變電站設(shè)備智能化狀態(tài)評(píng)價(jià)和智能診斷技術(shù)研究綜述

陳纓 吳天寶 劉益岑 馬小敏 劉小江

摘要：本文介紹變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀。首先介紹了設(shè)備狀態(tài)信息在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以及其在變電站中應(yīng)用地特殊性;進(jìn)一步地，結(jié)合設(shè)備監(jiān)測(cè)信息對(duì)設(shè)備故障特征進(jìn)行識(shí)別;獲取到完整故障信息后，進(jìn)行故障機(jī)理反演以及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)分析;最后，展望未來變電站設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)與診斷技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷;機(jī)理反演

1 引言

變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究所涉及的學(xué)科領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷發(fā)展。相關(guān)基礎(chǔ)理論發(fā)展日趨成熟，但研究領(lǐng)域主要集中在通過振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析對(duì)機(jī)械設(shè)備的評(píng)估狀態(tài)、演化維護(hù)策略、智能故障診斷等，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量更為復(fù)雜的電力系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。根據(jù)目前的情況和潛在價(jià)值，設(shè)備智能化狀態(tài)評(píng)價(jià)檢修和智能診斷技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)容主要有以下幾個(gè)內(nèi)容。

2 變電站設(shè)備狀態(tài)信息在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

故障信息檢測(cè)是對(duì)變電站機(jī)械和電氣設(shè)備本身的工作參數(shù)，性能指標(biāo)、相關(guān)物理量等信息的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù)。其關(guān)鍵是傳感器技術(shù)和取樣、探傷等手段。目前，故障信息檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)大型設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。故障依斷的首要任務(wù)是判斷診斷對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。在許多情形下，只要能夠監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)的變化，就能進(jìn)行故障狀態(tài)預(yù)報(bào)，及時(shí)采取措施。

變電站各種設(shè)備具有各自的特殊性，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面需針對(duì)性特殊處理。以電力變壓器故障監(jiān)測(cè)為例，為確保變壓器正常運(yùn)行的主要不僅包括：繞組、鐵心、絕緣油、冷卻器及有載調(diào)節(jié)器（OLTC）。故障統(tǒng)計(jì)表明，OLTC故障和繞組故障最常見，因此監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)包括OLTC振動(dòng)狀態(tài)、基于DGA和PD的油/紙絕緣的老化、基于電壓電流互感器的負(fù)載和運(yùn)行狀態(tài)等。

3 設(shè)備故障特征分析與識(shí)別

故障識(shí)別早期研究集中在在知識(shí)庫的建立、模式分類技術(shù)等方面，近年來發(fā)展集中在針對(duì)不確定性問題，采用了基于概率理論的Bayes法、故障樹分析、置信因子、譜的相似性、模糊理論以及灰色系統(tǒng)理論等理論和方法。變電站設(shè)備故障智能化分析與識(shí)別的基礎(chǔ)條件是建立配電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估和輔助維修決策信息平臺(tái)。現(xiàn)有的DMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、配網(wǎng)GIS系統(tǒng)等均含有部分設(shè)備狀態(tài)信息。在此基礎(chǔ)上，為便于狀態(tài)信息的采集、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建配電網(wǎng)狀態(tài)信息平臺(tái)，其目標(biāo)旨在建立規(guī)范的變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法體系，統(tǒng)籌利用海量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)類型，適時(shí)融合多同的狀態(tài)評(píng)估方案，使?fàn)顟B(tài)評(píng)估的結(jié)果更加可靠合理?；诖怂枷?，很多相關(guān)研究正逐步展開。

4 設(shè)備故障機(jī)理反演

故障機(jī)理研究是充分利用變電站的電氣和機(jī)械設(shè)備在運(yùn)動(dòng)時(shí)的電磁學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等特性及各部件之間的相互關(guān)系，研究設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)和發(fā)生故障后產(chǎn)生的各種癥狀與可能性，從而對(duì)變電站的電氣和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷進(jìn)行追根朔源。變電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所含內(nèi)容豐富，涉及面廣，數(shù)據(jù)的影響因素多，且相互關(guān)聯(lián)。設(shè)備故障機(jī)理反演的核心是借助電力系統(tǒng)仿真分析，建立變電站設(shè)備可靠的理論模型和仿真分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的變電站設(shè)備性能指標(biāo)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征之間的關(guān)聯(lián)分析。變電站從屬于電力大系統(tǒng)，其非線性形式和關(guān)聯(lián)因素眾多，因此對(duì)仿真模型建立提出了更高的要求。從在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中反演識(shí)別變電站電氣設(shè)備服役性能，對(duì)影響安全運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)因素給出預(yù)警信息，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。研究主要基于電氣和機(jī)械設(shè)備相關(guān)的振動(dòng)理論、摩擦理論、材料失效理論等。故障機(jī)理研究的意義在于能從系統(tǒng)層面分析故障來源和后果。

5 設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)

對(duì)變電站設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，可有效預(yù)防故障發(fā)生。設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和故障識(shí)別的發(fā)展經(jīng)歷了：基于故障事件的診斷階段，基于故障預(yù)防的故障診斷階段和基于故障預(yù)測(cè)的故障診斷階段。技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)是從故障事后檢查到故障預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)地利用各種信息對(duì)電氣設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行多層次、多角度的健康評(píng)估。

在電力設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估基礎(chǔ)上，電力設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)可有效利用電力設(shè)備使用壽命，平衡投資與回報(bào)。變壓器、發(fā)電機(jī)等大型電力設(shè)備經(jīng)數(shù)萬小時(shí)的運(yùn)行，本質(zhì)上是長期熱作用和高強(qiáng)度負(fù)荷，材料老化和絕緣受損等問題是設(shè)備運(yùn)行的必然結(jié)果。在此方面，發(fā)達(dá)國家已開展了相關(guān)研究。日本對(duì)電力設(shè)備部件殘余壽命評(píng)估的辦法是按照1987年日本自然資源與能源署與日本國際貿(mào)易與工業(yè)部聯(lián)合頒布的國家導(dǎo)則進(jìn)行的。美國電力研究院采用多數(shù)國家使用的三級(jí)評(píng)估法，并制定出較完整的綜合壽命管理程序，作為美國電力企業(yè)設(shè)備壽命管理的通用導(dǎo)則。研究內(nèi)容都包括了規(guī)劃設(shè)計(jì)、技術(shù)解析建模、統(tǒng)計(jì)分析、非破壞性試驗(yàn)和破壞性實(shí)驗(yàn)等多個(gè)層次。

6 總結(jié)

綜上所述，變電站機(jī)器人智能巡檢基礎(chǔ)理論已經(jīng)具備，其關(guān)鍵技術(shù)的成熟度已初步滿足工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)條件，電力系統(tǒng)機(jī)器人的硬件平臺(tái)具有先進(jìn)性。目前存在的問題如下：1.如何將遠(yuǎn)端的變電站智能巡檢機(jī)器人的位姿和作業(yè)狀態(tài)納入運(yùn)檢管控平臺(tái)中進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理和遠(yuǎn)程控制，增加運(yùn)檢管控平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)端的智能巡檢機(jī)器人的管理和控制能力;2.需要系統(tǒng)深入地分析和處理支撐運(yùn)檢管控平臺(tái)的電力大數(shù)據(jù)，獲得變電站電力設(shè)備的服役狀態(tài)，并在運(yùn)檢管控平臺(tái)中的實(shí)時(shí)展示;3.需要引入人工智能技術(shù)挖掘電力大數(shù)據(jù)中隱藏的變電站電力設(shè)備故障演化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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