輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的開發(fā)與應用

1、輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的開發(fā)與應用輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的開發(fā)與應用董明1 ,李元1 ,周建國2 ,嚴璋1(1. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,西安交通大學,西安710049; 2. 華東電網(wǎng)有限公司,上海200002摘要:介紹了為華東電網(wǎng)開發(fā)的500kV輸變電設備的狀態(tài)檢修系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,采用了如油中溶解氣體(DGA 、局部放電( PD 、直流偏磁、鐵心接地電流等一系列的在線監(jiān)測技術及裝備,并引入了如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN 、粗糙集理論(RST等高級診斷方法進行運行中變壓器故障診斷。實例分析結果表明該狀態(tài)檢修系統(tǒng)的有效性及實用性,有助于對用戶提供維修決策支持。關鍵詞:輸變電設備;故障診斷;

2、狀態(tài)檢修;狀態(tài)評價;風險評價;資產(chǎn)管理;維修決策作者簡介:董明(19782 ,男,副教授,主要從事電力設備狀態(tài)檢修及壽命評估技術的研究。中圖分類號: TM76文獻標志碼:A文章編號: 100129529 (2009 0721070206Developmen t and applica tion of cond ition2ba sed ma intenance system sfor tran sm ission and tran sforma tion equ ipmen tDONGM ing1 , L I Yuan1 , ZHOU J ian2guo2 , YAN Zhang1(1. St

3、ate Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment, Xian J iaotong Univ. , Xian 710049, China;2. East China Grid Company L imited, Shanghai 200002, ChinaAbstract:A new condition2based maintenance (CBM system for transmission and transformation equipment wasp resented which was developed

4、 and first app lied to a 500 kV substation of East China Power Grid. In this system, aseries of on2line monitoring technologies were used, i. e. dissolved gases analysis (GDA , partial discharge ( PD ,DC bias, and core earthing current monitoring. Several advanced methods such as artificial neural n

5、etwork (ANNand rough set theory (RST were also used to diagnose transformers faults during operation. The case study p rovedthe CBM system effective and useful.Key words: transmission and transformation equipment; fault diagnosis; condition2based maintenance (CBM ; con2dition evaluation; risk evalua

6、tion; assetmanagement; maintenance decision2making隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,電力系統(tǒng)中的電力設備數(shù)量不斷增加,輸變電設備定期檢修量迅速增加,開展基于設備狀態(tài)的檢修工作重要性日益凸顯。與中低壓電力設備的狀態(tài)檢修相比,超高壓輸變電設備在電網(wǎng)中占有舉足輕重的作用,其狀態(tài)檢修需要更為強有力的技術手段支持,包括信息數(shù)據(jù)的及時掌握、運行狀態(tài)的準確分析、運行風險的有效掌控等。電氣設備的可靠性是電網(wǎng)安全運行的保證,因此宜及時對設備實施狀態(tài)監(jiān)測,尤其是對關鍵的大型電力設備尤為重要。在此背景下,依據(jù)國家電網(wǎng)關于狀態(tài)檢修的精神和指導意見,積極開展輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)

7、的研制和開發(fā)工作,并選取華東電網(wǎng)一座500 kV樞紐變電站作為試點,從設備狀態(tài)量的信息化入手,探索數(shù)字化變電站的實現(xiàn)及運行方式,建立涵蓋各類電力設備的狀態(tài)在線監(jiān)測和數(shù)字化軟硬件系統(tǒng),即500 kV輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng),并在此基礎上開展狀態(tài)評估、狀態(tài)檢修工作。1系統(tǒng)概述狀態(tài)檢修系統(tǒng)由四層組成:就地監(jiān)測層、站內(nèi)數(shù)據(jù)平臺、遠方數(shù)據(jù)平臺、高級應用層,如圖1所示。本項目建立的由4層結構組成的狀態(tài)檢修系統(tǒng),形成了集中的、多級的、遠程的數(shù)字狀態(tài)檢測與診斷網(wǎng)絡系統(tǒng),完成狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、應用,解決了以往狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的種種弊端。該系統(tǒng)具有以下特點:(1 實現(xiàn)各監(jiān)測量的集中顯示、統(tǒng)一維護、綜合分析診斷。

