Анализ нечетких признаков неисправности трансформаторного оборудования
Автор: Манусов Вадим Зиновьевич, Коваленко Дмитрий Иванович, Дмитриев Степан Александрович, Ерошенко Станислав Андреевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электромеханические системы
Статья в выпуске: 1 т.13, 2013 года.
Бесплатный доступ
В статье показаны возможности анализа нечеткой и неопределенной информации о неисправности трансформаторного оборудования для повышения достоверности определения эксплуатационных показателей функционирования объектов электрической сети. Такой анализ проводится на основе экспертных оценок и диагностируемых признаков неисправности электротехнического оборудования, характеризующих работоспособное состояние оборудования. В настоящей работе предлагается использование математического аппарата, разработанного на основе синтеза нечётких лингвистических определений и количественных характеристик диагностируемого оборудования. Представленный подход реализуется путем парных сравнений с использованием фундаментальной шкалы Саати, позволяющей выявить наиболее существенные признаки неисправности. Достоверность положений представленной методики подтверждается соответствующими расчётными результатами, демонстрирующими адекватное поведение модели применительно к трансформаторному оборудованию. Сделаны выводы о возможных причинах возникновения неисправностей, а также о возможности применения разработанной технологии в системах поддержки принятия решений.
Диагностика оборудования, системы принятия решений, нечёткая логика, шкала саати
Короткий адрес: https://sciup.org/147158211
IDR: 147158211
Текст научной статьи Анализ нечетких признаков неисправности трансформаторного оборудования
Транспорт электроэнергии до потребителя включает в себя несколько этапов, а именно: изменение величины напряжения электроэнергии, получаемой с шин электрической станции, до уровня, удовлетворяющего критериям экономической целесообразности; передачу электроэнергии по сетям электроэнергетической системы к центрам потребления; преобразование величины напряжения до уровня номинального напряжения электрических приемников.
Изменение величины напряжения передаваемой электрической энергии необходимо для снижения потерь и увеличения количества передаваемой энергии по сетям электроэнергетических систем и систем электроснабжения. Кроме того, в ряде случаев требуется применение устройств компенсации реактивной мощности, необходимых для регулирования напряжения в сети, повышения статической и динамической устойчивости, а также для ограничения коммутационных перенапряжений. Известно, что силовые трансформаторы могут преобразовать величину напряжения, а шунтирующие реакторы применяются в качестве устройств компенсации реактивной мощности. Задачи силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов различны, но конструкция и виды неисправностей, встречающихся как на трансформаторах, так и на реакторах, позволяет нам объединить их под одним термином «трансформаторное оборудование». Данный термин объединяет силовые трансформаторы и масляные шунтирующие реакторы, конструкция которых схожа? и в разрезе интересующей нас диагностики эти устройства имеют одинаковые дефекты и признаки неисправностей.
Общие положения
Диагностика – комплекс средств и методов, призванных определить техническое состояние электрооборудования. Введем термин «оперативная диагностика», под которым понимается получение информации с находящегося в работе трансформаторного оборудования на относительно коротких промежутках времени и анализ данных для получения определенного вывода о техническом состоянии оборудования. Такая диагностика может производиться после осмотра электрооборудования и выявления признаков неисправности. Признаков может быть множество, но приведем лишь некоторые из них, на практике встречающиеся довольно часто:
P 1 – перегрев трансформаторного оборудования;
P 2 – повышенная вибрация и шум трансформаторного оборудования;
P 3 – высокий ток утечки через изоляцию высоковольтного ввода;
P 4 – увлажнение трансформаторного масла.
Основными предпосылками или причинами указанных неисправностей могут быть:
G 1 – высокая температура окружающей среды;
G 2 – неисправность системы охлаждения трансформаторного оборудования;
G 3 – перегрузка по току;
G 4 – пожар стали магнитопровода;
G 5 – несимметричность нагрузки по фазам;
G 6 – повреждение внутри бака трансформатора или реактора;
-
G 7 – ухудшение изоляционных характеристик ввода;
-
G 8 – атмосферные осадки.
Стоит заметить, что, как правило, повреждение, вызывающее глубокое изменение в работе трансформатора или реактора (короткое замыкание, интенсивное газовыделение), ликвидируется релейной защитой и в данном случае не рассматривается. Но есть развивающиеся дефекты, которые не вызывают каких-либо серьезных отклонений в краткосрочной перспективе и потому располагают временем для их распознавания и принятия соответствующих мер.
Предположим, что имеются все четыре признака неисправности. Каким образом можно выделить наиболее важные, а в стороне оставить менее значительные признаки?
