理解电力变压器故障模式重要度的模糊评定方法

'第32卷第6期仪器仪表学报Vo1．32No．62011年6月ChineseJournalofScientificInstrumentJun．201l电力变压器故障模式重要度的模糊评定方法术王有元，周婧婧，李剑，金卓睿，李龙江(1重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044；2四川省电力公司成都610041)摘要：由于设备价值昂贵、可靠性试验实施困难等客观因素，应用传统重要度分析方法难以实现电力变压器各故障模式的故障重要度分析，提出了一种基于梯形模糊数的电力变压器故障模式重要度评定方法。该方法在分析影响电力变压器故障模式重要度各因素的基础上，建立了电力变压器故障模式重要度评估指标体系；应用Delphi法确定评估指标的评价等级和评分标准，同时引入协调程度修正专家评分；并利用梯形模糊数确定各评估指标的权重；最后应用线性加权方法得出电力变压器各故障模式的重要度。评估实例表明，该方法简便、有效，能够为电力变压器的可靠性评估提供各故障模式的重要度。关键词：电力变压器；重要度；梯形模糊数；专家意见协调程度；变异系数；故障模式中图分类号：TM855文献标识码：A国家标准学科分类代码：470．40FuzzyevaluationmethodfortheimportanceofpowertransformerfaultmodesWangYouyuan，ZhouJingjing，LiJian，JinZhuorui，LiLongjiang(StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&S~temSafetyandNewTechnology，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China；2SichnanElectricPowerCorporation，Chengdu610041，China)Abstract：Duetothehighvalueanddifficultiesinreliabilitytestsofpowerequipments，itishardtorealizetheim—portaneeanalysisofeachfaultmodeofpowertransformerusingtraditionalimportanceanalysismethod．Thus，thispaperproposesanewevaluationmethodfortheimportanceofpowertransformerfaultmodesbasedontrapezoidalfuzzynumber．Thismethodestablishesevaluationindexsystemofimportancethroughanalyzingtheinfluencingfac—torsofimportanceoffaultmodes，usesDelphimethodtodeterminetheevaluationgradeandcorrespondingevaluationcriterionoftheevaluationindexes，introducesacoordinationdegreetomodifytheexpertevaluationgrade，andem—ploysatrapezoidalfuzzynumbertodeterminetheindexweightvalues．Finally，linearweightingmethodisusedtoobtaintheimportanceofeachfaultmode．Evaluationexamplesshowthatthismethodisconvenientandeffective，andcanprovidetheimportanceofeachfaultmodeforpowertransformerreliabilityevaluation．Keywords：powertransformer；importance；trapezoidalfuzzynumber；coordinationdegreeofexpertopinion；coef-ficientofvariation；fauhmode指导系统维修等领域。