状态评估研究可行性研究报告.docx

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状态评估研究可行性研究报告

深圳供电局

状态评估研究

可行性研究报告

二〇一一年七月

批准

审核

编写

定义

状态检修Condition-basedMaintenance

状态检修是企业以安全、可靠性、环境、成本为基础，通过设备状态评价、风险评估，检修决策，达到运行安全可靠，检修成本合理的一种检修策略。

设备状态量EquipmentConditionIndicators

直接或间接表征设备状态的各类信息，如数据、声音、图像、现象等。

例行检查RoutineMaintenance

定期在现场对设备进行的状态检查，含各种简单保养和维修，如污秽清扫、螺丝紧固、防腐处理、自备表计校验、易损件更换、功能确认等。

巡检RoutineInspection

为掌握设备状态，对设备进行的巡视和检查。

例行试验RoutineTest

为获取设备状态量，评估设备状态，及时发现事故隐患，定期进行的各种带电检测和停电试验。

需要设备退出运行才能进行的例行试验称为停电例行试验。

诊断性试验DiagnosticTest

巡检、在线监测、例行试验等发现设备状态不良，或经受了不良工况，或受家族缺陷警示，或连续运行了较长时间，为进一步评估设备状态进行的试验。

带电检测EnergizedTest

在运行状态下，对设备状态量进行的现场检测。

初值InitialValue

指能够代表状态量原始值的试验值。

初值可以是出厂值、交接试验值、早期试验值、设备核心部件或主体进行解体性检修之后的首次试验值等。

初值差定义为：

（当前测量值-初值）/初值100%。

注意值AttentionValue

状态量达到该数值时，设备可能存在或可能发展为缺陷。

警示值WarningValue

状态量达到该数值时，设备已存在缺陷并有可能发展为故障。

家族缺陷FamilyDefect

经确认由设计、和/或材质、和/或工艺共性因素导致的设备缺陷称为家族缺陷。

如出现这类缺陷，具有同一设计、和/或材质、和/或工艺的其它设备，不论其当前是否可检出同类缺陷，在这种缺陷隐患被消除之前，都称为有家族缺陷设备。

不良工况UndesirableServiceCondition

设备在运行中经受的、可能对设备状态造成不良影响的各种特别工况。

基准周期BenchmarkInterval

实施细则规定的巡检周期和例行试验周期。

轮试InTurnTesting

对于数量较多的同厂同型设备，若例行试验项目的周期为2年及以上，宜在周期内逐年分批进行，这一方式称为轮试。

一、概述

（一）项目背景

深圳供电局在《深圳电网“十二五”可靠性规划》中提出，到“十二五”末，深圳城市供电可靠率将达到99.993%，用户年平均停电时间36分钟，达到国际可比城市供电可靠性指标先进水平。

要实现高供电可靠性，势必需要提高电网设备的可靠运行，确保电网的安全稳定。

传统的定期检修，会导致过检修或者欠检修，这将降低设备的可靠性，增加用户的停电时间，进而降低电网的供电可靠性和经济性。

将现行的检修模式向状态检修阶段推进已是势在必行。

状态检修是指根据对设备进行状态检测的结果，结合巡视数据和人工智能技术等，对设备的状态进行评估，并在设备状况对电网稳定运行的风险评估基础上，综合指导安排设备维修，从而节约大量的设备维护资金和停机检修时间，使现有的运行设备创造更大的安全经济效益。

对输变电设备实施合理科学的状态检修，能够提高检修的针对性和有效性，促使加强设备的综合分析和精细化管理，有效提高设备利用率，延长设备的使用寿命，保障系统安全性和供电可靠性，为电网创造更多的经济效益和社会效益。

本项目研究旨在借鉴国际同行先进经验，进行以可靠性为中心的维修策略研究，以深圳电网输电线路、变电、配电中的关键设备为对象，开展设备状态评价及风险评估，根据评价结果，指导设备状态检修工作。

