摘要：總結(jié)了近年來人工智能技術(shù)在基于油中溶解氣體分析(DGA)的變壓器絕緣故障診斷方法上的研究和發(fā)展,介紹了其中的主要方法和成果,并討論了該領(lǐng)域的研究趨向。
　　關(guān)鍵詞：油中溶解氣體分析；變壓器；絕緣故障診斷；人工智能
　　0前言
　　充油變壓器在運行狀態(tài)中發(fā)生故障將嚴(yán)重影響整個電力系統(tǒng)的可靠運行，其中由于絕緣故障造成的事故占到變壓器總事故的85%以上。油中溶解氣體分析方法作為一種有效的充油電力設(shè)備異常分析手段,在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要是針對基于DGA的變壓器絕緣故障診斷方法進(jìn)行研究和探討。傳統(tǒng)的基于DGA的變壓器絕緣故障診斷方法有：得能堡比值法、三比值法、羅杰斯法、改進(jìn)羅杰斯法、電研協(xié)法等，采用的特征氣體是CH4，H2，C2H4，C2H6，C2H2，CO，CO2等七種。這些方法是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上統(tǒng)計出來的，雖然在形式上比較簡單，但正是因為簡化了故障因素的復(fù)雜性而使得故障診斷正確率只能達(dá)到80%左右。
　　本文系統(tǒng)地討論了近年來國內(nèi)外學(xué)者提出的基于人工智能技術(shù)的變壓器絕緣故障診斷方法，如基于模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和灰色理論等技術(shù)，這些方法有效地提高了變壓器絕緣故障診斷的正確率。最后討論了今后該領(lǐng)域的研究趨向。
　　 1基于模糊理論的絕緣故障診斷方法
　　傳統(tǒng)的基于DGA的變壓器絕緣故障診斷方法是根據(jù)專家過去的知識和經(jīng)驗總結(jié)的。目前用于變壓器故障診斷的各種規(guī)程和導(dǎo)則中，一般只給出了一個判斷故障邊界的描述，難以表述故障和各個特征量之間的客觀規(guī)律。例如：采用IEC/IEEE特征氣體三比值法來判斷變壓器絕緣故障類型時，給出的氣體比值的邊界是根據(jù)大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的。盡管得到的編碼規(guī)則基本上是合理的，但邊界點的取值仍然具有一定的發(fā)散性和模糊性。當(dāng)氣體的比值在邊界點附近時，DGA數(shù)據(jù)的細(xì)小變化容易使編碼發(fā)生很大的變化，從而引起誤判絕緣故障類型。為了解決這種在知識表述上所具有的不確定性，因而出現(xiàn)了基于模糊理論的變壓器故障診斷方法。模糊理論的基本思想是利用人類對事物的模糊思維及模糊性語言對事物進(jìn)行識別和判決，具有詞語計算和處理不確定性、不精確性和模糊信息的能力，現(xiàn)已被證明是解決許多復(fù)雜問題的一種有效方法。
　　1.1基于模糊推理和模糊關(guān)系的絕緣故障診斷方法
　　目前，根據(jù)對絕緣故障診斷角度的不同，基于模糊理論的故障診斷方法大致分以下兩種。
　　(1)模糊推理。模糊推理的核心是模糊化處理和模糊規(guī)則，對DGA數(shù)據(jù)采用不同的模糊化處理方法和模糊規(guī)則形成不同的故障診斷處理方法。針對IEC/IEEE三比值法在氣體比值編碼區(qū)間定義上過于絕對性的缺點，文獻(xiàn)［1］中選用梯形函數(shù)作為模糊子集的隸屬函數(shù)，并且提出通過樣本學(xué)習(xí)來自動獲取三比值法中不存在的規(guī)則，彌補了三比值法在規(guī)則缺少方面的缺陷，并且模糊規(guī)則和模糊子集的參數(shù)采用進(jìn)化優(yōu)化算法自動調(diào)整，以減少人為設(shè)置參數(shù)帶來的主觀性。但文獻(xiàn)［1］沒有考慮模糊規(guī)則集的冗余和樣本集合中各個故障類型樣本個數(shù)對模糊子集和模糊規(guī)則參數(shù)的影響，因此文獻(xiàn)［2］在提出的規(guī)則建立算法中加入各個故障類型樣本的個數(shù)，并且采用遺傳算法對產(chǎn)生的模糊規(guī)則集進(jìn)行了精簡，剔除了其中不重要的或冗余的規(guī)則?；趥鹘y(tǒng)的IEC編碼值，文獻(xiàn)［3］提出了模糊IEC編碼，以半柯西分布函數(shù)作為其隸屬函數(shù)，同時在模糊規(guī)則的運算中加入了C2H2、H2和CH4氣體含量大小的模糊子集隸屬度，通過加權(quán)求和的方式得到故障對應(yīng)的隸屬度。加入這3種氣體的模糊子集有利于對某些特殊故障的診斷，彌補了三比值法僅考慮氣體間比值的不足。
