К.т.н Бардик Є.І., Безбереж’єв Ю.В.

Національний технічний університет України «КПІ ім. Ігоря Сікорського»

НЕЧІТКЕ МОДЕЛЮВАННЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ОЦІНКИ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ФІЗИКО-ХІМІЧНОГО АНАЛІЗУ МАСЛА

Останні десятиліття характеризуються низьким рівнем інвестицій в технічне переустаткування електричних станцій і електричних мереж. На багатьох енергетичних підприємствах строк служби електрообладнання перевищує 30 років і більш ніж 80% випрацювало свій фізичний ресурс. Існуюча економічна ситуація не дозволяє виконати повномасштабне оновлення електрообладнання в найближчому десятиріччі. Об'єктивні протиріччя між станом енергетичної бази і безперервним попитом в електричній енергії потребують інтенсифікації науково-технічного пошуку шляхів свого вирішення. Тому на перший план висуваються задачі продовження строку служби електрообладнання. Технічне прогнозування, визначення строку служби електрообладнання і оптимальне планування його ремонтного обслуговування і діагностичних обстежень є одними з найважливіших задач обслуговування за фактичним станом.

Аналіз накопиченої інформації про значення діагностичних параметрів об'єкта в різні моменти часу дає можливість визначити динаміку їх змінення, та в свою чергу дозволяє, задаючись граничними значеннями параметрів або характеристик за яких подальша експлуатація об'єкта неможлива або недоцільна по техніко-економічним показникам, встановити строки ремонтів і обстежень електрообладнання [2,3].

Рішення такої складної задачі, як постановка діагнозу стану електрообладнання на основі багатьох контрольованих параметрів з урахуванням особливостей об'єкту контролю, його режимів роботи і попередньої історії його експлуатації, вимагає переробки великої кількості інформації, неможливої без автоматизації цього процесу.

Впровадження «інтелектуальних» інформаційних систем полегшило працю експлуатаційного персоналу, підвищило ефективність управління режимом і достовірність оцінки стану електрообладнання, усунуло багато помилок персоналу. Особливо ефективне використання експертних систем постановки діагнозу з базами знань, складеними кваліфікованими фахівцями з окремих напрямів діагностики.

Для ухвалення рішення про подальшу працездатність об’єкта необхідно проаналізувати дуже велику кількість даних, які характеризують режим і стан електрообладнання. У цих випадках неоціненною є допомога експертної системи що формулює точний опис стану електрообладнання , дає рекомендації з вказівкою необхідних дій персоналу, з визначенням пріоритету дій і оцінкою вірогідних наслідків невиконання рекомендованих дій для оперативного персоналу.

У базі знань експертно-діагностичної системи знаходяться діагнози і рекомендації, що витікають з конструкції об’єкту контролю, правил і практики обслуговування і підтримки працездатності електрообладнання . База знань створюється на основі колективних знань і досвіду висококваліфікованих технічних експертів. Якщо система стикається з непередбаченою ситуацією, оператор сповіщається про необхідність постановки нового діагнозу. Кожен такий новий діагноз вводиться в базу знань системи. Це у свою чергу зумовлює розвиток відповідних методів і засобів контролю для отримання діагностичної інформації, розробки математичних моделей і алгоритмів оцінки технічного стану електрообладнання для створення відповідної експертної системи.

В загальному випадку експертна система оцінки технічного стану електрообладнання визначає наступне:

· чи знаходиться електрообладнання у нормальному стані, що не вимагає якого-небудь втручання;

· чи потрібна підвищена увага з боку персоналу або прискорений контроль параметрів електрообладнання ;

· чи необхідне виконання додаткових вимірювань, випробувань і інших профілактичних заходів з відключенням і без відключення;

· чи потрібний проведення певного виду ремонтів, модернізацію, полегшення режимів роботи або виведення електрообладнання з роботи.

Разом з цим, аналіз досвіду діагностування електрообладнання показує, що нормативні значення параметрів технічного стану, які відділяють працездатний стан від непрацездатного зазвичай визначаються на підставі статистичної обробки аварійних станів по кожному з параметрів. Чим потужніше електрообладнання тим в більшій мірі обмежена ця статистика. Тому нормативні значення параметрів можна вважати нечіткими величинами і для більш об’єктивного діагностування технічного стану доцільно використовувати теорію нечітких множин і нечіткої логіки.

Стан силового електрообладнання характеризується великою кількістю параметрів стану (ознак) х_i значення яких можна отримати з використанням штатних засобів вимірювання або ж шляхом додаткових випробувань на працюючому або відключеному електрообладнанні. Для оцінки технічного стану трансформатора доцільно використати автоматичний класифікатор, який функціонує на основі нечітких алгоритмів, що дозволяє на основі параметрів стану х_i віднести об'єкт діагностування до одного з класів технічного стану (D₁, D₂ ,..., D_k) [1,4].

При великому числі параметрів стану х_i побудова нечіткої бази знань, що представляє сукупність висловлювань про причинно-наслідкові зв'язки «параметри стану - клас технічного стану» стає важкоздійснюваним завданням. В [1] виконано декомпозицію об’єкта діагностування і побудована ієрархічна схема нечіткого логічного висновку про стан силового трансформатора. Згідно з [1] загальний алгоритм діагностики трансформаторів за результатами окремих видів випробувань і вимірювань на основі теорії нечітких множин реалізується за декілька етапів.

