特開 2023-183039 変圧器の診断装置および変圧器の診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183039

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】変圧器の診断装置および変圧器の診断方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 27/00 20060101AFI20231220BHJP

【ＦＩ】

H01F27/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096409

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北山 匡史

【テーマコード（参考）】

5E059

【Ｆターム（参考）】

5E059BB15

(57)【要約】

【課題】変圧器の異常を高精度で推定することができる変圧器の診断装置および変圧器の診断方法を提供する。
【解決手段】変圧器の診断装置１は、変圧器２内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、変圧器２内の絶縁紙の平均重合度を計測する油中ガス分析装置８と、変圧器２の寿命損失に基づく変圧器２の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、平均重合度である観測変数と状態変数との関係を表す観測方程式と、油中ガス分析装置８によって計測された平均重合度の測定値とに基づいて、変圧器２の異常を判定する異常判定装置３とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、前記変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測する分析装置と、
前記変圧器の寿命損失に基づく前記変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、前記平均重合度である観測変数と前記状態変数との関係を表す観測方程式と、前記分析装置によって計測された平均重合度の測定値とに基づいて、前記変圧器の異常を判定する異常判定装置と、を備えた変圧器の診断装置。

【請求項2】

前記異常判定装置は、前記状態方程式として式（Ａ１）を用い、前記観測方程式として式（Ａ２）を用い、

【数1】

ただし、Ｒｔは、時刻ｔの残存寿命、Ｄｔは、時刻ｔの平均重合度、Ｖｔは、時刻ｔの寿命損失、ｕｔは、時刻ｔのシステムノイズ、ｖｔは、時刻ｔの観測ノイズである、請求項１記載の変圧器の診断装置。

【請求項3】

前記異常判定装置は、前記変圧器のホットスポット温度に基づいて、前記変圧器の寿命損失を算出する、請求項２記載の変圧器の診断装置。

【請求項4】

前記異常判定装置は、粒子フィルタリングを用いて、前記状態変数を推定する、請求項３に記載の変圧器の診断装置。

【請求項5】

変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、前記変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測するステップと、
前記変圧器の寿命損失に基づく前記変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、前記平均重合度である観測変数と前記状態変数との関係を表す観測方程式と、計測された平均重合度の測定値とに基づいて、前記変圧器の異常を判定するステップとを含む、変圧器の診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、変圧器の診断装置および変圧器の診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電力会社の変電所に設置している変圧器は電力供給に重要な機器であり、診断の高度化が求められている。油入変圧器の寿命は、コイル絶縁紙の劣化に大きく依存する。長時間高温で運転するとコイル絶縁紙は熱劣化し、寿命に大きく影響することとなる。コイル絶縁紙の劣化は、絶縁油中の特定成分を計測する方法が一般的に採用されている。この特定成分を計測する方法の例としては、フルフラール法またはＣＯ＋ＣＯ２法などがある。一方、絶縁紙の劣化度合いは絶縁紙の平均重合度（Degree of polymerization）で判定することもできる。しかし、平均重合度は直接計測できないため、変圧器内部の絶縁油を採取し、この絶縁油中の特定成分を計測し、この特定成分の量と平均重合度との相関関係に基づいて重合度を推定する方法が採用されてきた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２５０８７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、この相関関係は時間には依存しない静的な関係であり、時系列での状態変化が考慮されていないという問題点がある。

【0005】

一方、油入変圧器の過負荷による温度上昇とそれによる寿命低減については、IEC 60076-7やIEEE C57.91に記載されている。これらの規格では、油入変圧器のコイルの最も温度の高いホットスポット部分の温度による寿命損失（Loss of life）を規定している。

【0006】

上記の相関関係は特定成分量と平均重合度の２者の関係であり、その他の計測量を用いても、温度を含めた３者の相関関係を示すことは難しいという問題点がある。それに加えて、上記で指摘した時系列での状態変化を算定することは難しく、時系列での寿命損失の変化とこの寿命損失による変圧器の異常を推定することはできないという問題点がある。

【0007】

それゆえに、本開示の目的は、変圧器の異常を高精度で推定することができる変圧器の診断装置および変圧器の診断方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の変圧器の診断装置は、変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測する分析装置と、変圧器の寿命損失に基づく変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、平均重合度である観測変数と状態変数との関係を表す観測方程式と、分析装置によって計測された平均重合度の測定値とに基づいて、変圧器の異常を判定する異常判定装置とを備える。