　　(2)模糊關(guān)系。模糊關(guān)系表征的是兩個集合之間的關(guān)聯(lián)程度。由于傳統(tǒng)的三比值法在變壓器絕緣故障類型和比值編碼上是一一對應(yīng)的關(guān)系，而實際上由于變壓器絕緣故障類型與特征氣體之間關(guān)系的復(fù)雜性，使得這種對應(yīng)關(guān)系具有一定的模糊性。在對傳統(tǒng)比值法的編碼組合進(jìn)行模糊化處理和統(tǒng)計及分析的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［4］得到了編碼―故障模糊關(guān)系矩陣，以待測樣本對應(yīng)的27組編碼組合的隸屬度作為特征輸入矢量，通過模糊綜合評判方法求出故障輸出矢量，以其中最大隸屬度對應(yīng)的故障類型作為診斷結(jié)果。模糊向量是特殊形式的模糊關(guān)系，文獻(xiàn)［5］中提出了故障的特征模糊向量和故障標(biāo)準(zhǔn)參考值的概念，前者由三比值大小的模糊子集和除CO2外其余六種特征氣體含量大小的模糊子集組成。故障的隸屬度則由待測樣本的模糊向量與特征模糊向量的內(nèi)積和除以標(biāo)準(zhǔn)參考值得到。
　　基于模糊推理和模糊關(guān)系的故障診斷方法來源于長期以來人們對變壓器絕緣故障診斷知識的經(jīng)驗總結(jié)。這種經(jīng)驗總結(jié)由于其本身具有的模糊性和不確定性，因此隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則的確定過程存在一定的人為因素。同時在模糊規(guī)則的選擇上，一方面現(xiàn)有的模糊規(guī)則數(shù)較少，另一方面若增大模糊子集的個數(shù)又會引起規(guī)則數(shù)的急劇增加，導(dǎo)致計算量的增大和冗余規(guī)則的出現(xiàn)。因此，如何減少診斷過程中人為因素對隸屬函數(shù)的影響并獲取高效、精簡的模糊規(guī)則集是基于模糊推理和模糊關(guān)系的故障診斷方法的研究重點。目前數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的粗糙集等方法因為能夠從大量數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)規(guī)則而成為新的研究方向。
　　1.2基于模糊聚類的絕緣故障診斷方法
　　模糊聚類方法的原理是在沒有先驗知識的情況下，基于“物以類聚”的觀點，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的方法確定各個樣本之間的距離及分散程度，按照樣本的距離或者某個目標(biāo)函數(shù)來實現(xiàn)分類的一種方法。文獻(xiàn)［6］將迭代自組織數(shù)據(jù)分析方法(ISODATA)應(yīng)用到變壓器故障診斷中，通過動態(tài)聚類的方法構(gòu)造最優(yōu)模糊分類矩陣和聚類中心，然后按與中心最近原則確定故障類別。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［7］結(jié)合模糊集理論和各種聚類算法提出模糊模式動態(tài)多層聚類算法，選用模糊貼近度作為樣本之間的相似性尺度，采用動態(tài)分類求取最優(yōu)分類結(jié)構(gòu)，逐步對樣本集進(jìn)行更為細(xì)致的分類，獲得了較高診斷正確率。
　　采用模糊聚類方法對故障類型進(jìn)行分類時，對樣本間的距離選用何種計算表達(dá)式仍然需要根據(jù)實際經(jīng)驗得到。另外，雖然使用的是動態(tài)分類方法，但如何評價動態(tài)分類的性能仍須進(jìn)一步的研究。
　　 2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣故障診斷方法
　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是通過模擬人腦神經(jīng)元活動的過程，用神經(jīng)元的特性及連接模式來學(xué)習(xí)和表達(dá)知識。由于它具有并行分布處理、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶、容錯性強等特點，在信息處理、模式識別和智能控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。近年來隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論上的不斷發(fā)展完善，加上模糊理論和小波分析在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法成為最有前途的變壓器絕緣故障診斷方法之一。
　　2.1基于一般的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣故障診斷方法
