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电力系统故障诊断与状态监测自动化主讲武汉大学舒乃秋一、故障诊断与状态监测技术简介设备维修的发展历史☆三个阶段事后维修模式1950年前设备维修的发展阶段预防性维修模式1950年－1970年计划预修体制（前苏联）预防维修制（美国）现行维修模式1970年至今预知维修和状态维修以利用率为中心的维修可靠性维修以可靠性为中心的维修适应性维修全面计划质量维修费用有效维修检修人员的失误模式失误有意识的破坏知识性错误规则性错误错误忘记漏掉潜意识中的错误习惯不正确无意识滑过没注意·状态监测的概念和任务故障预报——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。三者内容相近、采用的方法大多一样、在线检测数据和分析、目标一致（防患于未然）差别如图：•设备状态检修的依据（1）诊断预测（故障率）设备运行寿命危险水平注意水平初期阶段稳定阶段劣化阶段注意阶段危险阶段实施修复破坏点简易诊断·设备状态检修的依据（2）故障预报故障诊断状态监测建立故障物理、化学模型和仿真对故障物理、化学过程的机理分析信号处理模式识别设备故障发生的物理、化学过程设备故障的外在表现·关键技术（1）传感器（2）计算机网络和数据库（3）数据分析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。•涉及学科传感器技术、电子、机械、化学、物理、数学、光学、计算机及通信等。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状•状态检修作为一种较定期检修方式更能降低维修成本、缩短检修停电时间、延长设备寿命的检修方式。状态检修是一种比较新的检修体制，但成功的实例并不多，鉴于此，作为状态检修依据的设备健康状态评估系统的研究尚处于摸索阶段。•以在线监测数据为基础的设备健康状态评估，既要按照设备巡视检测、定期检测和带电（在线）检测的结果进行故障诊断，还要结合运用传感技术、光电子技术及计算机技术等先进的手段，适时反映设备状态。•对不同的电力设备，表示设备整体状态的参数可能是不同的，需视具体情况确定。而以预防性试验数据为基础的设备状态评估，则是根据设备的历次试验数据（交接性、预防性），运行电压下的各种参数变化，承受负荷及经受短路的情况，并与同类设备比较，综合分析设备的健康状况，作为判断设备是否需要检修的依据。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状•国外应用与研究☆美国国家电力研究院所☆英国☆日本发电检修协会☆加拿大☆德国（斯蒂亚克电力公司、汉堡电力公司）•国内电力设备状态维修的应用传感器装置的生产和在线监测的应用情况还落后于国外先进水平，基本上还是实施以离线的预防性试验为基础的变压器运行状态评估比电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状主要原因：在线监测的硬件缺乏需运用传感技术、光电子技术及计算机技术等先进的手段来实时反映设备状态，对相当一部分变电站来说，在经济及硬件设施等方面存在着或多或少的困难，在在线监测没有成为必要成分的情况下，维修管理仍沿用旧体制现场专门人才的缺乏在线监测系统已具备规模的变电站，在技术力量上也还不能适应发展要求，其现场技术人员分析态监测数据的能力较差，因而不能合理分析利用在线监测的数据现有基础预防性试验的很多“判据”是根据大量实践的总结，多年电网运行维修经验的积累。基于离线的预防性试验数据的变压器运行状态评估，是目前分析和判断变压器健康水平的主要依据。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状鉴于上述现状，开展以离线的预防性试验数据为主、以带电或在线监测数为辅的电力变压器运行状态评估具有重要意义。关键在于如何将预防性试验与线监测两者的测试数据有机地结合起来，并通过严谨的、科学的评估过程，取得正确的变压器健康状态评估结果。