（二）项目目标

研究对输电线路、变电、配电中关键设备的部件和通道环境的安全评估技术，在此基础上，开展安全风险评价、可靠性评估、寿命预测和经济性评价等全面智能评估。

初步实现输电线路系统的安全风险评价、可靠性评估、寿命预测和经济性评价。

（三）项目范围

本项目对深圳供电局管辖范围内的深圳电网输电线路、变电、配电中的关键设备进行状态评估研究。

二、项目必要性分析

（一）设备检修的发展阶段分析

就检修体制的发展阶段而言，可分为故障后检修、定期检修和状态检修三种。

故障后检修又称事后检修，为最早期的检修方式，指在对故障之后的设备进行维护、修理或更换，其特点是检修工作在故障发生后才进行，适用于投资小且故障后对生产影响不大的设备。

考虑到输变电主设备的重要性及其故障后的影响程度，故障后检修显然不适用。

定期检修是一种以时间为基础的预防性检修方式，又称为计划检修，指根据设备故障的统计情况或经验，按预先规定的周期对设备进行检修，其特点是检修周期以时间为基准，与设备状态无关，一般适用于可靠性不高且易产生规律性故障的设备。

然而，在输变电设备日益增多的情况下，若按定期检修模式，势必造成检修任务与检修人力之间的矛盾日益突出。

我国电网制造行业质量水平在近年来有了质的提高，绝大多数的新装设备性能和质量已是今非昔比。

根据对这些设备运行情况的分析，仍然按固定周期检修显然是没有必要的，重点应该放在把握和维护设备的状态上。

状态检修是一个综合性的决策过程，它区别于以往的故障后检修和定期检修方式之处在于利用预防性实验、在线监测、历史记录以及同类设备家族缺陷等全过程数据资料，通过状态评估和最佳策略的选择等多种技术手段和经济手段来综合评价设备的当前状态，并预测事态的发展，从而制定设备检修计划，是一种动态优化的过程。

与故障后检修和定期检修相比，状态检修可以节约大量的设备维护资金和停机检修时间，使现有的运行设备创造更大的安全经济效益。

（二）状态评估的理论研究分析

国内外专家学者对在在输变电状态检修方面进行了大量的研究工作，这些研究成果对于指导开展状态检修以及状态检修的策略具有重要的指导意义。

本节将回顾和总结状态评估领域的理论研究成果。

在输变电主设备中，以变压器状态检修的研究最多，文献[1]采用模糊数学理论，选择了电气试验、油中气体状态量、绝缘油特性参量等几种状态参量，对变压器运行状态进行多层模糊综合评判；文献[2]将反映变压器指标间相对重要性的指标权重引入证据理论，采用加权平均与证据理论相结合的评估方法；文献[3]提出的将各类状态信息评分加权平均并由此评分直接确定变压器状态评估方案；文献[4]在灰色预测理论的基础上，提出了基于贝叶斯网络的变压器状态综合评估改进方法；文献[5]将变压器看作是典型的灰色系统，提出了采用灰色聚类决策方法对变压器健康状态进行评估；文献[6]根据变压器状态信息的多层次性和多因素性，引入了灰色层次评估法，分别建立变压器突变状态和渐变状态评估模型，利用关联层次分析确定变压器的具体状态；文献[7]提出了基于物元理论的变压器状态综合评估方法；文献[8]把模糊推理系统与神经网络集合起来，以模糊评判理论为基础，结合神经网络，构造了变压器运行状态的多层次模糊综合评价模型，以实现变压器运行状态的定量评估；文献[9]提出了一种模糊学习矢量量化网络，根据溶解气体分解的数据，在人工神经网络的基础上对变压器运行状态进行评估。

对高压断路器运行状态检修的研究主要集中在对断路器故障诊断和在线监测方面，文献[10]研究了对断路器操动机构的监测技术；文献[11]介绍了对断路器电寿命的预测方法；文献[12]建立了基于知识的高压断路器故障诊断专家系统；文献[13]分析了高压断路器机械方面和电气方面的各种在线监测方法，探讨了基于模糊理论的故障诊断技术；文献[14、15]研究了断路器故障诊断和分析技术，文献[16]提出了一种基于模糊神经网络的高压断路器故障诊断；文献[17]提出了一种基于DSP和CPLD的断路器在线监测系统；文献[18、19]选取了断路器开断电流、动态电阻、合分闸时间及位置等状态参量，结合模糊数学理论，提出了用模糊综合评判法评估高压断路器的工作状态；文献[20]利用初始模糊隶属函数和突变级数，将突变理论与模糊分析结合起来，对断路器状态进行模糊综合分析与评判；文献[21]在模糊层次分析法的基础上，提出将模糊聚类分析应用到高压断路器状态评估模型中评价因素的分类上。

