电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析

1、第27卷第l期2003年l月l0日6l电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析苏鹏声 王欢<清华大学电机系 北京市l00084)摘要:针对我国电力系统状态监测和诊断技术研究及应用中存在的问题 对状态监测和故障诊断的任务电力系统设备故障的特点状态监测的实现条件及关键技术等进行了讨论和分析 对状态监测中的数据处理和分析技术进行了说明 指出状态分类 和处理决策 是数据分析的核心技术 介绍了国内外状态监测技术的现状和发展 指出只有国内设备管理体制改变和状态检修实施以后 状态监测的应用才会开展起来关键词:状态监测;状态检修;故障诊断;在线监测中图分类号:TM407;TP277引言障诊断 其结论应该属

2、于状态监测范围电力系统设备的状态监测与故障诊断是近l0年来发展较快的新技术 具有良好的发展和应用前景 l3 在国内 状态监测与故障诊断技术已经发展了十几年 一些厂家已经能生产各种检测装置 但是 目前状态监测与故障诊断的应用还不普遍 还存在种种问题 包括一些认识上的误区本文将从电力系统设备状态监测与故障诊断的内容和任务的讨论开始 对目前存在的问题和未来的发展提出看法图l按故障发展进程分类的故障处理方法Fig.lMethodsaccordingtofaultprogressI状态监测的概念和任务在实际应用中 有故障预报故障诊断和状态监测等几个在内容上相近但存在差别的概念 一般来讲 它们在内容上没有

3、严格的界限 采用的方法很多是一样的 都要进行在线检测和数据分析 而且最终目标也是一致的 即防患于未然 但是 它们的任务不尽相同 这里指出它们的区别 是为了进一步明确状态监测的任务 避免一些误解故障预报 根据故障征兆 对可能发生故障的时间位置和程度进行预测故障诊断 根据故障特征 对已发生的故障进行定位和对故障发展程度进行判断状态监测 对设备的运行状态进行记录分类和评估 为设备维护维修提供决策以上几个概念的关系如图l所示 它们是按故障发展的时间进程进行分类的 如果不能对未发生的故障时间位置进行预测和不能对已发生故障的位置程度进行准确判断 则不能称为故障预报和故收稿日期:2002-03-l4;修回日

4、期:2002-06-06图2表示了它们的理论依据 对故障的预测或预报必须建模和仿真 而故障诊断也需要对故障的机理进行分析和研究 不能仅仅依靠信号处理的方法 只分析故障的外在表现 因而存在较大的难度 状态监测主要依据信号处理和模式识别对设备进行评估和判断 相对容易实现 但是 也不能认为预测或预报是最好的方法 而状态监测只是一种初级的手段 每一种方法必须适合具体的对象 关键在于准确 要得到准确的结论都是不容易的图2故障预报故障诊断和状态监测的依据Fig.2Basisofprediction diagnosisandmonitoring状态监测适合电力系统主设备的现状 主设备的主要故障 例如绝缘故障

5、机械故障等的一些故障62的类型和特点0以下两方面的问题是电力系统设备故障所特有的0a 由于故障发展速度的差别9形成了瞬变故障和缓变故障两个类型0以大型发电机和变压器为例9如图 图 所示0机理还不清楚9全系统的故障建模和仿真更难9而作为一个产品9其生存期有限9也没有必要进行大量的研究工作0如果强调对主设备故障的6预报9和6定位99不仅现有条件下很难达到预期效果9而且容易产生过分的期望和误解9并将影响监测技术的推广和发展0同时9生产现场也没有6预报9和6定位9的急需9现场人员首先需要知道主设备是否存在异常和是否需要检修;对于主设备9如果需要打开机盖检修9进一步查找故障点9就比在线监测时的定位容易得

6、多0另一方面9有些情况需要具体对待9例如对于输电线和电缆的接地故障9用户首先要对故障点定位9这就需要采用故障诊断的方法9而不是状态监测的方法0状态监测应该包括以下任务a 为设备的运行情况积累资料和数据9建立设备运行的历史档案0b 对设备运行状态处于正常还是异常做出判断9根据历史档案运行状态等级和已出现的故障特征或征兆9判断故障的性质和程度0c 对设备的运行状态进行评估9并对这种评估进行分类0当一定的标准形成后9为状态检修的实施提供依据0当然9状态监测的评估也应该包含对设备异常 或故障 状态的估计及对未来变化的预测9并不断创造条件9使这种评估水平逐步接近理想境界0状态监测可以为设备积累完整和科学

