状态检修技术及其辅助分析系统的应用

第 27卷 第 7期 电 网 技 术 Vol. 27 No. 7 2003年 7月 Power System Technology Jul. 2003 文章编号：1000-3673（2003）07-0016-03 中图分类号：TM726 文献标识码：A 状态检修技术及其辅助分析系统的应用 程志华，章剑光 （绍兴电力局，浙江省 绍兴市 312000） APPLICATION OF CONDITION BASED MAINTENANCE TECHNOLOGY AND ITS COMPUTER AIDED ANALYSIS SYSTEM CHENG Zhi-hua, ZHANG Jian-guang （Shaoxing Electric Power Bureau, Shaoxing 312000, Zhejiang Province, China） ABSTRACT: At present years attentions are widely paid to Condition Based Maintenance (CBM) technology by power transmission and transformation enterprises. A model for CBM and its analysis based on fuzzy mathematics and expert system is proposed in which various information and analyzing ways are integrated. Therefore, the defect of lacking on-line monitoring and fault diagnosis measures in common power enterprises is effectively made up. The design of computer aided analysis system for CBM developed by Shaoxing Electric Power Bureau and its main modules are expounded. KEY WORDS: Power transmission system; Expert system; Condition based maintenance; Computer aided analysis; On-line monitoring; Power system 摘要：状态检修是近年来输变电企业普遍关注的技术。文中 提出了一种基于模糊数学和专家系统的状态检修分析模型， 它集成了各种信息和分析手段，弥补了一般电力企业在线监 测和故障诊断手段缺乏的问题。文章同时阐述了绍兴电力局 开发并已应用的状态检修计算机辅助分析系统的设计思路 和主要模块。 关键词：输电系统；专家系统；状态检修；计算机辅助分析； 在线监测；电力系统 1 引言 目前，在我国电力行业中应用得最为广泛的是 基于时间的预防性检修模式（定期检修模式）。近 年来，随着技术的发展和社会的进步，状态检修作 为一种较定期检修模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模式，已越来越 受到我国电力企业的欢迎。 国外从 20世纪 80年代初加强了对状态检修技 术的研究[1]，开发了许多在线监测和故障诊断设备， 同时在理论研究方面也取得了较大进展。出于成本 和技术等原因，在我国电力企业中大量采用在线监 测和故障诊断设备尚有一定难度。 绍兴电力局于 1995 年开始对状态检修技术进 行研究，本文主要了绍兴电力局的状态检修模 式：全面集成和综合运用变电设备日常运行检修过 程中的各种信息和技术，应用模糊数学、专家系统 和神经网络等技术建立状态分析模型，开发综合性 的维修管理信息系统来支持检修的决策和检修计 划的制订、实施及反馈。 2 状态分析用数据的采集 通常情况下，无法直接得到设备的寿命模型， 必须通过分析设备运行过程中表现出的一些现象 或对一些能反映设备状态的参数的测量来间接地 得到设备当前的状态。充分利用设备日常运行和常 规检修试验过程中获取的各种数据，辅以必要的状 态监测和故障诊断装置，不失为一种低成本高效率 的方法，目前已接入或集成的数据有在线监测数 据、故障诊断数据、检修试验数据、缺陷信息、设 备实时信息和设备运行情况等。其中检修试验数据 主要指的是高试、油务、检修、继保和直流等专业 的检修试验数据及相应标准规程；设备实时信息指 的是调度 SCADA系统或变电所监控系统测得的设 备电压、电流等数据，设备运行情况指的是变电所 运行人员在对设备的日常巡视、检查和操作过程中 发现或产生的数据。 