電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)探討

譚國俊

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

電力系統(tǒng)設(shè)備是現(xiàn)代社會正常運行的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，電力設(shè)備在長期運行中面臨各種潛在的故障，可能導(dǎo)致設(shè)備停運。因此，及時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、準(zhǔn)確診斷故障并采取相應(yīng)措施具有重要意義。電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用是為了滿足上述需求。通過采用先進的傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、故障診斷算法等手段，實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、采集關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過分析和識別故障特征，實現(xiàn)對設(shè)備健康狀況的準(zhǔn)確評估和故障早期預(yù)警。

1 電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的意義

（1）提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)和潛在故障，采取相應(yīng)的預(yù)防和修復(fù)措施，以提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（2）減少設(shè)備故障和損失。電力系統(tǒng)設(shè)備的故障往往會導(dǎo)致停電、設(shè)備損壞甚至事故發(fā)生，給供電系統(tǒng)和用戶帶來嚴(yán)重的影響和經(jīng)濟損失。通過及時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和準(zhǔn)確診斷故障，可以提前采取維修和替換措施，避免設(shè)備故障的擴大和惡化，降低故障造成的損失和維修成本。（3）提高維護效率和降低成本。傳統(tǒng)的定期檢修維護方法會導(dǎo)致資源浪費和不必要的維護成本。而通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，可以實現(xiàn)對設(shè)備的精細(xì)化監(jiān)測和定期維護，減少無效維護和停電時間，提高維護效率和降低成本。具體差異見表1。（4）推動電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。通過應(yīng)用先進的傳感器、數(shù)據(jù)處理和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備的自動監(jiān)測和故障診斷，推動電力系統(tǒng)向智能化和自動化的方向邁進。

表1 傳統(tǒng)定期檢修維護方法與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)之間的差異

2 電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

（1）溫度傳感器。溫度傳感器是電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中常用的傳感器。它可以測量設(shè)備的溫度變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號進行采集和處理。溫度是評估設(shè)備健康狀況和預(yù)測故障的重要指標(biāo)，因為設(shè)備的溫度異常通常會提示潛在的故障或過載情況。常見的溫度傳感器包括熱電偶和熱敏電阻。熱電偶利用兩種不同金屬的接觸產(chǎn)生的溫度差電勢來測量溫度，其優(yōu)點是響應(yīng)速度快、測量范圍廣。熱敏電阻則是通過材料的電阻隨溫度變化而變化來測量溫度，常見的熱敏電阻包括鉑電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。這些溫度傳感器根據(jù)需要安裝在電力設(shè)備的關(guān)鍵位置，如電機、變壓器、斷路器等，實時監(jiān)測設(shè)備的溫度變化。通過對溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常溫升和過熱情況，預(yù)測可能的故障和設(shè)備退化趨勢。這有助于及時采取維護措施，避免設(shè)備的進一步損壞和停機時間。

（2）振動傳感器。振動傳感器能測量設(shè)備振動情況，將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號進行采集和分析。振動是設(shè)備運行時產(chǎn)生的一種動態(tài)載荷反應(yīng)，反映設(shè)備的工作狀態(tài)、機械振動特性和潛在故障。工作原理基于傳感器中的加速度計或振動測量元件。當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生振動時，振動傳感器會測量設(shè)備的振動加速度、速度或位移，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。這些信號可以用于監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)、識別異常振動模式以及預(yù)測故障的發(fā)生。通過振動傳感器的實時監(jiān)測，獲得設(shè)備的振動頻率、振幅和相位等參數(shù)，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估。正常工作狀態(tài)下的設(shè)備通常具有一定的振動特征，而故障或異常情況往往會導(dǎo)致振動頻率和振幅的變化。因此，通過分析振動信號的特征，能識別設(shè)備的故障類型，如軸承磨損、不平衡、松動等，及時采取相應(yīng)的維護措施。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一是傳感器接口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要與各種傳感器進行連接，以接收傳感器所測量的物理量數(shù)據(jù)。傳感器接口需要支持不同類型的傳感器，如溫度傳感器、振動傳感器、氣體傳感器等，能實時獲取傳感器數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)接收傳感器接口傳遞的數(shù)據(jù)信號。它通常包括模擬信號采集模塊和數(shù)字信號采集模塊，用于處理不同類型的信號。數(shù)據(jù)采集設(shè)備還需要具備高速數(shù)據(jù)采集和存儲能力，以滿足對大量數(shù)據(jù)的實時采集和處理需求。三是數(shù)據(jù)傳輸與存儲。采集的數(shù)據(jù)需要進行傳輸和存儲，以便后續(xù)的分析和診斷。數(shù)據(jù)傳輸通過有線或無線方式實現(xiàn)，例如，以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或通信網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)存儲可以使用數(shù)據(jù)庫或云平臺進行，以確保數(shù)據(jù)的安全性和可訪問性。四是數(shù)據(jù)處理與校正。采集到的原始數(shù)據(jù)可能需要進行處理和校正，以消除噪聲、修正傳感器誤差或標(biāo)定數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括濾波、采樣率轉(zhuǎn)換、時序校正等操作，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。五是數(shù)據(jù)管理與監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要提供數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控功能，數(shù)據(jù)記錄、查詢、可視化顯示和報警功能。通過數(shù)據(jù)管理與監(jiān)控，實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、趨勢和異常，及時采取相應(yīng)的措施。