　　文獻(xiàn)［8］［9］［10］是較早將常規(guī)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用到變壓器絕緣故障診斷系統(tǒng)中，采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是三層或多層前向網(wǎng)絡(luò)，輸入節(jié)點數(shù)采用七種特征氣體中的部分或全部?？紤]到當(dāng)把某些特征氣體的含量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點時會影響網(wǎng)絡(luò)的性能，文獻(xiàn)［10］對在不同的網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點個數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點個數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)性能做了比較后，指出輸入為五種特征氣體、輸出為四種診斷類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有最好的性能。對五種常規(guī)的診斷方法采用文獻(xiàn)［8］［9］提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行訓(xùn)練和比較后，文獻(xiàn)［11］認(rèn)為具有三層結(jié)構(gòu)和適當(dāng)隱層單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較適合于變壓器絕緣故障診斷，指出網(wǎng)絡(luò)的正確診斷率取決于所采用的診斷方法。除了應(yīng)用較廣泛的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外，文獻(xiàn)［12］采用的是Kohonen自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元間的交互作用和相互競爭，實現(xiàn)對不同故障類型的聚類分析；文獻(xiàn)［13］則采用了在逼近能力、分類能力和學(xué)習(xí)速度優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
　　2.2基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣故障診斷方法
　　常見的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性和自學(xué)習(xí)功能解決模糊推理中隸屬度取值和模糊規(guī)則難以獲取的問題。因此，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器絕緣故障診斷方法的一般方法有兩種：①用模糊神經(jīng)元取代傳統(tǒng)的神經(jīng)元，神經(jīng)算子由原來的點乘與求和改為模糊邏輯算子［14］［15］；②將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量模糊化，依靠BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性和自學(xué)習(xí)功能獲得輸入與輸出間的模糊關(guān)系［16］。文獻(xiàn)［17］則將粗糙集和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，其基本思想是利用粗糙集方法對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡，形成精簡的規(guī)則集，然后據(jù)此構(gòu)造出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而且保持了較好的分類能力。另外，將模糊邏輯引入到其它類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，為故障診斷方法提供了一個新的途徑。文獻(xiàn)［18］提出了一種模糊學(xué)習(xí)向量量化(FLVQ)網(wǎng)絡(luò)，借助于模糊分類法將樣本集分成N個模糊子空間，分別用LVQ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模糊規(guī)則的學(xué)習(xí)，取這N個LVQ網(wǎng)絡(luò)的最大輸出作為診斷結(jié)果。在ART-2網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［19］構(gòu)造了具有輸入隱層的FART網(wǎng)絡(luò)，對各個特征氣體采用不同的隸屬函數(shù)處理，使網(wǎng)絡(luò)對不同的特征氣體具有不同的靈敏度。文獻(xiàn)［20］提出了基于模糊Hebbian學(xué)習(xí)率的模糊聯(lián)想記憶（FAM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
　　2.3基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣故障診斷方法
