基于电网云数据管理的电气设备大数据移动实验室及其应用研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22125

基于电网云数据管理的电气设备大数据移动实验室及其应用研究

吴灏, 许晓, 彭紫楠, 郭宁辉, 王淇锋

国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，河北省石家庄市 050000

Research on Electrical Equipment Big Data Mobile Laboratory Based on Power Grid Cloud Data Management and Its Application

WU Hao, XU Xiao, PENG Zinan, GUO Ninghui, WANG Qifeng

Shijiazhuang Power Supply Branch, State Grid Hebei Electric Power Co. , Ltd. , Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China

收稿日期: 2022-12-01

基金资助:

国家电网有限公司总部科技项目. B304SJ210012

Received: 2022-12-01

作者简介 About authors

吴灏(1974)，男，高级工程师，研究方向为电气试验及设备管理，guoninghui2022@163.com。

摘要

针对目前变电站设备试验作业过程中遇到的效率低下、智能化作业水平低、数据信息化应用水平不高等问题，研发了基于电网云数据管理的移动实验室平台。重点阐述了该移动实验室平台内嵌专家分析系统在结果判定上的理论过程，结合变压器差动保护动作后的现场实际应用案例，依据低电压短路阻抗法、电容量法、频率响应特性法、变比及直阻试验测试结果，说明该试验平台在现场实际应用时，内嵌专家分析系统分析变压器遭受短路冲击后引发绕组形变状况的可靠性。最后，根据返厂解体检查结果，进一步验证该平台在现场应用的有效性。

关键词： 电力系统 ; 变电站 ; 变压器 ; 移动实验室 ; 云数据 ; 绕组变形

Abstract

Aiming at the problems of low efficiency, low level of intelligent operation and low level of data informatization application encountered in the current substation equipment test operation, a mobile laboratory platform based on grid cloud data management was developed. This paper focused on the theoretical process of the result judgment of the expert analysis system embedded in the mobile laboratory platform. Combined with the practical application cases of transformer differential protection after operation, according to the test results of low-voltage short-circuit impedance method, capacitance method, frequency response characteristic method, transformation ratio and direct resistance test, the reliability of the embedded expert analysis system to analyze the winding deformation caused by the short circuit impact of the transformer was illustrated. Finally, according to the results of the dismantling inspection after returning to the factory, the validity of the platform in the field application was further verified.

Keywords： power system ; substation ; transformer ; mobile laboratory ; cloud data ; winding deformation

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本文引用格式

吴灏, 许晓, 彭紫楠, 郭宁辉, 王淇锋. 基于电网云数据管理的电气设备大数据移动实验室及其应用研究. 发电技术[J], 2023, 44(3): 417-424 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22125

WU Hao, XU Xiao, PENG Zinan, GUO Ninghui, WANG Qifeng. Research on Electrical Equipment Big Data Mobile Laboratory Based on Power Grid Cloud Data Management and Its Application. Power Generation Technology[J], 2023, 44(3): 417-424 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22125

0 引言

变压器作为变电站最重要的电力设备，是电力系统运行的最核心变电设备，其运行的安全性在很大程度上决定着电网的可靠性^[1-3]。在电能实际传输过程中，变压器因外界因素可能会承受多种因单相或相间短路产生的故障电流的冲击，尤其是低压出口侧的短路故障和距离变电站2~3 km的近区短路故障对变压器造成的损伤最大。由近区短路故障造成的变压器绕组变形已逐渐成为变压器故障损坏和造成系统大范围停电的主要因素^[4-5]。目前，频率响应特性法(简称“频响法”)、低电压短路阻抗法和电容量法是测试变压器绕组变形的主要方法。频响法准确度高、重复性好，但在高频段时受杂散电容及静电影响较大，对检测人员的分析要求也较高^[6]。电容量法测试结果对比分析直观、简单，但其灵敏度较差，只有当绕组发生较大形变量时，才能发现绕组变形故障^[7]。低电压短路阻抗法测试接线简单，现场测试容易实现，但当绕组存在程度不明显变形或变形缺陷在某个绕组中表现不明显时，会因为端口参数变化不显著而造成测试数据反应不明显，且测量准确性易受温度、剩磁及电能质量影响^[8]。这3种方法的测试结果分析对作业人员的理论层次和变压器内部结构认识水平都有较高的要求，往往在现场无法及时、准确地给出试验结论。此外，变比、直阻测试方法与油样分析也可用于辅助判定变压器内部是否存在绕组变形、断裂及异常放电情况^[9]，进一步确定内部绕组是否存在问题，辅助给出最准确的试验结论。