因此，进行变压器故障模式的重1引言要度分析，可为变压器维修决策的制定提供科学依据，并为最终实现状态维修奠定基础，对于提高电力变压器的作为电力系统中的关键设备，大型电力变压器的运运行可靠性，保障整个电网的安全可靠运行具有十分重行可靠性直接关系到电网的安全和稳定。重要度作要的意义。为一种反映子系统故障对系统故障贡献大小的可靠性指重要度可以分为：结构重要度、概率重要度和关键重标，主要用于系统可靠性的预测和分配、优化系统设计、要度3种，分别反映子系统在系统结构中的重要顺序，子收稿日期：2010-06ReceivedDate：2010-06基金项目：国家863计划(2009AA04Z416)、重庆市自然科学基金(2008BA3026)资助项目 第6期王有元等：电力变压器故障模式重要度的模糊评定方法1209系统概率变化影响系统概率变化的程度，子系统故障概程。考虑到Delphi法这一经典专家预测方法具有反馈性、率变化率影响系统故障概率变化率的程度。其中，子系匿名性和量化性等优点，非常适合电力变压器重要度统失效概率和系统失效概率是重要度评价所依据的两大评估涉及专家较多、专家意见不容易统一等特点，本文引主要参数。然而，对于电力变压器来说，由于部件繁入Delphi法来解决评估指标等级划分这一关键问题。多、造价昂贵、各部件失效概率均为小概率事件等原因，Delphi法的基本思路是：以匿名方式广泛征求专家有关变压器故障概率的研究在国内外都很少见到。因此意见，通过反复的交流、反馈和修正，使专家意见逐渐趋无法采用传统方法评定变压器故障模式的重要度。于一致，然后综合专家意见对评价对象做出定性和定量本文在分析影响电力变压器故障模式重要度各因素相结合的评价和预测。其关键问题是确定合理、有效的的基础上，建立了电力变压器故障模式重要度评估指标评价指标评分标准，即指标等级的划分。体系；应用Delphi法确定指标的评价等级和评分标准，同基于以上分析，由于评估专家分别来源于6个不同地时引入协调程度修正专家评分；并利用梯形模糊数确定区，因此首先将评估专家按区域划分为6个专家组。每个各评估指标的权重；最后通过线性加权方法得出各种故专家组包括5到10名左右的高级工程师、工程师、技师，其障模式的重要度。比例一般为1：2：2。然后，针对各地变压器的实际运行、监测和维护情况，经过问卷调查及反复讨论，得到图1中8个2重要度评价指标的确定评价指标的评估等级和相应的评分标准如下。1)失效对人身和环境安全性的影响(s)2．1重要度评价指标体系的建立变压器失效可能导致爆炸、燃烧、绝缘油泄漏等严重电力变压器结构复杂，运行条件、环境千差万别。因此，事故的发生，对人身和环境安全造成巨大的影响。因此，很多因素都会对电力变压器故障模式的重要度产生影响，该指标主要考虑待评估变压器部件的温度和所承受的压如：失效对系统功能、相关设备、人员和环境安全性的影响、力以及所包含的介质是否为可燃性、腐蚀性、有毒性介质失效引起的生产损失、变压器运行条件、失效频率、停运时等。其评分标准如表1所示。问、故障的可监测性、是否有备用设备、失效部件的类型(复表1失效对人身和环境安全性影响的评分标准杂、简单)、是否有备件、维修费用、维修难易程度等J。Table1Scoresoftheeffectoffailureonthesafety通过咨询四川省电力公司和下属的6个地市级供电ofenvironmentandpersonnel局的多名专家，考虑各因素间的关联性，以尽可能减小分介质特性评分析复杂性为出发点，建立了涵盖可靠性、经济性、可监测容易燃烧和爆炸1高温、高压0．7性、可维修性4个方面的电力变压器重要度评估指标体有毒或有腐蚀性0．4系，如图1所示。没有明显的危险性O．12)失效对系统整体功能的影响(SF)某个部件的失效会影响到电力变压器总体功能的发挥，如果该变压器有备用设备的话，相同的部件失效所造成的影响将大幅降低。因此，该指标主要考虑有无备用变压器，部件失效后对系统整体功能的影响程度。其评分标准如表2所示。表2失效对系统整体功能影响的评分标准Table2Scoresoftheeffectoffailureonsystemfunction图1重要度评估指标体系Fig．1Importanceevaluationindexsystem2．2指标等级的划分实现重要度评价的一个重要的环节是：对各项影响因素的分析中，怎样根据各组成部件的基本信息，制定一个恰当的指标等级分类标准，并给出对应的评分，以保证评3)维修的难易程度(D)估结果的准确性，并尽可能简化故障模式重要度的评价过从变压器维修角度来说，维修的难易程度与失效部 1210仪器仪表学报第32卷件的复杂程度、备品备件的供应情况以及接近失效部件护人员根据该变压器的运行历史记录或对同类变压器的的难易程度等因素相关。