Стоит отметить, что человеку свойственно оперировать лингвистическими определениями, а затем, при необходимости, переводить эту информацию в цифровое поле, если при этом существует шкала измерений, которая может установить связь между нечеткой лингвистической информацией и четкой цифровой. Так, специалист обслуживающий электротехническое оборудование, не может четко определить, насколько уровень шума и вибрации превосходит значения, которые считаются критическими. Он может сказать, что уровень вибрации «очень высокий», либо «сегодня уровень шума намного больше». Возникает несколько важных вопросов, а именно: каким образом определить момент, когда за оборудованием необходим более внимательный контроль; как определить степень признака неисправности, то есть насколько данный признак превосходит тот уровень, ниже которого находятся нечеткие признаки исправного оборудования; в чем первопричина неисправности.
Понятие нечеткого множества – это попытка формализации лингвистической информации для построения математических моделей. В основе этого лежит представление о том, что составляющие данное множество элементы, обладающие общим свойством, могут обладать им в различной степени и, следовательно, принадлежать к этому множеству с различной степенью. Лингвистическая переменная – это переменная, значениями которой могут быть слова или словосочетания [1]. Ежедневно мы принимаем решения на основе лингвистической информации типа: «очень высокая температура»; «утомительная поездка» и прочее. Эта информация не несет в себе точных определений, поэтому она является нечеткой.
Диагностическая модель трансформаторного оборудования
Разобраться в предыдущих вопросах поможет шкала парных сравнений, опыт и знания экспертов, а также лингвистическая информация о текущем состоянии трансформаторного оборудования.
Сравним эти признаки по фундаментальной шкале Саати [2], которая имеет девять степеней предпочтения:
-
1 степень – равная предпочтительность;
-
2 степень – слабая степень предпочтения;
-
3 степень – средняя степень предпочтения;
-
4 степень – предпочтение выше среднего;
-
5 степень – умеренно сильное предпочтение;
-
6 степень – сильное предпочтение;
-
7 степень – очень сильное (очевидное) предпочтение;
-
8 степень – очень, очень сильное предпочтение;
-
9 степень – абсолютное предпочтение.
Если признак A имеет умеренно сильное предпочтение над признаком B , то последний имеет обратную степень предпочтения над A .
Сравнение признаков производится с учетом наличия одной из восьми причин неисправности. Суть заключается в том, что для человека привычнее задавать переменные не числами, а словами, а также получать и воспроизводить информацию, содержащую в себе компоненты неточности. В следующих матрицах представлены степени предпочтения одних признаков неисправности над другими с учетом наличия одной из шести предпосылок:
A ( G i ) = |
■ 1 1 |
5 5 1 3 I . 9 9 |
0, C . 3 " 7 |
3 3 333 1 G = |
; 0, 014. |
||
1 1 |
|||||||
0,2 0,2 |
|||||||
X |
_ 0,333 0,333 |
||||||
max G = 4,042; |
|||||||
_ 1 1 |
|||||||
1 1 |
|||||||
A ( G 2 ) |
X |
0,111 0,111 _ 0,333 0,142 max G 2 = 4,129; |
11 1 1 J I . C . |
• ; G 2 |
= |
0,043. |
|
A ( G 3 ) |
— = X |
" 1 13 1 15 0,333 0,2 1 _ 0,2 0,2 1 max G 3 = 4,029; |
5 " 5 1 1 _ I |
• ; . C . |
G 3 |
0, 009. |
|
A ( G 4 ) |
= X |
" 1 1 11 0,142 0,2 _ 0,333 0,333 max G 4 = 4,037; |
7 3 " 5 3 1 0,333 3 1 IC G 4 = |
; 0, 012. |
|||
A ( G 5 ) |
— = X |
■ 1 1 1 1 0,142 0,2 _ 0,2 0,333 max G 5 = 4,203; |
7 5 " 53 1 0,2 5 1 _ I . C . G 5 |
• ; |
0, 068. |
Электромеханические системы
A =
1 |
0,2 |
1 |
0,142 |
3 |
0,111 |
0,2 |
1 |
5 |
1 |
5 |
0,2 |
5 |
0,142 |
0,333 |
3 |
1 |
0,2 |
1 |
0,2 |
3 |
0,142 |
0,333 |
3 |
7 |
5 |
5 |
1 |
5 |
0,2 |
3 |
5 |
0,333 |
0,2 |
0,333 |
0,2 |
1 |
0,142 |
0,2 |
0,333 |
9 |
7 |
7 |
5 |
7 |
1 |
7 |
7 |
5 |
3 |
3 |
0,333 |
5 |
0,142 |
1 |
3 |
1 |
0,333 |
0,333 |
0,2 |
3 |
0,142 |
0,333 |
1 |
Находим коэффициенты относительной важности признаков G 1 , G 2 , G 3 , G 4 , G 5 , G 6 , G 7 , G 8 . После необходимых расчетов получаем: 61 = 0,034; б 2 = 0,095; б 3 = 0,046; б 4 = 0,208; б 5 = 0,023; б 6 = 0,441; б 7 = 0,117; б 8 = 0,036, означающие наиболее важные предпосылки G 4 и G 6 . Максимальное собственное число вектора л max = 9,082, индекс согласованности суждений I . C . = 0,14.
