變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

付兆遠(yuǎn)，鄭風(fēng)玲，李 琮，楊琦欣

（濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

目前的電氣設(shè)備檢測(cè)工作多數(shù)是按照《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)不同的一次設(shè)備按照規(guī)定的檢測(cè)周期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果安排檢修計(jì)劃。這種工作模式對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行做出了巨大貢獻(xiàn)，但是這種基于預(yù)防性試驗(yàn)的傳統(tǒng)檢修方式已不能滿足生產(chǎn)的需要，特別是對(duì)一些運(yùn)行年限比較長(zhǎng)的設(shè)備，傳統(tǒng)檢修方式的弊端更加明顯［1］。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大對(duì)電網(wǎng)供電可靠性提出了更高的要求，非計(jì)劃停電造成的經(jīng)濟(jì)效益損失和不良社會(huì)影響越來越大，電力設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)可以實(shí)時(shí)跟蹤電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)反映設(shè)備絕緣的老化程度，避免停電事故的發(fā)生。對(duì)變電設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)檢修可以有效延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，最大限度地發(fā)揮設(shè)備資產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性［2］。

1 國(guó)內(nèi)外在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展

變電設(shè)備的狀態(tài)檢修涉及帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)等多種技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行帶電測(cè)試工作，隨著電子儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)先后使用了單片機(jī)裝置、DPS芯片、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)裝置。目前總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在電力設(shè)備監(jiān)測(cè)中得到了迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)的院校及科研院所均投入了大量的力量進(jìn)行研究和開發(fā)［3］，一些先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法如模糊診斷技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、不規(guī)則圖形壓縮技術(shù)等均在狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用，超聲波、超高頻等探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛［4］。隨著信息處理技術(shù)與傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，變電站設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)逐步走向成熟、實(shí)用。

國(guó)際上，自20世紀(jì)60年代美國(guó)率先開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究以來，阿爾斯通、GE、西門子、ABB等知名公司進(jìn)行的一系列研究加速了電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的發(fā)展。加拿大、日本、韓國(guó)等均研制出相對(duì)成熟的成套的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。近年來，美國(guó)AVO公司、澳大利亞紅相、德國(guó)LDIC等公司在狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)用化上走在了前列。目前，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究已成為非破壞性檢測(cè)下屬的一個(gè)新的活躍分支。

2 電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作開展現(xiàn)狀

電力設(shè)備在運(yùn)行過程中，總會(huì)有某個(gè)或某些特定的參數(shù)來表征整個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，通過采集特征參數(shù)的相關(guān)信息，根據(jù)其數(shù)值的大小及變化趨勢(shì)可以判斷設(shè)備的健康狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，為設(shè)備檢修、更換提供數(shù)據(jù)支持，有效避免故障的產(chǎn)生。變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要大量的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的支持，傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)、例行巡檢等技術(shù)手段存在數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量小的缺點(diǎn)，變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)能有效豐富設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，多種設(shè)備數(shù)據(jù)的綜合使用可以有效完成設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估。

2.1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)階段主要由變壓器、電容型設(shè)備、避雷器、開關(guān)類設(shè)備、GIS和綜合等6類監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。

作為變電站最重要的設(shè)備之一，變壓器的安全運(yùn)行是整個(gè)變電站運(yùn)行的重中之重。變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括油中溶解氣體分析、鐵心接地電流、局部放電、繞組變形、變壓器振動(dòng)頻譜等狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)技術(shù)。繞組絕緣和主絕緣是影響變壓器壽命的最主要原因［5］，因此相應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如油中溶解氣體分析、鐵心接地電流監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)也得到了充分發(fā)展，對(duì)及早發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行缺陷起到了積極作用。 另外幾種技術(shù)已有實(shí)際應(yīng)用，但尚需積累更多經(jīng)驗(yàn)［6］。

電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括對(duì)套管、電流互感器、耦合電容和電容式電壓互感器等電容型設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量的變化。 其中電容量的監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)也較穩(wěn)定；在線介損的測(cè)量容易受現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、TV相角差、諧波、頻率波動(dòng)等多種因素的影響而出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性、可重復(fù)性差的現(xiàn)象。