8、(2 對各狀態(tài)參量的數(shù)據(jù)通信格式進行了統(tǒng)一定義,采用了透明的通信協(xié)議;(3 應用IEC61850通信規(guī)約,提高了對其他系統(tǒng)的接入能力。(4 采用了較為成熟的電力設備智能故障診斷算法,提高設備故障的正判率,有力支持了狀態(tài)評價的開展。2 故障診斷與分析系統(tǒng)對輸變電設備的狀態(tài)診斷是實現(xiàn)設備狀態(tài)管理的基礎,也是應用支撐層的核心組成。一方面以GB5015022006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準、DL /T 59621996電力設備預防性試驗規(guī)程、國家電網(wǎng)公司輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程(以下簡稱國網(wǎng)規(guī)程等國家、電力行業(yè)與國家電網(wǎng)公司標準、規(guī)范、導則為基礎,對變壓器、變壓器套管、斷路器、TA、CVT

9、、MOA、SF6斷路器、隔離開關及接地開關、GIS等設備的例行試驗、診斷性試驗都進行了算法支持和實現(xiàn),另一方面結合西安交通大學綜合全國各地多年試驗數(shù)據(jù)基礎上提出的診斷算法,將設備診斷中個別敏感的試驗項目進行了故障細分,如根據(jù)變壓器基本試驗項目定位故障和明細故障的整體診斷算法、基于粗糙集等理論形成的變壓器綜合確定故障類型和簡要建議的綜合診斷算法等,更好地實現(xiàn)了狀態(tài)管理的技術支撐。2. 1基于國網(wǎng)規(guī)程的故障診斷方法依照國網(wǎng)規(guī)程,本診斷系統(tǒng)不但實現(xiàn)了從規(guī)程中抽象出來的絕對值比較算法和變化率比較算法,且包含了試驗數(shù)據(jù)的縱橫比較、狀態(tài)量顯著性差異分析等基于統(tǒng)計科學診斷方法。(1 試驗數(shù)據(jù)的縱,橫比較法縱

10、比是對試驗數(shù)據(jù)在時間上的變化趨勢進行分析,試驗數(shù)據(jù)的突變往往可能說明設備特性發(fā)生了變化;橫比一般是指同一設備試驗數(shù)據(jù)的相間比較。由于同一設備的運行環(huán)境和經(jīng)歷,試驗的條件和時間比較一致,相間的試驗數(shù)據(jù)具有可比性,因而相間的橫比在一定程度上可以反映出設備特性的變化。當然縱橫比的使用也有一定的限制,并不是所有的試驗數(shù)據(jù)都適用,只有那些具有漸變特性,并與設備的運行狀態(tài)相關的試驗參數(shù)才有較大的使用價值,如介質損耗、直流泄漏、絕緣電阻等。另外有的試驗項目(如直流電阻除以上方法外,又分別對相間、線間的不同數(shù)據(jù)采取了三項不平衡的比較方法。(2 狀態(tài)量顯著性差異分析法由于某些狀態(tài)量如繞組直流電阻劣化表現(xiàn)為狀態(tài)值

11、和初始值之間的不一致,依照狀態(tài)量顯著性差異分析法,可利用已經(jīng)獲得的有效試驗數(shù)據(jù)進行新的直流電阻標準的動態(tài)計算,并進行了自定義標準下的診斷。具體方法如下:按設備型號、設備出廠廠家或設備電壓等級中的一個或多個條件取出試驗數(shù)據(jù)庫中所有滿足條件的試驗數(shù)據(jù),顯示獲取有效數(shù)據(jù)的條數(shù)n,并計算取出的數(shù)據(jù)的平均值,如,某廠生產(chǎn)的某型變壓器高中低及地繞組直流電阻數(shù)據(jù)變化率的平均值P,并計算數(shù)據(jù)的樣本偏差S (不含被診斷設備試驗數(shù)據(jù) 。對于劣化表現(xiàn)為偏離初始值(繞組直流電阻 ,計算出P - kS 和P + kS ,如果樣本數(shù)據(jù)足夠大,那么正常的變壓器試驗數(shù)據(jù)應該介于這兩個數(shù)據(jù)之間,如果被診斷的試驗數(shù)據(jù)不在這個范圍