3 状态分析模型的建立 为充分利用这些来源不同、性质各异、处理方 法不一样的数据，并集成国内外一些成熟的状态分 析算法和企业员工的经验，采用专家系统和神经网 第 27卷 第 7期 电 网 技 术 17 络相结合的复合式专家系统来建立设备的状态分 析模型。模型如图 1所示[2]。 用户 专家 人机接口 推理机知识获取 咨询解释 知识库 数据库 图 1 专家系统结构 Fig. 1 The structure of expert system 将那些能反映设备状态的现象和数据对应的 物理量称之为状态量。这些现象和数据就形成了状 态量的原始值。状态量原始值的好坏，是用专家系 统的推理方法得到状态量原始值的一度量值—— 状态量的评估值来评估的。设备的状态可以用一些 性能指标来衡量。性能指标的数值直接反映了设备 的当前状态。这些性能指标可以采用一定方法从设 备状态量评估值推导出来。图 2显示了建立状态分 析模型的过程。在建立过程中，采用模糊数学方法 表示设备的状态、状态量对性能指标的影响等。 状态量1 (原始值) 状态量2 (原始值) 状态量n (原始值) 正向推理 启发式推理 神经网络 状态量1 (评估值) 状态量1 (评估值) 状态量1 (评估值) 状态量综合 性能指标1 性能指标2 性能指标m 综合结论(设备状态) ... ... ... ... 图 2 状态分析模型 Fig. 2 the conditon analysis model 状态分析模型的具体建立过程如下。 （1）设备状态的划分 采用模糊数学的方法[3]将设备状态划分为 7 档：良好、一般良好、一般、一般注意、注意、注 意不良、不良。其隶属函数如图 3所示。 1）设备性能的分类。设备的状态取决于设备 的性能。要反映设备状态，需要借鉴设备技术监督 的有关，建立一套能反映设备状态的性能指标 集。根据分析，对高压电力设备（如主变压器）， 可以从绝缘性能、导电性能和机械性能等方面去评 判该设备的状态。 良好一般注意不良 0 0.5 1.0 -4 状态值 隶属度m -3 -2 -1 0 1 2 3 4 图 3 设备状态的模糊集 Fig. 3 Fuzzy set of equipment conditions 2）设备状态量的确定。状态量的来源和获取 方法是多样的。原则上一切可以反映设备性能的数 据都可以作为状态量。但实际确定状态量要考虑数 据采集是否方便及状态量集合是否能全面准确地 反映设备的性能指标。 状态量可以按重要程度或与设备性能指标的 相关程度划分为关键状态量、一般状态量和次要状 态量等集合，并通过权重及是否每次均参加设备状 态分析过程来区别。 3）状态量的推理。采用专家系统的推理方法 得到状态量的评估值。在推理过程中通过专家系统 的协调机制加以协调推理。根据状态量性质和推理 规则的不同，推理方法应有所不同。如对于一般标 准性的规则，则采用专家系统的正向推理方法；对 于启发性规则，则采用启发式推理方法；对于某些 多输入单输出的问题（如变压器气相色谱分析）， 则采用神经网络的方法。 4）设备状态量与设备性能指标的关系。每 1个 状态量都或多或少地反映了设备性能的情况，如直 流电阻反映分接开关的烧蚀情况，绝缘电阻、极化 指数等反映变压器的受潮情况，把这种反映情况抽 象出来，就是隶属度的概念。因此每个状态量都有 相应的隶属度，每个状态量都有一个能反映其所属 集合及设备状态不同程度的权重系数。 除此以外，根据状态量所属的不同集合及对设 备状态反映的程度不同，每个状态量都有一个权重 系数。 5）设备状态量的分类综合。完成 1次状态分析 后将会得到多个状态量对各个性能指标的反映，这 些反映可能是不同的甚至是矛盾的，因此需要进行 状态量综合。不同状态量的同一分类指标的状态量 综合可采用加权平均法实现，如式(1)所示。 å å ´ ´´ = i iji i iiji j bw abw z (1) 式中 Zj为设备的第 j个性能指标；ai为第 i个状 18 Power System Technology Vol. 27 No. 7 态量的评估值；bij为ai相对于Zj的隶属度；wi为第 i个状态量的权重系数。 设备状态的综合采用严格方法或极值法实现， 即在各个性能指标中，哪个指标最差，则该设备的 状态就是要确定的状态。 （2）预测设备状态变化 根据上述模型分析得到设备的状态后，为了安 排相关检修，有时往往还要预测一下设备状态的未 来变化。目前，主要是通过对设备状态量的值的变 化趋势来预测设备状态的发展。这种预测主要集中 在对设备检修试验数据的预测，采用的方法主要是 援例分析法和曲线拟合。 