电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状•应用现状（34家电力公司情况统计）目前检修模式统计检修模式比例/％对主设备全采用定期检测、定期维修的策略26.0对某些设备的检测及维修周期已开始有所调整37.2对主要设备正逐步按实际情况选择检测和维修的内容及周期27.0对主要设备已全部按实际情况选择相应的检测及维修内容及周期9.8电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状已按实际情况选择维修周期及方法的设备设备类型比例/％主变压器断路器及GIS互感器电容型设备（电容式套管及TA、耦合电容器等）金属氧化物避雷器（MOA）50.047.038.232.452.9电力设备故障诊断与状态监测的研究与应用现状31家供电公司在线监测设备运行情况的综合分析项目监测电容型设备的介损和电容（或可兼用MOA的监测）专用于监测金属氧化物避雷器（MOA）监测油中溶解气体监测断路器特性监测变压器分接开关特性固定式便携式仅全电流全电流和阻性电流仅H2、CO读数监测各组分含量油断路器SF6断路器运行正常国产76471713692263510660进口2017012817004运行不正常国产8832063470进口4100032000已退出或报废国产28521399181000进口0000110000总计国产105772713737125591410130进口43017014219004二、故障诊断与状态监测系统•故障诊断与状态监测系统的硬件构成•故障诊断与状态监测系统的软件构成三、电力变压器故障诊断与状态监测·变压器故障诊断与状态监测的现状·变压器故障诊断与状态监测的主要方法·变压器故障诊断与状态监测的主要技术·变压器状态评估体系变压器故障诊断与状态监测的现状•国外现状与研究动态☆瑞士现状与研究动态☆美国现状与研究动态☆英国现状与研究动态☆比利时现状与研究动态☆德国现状与研究动态变压器故障诊断与状态监测的现状国内现状与研究动态•开始关注变压器状态监测的研究和应用开展状态维修的层次及内容:(l)在线监测是状态维修的前提和基础，通过在线监测，在不影响设备运行的前提下提取各种状态参数信息;(2)故障诊断是状态维修的核心，根据在线监测数据诊断其绝缘状况，识别故障种类和程度;(3)维修策略的制订是状态维修的目标。随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站引入了变压器在线监测装置。•采取的方法综合在线的、离线的多种检测手段进行电力变压器故障诊断，研究变压器故障现象与故障原因之间密切的、复杂的模糊联系，判断变压器状态。引用模糊逻辑和多参数、多层逐步推理方法评估。研究结合模糊数学工具构成模糊专家系统对变压器运行状况进行综合分析，判断变压器的运行状况、故障类型、故障可能部位并向运行人员作出合适的建议。变压器故障诊断与状态监测的主要方法•理论基础现代控制理论信号处理模式识别最优化方法决策论统计数学变压器故障诊断与状态监测的主要方法参数估计方法基于解析模型的方法状态估计方法等价空间方法谱分析方法基于信号处理的方法概率密度法小波分析法专家系统的方法基于案例的方法基于知识处理的方法基于人工神经网络的方法基于模糊数学的方法基于故障树的方法故障诊断方法变压器故障诊断与状态监测的主要方法•基于解析模型的方法最早发展，需要建立被诊断对象的较为准确的数学模型•参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法之间存在着一定的联系，证明了基于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的•解析模型的方法的缺点非线性系统的故障诊断的难点在于数学模型很难建立，相比之下，参数估计方法比状态估计方法更适应非线性系统，因为非线性系统的状态观测器的设计有很大的困难。变压器故障诊断与状态监测的主要方法•信号处理的方法回避了抽取被诊对象的数学模型的难点，当难于建立诊断对象的解析数学模型时，这种方法而直接利用信号模型，如相关函数、高阶统计量、频错和自回归滑动平均过程，以及现在的小波分析技术，对于线性系统和非线性系统都是适应的。但是避开对象数学模型，既是优点，也是它的缺点。