本文研发了一套针对变压器试验的新装置，即基于电网云数据管理的移动实验室平台(变压器分基站)，其内嵌一套云平台专家分析系统，将3种试验方法所得数据进行收集存储并关联分析，结合其他试验结果，能够准确判定变压器内部绕组形变状况，有效提升电网运行的安全性和稳定性。

1 云平台专家分析系统理论模型搭建

1.1 绕组电容量法等值模型分析

判断变压器绕组变形的常见方法是电容量测试法。当变压器遭受不良工况后，绕组会产生一定的形变量，此时依据变压器内部结构搭建的网络模型中参数势必会发生相应的变化，变化量依据变压器承受冲击力的不同而不同^[10]。

根据介质损耗及电容量试验中所测电容量数据，得到高压绕组对地等效分布电容C₁、中压绕组对地等效分布电容C₂、低压绕组对地等效分布电容C₃、高压与中压绕组间等效分布电容C₄、中压与低压绕组间等效分布电容C₅。按照五电容量法计算得出各等效分布电容^[11]，即高压绕组对中压绕组、低压绕组及地的电容量，中压绕组对高、低压绕组电容量，低压绕组对高、中压绕组电容量，高、中压绕组对低压绕组电容量，高、中、低压绕组对地电容量，并与从电网云数据管理平台直接调取的该变压器出厂数据进行比较，判断绕组变形情况。云平台专家分析系统将该试验结论记录为结论1。

1.2 低电压短路阻抗法等值模型分析

变压器短路阻抗的参数定义为：在变压器规定额定频率与出厂测试环境相似温度下，在变压器低压侧短路时，将二次侧折算至一次侧时的变压器输入端的等效阻抗。变压器短路电抗由其固有参数决定，且短路电抗百分数与漏磁总面积成正比。若变压器绕组相对于周围接地装置的尺寸发生变化，必将引起感应漏磁通所走路径的变化，所以低电压短路阻抗试验可以通过测试变压器漏抗值的大小间接反映绕组变形程度。

在现场试验过程中，受现场加压试验设备的限制，测试电流往往达不到测试所规定的额定电流。而在变压器漏磁回路中，漏磁磁路的主要部分是由铜、油、纸等非磁性材料组成的，这些材料的磁导率仅为硅钢片导磁率的0.05%~0.06%，99.9%以上的磁压降落在由非磁性材料组成的磁路上，因此，代表短路阻抗值大小的漏电抗数值在试验电流从零增长到额定电流的过程中基本不变^[12]。在变压器例行试验过程中，现场测试可以采用施加较低电压测取的低电压短路阻抗测试值来代替额定电流下的短路阻抗试验测试值。低电压短路阻抗法测试绕组短路阻抗百分数计算公式^[13]如下：

U_{k} % \approx U_{k x} % = \frac{I_{k} X_{k}}{U_{k}} \times 100 %

(1)

式中： $U_{k} %$ 为相电压百分数； $U_{k x} %$ 为短路阻抗百分数；I_k 、X_k 分别为漏磁电流及漏电抗。

以测试结果为对比对象，从云端数据库获取的该变压器额定状况下出厂短路阻抗值为参考，计算变压器运行后或遭受冲击后的短路阻抗变化量，以输变电设备状态检修规程为依据，判定变压器绕组是否存在变形。云平台专家分析系统将该试验结论记录为结论2。