避雷器缺陷、故障很難從外觀上發(fā)現(xiàn)且故障點(diǎn)查找困難，避雷器受潮、劣化等均對(duì)變電設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。避雷器泄漏全電流和阻性電流變化趨勢(shì)與避雷器運(yùn)行特性密切相關(guān)，可以通過監(jiān)測(cè)避雷器泄漏電流的方法來掌握避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。避雷器的在線監(jiān)測(cè)方法主要有阻性電流法和三次諧波法，阻性電流的計(jì)算需要從PT上提取電壓參考信號(hào)，三次諧波法不能準(zhǔn)確反應(yīng)單支避雷器的運(yùn)行參數(shù)，二者各有優(yōu)劣。 目前避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)在實(shí)際中已得到了較為廣泛的應(yīng)用。

斷路器故障主要為機(jī)械故障和電氣故障兩類，80%的斷路器故障是由于機(jī)械特性不良造成的，因此目前斷路器的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有機(jī)械動(dòng)作特性、觸頭壽命監(jiān)測(cè)。 其中通過監(jiān)測(cè)累計(jì)遮斷電流來計(jì)算估計(jì)斷路器觸頭磨損是一種正在積累經(jīng)驗(yàn)和判據(jù)的技術(shù)。通過監(jiān)測(cè)機(jī)械行程和速度、振動(dòng)等能初步評(píng)價(jià)斷路器的機(jī)械壽命。但是由于目前高壓斷路器都是免維護(hù)設(shè)計(jì)，而且開關(guān)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝在線監(jiān)測(cè)裝置的難度很大，因此斷路器的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目還處于初級(jí)應(yīng)用階段［7］。

GIS由于具有占地面積小、可靠性高的特點(diǎn)得到了大規(guī)模應(yīng)用，但是GIS也存在解體困難、檢修時(shí)間長(zhǎng)、故障波及范圍廣的缺點(diǎn)。GIS在線監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)絕緣材料腐蝕、部件松動(dòng)等缺陷隱患，有效延長(zhǎng)GIS壽命，避免大型停電事故的發(fā)生。GIS在線監(jiān)測(cè)使用的技術(shù)主要有超聲波法和超高頻法、地電波法等，多種監(jiān)測(cè)手段結(jié)合可以有效地對(duì)GIS放電類型、放電部位進(jìn)行判斷。 預(yù)埋內(nèi)置傳感器、外置傳感器等多種形式傳感器的綜合應(yīng)用也大大提高了GIS局放監(jiān)測(cè)的可靠性［8-9］。

另外目前已經(jīng)開展的還有針對(duì)有載分接開關(guān)、壓力釋放閥的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以及溫度、濕度監(jiān)測(cè)和一些其他非電量項(xiàng)目的在線監(jiān)測(cè)。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

目前，以單臺(tái)設(shè)備為目標(biāo)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)正在向整體監(jiān)測(cè)延伸，分布式系統(tǒng)的發(fā)展以及通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使得目前的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在向系統(tǒng)化、模塊化、分布式發(fā)展。變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大致可分為3層架構(gòu)，如圖1所示，3層架構(gòu)的功能分別是數(shù)據(jù)采集、專家系統(tǒng)、高級(jí)應(yīng)用。

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。設(shè)備數(shù)據(jù)主要來源于3個(gè)方面，巡檢、試驗(yàn)等離線數(shù)據(jù)、帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 巡檢、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和帶電檢測(cè)主要依賴工作人員的錄入。在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是使用傳感器采集一次設(shè)備的特征信息，以無線或光纖、電纜通信的方式，將信息傳送至現(xiàn)場(chǎng)處理單元。 各種一次設(shè)備在設(shè)備構(gòu)造、運(yùn)行環(huán)境等均有較大的不同，預(yù)埋內(nèi)置傳感器、外置傳感器、無線傳感器等多種傳感器的針對(duì)性使用大大提高了原始數(shù)據(jù)的可信度。監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電電源從站用變引出，對(duì)于敞開式變電站，由于一次設(shè)備布置分散，也可采用太陽能電池板浮沖蓄電池的方式進(jìn)行。 在一個(gè)變電站內(nèi)，各種一次設(shè)備的特征信息通過無線、光纖、雙絞線上傳至站內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，接入內(nèi)網(wǎng)。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，主站軟件一般配置簡(jiǎn)單的測(cè)試軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，完成基本的設(shè)備調(diào)試和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理功能。