【0009】

本開示の変圧器の診断方法は、変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測するステップと、変圧器の寿命損失に基づく変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、平均重合度である観測変数と状態変数との関係を表す観測方程式と、計測された平均重合度の測定値とに基づいて、変圧器の異常を判定するステップとを含む。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、変圧器の異常を高精度で推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１の変圧器の診断装置１の構成を表わす図である。

【図2】実施の形態１の変圧器２の診断方法の手順を表わすフローチャートである。

【図3】表示装置４の表示例を表わす図である。

【図4】平均重合度の確率分布、および異常しきい値分布の例を表わす図である。

【図5】異常判定装置３の機能をソフトウェアを用いて実現する場合の異常判定装置３の構成を表わす図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0013】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の変圧器の診断装置１の構成を表わす図である。

【0014】

変圧器の診断装置１は、油中ガス分析装置５と、温度センサ６と、伝送装置８と、計測データベース７と、異常判定装置３と、表示装置４とを備える。

【0015】

温度センサ６は、変圧器２の巻線に近い部分に設置される。温度センサ６は、３０分～１時間の頻度で変圧器２のホットスポット温度を計測する。ホットスポット温度の代わりに、計測しやすい油温を計測して、油温とホットスポット温度との差を推定してホットスポット温度が推定されるものとしてもよい。ホットスポット温度の推定方法は、たとえば、IEC 60076-7に記載されたように、過渡現象を考慮した過渡特性付き熱的等価モデルによって表される微分方程式によって得る方法を用いることができる。

【0016】

油中ガス分析装置５は、変圧器２の近傍に設置される。油中ガス分析装置５は、１年に一度などの頻度で採油された絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量を得る。油中ガス分析装置５は、溶解ガス量に基づいて絶縁紙の平均重合度を計算する。

【0017】

計測データベース７は、得られた計測値を蓄積する。

【0018】

伝送装置８は、計測結果を伝送する。

【0019】

異常判定装置３は、変圧器２の異常を判定する。

【0020】

異常判定装置３は、変圧器２が稼働開始した初期寿命から寿命損失を減算することにより、直接的に観測できない残存寿命を推定する。残存寿命を状態方程式で表し、半直接的に観測できる平均重合度を残存寿命の関数として観測方程式で表す状態空間モデルとして表現する。

【0021】

すなわち、異常判定装置３は、変圧器２の寿命損失に基づく変圧器２の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、平均重合度である観測変数と状態変数との関係を表す観測方程式と、油中ガス分析装置５によって計測された平均重合度の測定値とに基づいて、状態変数を推定し、状態変数の推定値に基づいて、変圧器２の異常を判定する。

【0022】

表示装置４は、異常判定結果などを表示する。

【0023】

異常判定装置３は、予測部３１と、尤度推定部３２と、劣化判定部３３とを備える。

【0024】

予測部３１は、ｎ回目に計測したホットスポット温度θ_Ｈに対する寿命損失Ｖｎを式（１）によって算出する。θ_Ｈ＝１１０℃のときにＶｎ＝１、θ_Ｈが１１０℃より大きいときにＶｎ＞１、すなわち劣化が加速され、θ_Ｈが１１０℃より小さいときにＶｎ＜１、すなわち劣化が減速されることとなる。

【0025】

【数1】

【0026】

予測部３１は、１年間に計測時間間隔Δｔで、Ｍ回温度計測したとき、１年間の寿命損失Ｖを式（２）によって算出する。Ｖｎが１より大きいとＶは実時間より長くなり、１より小さいとＶは実時間より短くなる。

【0027】

【数2】

【0028】

予測部３１は、変圧器２の平均重合度の計測値およびホットスポット温度の離散時間ｔ＝０、１、２、・・・、Ｎを用いて、残存寿命（Residual Life）Ｒの時刻ｔ－１とｔとの関係を示す式（３）の状態方程式を用いて、時刻ｔの残存寿命の確率分布を計算する。予測部３１は、時刻ｔの残存寿命Ｒと平均重合度Ｄの関係を示す式（４）の観測方程式を用いて時刻ｔの平均重合度Ｄの確率分布を計算する。

