配電設備在線狀態監測及檢修技術的發展趨勢

王記昌，鄭建欣，呂俊霞

（河南工業職業技術學院 自動化工程學院，河南 南陽 473009）

1 概述

設備檢修是指通過一定的策略對設備進行檢查、維護、維修，以預防故障的發生或排除故障，保持設備正常運行。設備檢修技術經歷了漫長的發展過程，目前正向以計算機及信息技術為核心的狀態檢修技術發展。

2 設備檢修方式

隨著科學技術的不斷進步，設備檢修的方式在不斷演變。第一次產業革命時期，事后檢修／故障檢修占據主導地位，這種檢修方式只能事后補救，不能預防事故的發生。19世紀第二次產業革命以電力設備的廣泛應用為代表，此時出現了預防性檢修，預防性檢修的目的是在故障發生前消除故障隱患。研究人員對預防性檢修不斷完善，根據檢修的條件、目標開發不同的檢修方式：1）以時間為依據，預先設定檢修工作內容和檢修周期的定期檢修策略（TBM，也稱檢修計劃SM）；2）以可靠性為中心的進行策略（RCM），RCM是一種以最低的代價來保障機械設備固有可靠性水平的檢修方式。

1970年，美國杜邦公司首先提出了狀態檢修概念（CBM），或稱預診性檢修（PDM）。這種檢修方式依托計算機技術與通信技術，以設備當前的工作狀況為依據，通過狀態監測手段獲取工作狀態參數，并利用先進的評價算法診斷設備健康狀況，從而判斷設備是否需要檢修或確定檢修的最佳時機。CBM是一種先進的檢修方式，目標是減少設備停運時間，提高設備可靠性和可用系數、延長設備壽命，降低檢修維護費用、改善設備運行性能，從而提高經濟效益。TBM、RCM、CBM三者本質上都屬于預防性檢修，并沒有明顯的界限，定期檢修中含有部分狀態檢修的因素，狀態檢修由定期檢修發展而來，二者均以提高可靠性為目標。

3 電力系統狀態檢修發展現狀

隨著近年來電網的迅速發展，電力企業加大對設備故障的預防和維修力度，以避免設備出現差錯，造成經濟損失。因此，以輸變電設備狀態在線監測及診斷技術為基礎的狀態檢修需求增大。

3.1 中國電力系統狀態檢修發展狀況

中國電力系統于20世紀90年代初率先開展狀態檢修試點工作，經過幾十年的運行，各供電企業通過探索，總結出一系列經驗。

近年來，中國在電力設備在線監測裝置研制方面取得了很大進步。實際應用比較成熟的包括油色譜在線監測儀、紅外熱成像儀、避雷器在線監測儀、故障錄波器等。隨著計算機技術、因特網技術的普及和發展，以及電力系統的不斷革新，供電設備狀態管理和狀態檢修快速發展，一些實力雄厚的高科技企業與科研單位相繼投入這個領域的研發工作，開始一系列管理軟件和檢修系統的開發。

3.2 國外電力系統狀態檢修發展狀況

歐洲大多數國家也正在向狀態檢修機制過渡。目前為止，基于計算機網絡技術的設備管理、故障分析及預警系統在美國、加拿大等國已普遍應用，且已發展了多個版本，如Integrated Maintenance System等。這些軟件系統應用局域網、因特網及地理信息系統（GIS）等最新的計算機與信息處理技術，將狀態管理、故障預警和故障處理系統集成，改善了其設備監管環境，提高了監管效率。

4 在線監測技術

通過安裝于生產線和設備上的各類檢測儀表，對生產及設備狀況進行連續自動檢測，稱在線監測，在線監測是狀態檢修的一個重要基礎。

應用在線監測技術時，要全面考慮其有效性、可靠性、經濟性等，分析采用后的可靠性增益與經濟效益。在線監測包括監測終端（實時監測設備）和數據上傳設備（在線通信部分）。檢測設備采用的技術來源不一，一般采用各式傳感器技術，包括基于電氣方法、化學方法、物理方法、光學方法、聲學方法、電磁方法等的感知技術，應根據不同的監測對象采用不同方式，并以準確性與效率為原則。數據傳輸方式主要包括電纜、光纜、無線電臺、微波通信等，并沒有統一的標準，根據實際監測場合而定。

在線監測也存在一些待解決的問題，具體如下：

1）投資較大。傳感器與計算機技術的發展是在線監測技術發展的前提，目前該領域設備價格普遍較高，需進一步采用新技術降低成本。

2）壽命不匹配。在線監測設備壽命一般較短，與電力設備幾十年的使用壽命相比顯得過短。

在線監測技術比停電測試更有效、更及時地發現設備故障與缺陷，防患于未然，減少停電時間、次數，減小勞動強度，提高工作效率。因此，在線監測技術越來越多地應用于電力、能源、水利等各個領域，未來隨著設備成本的降低，其應用將更加普遍。

5 在線監測與狀態檢修系統

在線監測是狀態檢修必不可少的組成部分，兩者共同組成一個完整的系統。從在線監測到狀態檢修要經過以下步驟：通過多種方式收集配電設備運行狀態信息及環境參數，經由可靠的通信方式將狀態數據匯聚到后臺管理中心，后者對狀態信息進行分析與評估，做出設備運行狀態評價、故障預警，為管理人員提供故障評價參考依據。