4 状态检修计算机辅助分析系统 4.1 系统的设计思路 系统不仅要支持上述状态检修分析模型，而且又 是一维修管理系统[5]，要支持设备维修的全过程管理。 （1）系统要能支持多种状态判别方法和检修 策略的综合运用，状态分析模型可灵活扩充，能实 现自动和手工控制下的状态分析，能完整地支持状 态检修的各个过程； （2）系统要支持工作流应用，支持工作流的 定制，对检修过程的管理要借鉴的思想； （3）系统要与、人力资源、财务、 物资等模块集成，争取实现资金流、物流、人流的 同步流转，并尽量实现与微机测试装置等的接口， 减少数据录入工作量； （4）系统应采用 3层架构体系，支持浏览器 查询和地理信息系统（GIS）查询，易于扩充，能 通过在线和离线定制完成一般的功能扩充。 4.2 主要模块和功能 系统由设备管理、缺陷管理、状态检修分析、 计划管理、检修管理、班组管理、综合查询和相关 接口互联等8大模块组成。 （1）设备管理。包括设备台帐、相关资料及 生命周期的管理。目前绍兴电力局35kV及以上变 电所的全部设备均已采用这套系统进行管理。 （2）缺陷管理。实现了缺陷的流程化管理及 对缺陷的实时监控、及时报警，并提供缺陷处理的 智能统计和帮助功能。 （3）状态检修分析。通过获取到的设备常规 检修试验数据、缺陷数据、故障诊断数据（红外热 像数据、变形测试数据等）、在线检测数据、SCADA 数据、运行数据等数据，全面综合地判别设备健康 状态并预测其未来发展趋势。 （4）计划管理。根据状态分析的結果和其它 情况分级制订生产计划，并按年、季、月、周自动 流转到班组并及时回馈，有利于合理地制定计划和 安排工作任务，加快了计划流转的速度。 （5）检修管理。实现自动生成整个检修过程 的流程化管理和试验项目、试验标准，支持检修工 作包，支持自定义报表输出。目前绍兴电力局试验 管理已进入无纸化网络管理，工作人员直接在变电 所现场录入试验数据，系统自动进行试验标准校核 和试验项目完整性检查，从而提高了试验数据采集 的时效性、准确性和试验的质量。 （6）班组管理。包括班组管理工作日志、人员 工时奖金考核、工器具管理和各类活动记录等内容。 （7）综合查询。包括主题查询、设备状态综 合查询和基于地理信息系统（GIS）的主接线图引 导查询等。 （8）相关接口互联。实现了与在线监测装置、 红外摄像装置、色谱工作站、变形测试仪和部分检 修试验测试装置等的互联，减少了数据录入量；完 成了与调度生产管理系统、物资管理系统、人力资 源管理系统等的互联，实现了信息共享。 5 分析实例 以 220 kV 油浸式变压器为例，作为状态量的 有常规试验项目的色谱、直流电阻、绝缘电阻、吸 收比、极化指数、介损和红外测试的热像图谱（搭 头处的温度值），从 SCADA或故障录波器获取的发 生故障时的工况参数（如电压、电流、功率、功率 因数），在线检测获得的泄漏电流，甚至人为或实 时监控观察到的变压器的异常声音、冒烟和火花闪 络等现象。变压器的状态由3个性能指标（即绝缘、 导电和机械）决定。表1列出了油介损和泄漏电流 2个状态量与性能指标的关系。 表 1 一组状态量及与性能指标的关系 Tab. 1 A group of condtion variables and its relationship with performance indexes 与性能指标的隶属关系 状态量 重要程度 推理方式 绝缘 导电 机械 油介损 高，权重 为 100 正向推理(根据文献[4]和员 工经验确定推理规则)：对于 220 kV油浸式变压器，油介 损小于 0.6 %为良好，介于 0.6 %至 0.8 %为注意，大于 0.8 %为不良 1 0 0 泄漏电流 高 小于 50 mA为 良好，介于 50 mA至 80 mA 为注意，大 于 80m A为不良 1 0 0 （下转第 24页 continued on page 24） 24 Power System Technology Vol. 27 No. 7 他可以报一个比其他用户大的支付意愿。如第 8种情 况，此时节点 4的负荷削量减为 0，但其代价是节点 电价的大幅上升，并且也使其它节点电价上升。 可以看出，负荷削减和节点电价跟用户所报的 支付意愿大小、用户所在的节点位置以及网络阻塞 的严重程度都有密切关系。在市场环境下，用户如 何报一个好的支付意愿是一个难题，但也是很有意 义的课题，本文不再讨论。 7 结论 输电阻塞本质上反映了输电容量之不足。传统 的短期边际成本输电定价方法使电网公司的收入 严重不足，相应电价也不能给出充分反映输电容量 不足的信号。本文在输电当量电价模型的基础上， 引入支付意愿的概念，建立了直接阻塞管理模型。 