变压器故障诊断与状态监测的主要方法•基于知识处理的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分地利用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领域基于知识的方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。基于症状的方法包括专家系统方法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等;基于定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器等，其中每类又包含若干具体的诊断方法，变压器故障诊断与状态监测的主要方法•信息融合技术（多传感器融合技术）基于系统不确定性因素基础上提出的一整套理论，在理论的形成与实现技术的提出的主要偏重于不确定方法信息融合诊断技术具有以下优点:(l)容错性:在单个诊断方法出现误差或失效的情况下，系统仍能正常可靠工作(2)互补性:各诊断方法除提供故障征兆信息的共性反映外，还提供与各诊断方法本身有关的特性反映，因而利用信息融合就能实现不同诊断方法信息的互补，从而提高信息的利用率，减少系统诊断的不确定性(3)实时性:能以较小的时间获得更多的信息，大大提高系统的识别效率。变压器故障诊断与状态监测的主要方法·信息融合技术（多传感器融合技术）对于故障监测、报警与诊断系统，数据融合的级别按照数据抽象的三个层次可分为三级:数据层、特征层和决策层。数据库系统决策层融合特征层融合数据层融合多传感器信息变压器故障诊断与状态监测的主要方法1.数据层信息融合与故障检测传感器系统(或分布式传感器系统)获得的信息存入数据库，进行数据采掘，并进行检测层的数据融合，实现故障监测、报警等初级诊断功能。2.特征层信息融合与故障诊断特征层融合需要检测层的融合结果及变压器诊断知识的融合结果。诊断知识包括各种先验知识及数据采掘系统得到的有关对象运行的新知识。结合诊断知识融合结果和检测层的数据融合结果，进行特征层数据融合，实现故障诊断系统中的诊断功能。3.决策层信息融合与故障隔离决策层融合的信息来源是特征层的数据融合结果和对策知识融合的结果，根据决策层数据融合的结果，采取相应的故障隔离策略，实现故障检测、故障诊断等。故障诊断系统的最终目的就是故障状态下的对策。变压器故障诊断与状态监测的主要技术•主要监测技术频率响应分析法绕组温度指示恢复电压法其它状态检测法油中溶解性气体分析技术局部放电在线监测技术振动分析法红外测温技术变压器故障诊断与状态监测的主要技术油中溶解性气体分析技术(Dissolvedgas-in-oilanalysis,DGA)变压器内部不同故障产生不同的气体，分析油中气体成分、含量、产气率、相对百分比，实现对变压器绝缘的诊断，典型油中溶解气体氢气（H2）,一氧化碳（CO）,甲烷（CH4）,乙炔（C2H2）,乙烯（C2H4）,甲烷（C2H6）,二氧化碳（CO2）作为分析用的特征气体，通过检测各气体成分及含量后，用特征气体法或比值法来判断变压器内部故障变压器故障诊断与状态监测的主要技术•局部放电在线监测技术（PartialDischarge，PD）变压器在内部出现故障或运行条件恶化时，局部场强过高而产生局部放电，局放水平及其增长速率的明显变化，表明变压器内部正在发生变化或反映绝缘中由于某些缺陷状态而产生的固体绝缘的空洞，金属粒子和气泡等，此时局放产生电气信息，同时还伴随有声信号以及其它非电量信息。局部放电监测通常采用电气测量方法和非电量测量方法，如超声波法，光学法以及测分解物法等变压器故障诊断与状态监测的主要技术•振动分析法短路、绝缘老化等造成变压器绕组变形或引线结构的偏移、扰动，出现机械缺陷，导致灾难性的后果------变压器内部绝缘失效。振动分析法可用于监测此类变压器故障，即通过监测和分析变压器的振动信号，进行变压器状态监测变压器故障诊断与状态监测的主要技术•红外测温技术红外热成像技术借助于红外传感器接受被测对象辐射的红外信号，经信号调理并转换成标准的视频信号有监视器显示红外热像图，监测变压器引线接触不良、过负荷等引起的导电回路局部过热以及铁芯多点接地引起的铁芯过热变压器故障诊断与状态监测的主要技术•频率响应分析法(FrequencyResponseAna