【0029】

【数3】

【0030】

ただし、Ｒｔは、時刻ｔの残存寿命、Ｄｔは、時刻ｔの平均重合度、Ｖｔは、時刻ｔの寿命損失、ｕｔは、時刻ｔのシステムノイズ、ｖｔは、時刻ｔの観測ノイズである。

【0031】

予測部３１は、Ｌ回の乱数によりシステムノイズを発生させ、時刻ｔの寿命損失をホットスポット温度の計測値を用いて式（２）で計算し、時刻ｔ－１の残存寿命から乱数で発生したシステムノイズを用いて時刻ｔの寿命損失を式（３）で計算する。残存寿命はＬ個得られることになる。これを残存寿命Ｒｔの確率分布と呼ぶ。

【0032】

尤度推定部３２は、それぞれの寿命損失について、観測ノイズの確率分布と時刻ｔでの残存寿命Ｒｔを用いて、式（４）の観測方程式で、時刻ｔの平均重合度の確率分布が得られる。平均重合度の計測値を式（４）に代入すると、平均重合度が計測される確率が得られる。時刻ｔの残存寿命はＬ個あるため、それぞれの残存寿命について平均重合度の計測値が得られる確率もＬ個得られる。時刻ｔでの平均重合度の計測値を用いて状態方程式で計算した平均重合度の確率分布に対してベイズ推定によって平均重合度の尤度を計算する。

【0033】

すなわち、尤度推定部３２は、計測データに基づいて変圧器２の残存寿命Ｒｔの確率分布を推定する。ベイズ推定では、Ｘを確率密度関数Ｐにおける確率変数とみなす。Ｐ（Ｘ）は確率変数Ｘの事前確率密度分布、Ｐ（Ｘ｜Ｙ）は計測値Ｙが得られたときの確率変数Ｘの事後確率密度分布、Ｐ（Ｙ｜Ｘ）は確率変数Ｘについて計測値Ｙが得られる事後確率密度分布であり、尤度と呼ばれる。

【0034】

本実施の形態では、尤度推定処理で事後確率密度分布を推定する方法として粒子フィルタを用いる。粒子フィルタでは、確率変数Ｘの事後確率密度分布Ｐ（Ｘ｜Ｙ）を、多数の粒子を有する粒子群の分布で近似する手法であり、予測処理と尤度推定を繰り返すことによって確率変数Ｘの事後確率密度分布を時系列で更新していく。粒子Ｘｔの数をＬ個とすると、Ｘｔ＝｛Ｘｔ（１）、Ｘｔ（２）、・・、Ｘｔ（Ｌ）｝で表される。残存寿命Ｒｔが粒子に相当し、それぞれの粒子がＬ個を生成されることになる。

【0035】

観測方程式を用いて粒子に対して、観測ノイズの確率分布を考慮して時刻ｔにおける平均重合度Ｄｔの予測値の確率分布が生成される。この予測値の確率分布と平均重合度の計測値ＹＤｔを用いて、ｉ番目の粒子に対してこの計測値の得られる確率として重みｗ（ｉ）が計算される。各粒子Ｘｔの重みｗ（ｉ）の総和に対する割合として重みに応じたリサンプリングが行われる。リサンプリングでは、重み値に基づき、各粒子を再生成し、重みに従った新たな粒子群が生成される。すなわち、粒子Ｘｔの重みｗ（ｉ）を、全ての粒子の重みの総和で除算した値の確率に基づいて各粒子が生成されて、新しい粒子群となる。

【0036】

劣化判定部３３は、推定された残存寿命に基づいて、変圧器２の異常を判定する。

【0037】

図２は、実施の形態１の変圧器２の診断方法の手順を表わすフローチャートである。

【0038】

ステップＳ１０１において、予測部３１は、次のように初期化処理が実行する。

【0039】

Ｄ０＝１１００、Ｒ０＝１８０００とする。

【0040】

ステップＳ１０２において、予測部３１は、予測処理を実行する。

【0041】

具体的には、予測部３１は、式（１）、（２）に基づいて、１年間の寿命損失Ｖを計算して、それをＶｔとする。

【0042】

予測部３１は、式（５）～（８）に基づいて、粒子の数Ｌだけ、時刻ｔの残存寿命Ｒｔ（ｉ）、および平均重合度Ｄｔ（ｉ）を算出する。ｕｔ（ｉ）は、時刻ｔのシステムノイズ、ｖｔ（ｉ）は、時刻ｔの観測ノイズであり、ｒａｎｄは一様乱数である。