其评分标准如表3所示。可靠性数据进行修正得到。其评分标准如表7所示。表3维修难易程度的评分标准表7失效频率的评分标准Table3ScoresofmaintenancedifficultydegreesTable7Scoresoffailurefrequencies难易程度评分失效频率／小时评分非常困难0．85～l5oo～1Ooo1比较困难O．6—0．851000～15000．85困难O．2～O．61500～30000．65比较容易0．10．23o0O～8ooO0．4580oO～200000．25>20000O．14)停运损失(OC)变压器的停运损失一般包括由于变压器停运所导致8)停运时间(DT)电力系统运行方式的改变、备用变压器的投运以及变压停运时间包括变压器因部件失效所导致的停运、维器退出而引起的经济损失。其评分标准如表4所示。修和重新启动所需的时间，与变压器的结构形式、额定功表4停运损失的评分标准率、电网运行方式等诸多因素有关，一般可以按工时为单Table4Scoresofoutragecosts位对其进行评估。其评分标准如表8所示。停运损失评分非常大1表8停运时间的评分标准大O．7Table8Scoresofdowntime中等0．4停运时间／天评分很小0．1>3O[0．85，1]20～3O[0．6，0．85)5)维修费用(MC)10～20[0．2，0．6)变压器的维修费用涉及变压器故障部件的费用、该部<10[0．1，0．2)件备件的费用、运输费用、人工费用等多个方面，可通过折算为总的修复费用来进行评价。其评分标准如表5所示。2．3指标评分的修正表5维修费用的评分标准根据1．2节中的评分标准，组织专家对变压器各故障Table5Scoresofmaintenancecosts模式的相关评价指标进行评分，得到各评价指标的评价维修费用／万元评分值。然而，在实际的评分过程中，由于专家在认知水平、理>5．01论水平、实际操作能力、工作经验等方面存在的差异，可能1．0～5．00．70．5～1．00．4造成部分指标评分分歧过大。而专家对指标的评分直接<0．5O．1影响重要度的准确程度，因此引入专家意见协调程度的概念⋯，对专家的评分进行处理，增强专家意见的协调性和6)可监测性(，)客观性，提高评估结果的准确性。具体方法如下：除难以通过监测发现的故障以外，变压器的故障一计算专家意见的协调程度，并用变异系数C表示专家般可通过在线监测系统、带电测试、预防性试验、观察等对某一指标评价的协调程度，然后根据C来判断专家在某方式予以发现，所不同的只是这些方式的难易程度以及一重要度评价指标的具体评分方面是否存在较大分歧。费用不同。因此，可监测性主要涉及对监测技术的要求对于待评估的故障模式，变异系数c可按式(1)和监测费用。其评分标准如表6所示。求得：表6可监测性的评分标准Cw=f／m(1)Table6Scoresofinspectioncapabilities式中：为指标i的算术平均值；为评价指标i的标准监测技术的要求—坌差，可由式(2)得到：mL，口fqJmL，⋯(2)式中：m“为第组专家对指标i的评分，Ⅳ为专家组的个7)失效频率(，F)数。失效频率主要由变压器的平均无故障运行时间确较小的C表示专家的协调程度较高。一般来说，定，而变压器的平均无故障运行时间可通过现场运行、维C≤0．5000时，专家意见满足一致性条件，专家对这一 第6期王有元等：电力变压器故障模式重要度的模糊评定方法1211指标评价的一致性较高，专家的协调程度较高，评估结果=可信。此时，即可作为该指标的最后评分。若c不，●●●●●●，●●●●●●●，f、●●●●●●●●，【篓6l兰c0满足一致性条件，表示专家对该指标评价的一致性和协，，调程度较差，则需请专家重新进行评价，或去掉偏差较大表9重要程度的等级划分表的评价，直到满足一致性条件要求。Table9Gradesofimportancedegree3基于梯形模糊数的指标权重的确定图1中涉及可靠性、经济性、监测性、维修性4个方面的8个评价指标分别从不同的方面反映了电力变压器故障模式的重要度，即不同评价指标反映重要度的有效㈨程度是不相同的。同时，在确定各评价指标分值的过程l中，总会受各种不确定因素的影响。因此，引入梯形模糊数来确定指标权重，减小不确定因素影响并反映各指标对重要度的影响程度。梯形模糊数P的隶属函数为()，其表达式为：ⅣV．