1.3 频响法等值模型分析

频响法是近几年来兴起的测试变压器绕组变形的非破坏性方法，通过测试曲线的对比可以较灵敏地反映绕组存在的微量变形。其理论核心为：基于变压器实际状况建立基于等效电感(互感)、等效电容和等效线性电阻构成的无源线性二端口网络，在变压器各侧绕组中注入频率大于1 kHz的电压信号，在变压器中，其铁芯的磁导率与空气的磁导率几乎相等，注入信号引起的激磁回路阻抗可忽略不计，由于变压器线圈绕组的电阻对电位分布的影响不大，计算时可将其忽略不计^[14]。因此，可建立如图1所示分布参数网络等效电路模型，其内部特性可通过传递函数H(jw)描述^[15]。

图1

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图1 变压器频响特性测试分布参数网络等效电路模型

Fig. 1 Equivalent circuit model of distributed parameter network for frequency response characteristic test of transformer

在测试过程中信号源U_S注入一组扫频信号，基于图1模型中电感、电容组成的等效电路会因为信号频率的不同而发生多频谐振现象，扫频频谱中直观表现为多个波峰、波谷的出现。当变压器绕组发生变形时，会引起等效模型中分布参数改变，测试曲线中波峰、波谷与正常情况相比肯定会发生位移或改变^[16]。因此，通过对所测幅频曲线和原始参考幅频曲线(即“指纹”)进行横向或纵向比较，依据曲线的相似程度(曲线相关性描述)可以判断绕组的形变状况。云平台专家分析系统将该试验结论记录为结论3。

1.4 结论决策

不管采用哪种方法，特别是频响法和电容量法，在现场应用过程中都容易受到杂散电容以及其他电磁信号的影响。但云平台专家分析系统会将各试验项目检测结果(油样化验结论4、变比检测结论5、直阻测试结论6等)在作为判定整体试验结论时的重要程度进行百分比赋值，按赋值比例对各试验项目结论进行加权评分，最后依据评分高低给出本次试验可能结论，弥补了单一试验项目容易引起误判的不足。该移动实验室平台中，主变分基站的应用可以快速模块化完成变压器例行试验，并准确快速给出试验结论。同时历史试验数据的调取无须再借用传统的纸质资料进行查询，云数据管理平台的介入使数据应用更可靠、方便、快捷。

2 现场试验应用及结果分析

2.1 变压器本体油样化验

跳闸事故发生后，首先采集变压器本体油样进行化验分析，试验结果如表1所示。

表1 某变压器差动保护动作跳闸后油样分析结果

Tab. 1 Analysis results of oil sample after differential protection tripping of a transformer

采样日期	油样成分体积比/(μL/L)
采样日期	H₂	CO	CO₂	CH₄	C₂H₄	C₂H₆	C₂H₂	总烃
2019/3/18	2.36	1 357.75	6 410.84	24.29	12.31	4.61	0	41.31
2020/5/11	1.94	1 543.65	6 014.74	23.29	11.97	3.71	0	38.97
2021/3/23	1.75	1 440.24	5 807.93	22.61	12.42	3.84	0	38.87
2021/8/5	42.45	1 456.65	7 047.95	36.31	33.49	5.83	40.5	116.16

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从油样分析结果可以看出，油样中C₂H₂体积比(40.5 μL/L)严重超标，H₂体积比(42.45 μL/L)和总烃体积比(116.16 μL/L)虽然未超过国家电网公司《五项通用管理规定》^[17]技术规范要求(变压器油中C₂H₂体积比小于5 μL/L，H₂体积比小于150 μL/L，总烃体积比小于150 μL/L)，但与历次测试值相比均存在明显增长；油样中主要表征成分为H₂和C₂H₂，次要表征成分为C₂H₄、CH₄、C₂H₆，由此判断为电弧放电的气体成分组成。同时，依据三比值法测算结果(1 0 2)，云平台专家分析系统判定变压器内部存在因某些因素而导致的电弧放电现象(结论4)。

