变电站设备状态监测发展现状

付兆远，郑风玲，李 琮，杨琦欣

（济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

目前的电气设备检测工作多数是按照《电气设备预防性试验规程》的要求，对不同的一次设备按照规定的检测周期进行预防性试验，根据试验结果安排检修计划。这种工作模式对电网安全运行做出了巨大贡献，但是这种基于预防性试验的传统检修方式已不能满足生产的需要，特别是对一些运行年限比较长的设备，传统检修方式的弊端更加明显［1］。经济社会的不断发展和电网规模的不断扩大对电网供电可靠性提出了更高的要求，非计划停电造成的经济效益损失和不良社会影响越来越大，电力设备的状态检测可以实时跟踪电力设备运行状态，及时反映设备绝缘的老化程度，避免停电事故的发生。对变电设备开展状态检修可以有效延长设备使用寿命，最大限度地发挥设备资产的经济效益，进而提高电网运行的可靠性［2］。

1 国内外在线监测技术发展

变电设备的状态检修涉及带电检测、在线监测等多种技术手段。国内自20世纪80年代开始进行带电测试工作，随着电子仪器技术和计算机技术的发展，在线监测技术先后使用了单片机装置、DPS芯片、计算机监测装置。目前总线技术、网络技术已在电力设备监测中得到了迅速发展。国内的院校及科研院所均投入了大量的力量进行研究和开发［3］，一些先进的数据处理方法如模糊诊断技术、专家系统、人工神经网络、不规则图形压缩技术等均在状态监测领域得到了大规模应用，超声波、超高频等探测技术的应用也越来越广泛［4］。随着信息处理技术与传感器技术的不断进步，变电站设备状态检修技术逐步走向成熟、实用。

国际上，自20世纪60年代美国率先开展状态监测技术的研究以来，阿尔斯通、GE、西门子、ABB等知名公司进行的一系列研究加速了电力设备状态监测与故障诊断技术的发展。加拿大、日本、韩国等均研制出相对成熟的成套的电力设备状态监测系统。近年来，美国AVO公司、澳大利亚红相、德国LDIC等公司在状态监测装置实用化上走在了前列。目前，状态监测技术的研究已成为非破坏性检测下属的一个新的活跃分支。

2 电力设备状态监测工作开展现状

电力设备在运行过程中，总会有某个或某些特定的参数来表征整个设备运行状态的变化情况，通过采集特征参数的相关信息，根据其数值的大小及变化趋势可以判断设备的健康状况，及早发现设备缺陷，为设备检修、更换提供数据支持，有效避免故障的产生。变电设备的状态监测需要大量的设备状态数据的支持，传统的预防性试验、例行巡检等技术手段存在数据周期长、数据量小的缺点，变电设备的在线监测能有效丰富设备状态数据，多种设备数据的综合使用可以有效完成设备的状态评估。

2.1 主要监测项目

变电设备在线监测现阶段主要由变压器、电容型设备、避雷器、开关类设备、GIS和综合等6类监测设备组成。

作为变电站最重要的设备之一，变压器的安全运行是整个变电站运行的重中之重。变压器在线监测技术主要包括油中溶解气体分析、铁心接地电流、局部放电、绕组变形、变压器振动频谱等状态量的监测技术。绕组绝缘和主绝缘是影响变压器寿命的最主要原因［5］，因此相应的监测项目如油中溶解气体分析、铁心接地电流监测、局部放电监测也得到了充分发展，对及早发现变压器运行缺陷起到了积极作用。 另外几种技术已有实际应用，但尚需积累更多经验［6］。

电容型设备在线监测技术主要包括对套管、电流互感器、耦合电容和电容式电压互感器等电容型设备的绝缘在线监测，主要监测设备的介质损耗因数、电容量的变化。 其中电容量的监测技术相对容易实现，数据也较稳定；在线介损的测量容易受现场温湿度、TV相角差、谐波、频率波动等多种因素的影响而出现测量结果稳定性、可重复性差的现象。

避雷器缺陷、故障很难从外观上发现且故障点查找困难，避雷器受潮、劣化等均对变电设备的安全运行构成威胁。避雷器泄漏全电流和阻性电流变化趋势与避雷器运行特性密切相关，可以通过监测避雷器泄漏电流的方法来掌握避雷器的运行状态。避雷器的在线监测方法主要有阻性电流法和三次谐波法，阻性电流的计算需要从PT上提取电压参考信号，三次谐波法不能准确反应单支避雷器的运行参数，二者各有优劣。 目前避雷器状态监测在实际中已得到了较为广泛的应用。

断路器故障主要为机械故障和电气故障两类，80%的断路器故障是由于机械特性不良造成的，因此目前断路器的在线监测项目主要有机械动作特性、触头寿命监测。 其中通过监测累计遮断电流来计算估计断路器触头磨损是一种正在积累经验和判据的技术。通过监测机械行程和速度、振动等能初步评价断路器的机械寿命。但是由于目前高压断路器都是免维护设计，而且开关内部的结构复杂，安装在线监测装置的难度很大，因此断路器的在线监测项目还处于初级应用阶段［7］。

