淺談輸電設備實時監測與故障診斷

曹玉舉+王小雨+劉陽

摘要：隨著社會發展，輸電設備的穩定性越來越重要，本文從如何建立實時監測系統入手，淺談了電力系統故障檢測發展史、電力實時檢測系統組成以及故障分析方法。

關鍵詞：輸電設備；發展；實時監測系統；故障診斷；專家系統

隨著輸電系統朝著高電壓、大容量的方向發展，保證輸電設備安全工作越來越重要，停電事故給國民經濟和人民生活帶來的影響和損失越來越大。統計表明，輸電設備工作中70%左右的問題是由絕緣故障造成的，因此確保輸電設備在其制造和工作過程中嚴格檢測，進行交接試驗和預防性試驗，才能及時掌握輸電設別絕緣狀況，確保輸電設備的正常工作。

一、輸電設備實時監測及發展

國際上在早期都是采用事后維修，后來演變為定期維修，即按事先制訂的檢修周期進行停機檢測，因而也稱“時間基準維修”。它雖然對提高設備可靠性起了一定作用，但由于未考慮設備的具體情況，而且制定的周期往往比較保守，以致出現了過多不必要的停機維修，甚至因拆卸、組裝等過多而出現過早損壞。

20世紀50年代，美國出現了以狀態為基準的維修方式，各國相繼效仿。由于大多數故障事前都有先兆，這就要求需要發展一種連續或定時的檢測技術，實時監測技術應運而生。

二、實時監測系統

輸電設備實時監測技術是一種利用工作電壓來對高壓設備絕緣情況進行試驗的方法，可達到提高試驗的真實性和靈敏性，及時發現絕緣缺陷。采用實時監測的方法可以根據設備的好壞選擇不同的檢測周期，并且可以積累大量數據，通過當前數據與前期數據比較分析，即可以有效預測故障特征。這種輸電設備的實時監測系統主要由傳感器系統、信號采集系統、分析診斷系統這三部分組成。

1、 傳感器系統

傳感器系統主要是用來感知所需要的電器參數或非電器參數，能夠完成檢測任務，它的輸出參數與被測參數有一種內在的定量關系，且具有一定的精度，被測量包括物理量、光、電氣、化學量、生物量等。目前常用的傳感器有電磁傳感器、力學傳感器、聲參數傳感器、熱參數傳感器、化學量傳感器。

2、 數據采集系統

信號采集系統的功能是采用來自傳感器的各種信號，并將其送往數據處理和診斷系統對監測到的數據進行分析、處理，使其由模擬量轉變為數字量進行傳輸。此外，為了提高監測系統的監測靈敏性，還需要采取一些抗干擾措施以提高信號的信噪比。通常采用放大器對信號進行處理，提高有用信號的成分，并對噪聲信號進行抑制。

3、 信號傳送與電磁干擾抑制

實時監測系統的信號不僅包括從傳感器傳來的待測信號，而且還有來自微機的控制信號。這些信號需要在各個系統間、單元間、甚至部件間進行傳遞，通常信號傳送的方式有串行傳輸方法，并行傳輸方法和光電光纖傳輸方法。此外，針對傳輸信號中干擾信號的來源不同，可分別對內部干擾和外部干擾加以抑制。對于內部干擾，可以通過保證一點接地、隔離、以及盡可能拉開各個通道之間的距離，特別要避免通過高阻連接等方法解決，對于系統外部產生的干擾，應根據進入的途徑采取不同的措施。干擾通常分為共模干擾和差模干擾，對于兩根電源線對地之間的干擾，其電位相等、相位相同。對于差模干擾，是兩根電源線之間形成的干擾。其干擾電流在兩根線上是異向的環流，我們應該根據實際情況選擇不同的應對措施。

4、 分級集成系統和遠程監控系統

輸電設備的實時監測系統中存在著計算機的分級管理，它的上位機是微型計算機，下位機是單片機。下位機負責數據的采集和存取，上位機進行數據的處理和診斷。在一個變電站里需要檢測的設備很多，這就需要對整個變電站的主要電氣設備進行全面的檢測和診斷，形成全變電站的實時監測系統。各類設備的數據采集和存儲仍由各自監測系統的單片機擔負。各單片機分散在現場各自被測設備的附近，并由微機來集中管理和控制各個監測系統，進行數據處理和診斷。

三、故障診斷方法

1、依據規則診斷

工程診斷問題的關鍵在于要找到特征、狀態、診斷規則這三者之間的關系，從而可根據診斷規則由特征函數推斷出設備的狀態。根據診斷規則的不同，可以將診斷分為三種類型：邏輯診斷、模糊診斷、統計診斷。

2、依據樣板診斷

設備診斷過程通常從測試開始，測出能表征設備狀態的信號，這些信號被稱為初始模式，然后檢驗出其中的干擾信號，提取特征，形成待檢模式；最后將待檢模式與樣板模式對比，確定故障類型。根據這個過程中所用的樣板模式的不同，可將診斷分為以下幾類：

a、 閾值診斷：對設備進行測試，按照所得特征量是否超過規定閾值來判斷設備狀態。該方法比較簡單，容易推行，但也存在判斷不夠全面，容易發生誤報等缺點。

b、 時閾波形診斷：對設備進行監測，將測得的某種物理量隨時間變化的曲線與樣條板對照來判斷設備狀態。

c、 頻率特性診斷：對設備監測之后，將測得的某種物理量的頻譜特性與樣板特性進行對照，進而判斷設備狀態。

d、 指紋診斷：對設備進行監測之后，將測得的數據進行處理，將得到的特殊圖形與樣條板進行對比，進而判斷設備狀態。

3、應用專家系統進行診斷

從本質上講，專家系統是一類包含著知識和推理的智能計算機程序。但是這種“智能程序”與傳統的計算機“應用程序”已有本質區別。專家系統已經從傳統的“數據結構+算法=程序”的應用程序模式變成了“知識+推理=系統”的模式。

通常，一個以規則為基礎、以問題為求解中心的系統主要包括五個組成部分：知識庫、推理機、綜合數據庫、解釋接口或人機界面和知識獲取。按照不同的方法分為不同的類別?？蓮膽妙I域分為化學專家系統、醫療專家系統、氣象專家系統、地質專家系統等系統；按照知識表示技術可分為基于規則的專家系統、基于框架的專家系統、基于語義網絡的專家系統等；

診斷專家系統已經在不少領域顯示出強大的工作能力，許多場合已經遠遠超過人類專家的工作能力。并且隨著計算機技術的發展，它也在不斷發展和完善。但依然存在知識獲取較困難，診斷處理不完全匹配問題的能力還不強等限制。這依然是人類努力打破的枷鎖，目前人工神經網絡以其模擬人腦的能力備受關注，基于神經網絡系統的診斷專家系統也許會很好的解決上述缺陷問題。

參考文獻：

[1]梅生偉、薛安城、張雪敏，電力系統自組織臨界特性與大電網安全，清華大學出版社，2009

[2]郭福田、王仲奕等，電氣工程原理與應用，電子工業出版社，2004