TWI693415B - 變壓器診斷方法及其系統、電腦程式產品及電腦可讀取記錄媒體 - Google Patents
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Abstract
一種變壓器診斷方法，包含相關係數運算步驟、機率密度函數估算步驟、門檻值演算步驟及待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟。主要先依據正常變壓器絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料間相關係數估算之正常群機率密度函數、及異常變壓器絕緣油產生之異常氣體含量資料與多筆正常氣體含量資料間相關係數估算之異常群機率密度函數，而可演算一門檻值。再依據待診斷氣體樣品資料與多筆正常氣體含量資料間之相關係數、與已獲取之門檻值進行比對，可判斷該待診斷變壓器正常與否。該變壓器診斷方法可由系統執行，或者編程為程式再供電腦執行。
Description
本發明係涉及變壓器，尤指變壓器診斷方法及其系統、電腦程式產品及電腦可讀取記錄媒體。
變壓器為變電設備的重要元件之一，其狀態直接影響供電穩定性及安全性，也因此變壓器狀態的診斷、檢修一直以來是各界重視的課題。
變壓器(例如油浸式變壓器)的診斷方式之一是利用其油中溶解的氣體含量做為判斷依據，相關技術例如有中國大陸發明專利編號第CN104820146A號之「基於變壓器油中溶解氣體監測數據的變壓器故障預測方法」、中國大陸發明專利編號第CN105550700A號之「一種基於關聯分析和主成分分析的時間序列數據清洗方法」等。
但目前仍有待提出一種新的診斷方式，以便於檢測人員因應需求的不同來選擇。此外，目前的診斷方式並未將維護成本納入考量的依據。
爰此，為提出有別於過去的變壓器診斷方式，本發明人提出一種變壓器診斷方法，包含下列步驟：一相關係數運算步驟、一機率密度函數估算步驟、一門檻值演算步驟及一待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟。
該相關係數運算步驟：以一相關係數運算模組運算正常變壓器絕緣油產生的多筆正常氣體含量資料間相關係數之一正常群相關係數分布資料，該相關係數運算模組並運算異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料與前述多筆正常氣體含量資料間相關係數之一異常群相關係數分布資料，這些相關係數其數值介於-1與1之間。
該機率密度函數估算步驟：以一機率密度函數估算模組依據該正常群相關係數分布資料估算一正常群機率密度函數，該機率密度函數估算模組並估算該異常群相關係數分布資料之一異常群機率密度函數。
該門檻值演算步驟：以一門檻值演算模組依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、歷史統計資料之設備故障統計機率及預設之檢修費用資訊，以最低費用為準則演算前述門檻值。
該待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟：取得一待診斷變壓器絕緣油產生之一待診斷氣體樣品資料，以一樣品分析模組運算該待診斷氣體樣品資料與前述正常氣體含量資料之一待比對相關係數；接著以一比對模組比對該待比對相關係數與該門檻值，以在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，判斷該待診斷變壓器為正常。
進一步，前述正常氣體含量資料及前述異常氣體含量資料皆包含氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳之氣體種類的氣體含量資料。
進一步，該相關係數運算模組係依據一皮爾森積差相關係數(Pearson Product-Moment Correlation Coefficient)公式進行運算：
其中r為任兩組氣體含量資料(xi及yi,i=1,2,…,n)間之相關係數；n代表前述氣體種類之編號。
進一步，該機率密度函數估算步驟：由該機率密度函數估算模組取得x筆正常變壓器之正常氣體含量資料，每筆正常氣體含量資料皆有6個變數：氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳，依上述皮爾森積差相關係數公式進行兩兩運算得到x(x-1)個相關係數值，再以機率密度函數估算法得到正常群機率密度函數
。
進一步，該機率密度函數估算步驟：由該機率密度函數估算模組取得y筆異常變壓器之氣體含量資料，每筆異常氣體含量資料皆有6個變數：氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳，利用此y筆異常與前述x筆正常資料，依上述皮爾森積差相關係數公式進行兩兩交叉運算得到xy個相關係數值，再以前述機率密度函數估算法得到異常群機率密度函數
。前述機率密度函數估算法為所屬領域通常知識者所慣用，可見於一般文獻中，故為求簡明，於此不再詳加敘述。
進一步，該門檻值依據維護與檢修成本最小化之一成本公式進行演算。詳細而言，該成本公式可包含：