7、的运行记录资料9这在过去的管理体制下是很难实现的0因此9状态监测系统对现代设备管理是必要的0对设备运行状态的分类可以作为设备维护管理的根据0这样9可以从根本上改变目前6定期维修9的旧的管理体制9避免6过剩维修99对有故障隐患的设备及时检修9提高设备运行的安全性和可靠性0据报道9国外有的企业因为采用了状态检修的管理方法9已经能做到一些设备可以十几年内不进行常规的检修9其经济效益十分可观0状态检修是我国即将面临的先进的设备管理体制9而状态监测是这一管理体制的技术保证和实施的依据0电力系统设备状态监测工业实用化条件被监测设备和故障的种类及特点对不同的设备和不同的故障类型9采用的状态监测的方法可能完全

8、不一样0一些机械装置和控制系统常用的故障诊断方法并不适合于电力系统设备的特定情况0因此9必须首先认识电力系统设备故障图 汽轮发电机故障按处理时间分类 示意图Fig Turbo-generatorfaultsaccordingtotimeoffaultprocessing图4变压器故障按处理时间分类 示意图 Fig 4Transformerfaultsaccordingtotimeoffaultprocessing瞬变故障例如相间短路等9发展很快0继电保护装置必须在1 mS 2 mS内处理这类故障9以避免损失扩大0瞬变故障发生时需要解决的问题是故障保护和避免事故扩大9不是诊断和监测的问题0缓变故

9、障是从出现故障征兆发展到故障灾害进程较慢的一类故障现象9例如绝缘故障冷却系统故障 氢冷和水冷系统 机械系统故障部分转子故障等0当出现故障征兆时9需要对故障进行定位9或对故障的程度和发展进行监测9采取措施9防止故障状态的进一步发展和造成重大损失0因此9缓变故障是状态监测和故障诊断的对象0对于瞬变故障9继电保护可以发挥巨大的作用9大大减少可能造成的危害0但并不是所有的瞬变故障都是由缓变故障发展形成的9同时9很多缓变故障及其发展造成的损害也不在继电保护所能保护的范围内0有人认为状态监测和故障诊断能防止故障发生9是比继电保护更先进的技术9可以取而代之9这是一种误解0两种技术互相补充9缺一不可0b 绝缘

10、故障是电力系统设备的主要故障之一0很多故障现象都直接或间接地与绝缘有关9可以说9绝缘的寿命就是设备的寿命 9563电力系统设备绝缘故障特征表现在多个方面9不仅表现在很多电参数上9而且还有力热声光等物理方面和气体油等化学方面的特征变化O绝缘故障与设备的绝缘结构分布环境都有关9形成机理复杂O另一方面9对设备绝缘故障的定位和绝缘损坏程度的诊断还存在很大的困难O这也正是电力系统设备故障的特点和难点之一O由于绝缘故障的特点9很多绝缘在线和离线检测技术9如局部发电油色谱分析超声监测等近几年已经有了较大的发展9可以逐步开展对绝缘状态的评估工作OFig.6图6实现状态监测的必要条件Necessaryenvir

11、onmentofstatemonitoring-工程应用-苏鹏声等电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析将分别加以说明2.2采用计算机和网络技术的状态监测系统十几年来9已经有很多监测装置应用于工业现场9但是9大多数的现场装置没有形成系统9记录数据仍然依靠人工观测和抄表的方式9这对于突发的故障很难及时反映9也不利于综合分析和查阅历史资料O采用计算机和网络技术的状态监测系统的结构如图 所示O图 状态监测系统的网络结构Fig. Networksofstatemonitoring每一个传感器可以看成系统的基层数据采集站9通过局域网连接起来O在网上建立数据库和分析中心9对状态监测数据进行处理O局域网可以

