電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)電力的需求與日俱增，對(duì)電力生產(chǎn)設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性提出了更高的要求。隨著電力的大規(guī)模生產(chǎn)，電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越完善，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，各子系統(tǒng)的關(guān)系也越來(lái)越密切，一旦設(shè)備的某個(gè)部分在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)故障，就很可能中斷生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來(lái)災(zāi)難性的后果。為保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，電力設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)診斷將從以時(shí)間為基準(zhǔn)的方式轉(zhuǎn)變到以狀態(tài)為基準(zhǔn)的方式，其內(nèi)容包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷兩個(gè)方面：前者通過(guò)提取故障的特征信號(hào)為狀態(tài)維修提供檢驗(yàn)依據(jù)，后者則分析、處理所采集的狀態(tài)信息。 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀

電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究大致包括以下內(nèi)容 ：1、在線監(jiān)測(cè)手段 ；2、監(jiān)測(cè)信息的傳遞、處理和存儲(chǔ) ；3、故障特征量的提取 ；4、故障機(jī)理分析；5、故障診斷的方法和理論分析。其系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。其中，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及故障診斷的方法和理論分析是其兩大研究方向。

圖1 電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

電力設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)

◆ 信號(hào)采集

電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指在設(shè)備使用期內(nèi)連續(xù)不斷檢查和判定設(shè)備狀態(tài)，猜測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的系統(tǒng)。通常通過(guò)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)量反映設(shè)備運(yùn)行情況，首先獲取診斷對(duì)象的狀態(tài)信息，采集電力設(shè)備的電壓、電流、頻率、局部放電量以及磁力線密度等信號(hào)(包括正常信號(hào)和異常信號(hào))。根據(jù)表征設(shè)備狀態(tài)量的各種信號(hào)的不同特性而采用不同的信號(hào)采集方法，常用的采樣方法有：

● 一次性采樣，每次只采集一個(gè)足足數(shù)據(jù)處理所需長(zhǎng)度的信號(hào)樣本。
● 定時(shí)采樣，按事前整定的周期進(jìn)行采樣。
● 利用發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)的信號(hào)突變自動(dòng)采樣。
● 根據(jù)故障診斷的特殊要求采取轉(zhuǎn)速跟蹤采樣、峰值采樣等特殊采樣方式。

針對(duì)不同的電力設(shè)備和任務(wù)要求其狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法不同。變壓器故障主要由內(nèi)部盡緣老化造成，因而根據(jù)變壓器各種機(jī)械和電氣特性，采用局部放電、油中氣體分析、振動(dòng)分析、極化波譜、恢復(fù)電壓法等方法監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)生故障的類型不同，故趨向于結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等監(jiān)測(cè)電機(jī)的狀態(tài)。斷路器狀態(tài)的好壞的監(jiān)測(cè)主要采用跳閘輪廓法和振動(dòng)監(jiān)測(cè)法獲得斷路器的狀態(tài)信息。

◆ 數(shù)據(jù)傳送

信號(hào)處理系統(tǒng)通常距監(jiān)測(cè)設(shè)備較遠(yuǎn)，由于在傳輸過(guò)程中易受干擾、易損失及相移難以一致(受環(huán)境因素影響較大)，故需先作模數(shù)轉(zhuǎn)換、預(yù)處理和壓縮打包，再經(jīng)通訊路徑傳輸?shù)教幚砜刂浦行�。通訊設(shè)備現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域，光纖傳輸數(shù)字信號(hào)可較好地抑制干擾，保證信號(hào)質(zhì)量。

◆ 數(shù)據(jù)處理

工控?cái)?shù)據(jù)處理中心收到通訊線路傳輸來(lái)的狀態(tài)量數(shù)據(jù)包后，利用各種不同數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)解包處理。例如：頻譜分析、自（互）相關(guān)性分析、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等。數(shù)字信息技術(shù)和智能技術(shù)應(yīng)用到電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理使電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)更加實(shí)時(shí)正確。

目前，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)還未達(dá)到完善、可靠的程度，尚存在以下題目 ：1、信號(hào)采集受傳感器可靠性和現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾和設(shè)備靈敏度等因素影響；2、在并發(fā)診斷能力、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力、大量數(shù)據(jù)的處理、治理能力方面不夠完善；3、理論上缺乏系統(tǒng)的知識(shí)體系、概念體系。

電力設(shè)備故障診斷技術(shù)