其中，cost為維護與檢修成本；η為待演算之門檻值；P(H1)與P(H0)分別為依據歷史資料統計得到之變壓器正常工作及異常之機率；C00為異常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C01為異常變壓器被判斷為變壓器正常，繼續運作發生故障而造成之損失與維修費；C10為正常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C11為正常變壓器被判斷為正常變壓器之費用(一般為0)；
為前述估算得到之正常群機率密度函數；
為前述估算得到之異常群機率密度函數。
本發明可為一種變壓器診斷方法，包含下列步驟：運算變壓器正常運作時絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料間相關係數之一正常群相關係數分布資料，並運算異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料與前述多筆正常氣體含量資料間相關係數之一異常群相關係數分布資料；估算該正常群相關係數分布資料之一正常群機率密度函數，並估算該異常群相關係數分布資料之一異常群機率密度函數；依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、設備故障統計機率及檢修費用資訊，以最低費用為準則演算一門檻值，以該門檻值作為判斷一待診斷變壓器正常與否的依據。
本發明亦可為一種電腦程式產品，內儲一程式，當電腦載入該程式並執行後，可完成如前所述之變壓器診斷方法。
本發明也可為一種電腦可讀取記錄媒體，內儲一程式，當電腦載入該程式並執行後，可完成如前所述之變壓器診斷方法。
本發明並可為一種變壓器診斷系統，包含：一處理單元、一儲存單元、一相關係數運算模組、一機率密度函數估算模組、一門檻值演算模組、一樣品分析模組及一比對模組。
該儲存單元連接該處理單元，儲存正常變壓器絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料及異常變壓器絕緣油產生之多筆至少一筆異常氣體含量資料。
該相關係數運算模組連接該處理單元，用以運算前述多筆正常氣體含量資料間相關係數之一正常群相關係數分布資料，該相關係數運算模組並運算前述異常氣體含量資料與前述多筆正常氣體含量資料之一異常群相關係數分布資料。
該機率密度函數估算模組連接該處理單元，用以依據該正常群相關係數分布資料估算一正常群機率密度函數，並估算該異常群相關係數分布資料之一異常群機率密度函數。
該門檻值演算模組連接該處理單元，用以依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、歷史統計資料之設備故障統計機率及預設之檢修費用資訊，以最低費用為準則演算一門檻值。
該樣品分析模組連接該處理單元，用以運算一待診斷變壓器絕緣油產生之一待診斷氣體樣品資料與前述正常氣體含量資料之一待比對相關係數。
該比對模組連接該處理單元，用以比對該待比對相關係數與該門檻值，以在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，判斷該待診斷變壓器為正常。
進一步，依據維護與檢修成本最小化之一成本公式進行演算前述門檻值。該成本公式包含：
其中，cost為維護與檢修成本；η為待演算之門檻值；P(H1)與P(H0)分別為依據歷史資料統計得到之變壓器正常工作及異常之機率；C00為異常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C01為異常變壓器被判斷為變壓器正常，繼續運作發生故障而造成之損失與維修費；C10為正常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C11為正常變壓器被判斷為正常變壓器之費用(一般為0)；
為前述估算得到之正常群機率密度函數
為前述估算得到之異常群機率密度函數。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.可依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、設備故障統計機率及檢修費用資訊，以最低費用為準則演算一門檻值，以該門檻值作為判斷一待診斷變壓器正常與否的依據，讓門檻值的決定相較自訂方式更為客觀，使變壓器的診斷可符合成本效益。
2.依據成本公式調整門檻值，訂定機制相較於自訂方式較為客觀。
(100):變壓器診斷系統
(1):處理單元
(2):儲存單元
(21):正常氣體含量資料
(22):異常氣體含量資料
(23):待診斷氣體樣品資料
(3):相關係數運算模組
(4):機率密度函數估算模組
(5):門檻值演算模組
(6):樣品分析模組
(7):比對模組
(S01):相關係數運算步驟
(S02):機率密度函數估算步驟
(S03):門檻值演算步驟
(S04):待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟
η:門檻值
[第一圖]係本發明實施例之系統方塊示意圖。
[第二圖]係本發明實施例之主要步驟流程示意圖。
