張坤

商丘天宇電力工程有限公司安裝三公司，中國·河南 商丘 476000

狀態(tài)監(jiān)測(cè)；預(yù)測(cè)維護(hù)；趨勢(shì)預(yù)測(cè)；故障診斷

1 引言

狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)際上并不是一個(gè)全新的概念和技術(shù)，它首先在機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和維護(hù)上得到應(yīng)用。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于操作人員很接近正在運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，他們可以對(duì)這些機(jī)械的狀態(tài)的好壞點(diǎn)接作出評(píng)估。然而，隨著機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的日益增加以及自動(dòng)化水平的提高，這種靠操作人員進(jìn)行的狀態(tài)監(jiān)測(cè)已不能適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，從而提出了各種不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究開發(fā)了眾多的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在工程中已得到了成功應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-3]。

近年來，狀態(tài)監(jiān)測(cè)在電力系統(tǒng)中越來越受到有關(guān)管理、科研、運(yùn)營和工程技術(shù)人員的重視。主要有以下幾方面的原因：①由于電力設(shè)備的故障，不僅會(huì)造成供電系統(tǒng)意外停電而導(dǎo)致電力公司經(jīng)濟(jì)效益減少，且可能造成用戶的重大經(jīng)濟(jì)損失和抱怨，因此迫切需要做到有計(jì)劃的維護(hù)和停電；②電力部門希望盡量延長電力設(shè)備的維護(hù)間隔、縮短維護(hù)時(shí)間，從而縮短停電時(shí)間，減少因停電維護(hù)而造成的影響，增加經(jīng)濟(jì)效益；③盡可能延長電力設(shè)備的使用壽命，以增加經(jīng)濟(jì)效益。這些因素促使電力系統(tǒng)采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)?？梢钥隙ǖ卣f，廣泛采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的概念、作用及一般步驟

所謂狀態(tài)監(jiān)測(cè)或條件監(jiān)測(cè)（Condition Monitoring，CM），與預(yù)測(cè)維護(hù)（predictive maintenance）或基于條件的維護(hù)（condition-based maintenance）以及檢測(cè)維護(hù)（detective maintenance），其思路都是一致的。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可定義如下，即一種利用設(shè)備在需要維護(hù)之前，存在一個(gè)使用壽命的這種特點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法，充分利用整個(gè)設(shè)備或者設(shè)備的某些重要部件的壽命特征，開發(fā)應(yīng)用一些具有特殊用途的設(shè)備，并通過數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析來預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)。借助于電廠或電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，使得維護(hù)只需在需要時(shí)才安排，這樣，適時(shí)的維護(hù)避免了盲目的維護(hù)，也就延長了維護(hù)間隔，從而有效地避免了因設(shè)備故障產(chǎn)生的意外停電。因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)的使用，可使停電時(shí)間縮短，降低維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命，還可避免因維護(hù)中的疏忽而產(chǎn)生的故障。

電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是電廠以及電力系統(tǒng)的重要電力設(shè)備，如變壓器發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)電纜斷路器以及其他電氣機(jī)械等。

電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障測(cè)距、繼電保護(hù)有一定的關(guān)系，但也有重要區(qū)別，故障測(cè)距是在故障后，通過對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析計(jì)算來確定故障的位置，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地排除故障。繼電保護(hù)則是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過對(duì)故障前后數(shù)據(jù)的分析、比較，作出跳閘、報(bào)警并快速切除故障，以免造成系統(tǒng)或設(shè)備的進(jìn)一步損壞。而狀態(tài)監(jiān)測(cè)則是在故障發(fā)生前，通過對(duì)表征電廠或電力設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，來確定設(shè)備的狀態(tài)，并判別和指出設(shè)備狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)，從而確定是否需要安排維護(hù)作業(yè)，起到防患于未然的作用，并為有計(jì)劃的維護(hù)提供了信息。