12、通过一个服务器与Internet相联O由于有数据库和分析中心的支持9可以建立设备运行的历史数据档案和进行实时运行状态分析O2.3状态监测的实施与管理体制的变革状态监测技术的推广和应用将会对现有的发电厂和变电所的管理体制产生影响O状态监测和电力系统测控自动化技术的应用将会取代现有的运行人员值班的体制9逐步实现运行的无人值班O状态监测的应用和状态检修的实现也需要国产设备质量的进一步提高作为支持和保证O上述一些问题的相互关系如图6所示O状态监测的关键技术传感器计算机网络和数据库数据分析等3部分是状态监测的基本组成O其中9传感器技术和数据分析技术是状态监测系统所特有的关键技术9以下O3.1传感器技术状

13、态监测系统输入的信号包括电热声振动等物理量9还有油气体经化学分析得到的分解物含量9各种来源的信号都要通过传感器转换为电信号O传感器是监测系统的输入端9直接影响监测系统的精度和准确性9也是控制和测量技术的难点和瓶颈O国产传感器的性能和质量与国际先进水平相比还有差距O传感器作为一个装置9由变换元件单片机系统和通信接口等组成9如图7所示O图7状态监测系统的传感器部分Fig.7Sensorsetofstatemonitoring3.2数据分析技术在状态监测系统中9数据分析的任务是从采集到的数据中得到设备运行的有关信息O数据分析过程分为数据预处理特征提取状态分类和处理决策等4个部分9如图8所示O图8数据

14、分析的主要环节Fig.8Mainsectionsofdataprocessing数据预处理包括数据选取消除噪声等前期处理过程O特征提取是指采用数理统计信号处理(FFT小波分析分形和混沌)等方法提取信号的特征O状态分类和处理决策是数据分析的核心部分9也是难度较大的部分O其中9处理决策是得出最后结论,例如确定设备是否存在故障,存在何种故障,故障部位和程度等,以及确定是否进行检查和维修,很多情况还需要人工处理,计算机只能对少数故障进行分析和决策,因为涉及设备的具体问题,准确结论完全依据对设备故障机理的了解和经验的积累,这是一个复杂的过程,一般很难通过建模或仿真来解决,状态分类是一个模式识别问题,例如

15、,一个一维的状态分类问题,设I为特征指数,I 为特征指数的阈值,则;I<I 为正常状态;I>I 为故障状图10Fig.10聚类分析方法Clusteranalysis态,对于多维问题,特征指数不止l个,状态分类在多维空间中不是一个简单的区域划分问题,这个过程一般都采用了人工智能技术,如模式识别人工神经网络模糊数学专家系统等,无论采用哪种方法,推理过程都可分为归纳推理和演绎推理,如图9所示,一个完整的认识过程应包括归纳推理和演绎推理两个阶段,归纳推理阶段为样本学习过程,而状态分类过程就是演绎推理,因此,分类的知识不会超过样本提供的范围,样本提供的知识又称为先验知识,在专家系统中,这种先

16、验知识由知识库组成,图9样本学习和分类Fig.9Samplelearningandclassification知识库的知识来源是一个问题,虽然,从理论上可以通过很多渠道获得知识,但在实际操作过程中建立专家知识库是很难的,其基本原因在于设备状态监测分类问题不同于文字识别之类的分类问题,文字识别的样本不成问题,而对一台具体设备的状态监测分类问题,除正常状态样本容易得到外,完整的故障状态样本一般得不到,因此,首先可以做到的事情只能是识别正常和非正常状态,不需要先验知识的分类方法一般称为聚类分析,如图l 所示的二维的特征指数空间,图中各测点代表每一个运行状态,根据在特征指数状态空间上的分布,可以分为

17、l 等3类,这种分布比较容易区分正常与非正常,例如图l 中状态 为正常,其余为非正常,但是,至于状态 l 和状态对应哪种故障则需进一步分析后确定,比较法和趋势分析法是聚类分析应用到特征指数为一维情况的方法,如图ll所示,比较法如图ll a 所示,例如用8台设备的套图11聚类法应用例子Fig.11Exampleofclusteranalysis管泄漏电流 测值的互相比较来发现问题,第 台设备测值偏大,说明可能存在某种不正常,可以提示运行人员注意,随着运行中积累数据的增多,可以逐步制定合理的偏差极限值 报警值 ,这种方法可以用于泄漏电流温度局部放电介质损耗角等物理量的监测,趋势分析法如图ll 所示