（2）數(shù)據(jù)處理與分析。第一，數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理。采集的原始數(shù)據(jù)往往包含噪聲和無效信息，需要進行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，以去除異常值、修復(fù)缺失數(shù)據(jù)、消除噪聲干擾等。數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理的目的是確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，為后續(xù)的分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。第二，特征提取與選擇。在數(shù)據(jù)處理過程中，要從原始數(shù)據(jù)中提取有意義的特征。特征是用來描述設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，如振動頻率、溫度變化、電流波形等。通過合適的特征提取方法，從海量數(shù)據(jù)中提取出對設(shè)備狀態(tài)具有顯著影響的特征，以降低數(shù)據(jù)的維度和復(fù)雜度。第三，數(shù)據(jù)分析與建模。通過對提取的特征進行分析和建模，揭示數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性和趨勢，并建立合適的數(shù)學(xué)模型來描述設(shè)備狀態(tài)與各種影響因素之間的關(guān)系。常用的數(shù)據(jù)分析方法包括統(tǒng)計分析、機器學(xué)習(xí)、人工智能等，用于發(fā)現(xiàn)異常模式、預(yù)測設(shè)備壽命、識別故障模式等。第四，通過對異常模式識別和故障模式的匹配，快速準(zhǔn)確地診斷設(shè)備的故障原因并及時采取維修措施。預(yù)警系統(tǒng)能提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，避免設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)與特征提取

（1）溫度指標(biāo)。首先，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和要求，選擇合適的傳感器以獲取準(zhǔn)確和可靠的溫度數(shù)據(jù)。利用溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，獲取設(shè)備表面、內(nèi)部或周圍的溫度信息。采集頻率可以根據(jù)需要進行設(shè)置，以確保數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性。其次，通過對溫度數(shù)據(jù)進行分析和處理，提取出反映設(shè)備狀態(tài)和異常情況的特征。常見的溫度特征包括平均溫度、最大溫度、溫度變化率、溫度梯度等。這些特征可以揭示設(shè)備運行狀況、散熱情況和熱異常等信息。再次，基于提取的溫度特征，建立一定的規(guī)則或模型來檢測溫度異常。異常檢測方法包括基于閾值的方法、統(tǒng)計分析方法和機器學(xué)習(xí)方法等。這些方法能自動識別異常溫度值，并觸發(fā)相應(yīng)的警報或故障診斷程序。最后，通過對溫度數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析，觀察溫度的趨勢變化。溫度的上升或下降趨勢可能暗示著設(shè)備的健康狀態(tài)或故障的潛在風(fēng)險。因此，對溫度趨勢進行分析幫助預(yù)測設(shè)備的壽命和提前采取維修措施。

（2）振動指標(biāo)。第一，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和要求，選擇合適的傳感器以獲取準(zhǔn)確和可靠的振動數(shù)據(jù)。利用振動傳感器進行數(shù)據(jù)采集，獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動信息。采集頻率可以根據(jù)需要進行設(shè)置，以捕捉到設(shè)備的快速振動變化。第二，通過對振動數(shù)據(jù)進行分析和處理，提取出反映設(shè)備狀態(tài)和故障特征的振動指標(biāo)。常見的振動特征包括振動幅值、振動頻率、振動波形、頻譜分析等。這些特征能揭示設(shè)備的振動狀況、共振現(xiàn)象和異常振動等信息。第三，基于提取的振動特征，建立一定的規(guī)則或模型來檢測振動異常。異常檢測方法包括基于閾值的方法、統(tǒng)計分析方法和機器學(xué)習(xí)方法等，自動識別異常振動模式，觸發(fā)相應(yīng)的警報或故障診斷程序。第四，通過對振動數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測和分析，觀察到振動的趨勢變化。振動的增加或減少趨勢可能暗示著設(shè)備的健康狀態(tài)或故障的潛在風(fēng)險。因此，對振動趨勢進行分析可以幫助預(yù)測設(shè)備的壽命和提前采取維修措施。具體見圖1。