GIS由于具有占地面积小、可靠性高的特点得到了大规模应用，但是GIS也存在解体困难、检修时间长、故障波及范围广的缺点。GIS在线监测可以提前发现绝缘材料腐蚀、部件松动等缺陷隐患，有效延长GIS寿命，避免大型停电事故的发生。GIS在线监测使用的技术主要有超声波法和超高频法、地电波法等，多种监测手段结合可以有效地对GIS放电类型、放电部位进行判断。 预埋内置传感器、外置传感器等多种形式传感器的综合应用也大大提高了GIS局放监测的可靠性［8-9］。

另外目前已经开展的还有针对有载分接开关、压力释放阀的监测项目，以及温度、湿度监测和一些其他非电量项目的在线监测。

2.2 状态监测系统构架

目前，以单台设备为目标的状态监测正在向整体监测延伸，分布式系统的发展以及通信技术在电力系统的广泛应用使得目前的状态监测系统正在向系统化、模块化、分布式发展。变电设备状态监测系统大致可分为3层架构，如图1所示，3层架构的功能分别是数据采集、专家系统、高级应用。

数据采集环节。设备数据主要来源于3个方面，巡检、试验等离线数据、带电检测数据和在线监测数据。 巡检、试验数据和带电检测主要依赖工作人员的录入。在线监测数据是使用传感器采集一次设备的特征信息，以无线或光纤、电缆通信的方式，将信息传送至现场处理单元。 各种一次设备在设备构造、运行环境等均有较大的不同，预埋内置传感器、外置传感器、无线传感器等多种传感器的针对性使用大大提高了原始数据的可信度。监测设备的供电电源从站用变引出，对于敞开式变电站，由于一次设备布置分散，也可采用太阳能电池板浮冲蓄电池的方式进行。 在一个变电站内，各种一次设备的特征信息通过无线、光纤、双绞线上传至站内的数据转换器，数据转换器进行数据汇总，接入内网。在数据采集环节，主站软件一般配置简单的测试软件和数据管理软件，完成基本的设备调试和数据简单处理功能。

图1 变电设备状态监测系统网络构架图

专家系统环节。使用专家系统诊断软件对上传的数据进行解析，利用丰富的数学工具结合专家知识库完成干扰抑制、模式识别功能。发现运行状况不良的设备，并对缺陷、故障完成初步的定性、定量分析

高级应用环节。根据专家系统的诊断分析结果，结合设备运行工况，综合设备历史运行状况实现设备状态预警、状态评价功能。进一步考虑检修风险、社会效益、停电成本等各方面因素制定检修计划或变更运行方式，延长设备使用寿命，提高设备运行综合效益，最大程度发挥设备资产的效益，真正做到设备的全寿命周期管理。随着电网规模的不断扩大和用户对供电可靠性要求的不断提高，将会有更多的监控信息接入，也会出现越来越多的高级应用以满足电网运行的需要。

变电设备状态监测系统涉及各级供电单位、科研部门，是一个跨部门的大型综合信息管理系统，同时还涉及PMS系统、SCADA系统等，因此变电设备状态监测系统不仅要保持自身的相对独立性，而且还要考虑与已有系统的集成，具备足够的开放性。

3 存在的问题

变电设备的状态监测在提高设备可靠性、降低设备检修成本方面的优势逐渐开始显现，在实际应用过程中，由于技术、管理方面的不足，还存在一系列问题有待于进一步研究解决。

在线监测装置的可靠性有待于进一步提高。目前变电设备状态监测装置在运行过程中多少均存在误报警、错报警现象，不同程度上加重了日常检修工作的工作强度。装置厂家技术水平的参差不齐是一个因素，从技术上讲测量数据的不稳定是由于监测装置无法在电磁干扰下准确提取表征一次设备工作不正常的特征信息，监测系统仍需要性能更好的传感器和更好的干扰抑制方法。

专家诊断软件有待于进一步丰富完善。专家诊断软件诊断结果的准确率依赖于专家知识库的丰富程度。模拟试验数据不能准确反应复杂电磁环境下设备的实际运行状况，目前仍需要进行大量的试验研究和运行数据统计、积累工作。

在线监测装置运行维护不足。监测装置生产厂家对产品质量缺乏应有的监督机制，不能及时排除故障，造成系统瘫痪或不能正常运作。目前普遍存在监测装置的使用寿命与一次设备寿命不匹配的问题，现有的监测技术也很难满足一、二十年后设备状态监测的需要。已投运的监测装置在达到使用寿命后将面临升级困难、接口不匹配的两难境地，那时将不仅不能满足一次设备安全运行的需要，而且会给设备的运行增加安全隐患。

系统维护技术力量不足。目前已有的在线监测装置覆盖了大多数一次设备，鉴于目前在线监测装置存在一定程度的不稳定性，设备状态评价需要人工干预，识别一些误报错报信息，因此对系统维护人员的专业技术素质要求较高。系统维护人员根据异常数据判断原因不仅需要熟练的设备检修技能，而且需要丰富的网络数据库知识，这种复合型人才恰恰是目前生产工作中缺少的。

4 结语

变电设备状态监测系统是实现设备全寿命周期管理的必需途径，也是提高变电设备检修工作效率的重要技术手段。虽然一些监测装置存在漏报、错报现象，但逐渐走向成熟的变电设备状态监测系统对发现和跟踪故障已经起到了积极作用。由于在线监测装置可靠性不足，目前一次设备的在线监测数据仅为检修工作提供参考，相信随着电子通信技术的不断进步和设备管理体制的不断完善，变电设备的状态监测系统必将取代现有的预防性试验技术，成为电力设备安全运行的第一道防线。

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