配電設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

王記昌，鄭建欣，呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009）

1 概述

設(shè)備檢修是指通過(guò)一定的策略對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、維護(hù)、維修，以預(yù)防故障的發(fā)生或排除故障，保持設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)備檢修技術(shù)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，目前正向以計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)為核心的狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展。

2 設(shè)備檢修方式

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)備檢修的方式在不斷演變。第一次產(chǎn)業(yè)革命時(shí)期，事后檢修／故障檢修占據(jù)主導(dǎo)地位，這種檢修方式只能事后補(bǔ)救，不能預(yù)防事故的發(fā)生。19世紀(jì)第二次產(chǎn)業(yè)革命以電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用為代表，此時(shí)出現(xiàn)了預(yù)防性檢修，預(yù)防性檢修的目的是在故障發(fā)生前消除故障隱患。研究人員對(duì)預(yù)防性檢修不斷完善，根據(jù)檢修的條件、目標(biāo)開發(fā)不同的檢修方式：1）以時(shí)間為依據(jù)，預(yù)先設(shè)定檢修工作內(nèi)容和檢修周期的定期檢修策略（TBM，也稱檢修計(jì)劃SM）；2）以可靠性為中心的進(jìn)行策略（RCM），RCM是一種以最低的代價(jià)來(lái)保障機(jī)械設(shè)備固有可靠性水平的檢修方式。

1970年，美國(guó)杜邦公司首先提出了狀態(tài)檢修概念（CBM），或稱預(yù)診性檢修（PDM）。這種檢修方式依托計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)，以設(shè)備當(dāng)前的工作狀況為依據(jù)，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段獲取工作狀態(tài)參數(shù)，并利用先進(jìn)的評(píng)價(jià)算法診斷設(shè)備健康狀況，從而判斷設(shè)備是否需要檢修或確定檢修的最佳時(shí)機(jī)。CBM是一種先進(jìn)的檢修方式，目標(biāo)是減少設(shè)備停運(yùn)時(shí)間，提高設(shè)備可靠性和可用系數(shù)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低檢修維護(hù)費(fèi)用、改善設(shè)備運(yùn)行性能，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。TBM、RCM、CBM三者本質(zhì)上都屬于預(yù)防性檢修，并沒(méi)有明顯的界限，定期檢修中含有部分狀態(tài)檢修的因素，狀態(tài)檢修由定期檢修發(fā)展而來(lái)，二者均以提高可靠性為目標(biāo)。

3 電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修發(fā)展現(xiàn)狀

隨著近年來(lái)電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力企業(yè)加大對(duì)設(shè)備故障的預(yù)防和維修力度，以避免設(shè)備出現(xiàn)差錯(cuò)，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，以輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修需求增大。

3.1 中國(guó)電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修發(fā)展?fàn)顩r

中國(guó)電力系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代初率先開展?fàn)顟B(tài)檢修試點(diǎn)工作，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，各供電企業(yè)通過(guò)探索，總結(jié)出一系列經(jīng)驗(yàn)。

近年來(lái)，中國(guó)在電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置研制方面取得了很大進(jìn)步。實(shí)際應(yīng)用比較成熟的包括油色譜在線監(jiān)測(cè)儀、紅外熱成像儀、避雷器在線監(jiān)測(cè)儀、故障錄波器等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、因特網(wǎng)技術(shù)的普及和發(fā)展，以及電力系統(tǒng)的不斷革新，供電設(shè)備狀態(tài)管理和狀態(tài)檢修快速發(fā)展，一些實(shí)力雄厚的高科技企業(yè)與科研單位相繼投入這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)工作，開始一系列管理軟件和檢修系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2 國(guó)外電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修發(fā)展?fàn)顩r

歐洲大多數(shù)國(guó)家也正在向狀態(tài)檢修機(jī)制過(guò)渡。目前為止，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備管理、故障分析及預(yù)警系統(tǒng)在美國(guó)、加拿大等國(guó)已普遍應(yīng)用，且已發(fā)展了多個(gè)版本，如Integrated Maintenance System等。這些軟件系統(tǒng)應(yīng)用局域網(wǎng)、因特網(wǎng)及地理信息系統(tǒng)（GIS）等最新的計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)，將狀態(tài)管理、故障預(yù)警和故障處理系統(tǒng)集成，改善了其設(shè)備監(jiān)管環(huán)境，提高了監(jiān)管效率。