　　小波分析是近十幾年來發(fā)展起來的一種強有力的數(shù)學(xué)工具，其對非平穩(wěn)隨機信號具有良好的時頻局部特性和變焦能力。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與小波分析結(jié)合主要有兩種方式：一是將小波分析作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前置處理手段，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供輸入特征向量；二是將小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接融合，用小波函數(shù)或尺度函數(shù)直接作為神經(jīng)元的激勵函數(shù)。文獻(xiàn)［21］采用的是第一種方式，小波參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)采用共軛梯度法學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)［22］和文獻(xiàn)［23］則屬于第二種方式，不同的是文獻(xiàn)［22］采用高維二進(jìn)小波基作為網(wǎng)絡(luò)隱層的激活函數(shù)，小波神經(jīng)元采用的是各個輸入節(jié)點小波變換后的乘積；而文獻(xiàn)［23］提出了以一維的二進(jìn)小波基函數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)隱層的激活函數(shù)，小波神經(jīng)元則是各個輸入節(jié)點小波變換后的求和。
　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法為變壓器的故障診斷問題提供了一種比較好的結(jié)構(gòu)體系，學(xué)者們在此基礎(chǔ)上提出的方法極大地促進(jìn)了故障診斷技術(shù)的發(fā)展。但如何克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的弱點，將它與其他人工智能技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出具有結(jié)構(gòu)簡單，良好分類能力，收斂速度快的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型仍然是學(xué)者們今后研究的重點。同時，如何從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式知識表達(dá)方式中獲取人們?nèi)菀桌斫獾闹R也將有助于對變壓器絕緣故障機理的深入分析。
　　 3基于專家系統(tǒng)的絕緣故障診斷方法
　　專家系統(tǒng)方法是把某一專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的多個專家的知識或者經(jīng)驗用計算機可處理的符號形式存放在知識庫中，按照專家對知識的推理方法解決復(fù)雜的問題。它通常由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、知識獲取系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)和人機接口等六部分組成。
　　目前國內(nèi)外所開發(fā)的專家診斷系統(tǒng)大都是依據(jù)DGA數(shù)據(jù)、理化數(shù)據(jù)、電氣性能數(shù)據(jù)等從各方面進(jìn)行常規(guī)診斷，然后再進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論。而將模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入則為專家系統(tǒng)開辟了新的知識獲取方法。文獻(xiàn)［24］較早提出將產(chǎn)生式規(guī)則的條件部分用模糊化的語義規(guī)則來代替，豐富了專家知識庫。文獻(xiàn)［25］提出把基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法引進(jìn)到專家系統(tǒng)的知識庫中，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法是由多個診斷單一故障類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，待測樣本則分別由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)方法進(jìn)行診斷，經(jīng)過綜合分析后得到最終的診斷結(jié)果。除了在專家知識庫獲取方面的研究外，改進(jìn)傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是學(xué)者研究的重點。由于現(xiàn)有的故障診斷專家系統(tǒng)一般以產(chǎn)生式基本機構(gòu)以及單一方法診斷為基礎(chǔ)，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確度和有效性難以得到保證，因而文獻(xiàn)［26］提出了基于多知識源協(xié)同求解問題的黑板模型，在此基礎(chǔ)上建立多專家合作診斷機制，并提出了在專家意見不一致時的綜合分析解決機制。