现阶段国内外对电力电缆的状态检修开展相对较少，随着电网的发展和城网改造的进行，电缆在电网线路中所占的比例正日益增长，电力电缆的状态评估的重要性日益突出。

文献[22]介绍了输配电电力电缆的局部放电在线监测技术、以及DGA（dissolvedgasanalysis）分析技术在冲油电缆和油纸绝缘电缆状态评估方面的应用；文献[23]介绍了电力电缆线路运行温度在线检测技术，为了当前及时发现电力电缆线路的局部过热点位置、检测运行线路的绝缘状态、计算导体载流量的首选技术措施，为此基于光频域反射OFDR测温法和TCP/IP通讯协议，提出分布式光纤连续在线检测长距离电力电缆线路表面温度方法和技术，提高了检测温度的速度；文献[24]提出了基于接地线电流法的110kV交联聚乙烯（XLPE）电力电缆绝缘在线监测的方案，以此设计出一套电力电缆绝缘在线监测系统；文献[25]介绍了红外热成像技术监测热故障在电力电缆运行状态评估的应用。

（三）状态评估的科学性和经济性分析

1）电气设备故障和缺陷的浴盆曲线

图1常规运行时间变化的设备故障率曲线

实践证明大多数电气设备的故障率是时间的函数，典型故障曲线称之为浴盆曲线（Bathtubcurve），曲线的形状呈两头高，中间低，具有明显的阶段性，可划分为三个阶段：

早期故障期，偶然故障期，损耗故障期。

设备在刚投入使用时,由于设备未经磨合,故障率很高；随着使用时间的增加,故障率渐渐地趋于稳定；在使用寿命期终了的时候,故障率又逐渐增加。

定期检修的理论认为在耗损故障期到来之前对设备进行拆检，更换磨损的零部件，就能防止其功能故障出现。

但是定期检修计划性太强,检修周期卡得太死,不管设备实际技术状态如何,到期就修。

随着设计的日趋完善和制造水平的不断提高,设备的固有可靠性越来越高,定期检修方式的不合理性凸显出来。

表现之一：

经常性的定期检修使常规的设备运行浴盆曲线规律发生了变化，每检修一次，出现一次新的磨合期，使检修后的故障率增高。

图2多次定期检修可能形成的设备故障率曲线

表现之二：

定期维修产生的背景是当时的设备基本上是机械,电气单一的结构模式,针对的故障率模型是浴盆曲线.而现代设备集机械,电控,液压,气动,激光等多种技术于一身,又以微机为信息存储及处理手段,设备的基本故障率曲线不止是浴盆曲线一种,而是六种。

图3故障率曲线模型的演变

模式A是典型的浴盆曲线；

模式B是没有磨合期的耗损故障率曲线；

模式C显示出故障率随时间缓慢增长而没有具体的耗损期；

模式D表示开始时故障率低而后快速增长到一个固定水平；

模式E则表示故障率不随时间变化；

模式F具有高的早期故障率,而后降低到一个稳定水平或呈现略增趋势。

一般而言,具有机械损耗的机械设备符合A、B、C三种故障模型,电子设备的故障符合D、E、F模型。

随着设备的日趋复杂,越来越多的设备符合模式E和F。

这就意味着大部分的设备没有耗损期,故障的发生具有随机性,设备运行时间和故障率的大小没有必然的联系。

把定期维修运用到所有设备上面,不具有理论合理性。

事实上,不必要的定期拆修会把早期故障引入本应稳定的系统,这只能增加设备整体故障率。

2）电气设备功能退化的规律（P-F曲线）

图4电气设备功能退化的P-F曲线

电气设备大多故障一般不会在瞬间发生，并且在功能退化到潜在故障P点以后才逐步发展成能够探测到的故障（参见图3）。

之后将会加速退化的进程，直到达到功能故障的F点而发生事故。

这种从潜在故障发展到功能故障之间的时间间隔，被称为P-F间隔。

如果想在功能故障前检测到故障，必须在P-F之间的时间间隔内完成。

由于各种设备、各种故障形式、各种故障特点对应于P-F间隔的时间是不定值，可能是几个小时，也可能是几个月或几年不等，因此定期检修一般情况下不可能都满足P-F间隔的时间要求，从而导致设备功能故障的发生。