圖1 振動指標(biāo)

3 電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷技術(shù)

3.1 熱紅外檢測

熱紅外檢測是一種常用的電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷技術(shù)，它基于紅外熱像儀對設(shè)備表面溫度分布的檢測和分析。通過測量設(shè)備表面的熱輻射，獲得設(shè)備在不同區(qū)域的溫度信息，從而識別出潛在的故障和異常情況。一是設(shè)備表面溫度檢測。利用紅外熱像儀對電力系統(tǒng)設(shè)備的表面進行掃描和測量，獲取設(shè)備不同部位的溫度分布情況。二是溫度異常檢測。通過對設(shè)備表面溫度的比較和分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備表面溫度的異常變化，如過高、過低或局部溫度異常升高等情況。三是故障診斷與定位。根據(jù)設(shè)備不同部位的溫度異常情況，結(jié)合設(shè)備的特點和工作原理，識別出可能存在的故障類型，如電氣故障、過載、接觸不良等并定位具體故障位置。四是維修決策支持。根據(jù)熱紅外檢測結(jié)果，提供對設(shè)備故障的評估和判斷，為維修決策提供依據(jù)。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度和影響范圍，確定維修的優(yōu)先級和措施。

3.2 高頻局放檢測

高頻局放檢測是一種用于電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷的技術(shù)，通過檢測設(shè)備中產(chǎn)生的高頻局部放電信號來判斷設(shè)備是否存在隱患或故障。高頻局放是指在電氣設(shè)備中由于絕緣損壞或局部缺陷而引起的高頻放電現(xiàn)象，其頻率通常在10MHz ～1GHz。首先，將高頻局放傳感器安裝在需要檢測的設(shè)備表面或附近，傳感器可以是電容式或電磁式的，用于捕捉設(shè)備產(chǎn)生的高頻局部放電信號。其次，通過高頻局放傳感器采集的信號，使用專業(yè)的設(shè)備或儀器進行采集和處理。通常使用高頻放電分析儀或頻譜分析儀來接收和分析高頻局放信號。最后，對采集的高頻局放信號進行分析和診斷。通過分析信號的頻譜特征、幅值、波形形態(tài)等來判斷設(shè)備的健康狀態(tài)和潛在故障。根據(jù)分析結(jié)果，確定設(shè)備的故障類型和位置。

3.3 電流、電壓波形分析

通過對電流和電壓信號的波形特征進行分析，能判斷設(shè)備的運行狀態(tài)、診斷故障和定位故障位置。第一，使用專用的傳感器或測量設(shè)備，對電力系統(tǒng)中的電流和電壓進行準(zhǔn)確的采集。常用的傳感器包括電流互感器和電壓互感器，將電流和電壓信號轉(zhuǎn)化為可測量的電壓或電流信號。第二，將采集的電流和電壓信號進行記錄和存儲。使用示波器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或數(shù)字保護裝置等設(shè)備，將信號以波形的形式進行顯示和存儲，以備后續(xù)的分析和處理。第三，對記錄的電流和電壓波形進行特征提取和分析。通過計算波形的幅值、頻率、相位、諧波含量等指標(biāo)，來分析波形的形態(tài)和特征。也能通過時域分析、頻域分析、小波分析等方法，對波形進行進一步的處理和分析。第四，基于電流和電壓波形的特征，結(jié)合故障模型和經(jīng)驗知識，進行故障的診斷和定位。根據(jù)波形的異常特征，可以判斷設(shè)備是否存在故障，并確定故障類型和位置，為后續(xù)的維修和處理提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語

本文認(rèn)為電力系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)運行和維護中起著重要作用。通過實時監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和采集數(shù)據(jù)，運用各種先進診斷技術(shù)能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和異常，提前預(yù)警，減少故障對電力系統(tǒng)的影響。同時，熱紅外檢測、高頻局放檢測和電流、電壓波形分析等技術(shù)能夠幫助檢測設(shè)備的異常情況和故障原因。