一般地說，狀態(tài)監(jiān)測(cè)可分為3個(gè)基本步驟：①數(shù)據(jù)采集；②數(shù)據(jù)分析及特征提??；③狀態(tài)評(píng)估或故障診斷及分類。對(duì)于不同的步驟，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，可采用不同的方法。例如，對(duì)于變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以利用不同的方法或傳感器來采集振動(dòng)信號(hào)、油中氣體、油中濕度、溫度、電流電壓等原始信號(hào)；然后可采用頻譜分析方法、小波變換方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和其它方法來完成對(duì)這些信號(hào)的分析和特征提取。這樣再采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)模糊邏輯和其它有效的方法對(duì)所提取的特征進(jìn)行判斷、推理，從而判定變壓器是否存在局部放電和絕緣老化程度如何等，以達(dá)到變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。在電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，已經(jīng)提出了許多不同的監(jiān)測(cè)方法，如振動(dòng)分析法、油中氣體分析法、局部放電檢測(cè)法、油/紙的酸性/濕度分析法、絕緣恢復(fù)電壓法、低壓脈沖法等。這些方法各有特點(diǎn)，可根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)要求，采用其中一種或綜合多種方法來完成所要求的任務(wù)。在以上基礎(chǔ)上，再充分利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合各種智能的推理方法，為操作和維護(hù)人員提供輔助決策的功能，這就是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方向之一——智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)。如圖1所示，是以智能電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，說明了狀態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)、步驟和結(jié)果方式。

圖1 智能電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)、步驟及結(jié)果

3 電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

3.1 電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀

目前電力系統(tǒng)中的一些技術(shù)和裝置，實(shí)際上或多或少地已涉及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其是一些在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)能起到一定的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，但還不能完全滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。在國際上，狀態(tài)監(jiān)測(cè)已成為非破壞性檢測(cè)（Non Destructive Testing，NDT）下屬的一個(gè)活躍的新分支。從1989年起，已舉行了多屆有關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的國際會(huì)議，每年都有大量的研究報(bào)告、學(xué)術(shù)論文發(fā)表。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，狀態(tài)監(jiān)測(cè)也已受到電力部門管理科研運(yùn)營和工程維護(hù)人員的日益重視并逐漸成為國際性的前沿研究課題和研究熱點(diǎn)。

針對(duì)不同的電力設(shè)備，已經(jīng)提出了眾多狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其中有許多是通用的，如振動(dòng)分析法、油中氣體分析法、局部放電檢測(cè)法、絕緣恢復(fù)電壓法等。

在正常運(yùn)行條件下，電力設(shè)備具有一個(gè)固有的自然振動(dòng)水平。當(dāng)緊固螺釘變松或出現(xiàn)變化，或由于短路、絕緣老化等造成繞組或引線結(jié)構(gòu)的偏移、擾動(dòng)時(shí)使會(huì)導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)的加劇，振動(dòng)分析法就是一種廣泛用于監(jiān)測(cè)這種故障的有效方法。為了監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)水平，常采用聲學(xué)傳感器和加速計(jì)來采集設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，然后對(duì)振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和振動(dòng)模式進(jìn)行分析和判別，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

油中氣體分析法是含油設(shè)備（如變壓器）絕緣監(jiān)測(cè)最常用的方法之一。由于設(shè)備內(nèi)部不同的故障會(huì)產(chǎn)生不同的氣體，如電弧會(huì)產(chǎn)生乙炔氣，而過熱的纖維將產(chǎn)生碳氧化物，因此，通過分析油中氣體的成分、含量和相對(duì)百分比，就可達(dá)到對(duì)設(shè)備絕緣診斷的目的。幾種典型的油中氣體如H2、C0、CH4、C2H6、C2H4和C2H2，常被用作分析的特征氣體。在檢測(cè)出各氣體成分及含量后，常采用特征氣體法和/或羅杰斯比值法來對(duì)變壓器的內(nèi)部故障進(jìn)行判別，如局部放電、火花放電、過熱等。

局部放電（Partial Discharge，PD）既是設(shè)備絕緣系統(tǒng)老化的征兆，也是造成絕緣老化的一個(gè)重要機(jī)理。油中氣體分析法可以從一個(gè)方面反映局部放電，而專門對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量也是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方面。常用的局部放電檢測(cè)方法有聲學(xué)檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、化學(xué)檢測(cè)、電氣測(cè)量等方法。一種常用的局部放電檢測(cè)法是聲學(xué)檢測(cè)法，該方法是將一個(gè)高頻聲學(xué)傳感器陣列附在變壓器箱的外部。這些傳感器對(duì)局部放電或電弧放電產(chǎn)生的暫態(tài)聲音信號(hào)非常敏感，而對(duì)振動(dòng)和一般噪聲不敏感。這種方法采用時(shí)間間隔定位法來確定具體的放電位置。