Произведем расчет нечетких множеств по следующему выражению:
Ц D (Pj) = min(ц Gi(Pu(1)
Из (1) получаем нечеткие множества:
J 0,968 0,968 0,913 0,938 1
-
1 I P ’ P ’ P ’ PI’
L P1 P2 P3
G a 2 _J 0,915 0,931 0,762 0,788 1
-
2 I P , P , P , PI
L P1 P2 P3
J 0,957 0,962 0,899 0,893 1 3
-
3 I P , P , P , P I’
L P 1 P 2 P 3 P 4
J 0,831 0,818 0,559 0,671 ], I , , , | ;
L P 1 P 2 P 3 P 4
0,982 0,976 0,934 0,957 1
P , P , P , P I ;
P 1 P 2 P 3 P 4
J 0,679 0,703 0,298 0,31 ]
I p ’ p , p , p | ; L P 1 P 2 P 3 P 4
J 0,747 0,747 0,967 0,747 1
| p ’ p ’ p ’ p | ;
L P 1 P 2 P 3 P 4
J 0,894 0,892 0,987 0,948 1
I p , p , p , p | "
L P 1 P 2 P 3 P 4
Пересечение этих нечетких множеств дает такие степени принадлежности нечеткого решения D :
ц D ( P ) _ min(0,968; 0,915; 0,957; 0,831; 0,982; 0,679; 0,747; 0,894) = 0,679;
Ц D ( P 2 ) _ min(0,968; 0,931; 0,962; 0,818; 0,976;
0,703; 0,747; 0,892) = 0,703;
Ц D ( P 3) _ min(0,913; 0,762; 0,899; 0,559; 0,934;
0,298; 0,967; 0,987) = 0,298;
ц D ( P 4) = min(0,938; 0,788; 0,893; 0,671; 0,957;
0,31; 0,747; 0,948) = 0,31.
В результате получаем нечеткое множество
.: _J 0,679 0,703 0,298 0,31 )
I p , p , p , p | , L P 1 P 2 P 3 P 4
свидетельствующее о преимуществе варианта, обусловленного повышенной вибрацией и шумом трансформаторного оборудования, над остальными признаками.
Заключение
В результате проведённых исследований можно сделать вывод о том, что при наличии признаков неисправности и оценки этих признаков по шкале предпочтений, а также исходя из нечеткой информации о возможных причинах или предпосылках неисправности трансформаторного оборудования и на основе экспертных оценок, повышенная вибрация и шум могут быть вызваны повреждением внутри бака трансформатора или реактора, либо пожаром стали магнитопровода.
Так, первопричиной повышенного шума и вибрации трансформатора или реактора в данном случае могут быть следующие отклонения:
-
• повреждение внутри бака с вероятностью 0,441;
-
• пожар стали магнитопровода с вероятностью 0,208;
-
• ухудшение изоляционных характеристик ввода с вероятностью 0,117;
-
• неисправность системы охлаждения с вероятностью 0,095;
-
• перегрузка по току с вероятностью 0,046;
-
• атмосферные осадки с вероятностью 0,036;
-
• высокая температура окружающей среды с вероятностью 0,034;
-
• несимметричность нагрузки по фазам с вероятностью 0,023.
Данный метод принятия решения на основе нечеткой информации может быть использован для диагностики не только трансформаторного оборудования, но и всего электротехнического оборудования в целом при наличии нескольких альтернатив, то есть нескольких признаков, свидетельствующих о различных неисправностях. Известно, что при наличии большого количества альтернатив и критериев процесс принятия решения довольно сложен, а зачастую даже невозможен без предварительных расчетов. Поэтому так важно использовать специальные математические средства для реализации процесса принятия решения. Таким средством может быть симбиоз теории нечетких множеств, теории принятия решения, а также фундаментальной шкалы парных сравнений.
Математически обоснованный процесс принятия решения для целей диагностики силового электротехнического оборудования поможет субъектам электроэнергетики качественно и безаварийно эксплуатировать электроэнергетический комплекс, повысит социальную ответственность, снизит издержки в отрасли, что в итоге положительно скажется на общем экономическом состоянии современного общества.
Список литературы Анализ нечетких признаков неисправности трансформаторного оборудования
- Zadeh L. Fuzzy Sets/L. Zadeh//Information and Control. -1965. -№ 8. -P. 338-353.
- Thomas L. Saaty. Relative Measurement and Its Generalization in Decision Making Why Pairwise Comparisons are Central in Mathematics for the Measurement of Intangible Factors The Analytic Hierarchy/Network Process. -2008. -№ 102. -P. 251-318.