00．20．40．60．812．J)∈a≤≤b图3等级划分的方法ⅣFig．3GradedivisionmethodL．．b≤≤C，¨Ix()≠j=．1，oC≤≤d记第k位专家给出的判断矩阵为¨=(r)。I6其中，r=(0，，c，)(k=1，2，⋯，L；，∈¨V其他十Ⅳ)。根据梯形模糊数互补判断矩阵计算指标权重的方法式中：为实数；a和d分别为梯形模糊数P的下边界和如下。l】上边界，且a，b，C，d；d—a和c—b表示P的模糊程度，d—【步骤1：由式(4)得到各专家的偏好信息。a和c—b越大，其模糊程度越强。如图2所示，隶属函数d一}rlj=a，b，c，)=了1×(r+r’十⋯+r)=由口、6、c、d决定，简记为(a，b，c，d)⋯。当b：c时，P是三角模糊数；当a=b=C：d时，P是实数。III(圭。，“)k=l毫，毒c，砉d”)(4)CV步骤2：由式(5)确定评价指标的模糊评价值的期望。+1=(∑∑b，∑c，∑d)×【(∑∑o，∑∑b，∑∑c，∑∑d)～≈图2梯形模糊数f∑。l÷∑b∑c∑d1Fig．2Trapezoidalfuzzynumber_，_，旦-In，nq，^n，nnl，÷_f(5)、一∑∑d∑∑c∑∑b∑∑。／l对于有n(n／>2)个评价指标的决策问题，由n(n≥步骤3：指标权重的确定。2)个评价指标，，⋯，组成的指标集可记X=I根据式(5)中(i∈N)由式(6)可确定各指标的权i∈N}，其中N={1，2，⋯，n}。重：通过聘请(≥1)位专家根据表9的定义各自独，()=od~(v)+(1一)()(6)立地对指标集中的各项指标做出两两比较判断，给出式中：O≤≤1，i∈N。通常可取=0．5，则式(6)可改互补判断矩阵蠢=(r)。葡中元素r=(ab，c扣d)写为：为梯形模糊数，表示指标相比指标，的重要程度，其取，()+b-I-。+d值如表9和图3所示。其中：0≤口≤b≤≤d≤1，(7)4Vi，∈N，且满足以下2个条件：．对式(7)中，()按照式(8)进行归一化处理即得各1)a=0．5，b=0．5，C=0．5，d=0．5，Vi，∈指标的权重： 1212仪器仪表学报第32卷()⋯第3步：对于满足一致性要求的专家组就某项评价~9i———一、指标的评分，可通过计算相关评分的算术平均值作为该∑，()i=l指标的最终评分m；式中：为指标的权重。第4步：由各专家组根据表9和图3比较故障模式各项指标的相对重要程度并评分，根据式(7)～(I1)计4各故障模式重要度的确定算故障模式各项评价指标的权重；第5步：根据式(9)采用线性加权法得到各故障模式结合变压器各部件及功能，对其子系统及主要故障的重要度。模式进行分析，结果如图4所示。=∑m(9)绝缘异常、短路故障、绕组变形多点接地、绝缘下降、铁；吝变形、式中：为评价指标i的权重；m’为评价指标i的修正接地不良评分。渗漏油、绝缘受潮、瓷套闪络、老化放电、漏磁发热、击穿连动、拒动、超过极限位置、动5评估实例静触头接触不良、渗漏油、放电渗漏油、二次绝缘异常、指示不首先以变压器套管为例详细说明该评估方法的具体准、洪发信使用步骤，然后给出了图4中变压器主要故障模式的重渗漏油、油流回路不通、运转异常、停运要度。其评估过程如下：图4电力变压器的主要故障模式1)6个专家组对变压器套管渗漏油故障重要度的8Fig．4Themainfaultmodesofpowertransformer个评价指标的评分结果如表10所示。根据1．3节中的综合前文的分析，可以建立如图5所示的变压器故方法对8个评价指标的评分进行修正，其中评分的变异障模式重要度的评估流程。系数、算术平均值等如表11所示，修正后的各评价指标各专家组成员根据表t～8对各故障最终评分如表12所示。模式的8项阵分指标评分表1O专家评价分值表根据式(1)、(2)，对每一组各故障模式的Table10Scoresofexpertevaluation各项指标进行专家意见协调程度评估重新评分变异系数＼NCp≤O．5(】()O／一＼／上Y确定梯形模糊判断矩阵求取专家最后评分的平均值作为各指标的最后评分确定梯形模糊一致矩阵通过梯形模糊数汁算各故障确定指标模糊评价值模式的指标权重sDOCMCFFlDTSF确定评价值的期望根据式(9)计算各故障模式的重要度图5变压器重要度评估流程Fig．5Flowchartofpowertransformerimpo~anceevaluation具体计算方法包括以下主要步骤：第1步：对变压器的每一种故障模式的8项评价指标，聘请6个专家组同时进行评分，然后根据各专家组的2)根据专家对指标重要性的判断，求取各指标的意见，由式(1)和式(2)对计算出各种故障模式的评分，权重。