　　隨著模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷融入到專家系統(tǒng)故障診斷方法中，原有的僅僅基于產(chǎn)生式規(guī)則的知識庫中將加入眾多的代表不同診斷方法的知識層。但是由于這些方法在診斷結(jié)果達(dá)到的層次不同，使得原有知識庫的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，維護起來也變得更加困難。因此，變壓器絕緣故障專家系統(tǒng)的發(fā)展方向是：在知識庫結(jié)構(gòu)上采用開放式的模塊化設(shè)計，使得其它的故障診斷方法能更容易地嵌入到專家系統(tǒng)中來；在診斷策略上采用高效的多層次搜索策略，提高診斷速度；在推理機制上采取多專家協(xié)同推理的方式以減少誤判或漏判。
　　 4基于灰色理論的絕緣故障診斷方法
　　灰色系統(tǒng)理論以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為的正確認(rèn)識和有效控制。
　　目前，用于變壓器故障診斷中的灰色理論方法主要有灰色關(guān)聯(lián)分析［27］［28］和灰色聚類分析［29］?；疑P(guān)聯(lián)分析方法采用對曲線幾何形狀進(jìn)行分析比較的方法來研究系統(tǒng)的動態(tài)過程，認(rèn)為幾何形狀越接近，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度就越大，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小，將待診斷數(shù)據(jù)歸類于與之關(guān)聯(lián)度最大的標(biāo)準(zhǔn)故障模式?；疑P(guān)聯(lián)分析用于變壓器絕緣故障診斷的基本原理是：用表征系統(tǒng)特征的各種氣體參數(shù)組成特征狀態(tài)向量，然后通過樣本數(shù)據(jù)獲得對應(yīng)各個故障模式的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)向量集，最后通過計算待檢測向量與各個標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)向量的關(guān)聯(lián)度來判斷故障模式。其中關(guān)聯(lián)度的計算模型有距離關(guān)聯(lián)度［27］和面積關(guān)聯(lián)度［28］兩種。文獻(xiàn)［29］基于灰色聚類分析方法變壓器絕緣故障診斷，是將待診斷的變壓器的各種油中溶解氣體所擁有的白化數(shù)，按幾個灰類進(jìn)行歸納，通過計算待診斷樣本與所有灰類的聚類系數(shù)，根據(jù)聚類系數(shù)的大小來判斷故障類型。
　　灰色理論能夠依據(jù)少量的樣本數(shù)據(jù)尋找影響變壓器絕緣故障的各個因素間的主要關(guān)系，通過影響系統(tǒng)行為的主要特征變量之間的灰色關(guān)系來建立系統(tǒng)的簡化模型，它為變壓器絕緣故障診斷方法開辟了一個新的研究方向。
　　 5結(jié)束語
　　近年來，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于變壓器絕緣故障診斷已成為學(xué)者們研究的熱點，各種不同方法的應(yīng)用有效地提高了絕緣故障的診斷正確率，促進(jìn)了在線監(jiān)測與實時故障診斷系統(tǒng)的研究開發(fā)。然而基于DGA的變壓器絕緣故障診斷方法還不夠完善，仍然有一些問題值得進(jìn)一步研究。
　?。?）基于DGA的絕緣故障診斷方法對特征氣體個數(shù)和相互之間關(guān)系的選取上還沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識，僅僅使用特征氣體的比值不能完全表述系統(tǒng)的完整信息。以最少的數(shù)據(jù)量包含最多的系統(tǒng)信息將有助于各種故障診斷方法進(jìn)一步提高診斷正確率。
　?。?）對變壓器絕緣故障產(chǎn)生的機理還需要進(jìn)一步深入研究，以消除影響故障診斷的干擾因素。特別是對故障發(fā)生的早期階段的DGA數(shù)據(jù)的研究將有助于變壓器的維護和安全運行。
　?。?）鑒于電力變壓器由于在型號上的多樣性和運行環(huán)境上的復(fù)雜性導(dǎo)致發(fā)生絕緣故障后DGA數(shù)據(jù)上的分散性，開發(fā)出一個基于因特網(wǎng)的變壓器在線“醫(yī)院”診斷系統(tǒng)，為變壓器絕緣故障診斷方法提供一個統(tǒng)一的平臺，將大大促進(jìn)變壓器絕緣故障診斷技術(shù)的發(fā)展。
　　人工智能技術(shù)的引入推動了變壓器絕緣故障診斷技術(shù)的發(fā)展，提高了故障診斷正確率。隨著人工智能技術(shù)向減少復(fù)雜化方向的發(fā)展和新的智能技術(shù)的產(chǎn)生，相信基于DGA的變壓器絕緣故障診斷方法必將越來越完善。