而有效的在线监测就可能捕捉到P-F间隔的整个发展过程，并在到达功能故障F点之前的合理时机采取措施进行检修处理。

3）状态检修的经济性

定期维修没有考虑到每台设备的具体技术状况的不同,操作人员的操作水平不同,维修保养的程度不同,以及使用环境的不同,这四个"不同"使设备在实际使用过程中主要机件的磨损情况和性能变化发生明显的差异。

而定期维修不管设备具体的技术状况和实际运用状态的好坏,也不管设备是否有必要检修,只根据修理规程的规定,到期就进行维修。

这种"一刀切"式做法的后果是,要么造成维修过剩,要么造成维修不足。

维修过剩则限制了设备最大潜力的发挥,维修不足则失去了预防性维修的意义。

维修过剩与维修不足,都会影响到企业的经济效益。

定期检修需要对生产设备停运以进行诊断测试，势必会造成用户停电时间的增加。

诊断测试和设备解体后，通常并未发现设备存在问题，导致浪费时间、资源、以及高昂的维护成本。

同时定期检修的执行和管理费用高，造成人、财、物的大量浪费。

定期维修方式是一种僵化的维修体制,已经日益暴露出其不科学性和经济性。

而状态检修克服了定期检修的弊端，它以设备状态为基础，预测设备状态的发展趋势为依据，通过信息采集、处理、综合分析后有目的地安排检修的周期和检修的项目，努力做到“该修则修，修必修好”。

对于状态好的设备可以延长检修周期，从而节省大量的人力、物力和财力。

减少生产成本，增加竞争力并获得更大效益。

随着电力企业向市场经济的转变，经济效益和社会效益都是其重要的追求目标，提高发电效率和降低生产成本是实现目标最重要的途径和提高经济效益的关键。

由于状态检修是提高发电效率和降低设备检修费用的重要措施，而设备检修费用在整个生产成本中占有相当大的比例，因此实施状态检修具有定期检修无可比拟的经济性。

（四）状态评估的技术条件分析

状态评估的成功运用离不开成熟的技术条件。

其一，需要现代化的先进设备作为基础。

现代化的电气设备结构复杂，技术先进，工艺精良，与旧设备相比有了质的变化，如前所述，其故障模式也发生了很大的变化，为实施基于状态评估的检修方式提供了基础。

其二，在线检测技术的进步。

比如红外热像检测技术，线路绝缘子污秽度、微风振动在线监测，配网10kV电缆震荡波及时技术，GIS局放带电测试技术，变压器绝缘油颗粒数检测，基于DSP和CPLD的断路器在线监测技术。

其三，先进的生产运行和检修管理系统。

先进、成熟的生产管理系统可完整、准确的记录设备台帐的信息，保存设备的设备运行记录、故障记录、运行日志、维修历史、缺陷记录、维修记录，为状态检修提供了信息获取、综合诊断、智能分析的数字化系统支持。

（五）状态评估的国际实践考察

1）欧洲模式

欧洲近年来在状态检修的基础上，提出以可靠性为核心的状态检修策略，即RCM（ReliabilityCenteredMaintenance）。

这种实施模式的要点是不仅要通过状态检测及时掌握设备的真实情况，而且要考虑该设备在系统中的重要性、该设备的故障对电网可靠性的影响程度，来制定最终的检修计划。

换言之，即通过设备历史的事故率以及设备事故对整体电网的影响程度，决定设备的重要性权重，并以此确定设备状态检测和状态维修。

图5欧洲模式的状态检修

以断路器为例，下表列出了设备状态的评估方法。

在对变电设备试行RCM时，应先统计过去运行中各设备的事故率,再考虑该设备事故变电站事故的影响程度，以确定那些设备首先要考虑状态检测及状态检修，而且在同样缺陷时，重要的、影响大的要优先考虑。