并计算相应的变异系数；聘请3位专家依据表9、图3给出梯形模糊数互补判第2步：如果某故障模式的8项评价指标的变异系断矩阵袁‘¨、意‘和‘，然后根据式(4)计算R=数不能满足一致性的要求，则需要请专家组就该故障模[]。式的评价指标重新评分，直到满足一致性要求； 第6期王有元等：电力变压器故障模式重要度的模糊评定方法1213(05，05，05，0．5)(O∞．0．3，0375)(007，013，0．23，033)(O．0，n1．02)R=(0．0，01，02)(01，02,03，04)㈣⋯∞∞5●OO盯O(no7．n13，n23，n33)mnm●mm加(0,0，01，02)㈣㈣㈣”钟㈣根据式(5)、式(7)和式(8)分别计算各指标的模糊至此，通过本文方法给出了变压器故障模式的重要评价值的期望，(；)、模糊评价值和各评价指标的权呲哪岬叫m度，并有效克服了传统重要度评价方法过分依赖子系统重∞，结果如表13所示。故障概率的不足，能为进一步开展变压器的可靠性评估表13相关参数的计算结果和维修决策的制定提供技术支持。Table13Calculationresultsofrelatedparameters6结论丌一酊¨¨盯1)针对电力变压器价值昂贵、实施可靠性试验困难，使用传统重要度求解方法难以获得各故障模式重要叽哪邮⋯度的问题，本文从分析影响故障模式重要度的各因素出n叽nn发，建立了包括可靠性、经济性、监测性、维修性4个方面∞啷”共8个重要度评价指标的评价指标体系，在此基础上建立了基于梯形模糊数的变压器故障模式重要度评定3)结合表12中修正后的专家评分、表13中各评价指标的权重，由式(9)可求出变压器套管渗漏油故障模方法。加mm000nO2)变异系数的引入充分保证了专家意见的一致性；式的重要度为：蛐姐梯形模糊数的引入有效减小了专家评分的不确定性对评W=mss+mtSFO．)s，+mFFf．OFF+mMCO)MC+m0c∞0c+㈣㈣m，∞，+m口r+mtD∞D：0．3071估结果的影响，提高了评定结果的准确性。3)评估实例表明，该方法能有效克服传统重要度评4)同理，可得到套管各故障漠式的重要度如表14所示。丌订卵地价方法过分依赖子系统故障概率的不足，能较好地实现5)同理，可得到变压器其他子系统所有故障模式的圳邮""那加变压器故障模式重要度的评价，为进一步开展变压器的重要度如表15所示。表14套管所有故障模式的重要度可靠性评估和维修决策的制定提供技术支持。Table14Theimportanceofeachfailuremodeforabushing靴参考文献”川那蛐㈣"5{"㈣[1]李军浩，司文荣，姚秀，等．油纸绝缘变压器老化状态评估的极去极化电流技术研究[J]．仪器仪表学报，2009，30(12)：2605—2611．表l5其余子系统所有故障模式的重要度UJH，SIWR，YAOX，eta1．StudyofpolarizationTable15Theimportanceofeachfailureanddepolarizationcurrentmeasurementsforassessmentofmodeforallothersubsystemsagingstateofoil—paperinsulatedtransformers[J]．Chi—neseJournalofScientificInstrument，2009，30(12)：2605．2611．[2]郑婧，王婧顿，郭洁，等．电力变压器铁芯振动特性分析[J]．电子测量与仪器学报，2010，24(8)：763-768．ZHENGJ，WANGJD，GUOJ，eta1．Vibrationanalysisofpowertransformercores『J1．JournalofElectronicMeasurementandInstrument，2010，24(8)：763-768．[3]王有元，周婧婧，陈伟根，等．基于模糊决策的电力变压器风险评估方法[J]．仪器仪表学报，2009，30(8)：1662．1667．WANGYY，ZHOUJJ，CHENWG，eta1．Riskassess一 1214仪器仪表学报第32卷mentmethodofpowertransforlnerbasedonfuzzydeci—[11]李荣钧．模糊多属性决策理论与应用[M]．北京：科sion-making[J]．