4 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

通過(guò)安裝于生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類檢測(cè)儀表，對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備狀況進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，稱在線監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)是狀態(tài)檢修的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，要全面考慮其有效性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等，分析采用后的可靠性增益與經(jīng)濟(jì)效益。在線監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)終端（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備）和數(shù)據(jù)上傳設(shè)備（在線通信部分）。檢測(cè)設(shè)備采用的技術(shù)來(lái)源不一，一般采用各式傳感器技術(shù)，包括基于電氣方法、化學(xué)方法、物理方法、光學(xué)方法、聲學(xué)方法、電磁方法等的感知技術(shù)，應(yīng)根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象采用不同方式，并以準(zhǔn)確性與效率為原則。數(shù)據(jù)傳輸方式主要包括電纜、光纜、無(wú)線電臺(tái)、微波通信等，并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)場(chǎng)合而定。

在線監(jiān)測(cè)也存在一些待解決的問(wèn)題，具體如下：

1）投資較大。傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的前提，目前該領(lǐng)域設(shè)備價(jià)格普遍較高，需進(jìn)一步采用新技術(shù)降低成本。

2）壽命不匹配。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備壽命一般較短，與電力設(shè)備幾十年的使用壽命相比顯得過(guò)短。

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)比停電測(cè)試更有效、更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障與缺陷，防患于未然，減少停電時(shí)間、次數(shù)，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。因此，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于電力、能源、水利等各個(gè)領(lǐng)域，未來(lái)隨著設(shè)備成本的降低，其應(yīng)用將更加普遍。

5 在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)檢修系統(tǒng)

在線監(jiān)測(cè)是狀態(tài)檢修必不可少的組成部分，兩者共同組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。從在線監(jiān)測(cè)到狀態(tài)檢修要經(jīng)過(guò)以下步驟：通過(guò)多種方式收集配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及環(huán)境參數(shù)，經(jīng)由可靠的通信方式將狀態(tài)數(shù)據(jù)匯聚到后臺(tái)管理中心，后者對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行分析與評(píng)估，做出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)、故障預(yù)警，為管理人員提供故障評(píng)價(jià)參考依據(jù)。

系統(tǒng)各部分構(gòu)成如下：

1）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)狀態(tài)檢修的要求，確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能及性能，包括監(jiān)測(cè)的內(nèi)容范圍、頻率、精度要求等。

2）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析將在線監(jiān)測(cè)過(guò)程取得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉、分析，為狀態(tài)分析提供所需的足量、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

3）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與狀態(tài)變化。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是事先經(jīng)確定的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，診斷系統(tǒng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)來(lái)確定正常工作標(biāo)準(zhǔn)。狀態(tài)變化反應(yīng)在系統(tǒng)中是在線監(jiān)測(cè)所獲取的監(jiān)測(cè)參數(shù)變化，用來(lái)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行比較。

4）狀態(tài)診斷專家系統(tǒng)。狀態(tài)診斷專家系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定狀態(tài)及狀態(tài)發(fā)生變化的機(jī)理、原因或變化趨勢(shì)，提供檢修依據(jù)或建議。

在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)檢修系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)主要包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)和狀態(tài)信息管理與決策技術(shù)。

5.1 設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

設(shè)備在線監(jiān)測(cè)是故障在線診斷和離線分析的基礎(chǔ)。在中國(guó)，發(fā)電環(huán)節(jié)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，已開發(fā)出一系列狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。從20世紀(jì)70年代初至今，故障診斷技術(shù)的研究已經(jīng)由單一偏重故障機(jī)理與診斷方法的研究發(fā)展到故障診斷專家系統(tǒng)的研制開發(fā)。

5.2 狀態(tài)信息管理與決策技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從不同的管理決策目標(biāo)出發(fā)，形成了不同的管理與決策系統(tǒng)。芬蘭的IVO輸電服務(wù)公司開發(fā)的變電站檢修管理系統(tǒng)建立在對(duì)變電站的長(zhǎng)期檢修計(jì)劃基礎(chǔ)上，以壽命周期費(fèi)用（LCC）為評(píng)價(jià)依據(jù)，使用設(shè)備的劣化模型（狀態(tài)模型）來(lái)估計(jì)設(shè)備將來(lái)狀態(tài)。德國(guó)提出將供貨商管理層所有功能融為一體的管理模式，以減少中間環(huán)節(jié)。

6 在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

6.1 在線監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題

缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不同廠家采用的方法、檢測(cè)參量、判斷標(biāo)準(zhǔn)均不相同，不同的在線監(jiān)測(cè)裝置之間可比性較差，不同用戶對(duì)在線監(jiān)測(cè)的要求也不相同，這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了在線監(jiān)測(cè)的推廣。

現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備的質(zhì)量參差不齊，存在讀數(shù)不穩(wěn)定、數(shù)值不準(zhǔn)確、漏報(bào)、誤報(bào)等問(wèn)題，總體上難以令人滿意。因此，迫切需要加強(qiáng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量控制，早日規(guī)范產(chǎn)品入網(wǎng)條件。