系統各部分構成如下：

1）在線監測系統。根據狀態檢修的要求，確定監測系統的功能及性能，包括監測的內容范圍、頻率、精度要求等。

2）數據分析模塊。數據分析將在線監測過程取得的原始數據進行提煉、分析，為狀態分析提供所需的足量、標準的數據。

3）標準狀態與狀態變化。標準狀態是事先經確定的標準等級，診斷系統依據標準狀態來確定正常工作標準。狀態變化反應在系統中是在線監測所獲取的監測參數變化，用來與標準狀態進行比較。

4）狀態診斷專家系統。狀態診斷專家系統負責確定狀態及狀態發生變化的機理、原因或變化趨勢，提供檢修依據或建議。

在線監測與狀態檢修系統相關的技術主要包括設備狀態監測與故障診斷技術和狀態信息管理與決策技術。

5.1 設備在線監測與故障診斷技術

設備在線監測是故障在線診斷和離線分析的基礎。在中國，發電環節的狀態監測技術已經達到相當高的水平，已開發出一系列狀態監測系統，并成功應用于生產實踐。從20世紀70年代初至今，故障診斷技術的研究已經由單一偏重故障機理與診斷方法的研究發展到故障診斷專家系統的研制開發。

5.2 狀態信息管理與決策技術

隨著計算機技術的發展，從不同的管理決策目標出發，形成了不同的管理與決策系統。芬蘭的IVO輸電服務公司開發的變電站檢修管理系統建立在對變電站的長期檢修計劃基礎上，以壽命周期費用（LCC）為評價依據，使用設備的劣化模型（狀態模型）來估計設備將來狀態。德國提出將供貨商管理層所有功能融為一體的管理模式，以減少中間環節。

6 在線監測和狀態檢修技術的現狀與發展趨勢

6.1 在線監測存在的問題

缺乏統一的標準和規范，不同廠家采用的方法、檢測參量、判斷標準均不相同，不同的在線監測裝置之間可比性較差，不同用戶對在線監測的要求也不相同，這些問題嚴重阻礙了在線監測的推廣。

現有在線監測儀器、設備的質量參差不齊，存在讀數不穩定、數值不準確、漏報、誤報等問題，總體上難以令人滿意。因此，迫切需要加強對在線監測產品的質量控制，早日規范產品入網條件。

相關的設備狀態評價判據仍不充分，經常導致誤判。由于缺乏系統的理論分析和誤差分析研究，在是否可以替代停電試驗的問題上缺乏深入研究，沒有權威的定論。對相關的絕緣特征量研究不足，檢測量與運行壽命之間的關系研究也不充分，需解決這些問題。

6.2 在線監測和狀態檢修技術的發展趨勢

電纜在線監測方面，基于光傳感技術的分布式溫度傳感器可實現長距離大范圍多點溫度測量，且測溫和定位精度高，安裝使用方便，受使用環境影響小，運行穩定可靠。基于OTDR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溫技術的一個發展趨勢，進一步研究電纜故障定位技術，以準確判斷由小波變換檢測出的行波到底是來自故障點還是來自對端母線，以提高電纜故障定位的精度。

電氣設備缺陷模式識別和定位方面，通過電氣設備絕緣缺陷模式識別和定位可以確定缺陷的嚴重程度，避免干擾的影響，為設備檢修提供更多信息。依據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是一種成熟的模式識別技術。變壓器“多端測量—多端校準”局部放電定位法可以確定發生局部放電的線圈。利用局部放電的超聲波、超高頻信號的時差定位技術定位電氣設備缺陷將會越來越準確。

非電檢測技術方面，電氣設備絕緣缺陷除伴隨電荷的轉移和能量損耗外，會產生工作非電信息，如聲波、發光、發熱及新的生成物。獲取這些信息也可以發現絕緣缺陷，如，超聲波檢測發現GIS內部金屬粒子，紅外精確測溫發現電容式互感器受潮，紫外線檢測發現絕緣子爬電，X射線發現GIS設備盆式絕緣子內部空隙。非電檢測技術不受干擾，有較高的精確度，將有更多的非電檢測技術應用到絕緣檢測中。

在計算機輔助診斷技術方面，現場的電磁干擾使傳感器測得的信號中含有無用信號或電磁噪聲，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，計算機算法濾波應用越來越廣泛，如快速傅里葉變換（FFT）、小波變換、希爾伯特黃變換（HHT）、多尺度形態濾波（MMF）、盲分離（BSS）等。計算機輔助模式識別技術也不斷應用到絕緣檢測中，如分形算法、混沌分析（CAPD）、聚類算法、支持向量機（SVM）、神經網絡（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條件簡單等問題，但隨著研究的深入，將有更多的技術進入實用化。

配電通信技術將經歷一個寬帶化過程，這個過程得益于通信技術的飛速發展。EPON等光纖通信技術將成為主流的配電網通信技術，承擔高中低壓配電網設備的故障預測和故障模式分析任務，實現配電設備地理位置、動態視頻、故障預測、狀態評估等信息融合的一體化狀態監測和檢修維護。

持續研究配電設備的運行狀態及剩余壽命與電力負荷、溫濕度、設備電氣數據等的關系，通過數據分析預測配電設備故障和健康狀態，為狀態檢修提供判斷依據。

7 結論

隨著科學技術的進步，輸變電設備狀態在線監測與診斷技術不斷發展，與電力系統的綜合診斷技術相同，對提高電力行業及技術管理水平有一定的幫助，成為提高電網安全性和高度智能化的第一道防御技術。

總之，已研發出多種與電力設備在線監測和狀態檢修相關的技術和產品，但在配電領域的實際應用尚處于起步階段，需要一定時間。在推廣智能電網、提高供電質量、提升電網管理水平等多種需求的驅動下，配電設備在線監測和狀態檢修的研究和應用勢在必行，從長遠來看市場潛力巨大。