◆ 電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
● 電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與前沿性技術(shù)成果緊密結(jié)合，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、電力電子技術(shù)與設(shè)備診斷技術(shù)結(jié)合，使診斷技術(shù)不斷進(jìn)步。
● 由以單臺(tái)設(shè)備為目標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)向整體監(jiān)測(cè)延伸。設(shè)備的狀態(tài)由多種參數(shù)綜合決定，故障維修不再局限某一設(shè)備，而是同時(shí)考慮整個(gè)電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行以及電力供求關(guān)系的調(diào)整。與集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，從設(shè)備四周采集和處理數(shù)據(jù)的分布式多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以節(jié)省信號(hào)電纜，降低監(jiān)丈量，進(jìn)步了監(jiān)測(cè)的可靠性，同時(shí)還可以做到資源共享。
● 設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化的跟蹤。分布式系統(tǒng)的發(fā)展以及通訊技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使設(shè)備診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，采集設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)后可遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程協(xié)作診斷。
● 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和集成。如在分布式的監(jiān)控系統(tǒng)中將狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與繼電保護(hù)有機(jī)結(jié)合。

總之，隨著傳感器技術(shù)和信息技術(shù)的日益成熟，在智能化理論(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)) 的基礎(chǔ)上結(jié)合信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析為主的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)，可預(yù)見(jiàn)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷將進(jìn)進(jìn)智能化的新時(shí)代。

電力設(shè)備故障診斷的過(guò)程可以概括為圖2所示框圖。

圖2 電力設(shè)備故障診斷的過(guò)程

可以看到，機(jī)械故障診斷主要包括四個(gè)步驟，即信號(hào)測(cè)取、特征提取、狀態(tài)診斷和狀態(tài)分析。在機(jī)械故障診斷的發(fā)展過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)最重要、也是最困難的題目之一就是故障特征信號(hào)的特征提取。從某種意義上說(shuō)，特征提取可以說(shuō)是當(dāng)前電力設(shè)備故障診斷研究中的瓶頸題目，它直接關(guān)系到故障診斷的正確性和故障早期預(yù)告的可靠性。為了解決特征提取這個(gè)關(guān)鍵題目，對(duì)于電力設(shè)備故障的特殊性，診斷方法就具有一定的特殊性。隨著電站發(fā)電容量的增大以及人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能診斷方法在電力設(shè)備故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的智能診斷方法是模糊診斷方法和規(guī)則診斷方法。

◆ 診斷技術(shù)
● 模糊診斷方法

在電力設(shè)備故障診斷中存在很多邊界不分明的事情，不能再用經(jīng)典集合論中的二值邏輯關(guān)系來(lái)描述，必須用模糊集合論中的“隸屬度”來(lái)描述。這無(wú)疑可以進(jìn)步故障診斷的正確性。但是鑒戒模糊數(shù)學(xué)的基本理論發(fā)展起來(lái)的模糊診斷方法，通常是利用反映征兆與故障相關(guān)程度的模糊關(guān)系矩陣，通過(guò)模糊變換來(lái)診斷故障，這是不正確的。由于從征兆出發(fā)往診斷故障，是根據(jù)征兆逐步確定和排除故障的過(guò)程，因此，需要明確的是征兆對(duì)故障的肯定和否定程度。根據(jù)征兆對(duì)故障的肯定和否定程度，可以建立模糊篩選矩陣，建立故障診斷的數(shù)學(xué)模型；利用模糊篩選矩陣可以反映故障存在的充分條件，可以考慮不同征兆之間的相互影響，能夠?qū)�故障隸屬度進(jìn)行精確計(jì)算。但涉及的故障和征兆數(shù)目太多時(shí)，就可能難以分辨征兆之間的相互作用，且模糊篩選矩陣一般是根據(jù)機(jī)組故障的典型情況建立的，一旦確定后不能根據(jù)故障的具體情況靈活地進(jìn)行調(diào)整。由于故障和征兆表現(xiàn)的多樣性，必須根據(jù)機(jī)組的不同狀態(tài)和故障可能表現(xiàn)的形式對(duì)模糊篩選矩陣進(jìn)行修正。

● 規(guī)則診斷方法

規(guī)則是一種表示故障和征兆之間因果關(guān)系的形式。規(guī)則必須能夠正確地反映專家處理實(shí)際題目的整個(gè)思維過(guò)程，確切地表達(dá)故障和征兆之間的復(fù)雜映射性，不能簡(jiǎn)單地以為規(guī)則只是某故障所有的征兆的任意組合。