На першому етапі необхідно визначити можливий діапазон змінювання контрольованих параметрів стану трансформатора і скласти базу знань на основі інформації, яка була накопичена за результатами діагностування технічного стану трансформатора протягом багатьох років і звідси вивести систему нечітких логічних рівнянь про клас технічного стану.

На другому етапі необхідно задати вид функції належності нечітких термів для різних контрольованих параметрів на основі досвіду персоналу по діагностиці електрообладнання.

На третьому етапі необхідно зафіксувати значення виміряних параметрів стану електрообладнання X^* = (x^*₁, x^*₂ ,…, x^*_n);

На четвертому етапі визначають функції належності нечітких x^*_i,i = 1,n термів при фіксованих значеннях виміряних параметрів.

На п'ятому етапі обчислюють значення багатопараметричних функцій належності при векторі стану X^* = (x^*₁, x^*₂ ,…, x^*_n) для всіх класів технічного стану d₁, d₂ ..., d_m, користуючись логічними рівняннями з бази знань. При цьому логічні операції І (^) і АБО (٧) над функціями належності замінюється на операції min і max.

На шостому етапі визначають рішення , для якого

Цьому рішенню і відповідатиме шуканий клас технічного стану (діагноз) електрообладнання з вектором параметрів стану X^* = (x^*₁, x^*₂ ,…, x^*_n).

Розглянемо питання нечіткого моделювання технічного стану трансформатора за результатами фізико-хімічного аналізу масла.

Результати лабораторних випробувань дозволяють виділити три стани: «нормальна робота», «область ризику», «аварійний режим». Повний фізико-хімічний аналіз масла включає визначення наступних показників: пробивна напруга (U_np, кВ), вміст водорозчинних кислот і лугів KOH (міліграм КОН /г масла), температура спалаху (t_сп, °С), вміст вологи (С_Н2О, г/т), тангенс кута діелектричних втрат масла (tg δ, %), вміст механічних домішок (С_мд, %), газовміст (С_газ, % об.).

Визначимо лінгвістичні змінні і їх терм-множини:

С₁ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → пробивна напруга U_np, кВ;

С₂ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → кислотне число, міліграм КОН /г масла;

С₃ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → температура спалаху t_сп,°С;

С₄ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → вологовміст С_Н2О, г/т;

С₅ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → тангенс кута діелектричних втрат масла tgδ, %;

С₆ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → вміст механічних домішок С_мд, % об.;

С₇ = {Т_Н, Т_С, Т_В} → газовміст С_газ, % об..

Терм-множинам T_i присвоєні такі лінгвістичні значення, які ідентифікують фізико-хімічні показники: Т_Н – низьке значення параметра, Т_С – середнє значення параметра, Т_В – високе значення параметра. Кожен з цих термів задає нечітке обмеження на множину, задану за допомогою відповідної функції належності. Функції належності терм-множин лінгвістичних фізико-хімічних параметрів силового трансформатора зображено на рис. 2-7:

Рис. 2 – 7 – Базові форми функції належності нечітких термів лінгвістичних змінних С₁ – С₆ .

На основі аналізу експертної інформації і нормативних даних сформовано діагностичні критерії оцінки технічного стану силового трансформатора за результатами ФХАМ і розроблено програмний модуль для постановки діагнозу трансформатора на основі виміряних даних.

Нижче наведено фрагмент бази знань відповідної дослідницької експертної системи діагностування технічного стану силового трансформатора за результатами фізико-хімічного аналізу масла:

Якщо С₁ = Т_Н і С₂ = Т_Н і С₃ = Т_Н і С₄ = Т_Н і С₅ = Т_Н і С₆ = Т_Н і С₇ = Т_Н, то D = d₁;

Якщо С₁ = Т_C і С₂ = Т_Н і С₃ = Т_Н і С₄ = Т_Н і С₅ = Т_Н і С₆ = Т_Н і С₇ = Т_Н, то D = d₂;

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Якщо С₁ = Т_C і С₂ = Т_Н і С₃ = Т_Н і С₄ = Т_С і С₅ = Т_Н і С₆ = Т_Н і С₇ = Т_Н, то D = d₂;

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Якщо С₁ = Т_Н і С₂ = Т_Н і С₃ = Т_В і С₄ = Т_Н і С₅ = Т_Н і С₆ = Т_Н і С₇ = Т_Н, то D = d₃;

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Якщо С₁ = Т_Н і С₂ = Т_В і С₃ = Т_Н і С₄ = Т_Н і С₅ = Т_В і С₆ = Т_Н і С₇ = Т_Н, то D = d₃,

де d₁ – клас технічного стану, який відповідає нормальному стану; d₂ – клас технічного стану, який відповідає ризику експлуатації, d₃ - клас технічного стану, який відповідає аварійному граничному режиму.

Перелік посилань

1. Костерев Н.В., Бардик Е.И. Диагностика электрооборудования электростанций и подстанций с использованием нечеткой логики. – Матеріали другої міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні наукові дослідження 2006». Том 15. Технічні науки. – Дніпропетровськ, 2006 – с. 75-78.

2. Алексеев Б.Л. Контроль состояния крупных силовых трансформаторов. – М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2002. – 216с.

3. Голоднов Ю.М. Контроль за состоянием трансформаторов - М.: Энергоатомиздат, 1988. – 88 c. с ил.

4. Богатырев Л.Л. Методы диагностирования технических систем в условиях нечеткой исходной информации. – Изд. Вузов. Сер. Электромеханика, 1995, N1–2, с. 130-131 .