此外，電力變壓器在運(yùn)行中會(huì)受到來自“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)的物理建模方法對于大型電力變壓器來說已顯得力不從心。通過綜合運(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。目前針對電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)形式與規(guī)模比以往有了較大增長。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)評估、故障診斷、故障預(yù)測、決策支持以及系統(tǒng)級應(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

　　目前，電力變壓器評估、診斷與預(yù)測的相關(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)信號分析法與整個(gè)電力系統(tǒng)無電氣連接，對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行無任何影響，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)別的角度對電力變壓器進(jìn)行健康監(jiān)測，也具有一定的借鑒意義。