ChineseJournalofScientificInstrument，学出版社，2002．2009，30(8)：1662．1667．IJIRJ．Fuzzymultiplecriteriatheoryandapplication[4]王晓莺．变压器故障与监测[M]．北京：机械工业出[M]．Beijing：SciencePress，2002．版社，2004．[12]ORLORSKISA．DecisionmakingwithafuzzypreferenceWANGXY．TransfoiTnerfaultsanddetecting『M]．Bei—relation[J]．FuzzySetsandSystems，1978，1(3)：jing：ChinaMachinePress，2004．155—167．[5]高社生，张玲霞．可靠性理论与工程应用[M]．北京：[13]KACPRZYKJ．Groupdecisionmakingwithafuzzylin国防工业出版社，2002．guisticmajority[J]．FuzzySetsandSystems，1986，18GAOSHSH，ZHANGLX．Reliabilitytheoryandengi—(2)：105—118．neefingapplication[M]．Beijing：NationalDefenseIn—[14]LIOUTS，WANGMJ．Rankingfuzzynumberswithin—dustryPress，2002．tegralvalue[J]．FuzzySetsandSystems，1992，50(3)：[6]张沛超，高翔．全数字化保护系统的可靠性及元件重247—255．要度分析[J]．中国电机工程学报，2008，28(1)：[15]TANINOT．Fuzzypreferenceorderingsingroupdecision77．82．making[J]．FuzzySetsandSystems，1984，12(2)：ZHANGPCH，GAOX．Analysisofreliabilityandcom—117—131．ponentimpo~anceforall—digitalprotectivesystems[J]．[16]CHIENCJ，TSAIHH．UsingfuzzynumberstoevaluateProceedingsoftheCSEE，2008，28(1)：77—82．perceivedservicequality[J]．FuzzySetsandSystems，[7]李建兰，黄树红，王坤．发电设备重要度的综合权重研2000，116(2)：289-300．究[J]．热力发电，2008，37(1)：68-71．作者简介UJL，HUANGSHH，WANGK．Studyonsyntheticweightingforimpo~anceofthepowergenerationequip-ments[J]．ThermalPowerGeneration，2008，37(1)：68—71．—目～一一一一一—圈[8]田军，张朋柱，王刊良，等．基于德尔菲法的专家意见集成模型研究[J]．系统工程理论与实践，2004，24(1)：57-61．TIANJ，ZHANGPZH，WANGKL，eta1．Theintegra—tingmodelofexpe~’SopinionbasedonDelphimethod[J]．SystemsEngineering—Theory&Practice，2004，24(1)：57-61．[9]徐蔼婷．德尔菲法的应用及其难点[J]．中国统计，2006(9)：57—59．XUAIT．TheapplicationanddifficultiesofDelphimeth-od[J]．ChinaStatistics，2006(9)：57—59．[10]万树平．基于变异系数的模糊传感器数据融合方法[J]．传感器与微系统，2008，27(11)：63-65．WANSHP．Fusionmethodforfuzzysensordatabasedoncoefficientofvariance『J]．TransducerandMicrosysandM．Sc．degreefromChongqingUniversityin2009．HermajorternTechnologies，2008，27(11)：63-65．researchinterestisfaultdiagnosisofhighvohageequipment．'