[第三圖]係本發明實施例之正常群機率密度函數及異常群機率密度函數之示意圖。
綜合上述技術特徵，本發明變壓器診斷方法及其系統、電腦程式產品及電腦可讀取記錄媒體的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
請先參閱第一圖，係揭示本發明實施例變壓器診斷系統(100)，包含：一處理單元(1)、及連接該處理單元(1)之一儲存單元(2)、一相關係數運算模組(3)、一機率密度函數估算模組(4)、一門檻值演算模組(5)、一樣品分析模組(6)與一比對模組(7)。該儲存單元(2)用以儲存正常變壓器絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料(21)、異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料(22)及待診斷變壓器絕緣油產生之至少一筆待診斷氣體樣品資料(23)。於本實施例中，該變壓器診斷系統(100)是應用於診斷油浸式變壓器，故前述正常氣體含量資料(21)、前述異常氣體含量資料(22)及前述待診斷氣體樣品資料(23)皆包含氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳之氣體種類的氣體含量資料，以這些氣體種類作為診斷的指標，但並不以此為限。
續請參閱第二圖搭配第一圖，本實施例之變壓器診斷方法係以上述變壓器診斷系統(100)來執行，或者可編程為一程式並儲存於電腦程式產品或電腦可讀取記錄媒體。當電腦載入該程式並執行後，可完成前述之變壓器診斷方法。本實施例之變壓器診斷方法，主要包括下列步驟：一相關係數運算步驟(S01)、一機率密度函數估算步驟(S02)、一門檻值演算步驟(S03)及一待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟(S04)。要補充說明的是，該相關係數運算步驟
(S01)、該機率密度函數估算步驟(S02)及該門檻值演算步驟(S03)可預先執行取得比對所需的門檻值，以供後續不同待診斷氣體樣品資料反覆比對之用。
續請參閱第二圖搭配第一圖，該相關係數運算步驟(S01)：以前述相關係數運算模組(3)運算正常變壓器絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料(21)間之相關係數之一正常群相關係數分布資料，該相關係數運算模組(3)並運算異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料(22)與前述多筆正常氣體含量資料(21)間之一異常群相關係數分布資料。這些相關係數其數值介於-1與1之間。
續請參閱第二圖搭配第一圖，詳細而言，該相關係數運算模組(3)係依據一皮爾森積差相關係數(Pearson Product-Moment Correlation Coefficient)公式進行運算：
其中r為任兩組氣體含量資料(xi及yi,i=1,2,…,n)間之相關係數；n代表前述氣體種類之編號。
續請參閱第二圖搭配第一圖，於本實施案例之機率密度函數估算步驟中，由該機率密度函數估算模組(4)取得x筆正常變壓器之正常氣體含量資料，每筆正常氣體含量資料皆有6個變數：氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳，依上述皮爾森積差相關係數公式進行兩兩運算得到x(x-1)個相關係數值，再以機率密度函數估算法得到正常群機率密度函數
。
續請參閱第二圖搭配第一圖，於本實施案例之機率密度函數估算步驟中，由該機率密度函數估算模組(4)取得y筆異常變壓器之氣體含量資料，
每筆異常氣體含量資料皆有6個變數：氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳，利用此y筆異常與前述x筆正常資料，依上述皮爾森積差相關係數公式進行兩兩交叉運算得到xy個相關係數值，再以機率密度函數估算法得到異常群機率密度函數
。前述機率密度函數估算法為所屬領域通常知識者所慣用，可見於一般文獻中，故為求簡明，於此不再詳加敘述。
續請參閱第二圖搭配第一圖，該門檻值演算模組(5)可將該門檻值η進一步依據維護與檢修成本最小化進行演算。詳細而言，依據一成本公式調整，該成本公式包含：
其中，cost為維護與檢修成本；η為待演算之門檻值；P(H1)與P(H0)分別為依據歷史資料統計得到之變壓器正常工作及異常之機率；C00為異常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C01為異常變壓器被判斷為變壓器正常，繼續運作發生故障而造成之損失與維修費；C10為正常變壓器被判斷為異常時變壓器停機之檢修費用；C11為正常變壓器被判斷為正常變壓器之費用(一般為0)；
為前述估算得到之正常群機率密度函數；
為前述估算得到之異常群機率密度函數。
上述成本公式，使用成本最小化的最佳化分析可以得到一診斷準則：
其中H0代表為異常，H1代表正常。先前估算之
與
為r的函數且P(H1)、P(H0)、C00、C01、C10、C11皆為對應設備之已知數值，據此公式可以推導得到：
至此完成診斷設計。(參考第三圖)