相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)判據(jù)仍不充分，經(jīng)常導(dǎo)致誤判。由于缺乏系統(tǒng)的理論分析和誤差分析研究，在是否可以替代停電試驗(yàn)的問(wèn)題上缺乏深入研究，沒(méi)有權(quán)威的定論。對(duì)相關(guān)的絕緣特征量研究不足，檢測(cè)量與運(yùn)行壽命之間的關(guān)系研究也不充分，需解決這些問(wèn)題。

6.2 在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

電纜在線監(jiān)測(cè)方面，基于光傳感技術(shù)的分布式溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大范圍多點(diǎn)溫度測(cè)量，且測(cè)溫和定位精度高，安裝使用方便，受使用環(huán)境影響小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠?；贠TDR和OFDR的分布式溫度光線傳感器，尤其是基于OFDR的分布式溫度傳感器是電纜測(cè)溫技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步研究電纜故障定位技術(shù)，以準(zhǔn)確判斷由小波變換檢測(cè)出的行波到底是來(lái)自故障點(diǎn)還是來(lái)自對(duì)端母線，以提高電纜故障定位的精度。

電氣設(shè)備缺陷模式識(shí)別和定位方面，通過(guò)電氣設(shè)備絕緣缺陷模式識(shí)別和定位可以確定缺陷的嚴(yán)重程度，避免干擾的影響，為設(shè)備檢修提供更多信息。依據(jù)變壓器油中溶解氣體比值法、局部放電圖譜分析判斷缺陷性質(zhì)是一種成熟的模式識(shí)別技術(shù)。變壓器“多端測(cè)量—多端校準(zhǔn)”局部放電定位法可以確定發(fā)生局部放電的線圈。利用局部放電的超聲波、超高頻信號(hào)的時(shí)差定位技術(shù)定位電氣設(shè)備缺陷將會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確。

非電檢測(cè)技術(shù)方面，電氣設(shè)備絕緣缺陷除伴隨電荷的轉(zhuǎn)移和能量損耗外，會(huì)產(chǎn)生工作非電信息，如聲波、發(fā)光、發(fā)熱及新的生成物。獲取這些信息也可以發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，如，超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部金屬粒子，紅外精確測(cè)溫發(fā)現(xiàn)電容式互感器受潮，紫外線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)絕緣子爬電，X射線發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備盆式絕緣子內(nèi)部空隙。非電檢測(cè)技術(shù)不受干擾，有較高的精確度，將有更多的非電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到絕緣檢測(cè)中。

在計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)方面，現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾使傳感器測(cè)得的信號(hào)中含有無(wú)用信號(hào)或電磁噪聲，這些干擾按頻帶可分為窄帶干擾和寬帶干擾。除常用硬件濾波外，計(jì)算機(jī)算法濾波應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如快速傅里葉變換（FFT）、小波變換、希爾伯特黃變換（HHT）、多尺度形態(tài)濾波（MMF）、盲分離（BSS）等。計(jì)算機(jī)輔助模式識(shí)別技術(shù)也不斷應(yīng)用到絕緣檢測(cè)中，如分形算法、混沌分析（CAPD）、聚類算法、支持向量機(jī)（SVM）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）、遺傳算法（GA）、模糊算法等。雖然一些研究存在樣本容量小或假設(shè)條件簡(jiǎn)單等問(wèn)題，但隨著研究的深入，將有更多的技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。

配電通信技術(shù)將經(jīng)歷一個(gè)寬帶化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程得益于通信技術(shù)的飛速發(fā)展。EPON等光纖通信技術(shù)將成為主流的配電網(wǎng)通信技術(shù)，承擔(dān)高中低壓配電網(wǎng)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)和故障模式分析任務(wù)，實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備地理位置、動(dòng)態(tài)視頻、故障預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估等信息融合的一體化狀態(tài)監(jiān)測(cè)和檢修維護(hù)。

持續(xù)研究配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及剩余壽命與電力負(fù)荷、溫濕度、設(shè)備電氣數(shù)據(jù)等的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)配電設(shè)備故障和健康狀態(tài)，為狀態(tài)檢修提供判斷依據(jù)。

7 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)不斷發(fā)展，與電力系統(tǒng)的綜合診斷技術(shù)相同，對(duì)提高電力行業(yè)及技術(shù)管理水平有一定的幫助，成為提高電網(wǎng)安全性和高度智能化的第一道防御技術(shù)。

總之，已研發(fā)出多種與電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品，但在配電領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用尚處于起步階段，需要一定時(shí)間。在推廣智能電網(wǎng)、提高供電質(zhì)量、提升電網(wǎng)管理水平等多種需求的驅(qū)動(dòng)下，配電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修的研究和應(yīng)用勢(shì)在必行，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看市場(chǎng)潛力巨大。