摘要：变压器作为电网安全运行的主要设备，承担着电压转换与电能传输等职责，是保障人们正常用电的关键环节，如果变压器出现故障，不但会造成巨大经济损失，还会带来严重的社会影响。随着大容量智能电网的不断发展，对变压器的安全需求逐渐提高，电力行业发展面临严峻挑战。为此，电力公司将变压器检修规则作为依据，定期检修。此种方式虽然可以减少故障发生次数，但由于设备数量的高速增长，检修不全面、检修过度等现象导致严重资源浪费，有时还会影响正常供电。在线检测技术的兴起促进了变压器检修方式的改变，对故障做出准确诊断是变压器检修的必要前提。
关键词：数字孪生；电力变压器；绕组故障；诊断技术
引言
近年来由于第四次工业革命的推进，用电负荷逐步增强，电力变压器长时间过负荷运行。加之电力系统偶发的短路故障对变压器的冲击破坏，使得变压器出现绝缘性能老化、绕组轻微形变等不易被察觉的故障，迫使变压器处于危险的运行状态，引起变压器抗短路能力下降。随着故障的累积效应，变压器严重损坏，甚至烧毁，导致电力系统瘫痪，造成不可挽回的损失。
1数字孪生概述
2017年Grieves教授广泛总结各界观点后将数字孪生定义为：数字孪生是一组虚拟信息结构的集合，能够从微观原子层级到宏观几何层级上完整描述某一潜在的或实际制造的物理产品。在理想状态下，数字孪生能够包含反映其物理产品的所有信息。2017年，美国Defense Acquisition University大学（DAU）对数字孪生进行了定义：“数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程”。这一定义是目前关于数字孪生最为广泛接受的定义。目前学术界对数字孪生的定义多从对象设计、制造到全生命周期管理等角度展开，但由于研究的物理对象多样性，在此很难统一给出数字孪生的唯一定义。针对不同的物理对象，例如设备、工厂等，需要针对性的数字孪生模型，以配合特定的建模策略、功能需求。鉴于目前对数字孪生的定义多样性，笔者对数字孪生的定义进一步说明，建议以“数字孪生体”指代数字空间、物理对象对应的数字模型，以“物理-数字孪生系统”指代物理对象与数字孪生体构成的系统整体，以“数字孪生技术”指代所有涉及搭建数字模型进行仿真、分析、预测和控制的技术。笔者指出，数字孪生体系的特征为互动性、演绎性、共享性、社会性。演绎性指在虚拟空间中对物理实体对象的状态进行反演和预测；共享
性指数字孪生体之间通过统一标准化实现数据共享；社会性指数字孪生体能够自主演化，并反过来指导物理实体对象的操作与运行。笔者认为物理实体和其数学模型之间具有相同的物理规律和运行机理构成了数字孪生必备的基本特点。除此之外，数字孪生的其他4个重要特点分别为自治、同步、互动、共生。自治指数字孪生体和物理实体服从相同的物理规律并独立演化；同步指数字孪生模型需根据物理实体的变化不断修正自身结构和参数；互动即双相影响；共生即数字孪生体和物理实体共同发展。数字孪生技术在不同行业都有大量的应用实例。数字孪生技术的侧重点和功能作用各不相同，足以证明其适应性和巨大的活力。面对电力系统升级转型的重大需求，如何利用数字孪生技术更好地促进电网的发展还需要大量细致深入的研究工作。
2变压器故障分析
电力变压器必须是绝缘的，否则变压器不能正常工作；也就是说变压器上的绝缘系统的效果决定了变压器的整体工作性能，绝缘系统的故障占到变压器故障的至少80%，下面具体分析一下。绝缘故障往往是由绝缘件和绝缘系统在制造过程中的纰漏造成的。绝缘件往往是纸质材料，如果监控不够严格，其表面往往留有杂物，尤其是金属碎屑影响更大；又或者，绝缘
件在应用和生产的过程中极容易吸附气体，从而造成电离现象，当介质热量过高时，绝缘体就被破坏而导致绝缘故障。同时，如果变压器线圈相间绝缘距离不够，这种短路引起的隔板间场强会过高。从而导致长期运行状态下，油耗过大，甚至低于安全位置产生过热故障。还有就是，变压器油中的电粒子也会通过电粒子之间的小桥击穿绝缘。由此可见，影响变压器绝缘的因素绝对不是单一的，例如不同温度条件下之后含水量不平衡会有影响，有保护方式导致氧气加速绝缘分解的速率不同，由雷电和操作引起的过电压反应导致放电严重。绝缘体由于长期发生绝缘距离改变导致热量不流通而加速老化，变压器内部油的流动速度更快导致局部电场加强有可能导致绝缘体受损甚至破坏。
3数字孪生电力变压器绕组故障诊断技术分析
3.1数据库与模型分析技术
以交互性数据库为基础，通过对比数据库中信息对变压器进行诊断的专家系统诊断技术能够对故障中不确定的信息进行快速的推理分析，以达到快速、准确判别故障的目的。专家系统数据库通过将变压器故障诊断实践中积累的诊断经验，数据信息整合，使检测者能够根据变压器故障特征、测量数据迅速在系统中寻到最佳解决方案。针对目前变压器故障产生原因
复杂程度提升，提出了一种模糊推理诊断技术。该技术通过采用模糊推理数学模型，将搜集到的变压器故障数据信息与故障征兆相结合，并基于模糊覆盖及理论建立诊断模型，从而得到故障合集、征兆合集和两者之间关系的合集，为变压器的故障诊断和后处理提供辅助作用。由生物神经网络演变成的人工神经网络技术通过以搭建模型的形式对变压器故障进行识别，与其它技术相比具有极佳的自适应性，且带有智能化控制的特点。以神经网络为基础建立的自组织竞争网络技术通过训练将已有故障类型储存并进行分类，在分析故障时能够迅速识别，并且对于未储存的故障其可以自动学习归类，具有很高的数据处理能力。基于物联网建立一个综合服务系统，并通过可拓理论建立故障诊断模型，实现统一标准通信信息的感知和交换，完成智能信息的传输、测量和控制，为变压器故障处理提供更为精准的数据和措施。
3.2电路故障分析技术
白浩电路故障分析技术是以振动测量为基础，在电力变压器装置外完成相应作业内容，同时在装置内部发出信号，并根据振动信号的变化曲线分析特征信号，以便于了解现阶段电力变压器的正常工作状态。因为振动的频率与温度联系得紧密，所以随着温度增加，振动频率也就增
加了。当变压器设备内的多点接地出现故障后，将会导致线路温度的增加，因此测试效果较为明显。绕组出现故障就会造成铁芯故障振动增加，而变压器负荷的增加也将导致输出电压上升，电场力也随之增加，所以可利用振荡频率判断绕组和多点连接是否出现问题。
结束语
数字孪生变压器系统是包含故障诊断以及变压器全生命周期管理。想要完整的指导变压器的运行，不仅是诊断出故障还需要预估变压器的使用寿命。对变压器实现全方位的实时管理需要在5G、VR、区块链、物联网、大数据等技术方面有足够的研究，为工业4.0添砖加瓦。
参考文献
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