2）美国模式

美国也是实行以可靠性为中心的检修策略（RCM），并且实现了计算机自动化管理，图6为美国电力研究院EPRI新开发的优化检修系统的功能。

图6美国模式的检修系统

从国外实践看，要实现状态检修，必须抓住三个主要环节：

设备信息的掌握（含原始数据、历史数据、家族数据、当前数据）；综合的状态诊断（含规程、导则、专家系统、智能系统）；检修管理（软件系统、规程、结果反馈）。

（六）状态评估研究的必要性总结

开展状态评估对于提高供电可靠性具有十分重要的意义。

状态评估具备科学性、经济性，集中体现在：

●状态检修可以根据设备的结构特点、运行情况、试验结果等，经综合分析确定是否需要检修，在检修中需要进行哪些项目，有很强的针对性，可以取得较好的检修效果。

●状态检修克服定期检修的盲目性，及时发现运行中电气设备的绝缘缺陷，充分保证设备的安全性，提高电力系统的供电可靠性。

●状态检修坚持“该修则修，修必修好”的原则，对于状态好的设备可以延长检修周期，从而节省大量的人力、物力和财力，减少生产成本，提高经济效益。

工艺、技术的进步和信息系统的发达为状态检修的应用提供了有利的客观条件。

对国际上先进的状态评估的经验进行借鉴，基于多方面的理论研究和科学分析，状态评估的研究应用项目具备客观的必要性和充分的可行性。

三、项目内容

（一）状态评估的总体思路与原则

1）开展状态评估的总体思路

推行状态检修应当以对设备的评价为基础，通过全面评价，掌握设备真实健康水平。

实施设备状态检修是要根据不同设备的重要性、可控性和可维修性，科学合理地选择不同的检修方式，从而形成一套集故障检修、定期检修、状态检修和主动检修为一体的、优化性的综合检修方式，以提高设备可靠性降低维修成本。

开展状态评估的总体思路是“数据收集、综合分析、评估分析、检修决策”。

基本流程如图7所示：

图7状态检修的基本流程

1、建立在线监测系统，包括变压器绝缘在线系统、变压器油色谱在线分析系统、变压器运行中的温度监视、负荷监视、声音监视等；

离线采集设备信息，主要包括预防性试验数据：

变压器的线圈绝缘电阻、吸收比、介质损耗、绕组变形测试结果等；

2、根据不同设备的运行要求及国家、行业、部门法律、法规、规程要求，进行设备评估，制定状态分级标准，通过计算机网络系统对收集到的各类信息综合分析，人工加智能分析得出设备的检修决策。

3、对于需要检修的设备，拟订检修方案，经公司主管部门及分管领导批准，实施检修作业，进入评估分析；对于不需检修的设备直接进行评估分析。

对实施检修作业的设备和未实施检修作业的设备都进行分析评估，主要是评价检修策略的有效性和合理性

4、根据设备评估分析的结果，改进状态分级的依据、调整搜集的运行信息、改变检修策略，不断总结检修经验及管理模式，保证输变电设备始终处于健康运行状态。

2）开展状态评估的原则

安全性、可靠性原则：

状态检修应当始终坚持“安全第一”的原则，这是设备状态评估和状态检修的基本原则。

对设备开展状态评估和状态检修，必须以提高设备的可靠性和管理水平为目的，通过对设备状态的掌握和跟踪，及时发现设备缺陷，合理安排检修计划和项目，提高检修效率和运行可靠性。

制度保障原则：

许多事故的发生具有偶然性和突发性，开展状态检修是一种管理体制和技术的创新，同样具有一定的风险性，通过管理规范和技术规范的支撑，鼓励创新。

原则上优先选用比较成熟的状态检修技术，对尚未成熟的技术则进行科技立项研究和局部应用。

可操作性原则：

状态评估可进一步地在现实工作中付诸实践，对实践发挥具体指导作用，而不是仅停留于理论研究或观念探讨。

开放性兼容性原则：

开展状态检修的策略、选取的装备或技术，应具有对其它技术及装备的兼容性，以免形成难以发展的孤岛。

平台化、模块化原则：

应通过平台化的建设方法来保障整个状态检修框架的可扩展，通过一些关键平台的建设来搭建状态检修的整体框架，整体框架之中的各个组成部分应具有模块化的特性，自成体系、可独立发挥作用，又能与其它模块在统一的框架下协同发挥作用。