18、,例如观察一个温度测值的历史和当前值的变化规律,图中的温度值出现了上升的趋势,超过了正常运行的历史平均值,说明存在问题,这种方法需要利用计算机的存储功能来积累历史的记录资料,国内外设备状态监测发展状况美国等发达国家从 世纪8 年代起就在电力系统各领域开展了各种关于设备状态监测的研究和应用,十几年来有了较大的发展,与我国相比,有两个主要特征; 已经能生产多种传感器产品,传感器质量好,性能稳定; 状态监测应用比较普遍,有经济效益,国外传感器产品的性能和可靠性都达到了较高的水平,产品监测范围逐渐覆盖包括温度压力振动和绝缘状态等各种物理量,以及变压器断路器和发电机机组等各种主要设备,国外传感器技术的全

19、面发展可以从近几年国内一些发电厂和变电站引进的进口传感器产品情况看出,例如,美国齐成公司的变电站状态监测系统包括了对变压器的油中气体和水分分析顶层油温和有载调压开关的运行监测,以及对套管绝缘 密度断路器电流避雷器泄漏电流等物理量的监测,状态监测应用较普遍的地区主要是北美和欧洲,美国电力科学院非常重视对现场技术人员有关状态监测和状态检修方面的技术培训和技术服务 在美国 实现了变电站无人值班和状态检修的管理状态监测和故障诊断的应用取得了良好的经济效益 据日本一些工厂统计 事故率可减少7 维修费用可降低 英国经过对 个大型工厂的调查表明 采用状态监测技术后 每年节约维修费用 亿英镑 而监测系统的成本

20、为 . 亿英镑 收益为投入的 倍 7 尽管一些进口的传感器装置或系统功能全面 但是 数据分析处理技术也还未达到较高水平 一般装置仅仅对数据进行简单的统外 现场技术人员的培训和技术服务也是必须解决的问题 其中 进一步开发高层次的数据分析软件也是一项重要工作工程应用苏鹏声等电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析结语状态监测是从传统管理模式过渡到状态检修的技术支持 状态监测与故障诊断的概念存在差别 状态监测更适合电力系统设备运行和维修的管理现状 状态监测的关键技术是传感器 计算机网络和数据分析 目前 国内的变电站和发电厂已具备实现状计分析或频谱分析 一些仅能够对个别故障进行诊断的软件 其售价也高得惊

21、人 因此 还需要用人工处理数据 并得出最后结论国内电力系统设备状态监测科研工作也开始于 世纪8 年代 起步并不晚 近1 年来 已经研制成功很多传感器装置 并安装在现场 很多发电厂和变电站已经采用了在线监测技术 加强了对设备运行进行实时监测和管理的手段 8近几年 国内一些大型发电厂较全面地安装了成套进口的先进传感器装置 通过计算机网络形成一定规模的状态监测系统 并达到了先进水平 而这些成套软件系统全部由我国技术人员开发 例如 一台 MW发电机组的锅炉 汽机和发电机的模拟量和开关量的测点多达 个 个(其中发电机的测点有 个 4 个 从测点得到的数据通过数据库管理起来 在控制室的终端可以任意调用各点

22、实时的和历史的数据 并显示出来 这充分说明我国技术人员已经掌握了状态监测系统的网络和数据库技术但是 到目前为止 国产传感器装置的生产和国内状态监测的应用情况还落后于国外先进水平 一方面 还有很多发电厂和变电站的状态监测没有开展起来 另一方面 一些状态监测系统已具备规模的发电厂在软环境和管理体制上还不能适应发展要求 这主要表现在两方面: 在很多现场 状态监测并没有成为必要的部分 由于没有实施状态检修 维修管理还是沿用过去的旧体制 运行和设备管理维修脱节 因而 没有形成对状态监测的需求 已有的状态监测装置也没有发挥应有的作用 已具有状态监测系统的工厂 其现场技术人员还没有技术能力处理和分析状态监测