2.2 介质损耗及电容量测试

变压器介质损耗及电容量试验结果如表2所示。可以看出，试验所测电容量与出厂值相比，中压对高、低压及地电容量，低压对高、中压及地电容量，高、中压对低压及地电容量均已产生显著变化。按式(1)进一步细化分解高、中、低压对地及相间电容量，通过电容量分解找出发生异常的确切位置。分解结果如表3所示。

表2 介质损耗及电容量试验结果

Tab. 2 Test results of dielectric loss and capacitance

测量位置	2021/8/6(故障后)		1999/10/23(出厂)		△C_x/%
测量位置	tanδ/%	C_x/pF	tanδ/%	C_x0/pF	△C_x/%
高压对中、低压及地(C_H)	0.212	11 120	0.26	11 460	2.97
中压对高、低压及地(C_M)	0.295	19 020	0.26	17 620	7.94
低压对高、中压及地(C_L)	0.336	19 850	0.61	18 240	8.83
高、中压对低压及地(C_HM)	0.320	14 950	0.27	8 489	76.1
高、中、低压对地(C_HML)	0.267	15 350	0.71	15 460	0.71

注：δ为介质损耗角；C_x0和C_x分别为出厂时和故障后加压部分对地电容量；△C_x为与出厂值相比电容量的变化量。

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表3 实测与出厂电容量分解值对照数据

Tab. 3 Comparison data of measured and factory capacitance decomposition values

电容量分解值	1999/10/23(出厂)	2021/8/6(故障后)	变化率/%
C₁/pF	1 164.5	3 525.0	202.7
C₂/pF	1 690.0	1 700.0	0.59
C₃/pF	12 605.5	10 125.0	-19.7
C₄/pF	10 295.5	7 595.0	-26.2
C₅/pF	5 634.5	9 725.0	72.6

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从表3可以看出，除中压对地等效分布电容量无明显变化外，其余等效分布电容量与出厂值相比均存在显著的变化。

电容量计算公式为

C = ε S / (4 k π d)

(2)

式中：ε为介电常数；S为电容极板横截面积；k为静电力常数；d为两极板间距离。

从式(2)可以看出，等效分布电容量的变化只与电容器两极板间距离d有关^[18]，即与内绕组的外半径 $R_{w 1}$ 、外绕组的内半径 $R_{w 2}$ 有关。因此，云平台专家分析系统根据电容量C₁、C₂、C₃增减情况可以推测，高压绕组向变压器外壳方向移动变形，中压绕组未产生明显变形，低压绕组向远离铁芯方向移动变形，C₄、C₅电容量变化规律也符合上述推测(结论1)。

2.3 低电压短路阻抗测试

低电压短路阻抗试验结果如表4所示，可以看出，高压对中压、高压对低压、中压对低压短路阻抗实测值与初值相比，其误差均超过国家电网公司《五项通用管理规定》的要求(±2%)，表明高、中、低压绕组均存在不同程度的变形。其中，中压对低压实测值与初值相比变化最大，表现为中压与低压参数变化最明显，即所测漏抗值计算得出的短路阻抗值变化最大，间接反映出中压或低压绕组变形较为严重(结论2)。

表4 低电压短路阻抗试验结果

Tab. 4 Test results of low-voltage short-circuit impedance

测试位置	短路阻抗	电流/A	A-B相测试电压/V	B-C相测试电压/V	C-A相测试电压/V	初始阻抗百分数/%	实测阻抗百分数/%	误差/%
高压对中压	9分接	3.59	229.61	229.56	229.61	10.10	10.42	3.17
高压对低压	9分接	2.18	229.85	230.48	230.49	18.10	17.61	-2.68
中压对低压	3分接	5.14	20.16	20.34	20.13	6.66	5.59	-15.97

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2.4 频响特性试验

频响法测试幅频曲线如图2—4所示，对应相关系数如表5—7所示。

图2

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图2 高压绕组三相幅频响应曲线图

Fig. 2 Three-phase amplitude-frequency response curves of high-voltage winding

图3

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图3 中压绕组三相幅频响应曲线图

Fig. 3 Three-phase amplitude-frequency response curves of medium-voltage winding

图4

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图4 低压绕组三相幅频响应曲线图

Fig. 4 Three-phase amplitude-frequency response curves of low-voltage winding

高压绕组测试结果显示：高压C相绕组响应曲线在低频段(1~100 kHz)与A、B两相相似性较差，相关系数表现为存在明显变形。依据图1所示模型构造的传递函数，在输入激励相同的情况下，低频段输出响应的变化主要体现在绕组等效电感。因此，推测高压绕组C相存在匝间或饼间短路的可能性。