12、內(nèi),應理解為偏離注意值。2. 2 基于三比值、人工神經(jīng)網(wǎng)絡與援例推理的油色譜診斷方法我國從20世紀60年代開始試驗研究油中溶解氣體分析技術和方法。40 多年來采用該方法及時發(fā)現(xiàn)了大量充氣電力設備內(nèi)部存在的潛伏性故障,由于對這些潛伏性故障發(fā)現(xiàn)、處理及時,避免了事故發(fā)生和設備損壞。該方法具有不停電檢測和能檢測出緩慢發(fā)展的早期潛伏性故障等特點,已成為提高充油設備運行可靠性和杜絕運行中發(fā)生燒損事故的有效方法之一,被廣泛采用。試驗證明每種單一的診斷方法,雖然對某些特定的故障識別率較高,但也存在缺點。以比值法為例,它對故障屬于過熱或者放電類型的正判率較高,一般能達到90%以上。但對于過熱類型故障,在進一步

13、判斷到底是屬于導磁回路還是導電回路過熱時,根據(jù)模擬試驗,正判率只有60%多。因此,僅依靠單一的某種故障診斷方法來決定故障是不夠可靠的。為此,本系統(tǒng)在每一步的判斷過程中,都盡可能采用結合三比值、神經(jīng)網(wǎng)絡、援例推理等智能方法對油色譜數(shù)據(jù)進行綜合分析,再按少數(shù)服從多數(shù)的策略形成總的判斷結果,這樣可以認為是對三個專家結果再進行“開會討論”,以進一步提高正判率,圖2為油色譜智能診斷算法流程。(1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法采用變壓器油中溶解氣體含量進行變壓器絕緣故障的識別,在數(shù)學上就相當于實現(xiàn)了一個從故障征兆空間到故障模式空間的映射。因變壓器油中溶解氣體含量與故障類別之間并沒有明確的函數(shù)關系,所以具有非線性映射能

14、力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術被廣泛地應用在變壓器故障診斷中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為一種形式上接近人腦構造的新型信息處理系統(tǒng),具有強大的并行處理能力、分布式存儲能力和自適應學習能力,因而在油中溶解氣體含量分析結果的基礎上結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術進行變壓器絕緣故障診斷已成為近年來的研究熱點,并取得較大進展。本系統(tǒng)采用了單隱層的誤差反向傳播前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡,其拓撲結構如圖3所示。本系統(tǒng)采用以3個獨立的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡ANN1、ANN2 和ANN3 對變壓器故障進行診斷,如圖4所示。即根據(jù)輸入的故障變壓器氣體數(shù)據(jù),由ANN1網(wǎng)絡先將其劃分為過熱故障或放電故障,然后以ANN2網(wǎng)絡再將過熱故障進一步分為電路過熱故障或磁路過

15、熱故障,或以ANN3網(wǎng)絡將放電故障進一步分為涉及固體絕緣的放電故障或不涉及固體絕緣的放電故障。(2 援例推理方法援例推理(也稱范例推理方法(Case BasedReasoning, CBR同人類的日常推理活動十分接近,它來自于人類的認知心理活動:推理者在求解一個新問題時,往往習慣于借鑒他以前對類似問題的處理經(jīng)驗。當新面臨的問題與他以前處理過的問題近于簡單重復時,可以把處理舊問題的成功經(jīng)驗直接用于求解該問題;而當新問題是推理者從來沒有遇見過的問題時,也可以回憶起一個或多個類似的舊問題,通過類比得到重要提示,加之一些規(guī)律性知識作指導,就便于完成對新問題的解決;同時,成功處理過的新問題又會被當作經(jīng)驗