圖1 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

專家系統(tǒng)環(huán)節(jié)。使用專家系統(tǒng)診斷軟件對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，利用豐富的數(shù)學(xué)工具結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)完成干擾抑制、模式識(shí)別功能。發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀況不良的設(shè)備，并對(duì)缺陷、故障完成初步的定性、定量分析

高級(jí)應(yīng)用環(huán)節(jié)。根據(jù)專家系統(tǒng)的診斷分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工況，綜合設(shè)備歷史運(yùn)行狀況實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、狀態(tài)評(píng)價(jià)功能。進(jìn)一步考慮檢修風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)效益、停電成本等各方面因素制定檢修計(jì)劃或變更運(yùn)行方式，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備運(yùn)行綜合效益，最大程度發(fā)揮設(shè)備資產(chǎn)的效益，真正做到設(shè)備的全壽命周期管理。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和用戶對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，將會(huì)有更多的監(jiān)控信息接入，也會(huì)出現(xiàn)越來越多的高級(jí)應(yīng)用以滿足電網(wǎng)運(yùn)行的需要。

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及各級(jí)供電單位、科研部門，是一個(gè)跨部門的大型綜合信息管理系統(tǒng)，同時(shí)還涉及PMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等，因此變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要保持自身的相對(duì)獨(dú)立性，而且還要考慮與已有系統(tǒng)的集成，具備足夠的開放性。

3 存在的問題

變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)在提高設(shè)備可靠性、降低設(shè)備檢修成本方面的優(yōu)勢(shì)逐漸開始顯現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于技術(shù)、管理方面的不足，還存在一系列問題有待于進(jìn)一步研究解決。

在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性有待于進(jìn)一步提高。目前變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置在運(yùn)行過程中多少均存在誤報(bào)警、錯(cuò)報(bào)警現(xiàn)象，不同程度上加重了日常檢修工作的工作強(qiáng)度。裝置廠家技術(shù)水平的參差不齊是一個(gè)因素，從技術(shù)上講測(cè)量數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定是由于監(jiān)測(cè)裝置無法在電磁干擾下準(zhǔn)確提取表征一次設(shè)備工作不正常的特征信息，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍需要性能更好的傳感器和更好的干擾抑制方法。

專家診斷軟件有待于進(jìn)一步豐富完善。專家診斷軟件診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率依賴于專家知識(shí)庫(kù)的豐富程度。模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，目前仍需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、積累工作。

在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行維護(hù)不足。監(jiān)測(cè)裝置生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量缺乏應(yīng)有的監(jiān)督機(jī)制，不能及時(shí)排除故障，造成系統(tǒng)癱瘓或不能正常運(yùn)作。目前普遍存在監(jiān)測(cè)裝置的使用壽命與一次設(shè)備壽命不匹配的問題，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)也很難滿足一、二十年后設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要。已投運(yùn)的監(jiān)測(cè)裝置在達(dá)到使用壽命后將面臨升級(jí)困難、接口不匹配的兩難境地，那時(shí)將不僅不能滿足一次設(shè)備安全運(yùn)行的需要，而且會(huì)給設(shè)備的運(yùn)行增加安全隱患。

系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)力量不足。目前已有的在線監(jiān)測(cè)裝置覆蓋了大多數(shù)一次設(shè)備，鑒于目前在線監(jiān)測(cè)裝置存在一定程度的不穩(wěn)定性，設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)需要人工干預(yù)，識(shí)別一些誤報(bào)錯(cuò)報(bào)信息，因此對(duì)系統(tǒng)維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)要求較高。系統(tǒng)維護(hù)人員根據(jù)異常數(shù)據(jù)判斷原因不僅需要熟練的設(shè)備檢修技能，而且需要豐富的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)，這種復(fù)合型人才恰恰是目前生產(chǎn)工作中缺少的。

4 結(jié)語

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期管理的必需途徑，也是提高變電設(shè)備檢修工作效率的重要技術(shù)手段。雖然一些監(jiān)測(cè)裝置存在漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)現(xiàn)象，但逐漸走向成熟的變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)現(xiàn)和跟蹤故障已經(jīng)起到了積極作用。由于在線監(jiān)測(cè)裝置可靠性不足，目前一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為檢修工作提供參考，相信隨著電子通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備管理體制的不斷完善，變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將取代現(xiàn)有的預(yù)防性試驗(yàn)技術(shù)，成為電力設(shè)備安全運(yùn)行的第一道防線。

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