中压绕组测试结果显示：中压C相绕组响应曲线在低频段、中频段(100~600 kHz)与A、B两相存在明显差异，中频段主要反映中压绕组因轴向或径向尺寸改变而引起的变化。因此，推测中压绕组C相存在匝间短路或轴向、径向的拉伸变形。

表5 高压绕组幅频曲线相关系数

Tab. 5 Correlation coefficient of amplitude-frequency curves of high-voltage winding

对比数据	相关系数	频段
对比数据	相关系数	低频段	中频段	高频段
HOA1-HOB1(1, 2)	2.953 6	1.949 3	2.619 2	2.443 5
HOA1-HOC1(1, 3)	2.132 3	0.875 5	2.215 0	1.614 7
HOB1-HOC1(2, 3)	2.193 1	0.820 1	2.343 5	1.951 7

注：橙色表示明显变形；蓝色表示轻度变形。

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表6 中压绕组幅频曲线相关系数

Tab. 6 Correlation coefficient of amplitude-frequency curves of medium-voltage winding

对比数据	相关系数	频段
对比数据	相关系数	低频段	中频段	高频段
HOA1-HOB1(1, 2)	1.290 6	1.557 1	1.013 4	1.698 6
HOA1-HOC1(1, 3)	0.684 2	0.825 5	0.448 3	0.600 1
HOB1-HOC1(2, 3)	0.639 4	0.778 6	0.358 6	0.691 9

注：橙色表示明显变形；蓝色表示轻度变形。

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表7 低压绕组幅频曲线相关系数

Tab. 7 Correlation coefficient of amplitude-frequency curves low-voltage winding

对比数据	相关系数	频段
对比数据	相关系数	低频段	中频段	高频段
HOA1-HOB1(1, 2)	0.922 8	0.783 4	0.643 8	1.156 5
HOA1-HOC1(1, 3)	0.897 6	2.079 6	0.844 3	1.296 7
HOB1-HOC1(2, 3)	0.462 0	0.826 0	0.293 4	0.751 3

注：橙色表示明显变形；蓝色表示轻度变形。

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低压绕组测试结果显示：低压B相绕组响应曲线在低频段、中频段与A、C两相存在明显差异。因此，推测低压绕组B相存在匝间短路或轴向、径向的拉伸变形。

依据高、中、低压绕组测试结论，结合相关系数变化的程度进行综合分析，判定中压C相绕组、低压B相绕组存在轴向或径向变形的可能性最大(结论3)。

2.5 变比、直阻试验

根据电容量、低电压短路阻抗以及频响特性测试结果，进行变比、直阻试验，作为判断绕组是否存在匝间短路故障的辅助测试。通过对比直阻测试结果、出厂数据及历次试验结果，未发现问题(结论6)。通过C相变比测试结果发现，其高对低、高对中测试结果显示不正常，经过与铭牌标准变比进行对比，其最大误差为28.2%，最小误差为25.3%，远远超过国家电网公司《五项通用管理规定》的要求(额定分接±0.5%，其他分接±1%)。由此判定，C相绕组存在匝间短路的可能性(结论5)。同时，在测试过程中出现了变比测试仪长时间处于测量界面，短时间内无法给出测量结果的现象，分析其原因为：仪器内部通过的电流已达到仪器所设定的保护电流值，如果在变压器绕组状态良好的情况下，仪器测试电流不可能达到保护电流值，变压器内部肯定存在因某种故障而导致的变压器测试电流增大现象。由此也可间接推测，变压器C相绕组存在匝间短路故障的可能性。