16、記下來,用以處理以后的問題。簡言之, CBR的推理原理是:相似的問題具有相似的解。綜合多種范例檢索算法的范例推理綜合診斷模型能夠在一定程度上彌補各種范例檢索算法的不足,在比較了待診變壓器和源范例間故障征兆的相似程度后,考慮到征兆相近的變壓器可能具有相近的故障原因,從而確定出待診變壓器的故障原因,這種診斷思想比較符合實際情況,因而具有較高的診斷可靠性和實用性。2. 3診斷系統(tǒng)實例分析某發(fā)電廠變壓器額定容量為63 MVA,額定電壓為110 /35 /10. 5 kV。分析外部檢查、絕緣油特性檢查結果,認為是變壓器內(nèi)部異常。具體試驗參數(shù)如表1表3所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)利用故障診斷子系統(tǒng)進行故障診斷與分析

17、。(1 圖5 為故障診斷系統(tǒng)色譜智能分析頁面,診斷結果為涉及固體絕緣性放電。(2 圖6為故障診斷系統(tǒng)基于粗糙集理論成果的變壓器綜合診斷分析頁面,結合以上電氣試驗結果和色譜數(shù)據(jù)分析結果,診斷結果為:線圈故障,詳細建議為接頭焊接不好或線餅斷股或裸金屬過熱。(3 現(xiàn)場專家處理意見是停運,吊芯檢查。檢查結果確為繞組故障。2. 4充分重視在線檢測的作用以及試點性采用IEC61850通信規(guī)范在線監(jiān)測技術經(jīng)過數(shù)十年的研究和實踐,已經(jīng)呈現(xiàn)出較快發(fā)展的趨勢,部分成熟產(chǎn)品正逐漸向電網(wǎng)設備推廣和應用,涵蓋了主要的電氣設備,并取得一定的效果。在線監(jiān)測技術可以有效克服預防性試驗的種種不足,在發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測主設備的缺陷方面,

18、發(fā)揮了其他手段難以承擔的作用,即及時、有效地發(fā)現(xiàn)設備缺陷和運行數(shù)據(jù)趨勢,預防設備的突發(fā)性故障,是離線預防性試驗的良好補充,為主設備的安全運行起到了較好的保障作用。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場需要并考慮項目的前瞻性和示范性并結合被監(jiān)測設備的重要性、監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、維護量及其投入成本投入等作綜合考慮,對現(xiàn)場主變、高壓斷路器、金屬氧化物避雷器(MOA等設備安裝了在線監(jiān)測設備,對其主要表征狀態(tài)參量進行實時監(jiān)測。與此同時,本系統(tǒng)更實現(xiàn)了在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時診斷和報警,如變壓器油中溶解氣體分析、鐵心接地電流、電容量與介質損耗等較成熟、典型數(shù)據(jù)參量的實時診斷并可將診斷結果納入狀態(tài)評價評分表中,這樣現(xiàn)場設備實時狀態(tài)的變化可

19、得以及時體現(xiàn)。最后,數(shù)字化、智能化建設是今后電網(wǎng)技術發(fā)展的大勢所趨。其中基于IEC61850通信標準的開發(fā)與應用將發(fā)揮重要作用。然而迄今為止,尚沒有在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修系統(tǒng)采用IEC61850通信。為此,本系統(tǒng)試點性的采取選取1臺斷路器監(jiān)測單元實現(xiàn)IEC61850 通信規(guī)范,開發(fā)監(jiān)測終端、通信管理機等硬件,以期分步實施的策略來應用IEC61850 規(guī)范, 最終達到建立完整的基于IEC61850的各類設備狀態(tài)監(jiān)測模型和擴展規(guī)范,填補國內(nèi)外空白。3 設備狀態(tài)評價與風險管理系統(tǒng)3. 1設備狀態(tài)評價根據(jù)試驗數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)場實時獲取的在線數(shù)據(jù)或例行離線試驗數(shù)據(jù),可實現(xiàn)各個單項試驗數(shù)據(jù)診斷,并結合現(xiàn)場設備運行巡檢結果、設備家族缺陷等綜合信息對現(xiàn)場輸變電設備進行整體狀態(tài)評價。國網(wǎng)規(guī)程中明確了變壓器、SF6 斷路器與輸電線路的狀態(tài)評