23、的数据 因而不能合理分析和利用数据 由于无论对进口的还是国产的硬件监测系统 人工进行数据分析还是必要的 而且目前对现场技术人员的培训和技术服务还没有到位在国内要推广状态监测技术 除了要解决国产传感器装置的生产和设备管理体制的改革等问题态监测技术的初步条件 状态监测技术在现场的实施和推广 有一个积累资料 逐步提高的过程参考文献1黄建华 全零三(uangJianhua GuanLingsan .变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展(CurrentStatusandDevelopmentofCondition-basedMaintenanceofigh-voltageElectricPowerE

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28、 系统配置 用configure命令把设备配置到系统中 连接核心 把驱动程序的目标文件和系统连接成为一个新的核心 完成上述步骤后 重新启动系统 就可以利用新加入的驱动程序接口访问相应的硬件设备使外部设备在系统内以设备文件的形式存在 2 在 dev目录下存在的代表一个设备的特殊文件称为设备文件 它是访问相应设备的入口点 进程运行时有两种模式 即用户模式和核心模式 用户进程一般在用户模式下运行 不能访问硬件设备 当执行系统调用时便转换为核心模式 可以访问硬件设备 每个进程都有一个特殊的内存区域 称为u-area 该区域包含系统核心管理该进程所需要的有关信息和一个核心模式堆栈 2 进程执行系统调用时

29、的参数放到u-area中 进入核心模式后 驱动程序从u-area中取得这些参数 因此 用户访问硬件设备的入口点是设备文件 对硬件的访问通过系统调用进行 调用参数通过u-area传给驱动程序 驱动程序与硬件设备通信 完成数据的传输工作开发设备驱动程序需要有UNIX LINUX操作系统开发系统(提供编译器)驱动程序开发指南和核心过程的参考手册等 设备驱动程序由核心过程和设备驱动程序过程组成 核心过程由系统提供 驱动程序调用这些过程完成对硬件设备的操作 程序编写者提供驱动程序过程 包括一般过程和响应硬件中断的中断过程 过程的名字由两部分组成,2个4个字节的前缀和标准的后缀 例如读过程名XXread

30、其中XX就是前缀 read是标准的后缀开发配置设备驱动程序的主要步骤如下, 选择前缀 前缀为2个4个字符 一般应有特定含义 编写程序 在系统规定的范围内编写需要的用户过程 编译源程序 生成目标文件(Driver.o) 生成设备文件 设备文件和驱动程序通过设备3结语该系统可完成升压站各种模拟量开关量的数据采集和处理 可显示最新的模拟量越限报警一般开关量变位和事件量的跳变信息 可计算存储历史数据 可显示接线图的状态报警画面提示信息事件顺序记录事故记录趋势记录装置工况状态谐波监视操作控制控制系统配置值班记录等 可定时生成班报日报月报等各种报表 并为其他系统提供数据库访问接口 目前该系统已在多家电厂实

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32、统与管理信息系统的研究与应用 e-mail,dingsg(上接第 页)continuedfrompageTECHNOLOGYANALYSISOFSTATEMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISINELECTRICPOWERSYSTEMSengsheng,WcngH cn(TsinghuaUniversity.Beijing100084.ChinaJAbstract:TheproblemseXistingintheresearchandapplicationofstatemonitoringandfaultdiagnosisinelectricpoWersystemsinChin

33、aareanalyzed.InvieWoftheseproblems.thetasksofstatemonitoringandfaultdiagnosis.thecharacteristicsoffaultsinelectricpoWersystems.theeXecutionconditionsandkeytechniguesofstatemonitoringarediscussed.Thetechniguesofdataprocessingandanalysisinstatemonitoringarealsodescribed.Itispointedoutthatthe*stateclas

34、sificationand*processingdecisionarecrucialtechniguesindataanalysis.Onthebasisofanintroductiontothestatusanddevelopmentofstatemonitoringathomeandabroad.itispointedoutthatstatemonitoringcannotbedevelopedinChinauntilafterthemanagementsystemisreformedandstate-basedmaintenanceisimplemented.Keywords:state

35、monitoring:statemaintenance:faultdiagnosis:on-linemonitoring电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：苏鹏声， 王欢清华大学电机系,北京市,100084电力系统自动化AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS2003,27(1)56次1.黄建华;全零三 变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展期刊论文-电力系统自动化 2001(16)2.李伟清;王绍禹 发电机故障分析及预防 19963.沈标正 电机故障诊断技术 19964.王文永 美国电站状态监测和故

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