【0043】

【数4】

【0044】

ステップＳ１０３において、尤度推定部３２は、尤度推定処理を実行する。具体的には、尤度推定部３２は、時刻ｔの平均重合度の観測値ＹＤｔを取得する。尤度推定部３２は、式（９）に基づいて、各粒子の平均重合度の尤度（重み）ｗｔ（ｉ）を計算する。

【0045】

【数5】

【0046】

次に、劣化判定部３３は、式（１０）に従って、重みｗｔ（ｉ）から正規化した重みｎｗｔ（ｉ）を算出する。

【0047】

【数6】

【0048】

ステップＳ１０４において、劣化判定部３３は、劣化判定処理を実行する。劣化判定部３３は、式（１１）に従って、粒子ｉの時刻ｔの残存寿命Ｒｔ（ｉ）を加重平均して、残存寿命ＭＲｔを得る。

【0049】

【数7】

【0050】

劣化判定部３３は、式（１２）に従って、平均重合度ＭＤｔを得る。

【0051】

【数8】

【0052】

劣化判定部３３は、平均重合度ＭＤｔが閾値ＭＤ以上の場合に、変圧器２が正常であると判定し、平均重合度ＭＤｔが閾値ＭＤ未満の場合に、変圧器２が異常であると判定する。

【0053】

変圧器２が異常であると判定された場合には、処理がステップＳ１０５に進む。変圧器２が正常であると判定された場合には、処理がステップＳ１０６に進む。

【0054】

ステップＳ１０５において、劣化判定部３３は、異常判定結果、残存寿命ＭＲｔ、および平均重合度ＭＤｔを表示装置４に表示する。

【0055】

ステップＳ１０６において、ｔが終了時刻の場合に、処理がステップＳ１０７に進む。ｔが終了時刻でない場合に、処理がステップＳ１０８に進む。

【0056】

ステップＳ１０７において、劣化判定部３３は、残存寿命ＭＲｔ、および平均重合度ＭＤｔを表示装置４に表示する。

【0057】

ステップＳ１０８において、予測部３１は、正規化した重みｎｗｔ（ｉ）に応じた確率で粒子Ｒｔを再度Ｌ回サンプリングする。すなわち、予測部３１は、均等な１／Ｌの確率でなくｎｗｔ（ｉ）の確率で粒子Ｒｔ＝｛Ｒｔ（１）、Ｒｔ（２）、・・、Ｒｔ（Ｌ）｝を選ぶ。この得られたＬ個の粒子が時刻ｔの確率分布となる。ｎｗｔ（ｉ）が均等に１／ＬだとＲｔ（ｉ）はそれぞれ１つずつ得られる。ｎｗｔ（ｉ）が大きいと、Ｒｔ（ｉ）は２つ以上得られ、ｎｗｔ（ｉ）が小さいとＲｔ（ｉ）は０個になる。

【0058】

予測部３１は、同様に、正規化した重みｎｗｔ（ｉ）に応じた確率で粒子Ｄｔを再度Ｌ回サンプリングする。

【0059】

ステップＳ１０９において、予測部３１は、ｔをインクリメントする。

【0060】

図３は、表示装置４の表示例を表わす図である。

【0061】

変圧器の設置場所、設置位置、メーカ、容量などの属性とともに、平均重合度の計測値、デジタルツインシミュレーションの結果である残存寿命として、平均重合度の確率分布における平均値と９５％、９９％信頼度区間が示される、判定結果が異常の場合には、異常であること表示される。平均重合度の確率分布における平均値は、ＭＤｔである。

【0062】

実施の形態２．
図４は、平均重合度の確率分布、および異常しきい値分布の例を表わす図である。

【0063】

劣化判定部３３は、得られた平均重合度の確率分布と、平均重合度の異常判定を行う異常しきい値分布を用いて、平均重合度が正常である確率Ｐ０（ｘ）と異常である確率Ｐ１（ｘ）の比の対数で示される対数尤度比ＬＲを算出する。平均重合度の確率分布は、Ｄｔ（１）～Ｄｔ（Ｌ）から得られる。