（二）状态评估的体系平台和结构

图8状态评估的体系平台

1）采集平台

首先应对生产中应关注的状态量进行规范和整理，形成状态检修的状态量标准规范，从而为建立状态量的监控体系确立标准。

然后逐步地建立状态数据的采集体系，对状态数据的来源进行规划，建立相应的数据管理标准。

状态量必须是那些能够充分表现设备工作状态的信号参数，同时应当满足状态评估的信息需求。

状态量的采集状态分为：

停电检测和带电监测。

其采集手段包括：

在线监测和离线采集。

在线监测：

采用在电力设备现场安装在线监测装置、直接产生状态数据的方法进行采集；

离线采集：

在生产过程中获得的各类反映设备状态的数据，主要通过数据人工录入或者网络汇总来获得，其来源包括生产管理信息系统、SCADA系统等。

在线检测的优点是可以更准确的反映设备的状态。

有两种方法可以提高数据的有效性，其一是选择相对比较成熟，并有着良好应用的在线监测设备;其二是将离线数据和在线数据进行对比，分析出两者之间的关系，来提高在线数据的有效性。

2）数据平台

数据平台的作用是对状态数据的接入、存储、共享。

将离线数据存到数据库系统中，通过建立一个统一的访问模型，对一些分类和数据建立统一的编码体系。

数据平台的设计原则坚持：

实用性、安全性、灵活性、标准化、模块化。

数据平台存储的元数据包括：

设备编码、装置编码、采集时间、检测项目、设备试验、设备缺陷、巡检记录、维修记录、在线数据、运行数据等，通过数据平台总线实现设备数据的共享。

如图9所示：

图9状态评估的数据平台

3）评估平台

评估平台是设备状态评估体系的核心。

通过建立量化的设备状态评价指标体系，进行评分、分析计算，并通过“评估→检修→再评估”的过程进行不断修正。

评估的方法有模糊数学模型、专家系统模型、神经网络模型、免疫算法模型、色谱分析模型、援例分析模型、时间序列预测模型等。

1、模糊数学分析

模糊数学分析是建立状态评估算法的基础，通过引入模糊数学的概念，将设备状态进行量化处理，从需立即退出运行到设备最优状态细分成多个状态；并引入模糊数学的隶属度和模糊运算等概念，建立起状态评估算法的运算基础。

2、专家系统

即人工智能专家系统技术，其核心是一整套基于规则的知识库。

在系统分析中，知识表述规则化是技术难点，为此采用了专门针对变电设备开发的专家系统工具，充分利用经过广泛积累和验证的知识，使专家系统在状态检修方面的成功应用成为可能。

3、神经网络模型

神经网络分析具备以下这些特点：

高度的并行性、高度的非线形、良好的容错性与联想记忆功能、强大的自适应、自学习能力。

图10神经网络模型

4、免疫算法

免疫算法模仿了人体的免疫系统，并从体细胞理论和网络理论中得到启发，实现了类似于免疫系统的自我调节功能和生成不同抗体的功能。

应用领域：

油色谱分析样本数据分析等。

5、色谱分析法

三比值法：

就是利用五种特征气体的三对比值，来判断变压器故障性质的方法。

其涉及到的五种特征气体为氢气、甲烷、乙炔、乙烯、乙烷。

电研法：

改良的三比值法。

TD图法：

是利用三对比值的另一种判断故障类型的方法，同样通过代码检查表的方式来确定设备故障类型。

6、援例分析法

即案例推理（Case—BasedReasoning，简称为CBR），其原理是利用人们以往求解类似问题的经验知识进行推理，从而获得当前问题求解结果的一种推理模式。

7、时间序列预测法

时间序列预测法的特色是在于采用参数模型（特别是ARMA模型），在于将这一参数模型同系统分析直接地紧密地结合，在于将这一参数模型同相应地客观事物背景相互联系，从而使这一数据处理方法地作用大为扩展。

评估平台的汇总结构如图11所示：

图11评估平台的汇总结构

4）管理平台

管理平台规范了对设备