配电设备在线状态监测及检修技术的发展趋势
时间：2023-01-22 13:40:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王记昌，郑建欣，吕俊霞
（河南工业职业技术学院 自动化工程学院，河南 南阳 473009）
设备检修是指通过一定的策略对设备进行检查、维护、维修，以预防故障的发生或排除故障，保持设备正常运行。设备检修技术经历了漫长的发展过程，目前正向以计算机及信息技术为核心的状态检修技术发展。
随着科学技术的不断进步，设备检修的方式在不断演变。第一次产业革命时期，事后检修／故障检修占据主导地位，这种检修方式只能事后补救，不能预防事故的发生。19世纪第二次产业革命以电力设备的广泛应用为代表，此时出现了预防性检修，预防性检修的目的是在故障发生前消除故障隐患。研究人员对预防性检修不断完善，根据检修的条件、目标开发不同的检修方式：1）以时间为依据，预先设定检修工作内容和检修周期的定期检修策略（TBM，也称检修计划SM）；
2）以可靠性为中心的进行策略（RCM），RCM是一种以最低的代价来保障机械设备固有可靠性水平的检修方式。
1970年，美国杜邦公司首先提出了状态检修概念（CBM），或称预诊性检修（PDM）。这种检修方式依托计算机技术与通信技术，以设备当前的工作状况为依据，通过状态监测手段获取工作状态参数，并利用先进的评价算法诊断设备健康状况，从而判断设备是否需要检修或确定检修的最佳时机。CBM是一种先进的检修方式，目标是减少设备停运时间，提高设备可靠性和可用系数、延长设备寿命，降低检修维护费用、改善设备运行性能，从而提高经济效益。TBM、RCM、CBM三者本质上都属于预防性检修，并没有明显的界限，定期检修中含有部分状态检修的因素，状态检修由定期检修发展而来，二者均以提高可靠性为目标。
随着近年来电网的迅速发展，电力企业加大对设备故障的预防和维修力度，以避免设备出现差错，造成经济损失。因此，以输变电设备状态在线监测及诊断技术为基础的状态检修需求增大。
3.1 中国电力系统状态检修发展状况
中国电力系统于20世纪90年代初率先开展状态检修试点工作，经过几十年的运行，各供电企业通过探索，总结出一系列经验。
近年来，中国在电力设备在线监测装置研制方面取得了很大进步。实际应用比较成熟的包括油色谱在线监测仪、红外热成像仪、避雷器在线监测仪、故障录波器等。随着计算机技术、因特网技术的普及和发展，以及电力系统的不断革新，供电设备状态管理和状态检修快速发展，一些实力雄厚的高科技企业与科研单位相继投入这个领域的研发工作，开始一系列管理软件和检修系统的开发。
3.2 国外电力系统状态检修发展状况
欧洲大多数国家也正在向状态检修机制过渡。目前为止，基于计算机网络技术的设备管理、故障分析及预警系统在美国、加拿大等国已普遍应用，且已发展了多个版本，如Integrated Maintenance System等。这些软件系统应用局域网、因特网及地理信息系统（GIS）等最新的计算机与信息处理技术，将状态管理、故障预警和故障处理系统集成，改善了其设备监管环境，提高了监管效率。
通过安装于生产线和设备上的各类检测仪表，对生产及设备状况进行连续自动检测，称在线监测，在线监测是状态检修的一个重要基础。
应用在线监测技术时，要全面考虑其有效性、可靠性、经济性等，分析采用后的可靠性增益与经济效益。在线监测包括监测终端（实时监测设备）和数据上传设备（在线通信部分）。检测设备采用的技术来源不一，一般采用各式传感器技术，包括基于电气方法、化学方法、物理方法、光学方法、声学方法、电磁方法等的感知技术，应根据不同的监测对象采用不同方式，并以准确性与效率为原则。数据传输方式主要包括电缆、光缆、无线电台、微波通信等，并没有统一的标准，根据实际监测场合而定。
在线监测也存在一些待解决的问题，具体如下：
1）投资较大。传感器与计算机技术的发展是在线监测技术发展的前提，目前该领域设备价格普遍较高，需进一步采用新技术降低成本。
2）寿命不匹配。在线监测设备寿命一般较短，与电力设备几十年的使用寿命相比显得过短。
在线监测技术比停电测试更有效、更及时地发现设备故障与缺陷，防患于未然，减少停电时间、次数，减小劳动强度，提高工作效率。因此，在线监测技术越来越多地应用于电力、能源、水利等各个领域，未来随着设备成本的降低，其应用将更加普遍。
在线监测是状态检修必不可少的组成部分，两者共同组成一个完整的系统。从在线监测到状态检修要经过以下步骤：通过多种方式收集配电设备运行状态信息及环境参数，经由可靠的通信方式将状态数据汇聚到后台管理中心，后者对状态信息进行分析与评估，做出设备运行状态评价、故障预警，为管理人员提供故障评价参考依据。
系统各部分构成如下：
1）在线监测系统。根据状态检修的要求，确定监测系统的功能及性能，包括监测的内容范围、频率、精度要求等。
2）数据分析模块。数据分析将在线监测过程取得的原始数据进行提炼、分析，为状态分析提供所需的足量、标准的数据。