在基于規(guī)則的診斷推理中，一般要求同一故障不同規(guī)則之間的條件條件是相互獨(dú)立的，這在故障和征兆存在復(fù)雜映射性的情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，需要對(duì)不精確推理算法進(jìn)行改進(jìn)，不能在規(guī)則的條件條件之間和規(guī)則之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的模糊加權(quán)運(yùn)算，不能簡(jiǎn)單地以為故障是通過(guò)某些征兆得到的。基于規(guī)則的診斷方法能夠根據(jù)機(jī)組故障的實(shí)際情況組織規(guī)則，具有較大的靈活性。能夠根據(jù)情況不同激活相應(yīng)的規(guī)則，迅速確定和排除某些故障。能夠根據(jù)推理路徑對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行公道解釋。能夠在一定的程度上改善單規(guī)則輕易發(fā)生沖突和不一致的現(xiàn)象。

● 混合診斷規(guī)則

顯然，單一的診斷方法已不能適應(yīng)水輪機(jī)機(jī)組復(fù)雜故障診斷的要求。在其他的智能故障診斷方法中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法能夠根據(jù)大量的故障機(jī)理研究以及經(jīng)驗(yàn)性的直覺(jué)知識(shí)回納出典型樣本，通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到題目的求解，從本質(zhì)上模擬專家的直覺(jué)。基于案例的診斷推理能夠利用以前解決類似題目的經(jīng)驗(yàn)，診斷結(jié)果易于理解和接受�；�于模糊診斷推理能夠利用機(jī)組結(jié)構(gòu)和故障機(jī)理等深知識(shí)來(lái)區(qū)分故障之間的層次關(guān)系和因果關(guān)系，能夠診斷出系統(tǒng)中從未發(fā)生過(guò)的故障。當(dāng)然，它們只是這些診斷方法理論上所具有的優(yōu)越性，能否在實(shí)踐中真正發(fā)揮作用，取決于這些診斷方法是否真正體現(xiàn)了故障診斷的本質(zhì)。假如對(duì)所有征兆的作用不加區(qū)分，僅根據(jù)不同的征兆的權(quán)值計(jì)算案例的相似度，可能得不到正確的診斷結(jié)果。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)例

超高壓主干變壓器是電力傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，而局部放電又是造成其盡緣故障的重要原因，因此對(duì)變壓器進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，為電站的變壓器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢驗(yàn)與維護(hù)提供可靠、正確的決策依據(jù)和符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的現(xiàn)代治理和維修的科學(xué)模式具有重要意義。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，變壓器局部放電超高頻(UHF)檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)頻率高、抗干擾性強(qiáng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合局部放電在線監(jiān)測(cè)。它通過(guò)接收電力變壓器局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)和定位，現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)外的眾多電力變壓器監(jiān)測(cè)研究機(jī)構(gòu)所認(rèn)可。

圖3 電力變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)實(shí)例

變壓器超高頻局部放電信號(hào)的頻率均在300MHz以上，甚至超過(guò)1GHz，如此超高頻放電信號(hào)，常用的A/D采集卡在采樣率和存儲(chǔ)深度等方面是很難滿足要求，而且局部放電丈量通常只關(guān)心信號(hào)的峰值及其出現(xiàn)的相位，因此，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)調(diào)整到通用大動(dòng)態(tài)范圍高速采集卡能處理的頻率范圍，并保存其峰值和相位等特征，達(dá)到既能檢測(cè)信號(hào)，避開(kāi)干擾，又降低技術(shù)要求的目的。基于混頻技術(shù)的超高頻局部放電檢測(cè)便能實(shí)現(xiàn)這一功能。

圖4 基于專家智能系統(tǒng)的變壓器診斷系統(tǒng)的框架

變壓器局部放電超高頻檢測(cè)技術(shù)的具體方法為：變壓器中局部放電發(fā)射的電磁波經(jīng)超高頻傳感器(檢測(cè)頻帶為400～800MHz) 耦合接收后，將放電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)超高頻接收機(jī)的混頻、濾波、檢波和放大處理后，局部放電超高頻信號(hào)可降頻為0～5MHz信號(hào)，最后將處理過(guò)的高頻窄帶信號(hào)送進(jìn)研華工控機(jī)ACP－4001內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡PCI－1714（采樣頻率為30MS/s采樣率）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析，整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于變壓器故障的特殊性，診斷方法就具有一定的特殊性。隨著人工智能、專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能診斷方法在水輪機(jī)機(jī)組故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。基于專家智能診斷系統(tǒng)的變壓器故障診斷的框架見(jiàn)圖4所示。