2.6 试验结果综合判定

综合分析以上试验结果：油样化验试验结果显示，变压器内部存在电弧放电(结论4)；电容量测试细化分解结果显示，高压与低压绕组存在变形(结论1)；根据低电压短路阻抗测试结果，推测严重变形的位置在绕组的中低压部分(结论2)；频响特性测试曲线及相关系数表明，中压C相、低压B相存在匝间短路及轴向或径向变形(结论3)；变比试验结果显示，C相绕组存在匝间短路可能性(结论5)。依据多项试验结果的集中指向性判定：中压C相绕组可能存在因匝间短路而造成的电弧放电，以及由短路电动力造成的绕组轴向或径向尺寸变形故障；低压B相绕组存在严重的移位、扭曲变形故障。

3 返厂解体分析验证

该变压器返厂后，通过吊罩检查器身外观、开关及引线，结果未发现异常。拆除B、C相上铁扼铁芯后，对C相调压线圈、高压线圈、中压线圈、低压线圈逐一进行检查，结果发现：C相高压线圈轻微变形，中压、低压线圈已出现严重变形及掉线情况；C相中压线圈上部匝间绝缘层已严重烧损，中、低压间绝缘隔板局部烧损。C相吊检结果如图5所示。

图5

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图5 C相吊检结果

Fig. 5 C-phase hanging inspection results

拆除A、B相上铁扼铁芯后，对A、B相调压线圈、高压线圈、中压线圈、低压线圈逐一进行检查，结果发现：A相线圈整体良好；B相中压线圈底部有变形且下部有疑似放电点，如图6所示；B相的垫块及低压部分倾斜角度与正常角度相比偏差过大，如图7所示。

图6

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图6 B相中压线圈下部放电点

Fig. 6 Discharge point at the lower part of B-phase medium-voltage coil

图7

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图7 B相低压线圈及垫块倾斜

Fig. 7 B-phase low-voltage coil and pad tilt

依据出厂前变压器各个绕组间距离参数，在本次解体后重新进行复测。由于解体部分线圈已发生严重变形，无法对所有线圈进行绕组直径测量，只对相对完好的部分绕组进行了直径测量，结果如表8所示。

表8 解体后部分绕组直径测试结果

Tab. 8 Test results of partial winding diameter after disintegration

线圈名称	测量尺寸/mm				图纸尺寸/mm
线圈名称	1	2	3	4	图纸尺寸/mm
A相高压线圈	1 016	1 018	1 020	1 017	1 019
A相中压线圈	802	803	798	800	800
B相高压线圈	1 023	1 022	1 020	1 018	1 019
B相中压线圈	802	810	806	795	800
C相高压线圈	1 016	1 023	1 021	1 017	1 019

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表8测量数据表明：C相高压线圈、B相中压线圈有轻度变形；B相高压线圈、A相中压线圈存在轻微变形；A相高压线圈未发现异常。结合本次试验测试数据，测量结果只对存在匝间短路放电、线圈严重径向扭曲变形的C相中压线圈，挤压掉线的C相低压线圈，以及整体严重倾斜扭曲变形的B相低压线圈反应明显，对存在轻度和轻微变形的绕组线圈反应不灵敏。同时，测量结果与2.6节所述试验判定结论完全吻合，验证了基于电网云数据管理的移动实验室平台应用的准确性与有效性。

4 结论

研发了基于电网云数据管理的移动实验室平台，基于该平台在变压器现场实际应用案例，按照最优化原则，将低电压短路阻抗法、电容量法、频响特性法、变比及直阻试验结果进行综合分析，准确判定变压器遭受短路冲击后引发的绕组形变状况。通过现场试验检测结论与返厂解体结果的对比，验证了该平台在现场应用的准确性与有效性，可将其广泛应用于变压器例行试验和出口短路故障后诊断试验。此外，该平台的应用在减少人力、降低作业风险、提高作业智能化程度及改善作业现场数据应用方面也有巨大的优势。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

周秀，怡恺，李刚，等．

基于邻域粗糙集与AMPOS-ELM的变压器DGA故障诊断

[J]．电力科学与技术学报，2022，37(3)：157-164．