3）标准状态与状态变化。标准状态是事先经确定的标准等级，诊断系统依据标准状态来确定正常工作标准。状态变化反应在系统中是在线监测所获取的监测参数变化，用来与标准状态进行比较。
4）状态诊断专家系统。状态诊断专家系统负责确定状态及状态发生变化的机理、原因或变化趋势，提供检修依据或建议。
在线监测与状态检修系统相关的技术主要包括设备状态监测与故障诊断技术和状态信息管理与决策技术。
5.1 设备在线监测与故障诊断技术
设备在线监测是故障在线诊断和离线分析的基础。在中国，发电环节的状态监测技术已经达到相当高的水平，已开发出一系列状态监测系统，并成功应用于生产实践。从20世纪70年代初至今，故障诊断技术的研究已经由单一偏重故障机理与诊断方法的研究发展到故障诊断专家系统的研制开发。
5.2 状态信息管理与决策技术
随着计算机技术的发展，从不同的管理决策目标出发，形成了不同的管理与决策系统。芬兰的IVO输电服务公司开发的变电站检修管理系统建立在对变电站的长期检修计划基础上，以寿命周期费用（LCC）为评价依据，使用设备的劣化模型（状态模型）来估计设备将来状态。德国提出将供货商管理层所有功能融为一体的管理模式，以减少中间环节。
6.1 在线监测存在的问题
缺乏统一的标准和规范，不同厂家采用的方法、检测参量、判断标准均不相同，不同的在线监测装置之间可比性较差，不同用户对在线监测的要求也不相同，这些问题严重阻碍了在线监测的推广。
现有在线监测仪器、设备的质量参差不齐，存在读数不稳定、数值不准确、漏报、误报等问题，总体上难以令人满意。因此，迫切需要加强对在线监测产品的质量控制，早日规范产品入网条件。
相关的设备状态评价判据仍不充分，经常导致误判。由于缺乏系统的理论分析和误差分析研究，在是否可以替代停电试验的问题上缺乏深入研究，没有权威的定论。对相关的绝缘特征量研究不足，检测量与运行寿命之间的关系研究也不充分，需解决这些问题。
6.2 在线监测和状态检修技术的发展趋势
电缆在线监测方面，基于光传感技术的分布式温度传感器可实现长距离大范围多点温度测量，且测温和定位精度高，安装使用方便，受使用环境影响小，运行稳定可靠。基于OTDR和OFDR的分布式温度光线传感器，尤其是基于OFDR的分布式温度传感器是电缆测温技术的一个发展趋势，进一步研究电缆故障定位技术，以准确判断由小波变换检测出的行波到底是来自故障点还是来自对端母线，以提高电缆故障定位的精度。
电气设备缺陷模式识别和定位方面，通过电气设备绝缘缺陷模式识别和定位可以确定缺陷的严重程度，避免干扰的影响，为设备检修提供更多信息。依据变压器油中溶解气体比值法、局部放电图谱分析判断缺陷性质是一种成熟的模式识别技术。变压器“多端测量—多端校准”局部放电定位法可以确定发生局部放电的线圈。利用局部放电的超声波、超高频信号的时差定位技术定位电气设备缺陷将会越来越准确。
非电检测技术方面，电气设备绝缘缺陷除伴随电荷的转移和能量损耗外，会产生工作非电信息，如声波、发光、发热及新的生成物。获取这些信息也可以发现绝缘缺陷，如，超声波检测发现GIS内部金属粒子，红外精确测温发现电容式互感器受潮，紫外线检测发现绝缘子爬电，X射线发现GIS设备盆式绝缘子内部空隙。非电检测技术不受干扰，有较高的精确度，将有更多的非电检测技术应用到绝缘检测中。
在计算机辅助诊断技术方面，现场的电磁干扰使传感器测得的信号中含有无用信号或电磁噪声，这些干扰按频带可分为窄带干扰和宽带干扰。除常用硬件滤波外，计算机算法滤波应用越来越广泛，如快速傅里叶变换（FFT）、小波变换、希尔伯特黄变换（HHT）、多尺度形态滤波（MMF）、盲分离（BSS）等。计算机辅助模式识别技术也不断应用到绝缘检测中，如分形算法、混沌分析（CAPD）、聚类算法、支持向量机（SVM）、神经网络（NNs）、遗传算法（GA）、模糊算法等。虽然一些研究存在样本容量小或假设条件简单等问题，但随着研究的深入，将有更多的技术进入实用化。
配电通信技术将经历一个宽带化过程，这个过程得益于通信技术的飞速发展。EPON等光纤通信技术将成为主流的配电网通信技术，承担高中低压配电网设备的故障预测和故障模式分析任务，实现配电设备地理位置、动态视频、故障预测、状态评估等信息融合的一体化状态监测和检修维护。
持续研究配电设备的运行状态及剩余寿命与电力负荷、温湿度、设备电气数据等的关系，通过数据分析预测配电设备故障和健康状态，为状态检修提供判断依据。
随着科学技术的进步，输变电设备状态在线监测与诊断技术不断发展，与电力系统的综合诊断技术相同，对提高电力行业及技术管理水平有一定的帮助，成为提高电网安全性和高度智能化的第一道防御技术。
总之，已研发出多种与电力设备在线监测和状态检修相关的技术和产品，但在配电领域的实际应用尚处于起步阶段，需要一定时间。在推广智能电网、提高供电质量、提升电网管理水平等多种需求的驱动下，配电设备在线监测和状态检修的研究和应用势在必行，从长远来看市场潜力巨大。
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