續請參閱第二圖搭配第一圖，該待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟(S04)：以前述樣品分析模組(6)運算該待診斷氣體樣品資料(23)與前述正常氣體含量資料(21)之一待比對相關係數。具體來說，可計算該待診斷氣體樣品資料(23)與前述821筆正常變壓器之正常氣體含量資料(21)的至少一筆的相關係數或全部筆數的相關係數(例如取平均值)，即可取得該待比對相關係數。
續請參閱第二圖搭配第一圖，接著以前述比對模組(7)比對該待比對相關係數與該門檻值，以在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，判斷該待診斷變壓器為正常。反之，在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，可判斷該待診斷變壓器為異常。舉例來說，經過成本公式計算之門檻值為η，該門檻值η為0.7，因此當該待比對相關係數大於或等於0.7時，可判斷該待診斷變壓器為正常，若該待比對相關係數小於0.7時，可判斷該待診斷變壓器為異常(參考第三圖)。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(S01):相關係數運算步驟
(S02):機率密度函數估算步驟
(S03):門檻值演算步驟
(S04):待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟
Claims (6)
- 一種變壓器診斷方法，包含下列步驟：一相關係數運算步驟：以一相關係數運算模組運算正常變壓器絕緣油產生的多筆正常氣體含量資料間相關係數之一正常群相關係數分布資料，該相關係數運算模組並運算異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料與前述正常氣體含量資料間相關係數之一異常群相關係數分布資料；一機率密度函數估算步驟：以一機率密度函數估算模組依據該正常群相關係數分布資料估算一正常群機率密度函數，該機率密度函數估算模組並估算該異常群相關係數分布資料之一異常群機率密度函數；一門檻值演算步驟：以一門檻值演算模組依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、歷史統計資料之一設備故障統計機率及預設之一檢修費用資訊，以最低費用為準則演算一門檻值，其中，該門檻值依據一成本公式調整，該成本公式包含：
為前述估算得到之正常群機率密度函數；
為前述估算得到之異常群機率密度函數； 一待診斷氣體樣品資料分析步驟與診斷步驟：取得一待診斷變壓器絕緣油產生之一待診斷氣體樣品資料，以一樣品分析模組運算該待診斷氣體樣品資料與前述正常氣體含量資料之一待比對相關係數；接著以一比對模組比對該待比對相關係數與該門檻值，以在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，判斷該待診斷變壓器為正常。
- 如申請專利範圍第1項所述之變壓器診斷方法，其中，前述正常氣體含量資料及前述異常氣體含量資料皆包含氫氣、乙烯、乙炔、甲烷、乙烷、一氧化碳之氣體種類的氣體含量資料。
- 如申請專利範圍第2項所述之變壓器診斷方法，其中，該相關係數運算模組係依據一皮爾森積差相關係數(Pearson Product-Moment Correlation Coefficient)公式進行運算：
- 一種電腦程式產品，內儲一程式，當電腦載入該程式並執行後，可完成如請求項第1項至第3項中任一項所述之變壓器診斷方法。
- 一種電腦可讀取記錄媒體，內儲一程式，當電腦載入該程式並執行後，可完成如請求項第1項至第3項中任一項所述之變壓器診斷方法。
- 一種變壓器診斷系統，包含：一處理單元； 一儲存單元，連接該處理單元，儲存正常變壓器絕緣油產生之多筆正常氣體含量資料及異常變壓器絕緣油產生之至少一筆異常氣體含量資料；一相關係數運算模組，連接該處理單元，用以運算前述多筆正常氣體含量資料間相關係數之一正常群相關係數分布資料，並用以運算前述至少一筆異常氣體含量資料與前述多筆正常氣體含量資料間相關係數之一異常群相關係數分布資料；一機率密度函數估算模組，連接該處理單元，用以依據該正常群相關係數分布資料估算一正常群機率密度函數，並估算該異常群相關係數分布資料之一異常群機率密度函數；一門檻值演算模組，連接該處理單元，用以依據該正常群機率密度函數、該異常群機率密度函數、歷史統計資料之一設備故障統計機率及預設之一檢修費用資訊，以最低費用為準則演算一門檻值，其中，該門檻值演算模組依據維護與檢修成本最小化之成本公式演算前述門檻值，該成本公式包含：
為前述估算得到之正常群機率密度函數；
為前述估算得到之異常群機率密度函數； 一樣品分析模組，連接該處理單元，用以運算一待診斷變壓器絕緣油產生之一待診斷氣體樣品資料與前述正常氣體含量資料之一待比對相關係數；及一比對模組，連接該處理單元，用以比對該待比對相關係數與該門檻值，以在該待比對相關係數大於或等於該門檻值時，判斷該待診斷變壓器為正常。
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