在利用电价调控阻塞无能为力的情况下，使用该模 型能使负荷合理削减，同时利用输电当量电价对容 量投资充分合理回报的特性，能获得更充足而又合 理的电网扩建资金，为电网长期发展，从根本上解 决阻塞问题做了准备，因此能更好地解决阻塞管理 问题。通过引入支付意愿，可允许用户参与阻塞管 理，还增进了市场效率，使市场更为公正。算例比 较了两种模型的阻塞管理效果，分析了支付意愿与 负荷削减量及节点电价之间的关系。算例结果表 明，本文方法是有效的、合理的。 参考文献 [1] Singh H，Hao S，Alex P．Transmission congestion management in competitive electricity markets[J]． IEEE Transmission on Power Systems，1998，3(2)：672-680． [2] Fang R S，David A K．Transmission congestion management in an electricity market[J]．IEEE Transactions on Power Systems，1999， 14(3)：877-883． [3] Fang R S，David A K．Optimal dispatch under transmission contracts [J]．IEEE Transaction on Power Systems，1999，14(2)：732-737． [4] 言茂松．当量电价与融资重组[M]．北京：中国电力出版社，2000． [5] 言茂松，辛洁晴（Yan Maosong，Xin Jieqing）．在电力市场环境下 网嵌入的边际成本输电定价新方法（Grid embedded marginal-cost transmission Pricing（GEMP）in power market）[J]．中国电机工程 学报（Proceedings of the CSEE），1998，18(2)：111-116． [6] 辛洁晴，言茂松（Xin Jieqing，Yan Maosong）．电力市场环境下合 理回报输电容量投资的方法（A reasonable method for returning transmission capacity investment in electricity market environment） [J]．电网技术（Power System Technology），2000，24(2)：64-68． 收稿日期：2002-09-27。 作者简介： 凌永伟，男，硕士研究生，研究方向为电力市场； 辛洁晴，女，博士研究生，研究方向为电力市场； 言茂松，男，教授，博士生导师，研究领域为电力市场。 （编辑 查仁柏） （上接第 18页 continued from page 18） 220kV变电所某主变的 1次试验数据列于表 2。 表 2 某变一组试验数据 Tab.1 A group of testing data of a transformer 项 目 A B C 状态量分析结论 油介损 1.3% 0.94% 0.94% 结论为不良。由于该状态量为 高权重，与绝缘性能的隶属度 为1，影响设备状态–100分 泄漏电流 高中压线圈对地：62mA 低压线圈对地：5mA 结论为不良，该状态量为高权 重，与绝缘性能的隶属度为1， 影响设备状态–100分 系统根据式（1）综合上述状态量及其它状态量 的数据，分析得出该设备的绝缘性能已处于注意状 态，很可能演化为不良，并建议立即安排与绝缘性 能有关的试验项目（如油务专业的色谱、检修专业 的绝缘电阻、吸收比和极化指数，以及高压专业的 绕组变形）的测试。这些项目实际上也是状态量， 并存在与绝缘性能指标的隶属关系）。 6 结束语 基于提高供电可靠性和降低维修成本的考虑， 状态检修技术将会越来广泛地得到使用。本文提出 的基于模糊数学和专家系统的状态分析模型，可以 充 分 地 利 用 设 备 日 常 运 行 检 修 过 程中 存 在的各种信息、检修人员的日常工作经验及国内外 较新的状态检修技术，从而有效地解决目前电力企 业实施状态检修时缺乏检测和诊断手段的问题，而 且也不需要增加太多设备，比较适合于在国内各电 力企业应用和推广。计算机辅助分析系统（维修管 理系统）的开发和应用，也有利于提高维修管理水 平。本文的成果在绍兴电力局得到了应用，并取得 了较好的效果。 参考文献 [1] 黄雅罗，黄树红，彭忠泽，等．发电设备状态检修（第一版）[M]．北 京：中国电力出版社，2000． [2] 杨以涵，唐国庆．专家系统及其在电力系统中的应用（第一版） 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