【0064】

【数9】

【0065】

劣化判定部３３は、対数尤度比ＬＲが閾値を超える場合に、変圧器２が異常と判定することができる。

【0066】

変形例．
本開示は、上記の実施形態に限定されるものではない。たとえば、以下のような変形例も想定される。

【0067】

（１）カルマンフィルタ
上記の実施形態では、尤度推定処理で事後確率密度分布を推定する方法として粒子フィルタを用いたが、これに限定されるものではない。たとえば、カルマンフィルタが用いられるものとしてもよい。

【0068】

（２）初期値の学習
図２のフローチャートの処理によって推定された残存寿命と、実際の変圧器の寿命とに基づいて、図２のフローチャートのステップＳ１０１のＤ０とＲ０の初期化される値を変更するものとしてもよい。

【0069】

たとえば、Ｄ０＝１１００、Ｒ０＝１８０００に設定したときに、時刻ｔ＝３において、ステップＳ１０４がＹＥＳと判断された場合に、実際に変圧器２が寿命に達していなかった場合には、異常判定装置は、Ｄ０の値を１１００よりも小さな値に設定し、Ｒ０の値を１８０００よりも小さな値に設定するものとしてもよい。

【0070】

（３）深層学習
異常判定装置は、平均重合度の時系列変化を学習などによって学習し、将来の平均重合度を予測するものとしてもよい。そして、異常判定装置は、予測された将来の平均重合度を測定値の代わりに用いて、将来の残存寿命を推定するものとしてもよい。

【0071】

学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習（Ｄｅｅｐ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）を用いることもでき、他の公知の方法、例えば遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。

【0072】

（４）実施の形態で説明した異常判定装置３は、相当する動作をデジタル回路のハードウェアまたはソフトウェアで構成することができる。異常判定装置３の機能をソフトウェアを用いて実現する場合には、異常判定装置３は、例えば、図５に示すように、バス１００１で接続されたプロセッサ１００３とメモリ１００２とを備え、メモリ１００２に記憶されたプログラムをプロセッサ１００３が実行するようにすることができる。

【0073】

（５）付記
（付記１）
変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、前記変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測する分析装置と、
前記変圧器の寿命損失に基づく前記変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、前記平均重合度である観測変数と前記状態変数との関係を表す観測方程式と、前記分析装置によって計測された平均重合度の測定値とに基づいて、前記変圧器の異常を判定する異常判定装置と、を備えた変圧器の診断装置。

【0074】

（付記２）
前記異常判定装置は、前記状態方程式として式（Ａ１）を用い、前記観測方程式として式（Ａ２）を用い、

【0075】

【数10】

【0076】

ただし、Ｒｔは、時刻ｔの残存寿命、Ｄｔは、時刻ｔの平均重合度、Ｖｔは、時刻ｔの寿命損失、ｕｔは、時刻ｔのシステムノイズ、ｖｔは、時刻ｔの観測ノイズである、付記１記載の変圧器の診断装置。

【0077】

（付記３）
前記異常判定装置は、前記変圧器のホットスポット温度に基づいて、前記変圧器の寿命損失を算出する、付記１または２記載の変圧器の診断装置。

【0078】

（付記４）
前記異常判定装置は、粒子フィルタリングを用いて、前記状態変数を推定する、付記１～３のいずれか１項に記載の変圧器の診断装置。

【0079】

（付記５）
変圧器内の絶縁油に溶解する特定成分の溶解ガス量から、前記変圧器内の絶縁紙の平均重合度を計測するステップと、
前記変圧器の寿命損失に基づく前記変圧器の残存寿命である状態変数の時間変化の関係を表わす状態方程式と、前記平均重合度である観測変数と前記状態変数との関係を表す観測方程式と、計測された平均重合度の測定値とに基づいて、前記変圧器の異常を判定するステップとを含む、変圧器の診断方法。

【0080】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0081】

１ 変圧器の診断装置、２ 変圧器、３ 異常判定装置、４ 表示装置、５ 油中ガス分析装置、６ 温度センサ、７ 計測データベース、８ 伝送装置、３１ 予測部、３２ 尤度推定部、３３ 劣化判定部、１００１ バス、１００２ メモリ、１００３ プロセッサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】