恢復(fù)電壓法是一種根據(jù)總的絕緣系統(tǒng)狀態(tài)來評(píng)估絕緣設(shè)備壽命的監(jiān)測(cè)方法，也就是廣為采用的大家熟知的界面極化法（interfacial polarisation）。這種方法是利用一個(gè)直流電壓對(duì)絕緣器或絕緣系統(tǒng)（如變壓器）進(jìn)行充電，到一個(gè)預(yù)定的充電時(shí)間后將電路短路，進(jìn)行部分放電。短路時(shí)間為充電時(shí)間的一半。然后再開路，這時(shí)在電極兩端會(huì)建立起一個(gè)恢復(fù)電壓。該恢復(fù)電壓的最大值正比于絕緣材料的極化能力，而初始斜率則正比于極化的傳導(dǎo)率，即材料用的時(shí)間越長、退化越嚴(yán)重，則響應(yīng)的初始斜率越大。

頻率響應(yīng)分析法也是一種用于檢測(cè)變壓器繞組或引線結(jié)構(gòu)偏移的有效方法。繞組機(jī)械位移會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的電感和電容的改變，而頻率響應(yīng)法正是通過檢測(cè)這種細(xì)微的改變來達(dá)到監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀態(tài)的目的。該方法通過對(duì)分離的繞組進(jìn)行掃頻測(cè)試，然后經(jīng)頻譜分析儀的分析來獲得響應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

低壓脈沖響應(yīng)測(cè)試（Low Voltage Impulse Response，LVIR）也被認(rèn)為是一種有效的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，并且已經(jīng)成為用于確定變壓器是否能通過短路試驗(yàn)的公認(rèn)方法。

3.2 電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

由上可見，狀態(tài)監(jiān)測(cè)在電力系統(tǒng)中已得到廣泛重視。隨著社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)面對(duì)的經(jīng)濟(jì)壓力會(huì)越來越大，而用戶對(duì)電力質(zhì)量的要求卻越來越高，這必將促進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。將來電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及需要重視的問題，將具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）越來越多的電力設(shè)備被納入狀態(tài)監(jiān)測(cè)的范疇。

（2）隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，可以監(jiān)測(cè)的狀態(tài)量將越來越多，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使允許處理的數(shù)據(jù)量越來越大，因此多功能、多狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將得到發(fā)展。

（3）由于可獲得的數(shù)據(jù)量的增大，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法會(huì)遇到更大的困難，因此，智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將得到進(jìn)一步研究和應(yīng)用，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識(shí)系統(tǒng)、模糊邏輯等會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

（4）一些新的數(shù)學(xué)工具，如小波變換，將得到進(jìn)一步研究。

（5）狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和集成問題將得到進(jìn)一步研究。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與繼電保護(hù)將有機(jī)地結(jié)合起來，尤其在分布式的監(jiān)控系統(tǒng)中，如分布式的變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

（6）對(duì)如何根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的判斷，以及對(duì)新的更有效的檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法等方面的基礎(chǔ)研究將得到進(jìn)一步加強(qiáng)，專家經(jīng)驗(yàn)的積累也將得到更多的重視和加強(qiáng)。

此外，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題也應(yīng)得到足夠重視。為促進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康發(fā)展，應(yīng)盡早制定有關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試，運(yùn)行和維護(hù)。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是近年來得到迅速發(fā)展并受到電力系統(tǒng)有關(guān)運(yùn)營、管理、科研等部門工程技術(shù)人員日益關(guān)注的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，是目前國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。它的發(fā)展和采用，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)本身的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)將在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。其中，小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)將得到特別的重視。

可以預(yù)見，狀態(tài)監(jiān)測(cè)將發(fā)展成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)本身也可能發(fā)展成為一個(gè)新的交叉學(xué)科。同時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)也將是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)研究也具有巨大的經(jīng)濟(jì)上的吸引力。