文/吳康   艾倫安控信息技術有限公司

　　眾所周知, 智能制造的電力供應是屬制造業(yè)發(fā)展的主攻方向。 電力供應作為制造業(yè)的能量供應站，所提供的電力質(zhì)量直接影響整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，輕者產(chǎn)品質(zhì)量受損，重者生產(chǎn)設備損壞，所以電力供應是制造業(yè)的“國之重器”，但凡“國之重器”必有護從者，而電能質(zhì)量檢測技術與電力智能巡檢機器人帶上的“熱眼“均是需要護從的二個重要支柱。前者是助力智能制造，而后者可代替人工視并有效補充遙信遙視的工作，從而保證變電站的安全運行。這也是從源頭上為智能電網(wǎng)的安全提供了重要保障。這是因為它們?yōu)橛脩籼峁┝藢I(yè)的檢測和分析工具，幫助用戶獲知自身用電的電能質(zhì)量真實情況。其檢測和分析后給出的報告、圖表均直觀易懂，可用于電力和電氣工程師的設備維護計劃和故障排查的依據(jù)。據(jù)此，本文就多種新型電能質(zhì)量安全參數(shù)的監(jiān)控技術及分析儀與電力智能巡檢機器人帶上“熱眼”的設計方案及安全運行保障的應用作分析說明。

　　為敘述有凊晰思路，首先對電能質(zhì)量監(jiān)測儀理念作說明。

　　電能質(zhì)量安全參數(shù)的監(jiān)控與分析的理念

　　電能是一種產(chǎn)品，和任何其他產(chǎn)品一樣，并且它或許是目前工商業(yè)所需要的最必不可少的原材料。它的不同尋常之處在于它必須連續(xù)不斷被接收和使用，人們無法方便地大量儲存電能，并且在使用前無法方便地對它進行質(zhì)量檢驗。若電能質(zhì)量較差，則有可能對生產(chǎn)線造成重大損傷。因此，通過監(jiān)測電能質(zhì)量，我們就能夠在系統(tǒng)遭到損傷找到潛在的問題。此時進行預防工作的成本相對而言是較低的，并且可以進行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運行流程到監(jiān)測與控制設備的整體安裝等。

　　電能質(zhì)量安全參數(shù)的監(jiān)控

　　有哪些電能質(zhì)量安全參數(shù)需要監(jiān)控吶? 應該說應用電能質(zhì)量分析儀是有效的途徑或舉措。因典型的電能質(zhì)量分析儀能采集并分析電網(wǎng)中的三路電壓，并根據(jù)國際標準的規(guī)定計算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下安全參數(shù)進行評估或定義，那就是頻率、電壓電平變化、閃變、三相系統(tǒng)不平衡、諧波光譜、總諧波失真和信號電壓電平等。在某些情況下，也需要將電流信號和電壓一起分析。這樣就可以分析電流相關的參數(shù)，并能夠計算一些間接參量。例如有功功率、無功功率、電能等。圖1就是典型帶有電能質(zhì)量安全參數(shù)監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖。

　　圖1為帶有電能質(zhì)量安全參數(shù)監(jiān)控功能的電能傳輸示意圖

　　既然應用電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀是對電能質(zhì)量安全參數(shù)監(jiān)控功能的有效的途徑，那末有哪此新技術在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應用，才能確保監(jiān)控功能的可靠性吶？至今已有基于嵌入式處理器技術、基于圖像化軟件系統(tǒng)、分布式電能質(zhì)量監(jiān)測及三相電能質(zhì)量釆集等多種技術在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應用。值此僅對基于嵌入式處理器電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀與三相電能質(zhì)量釆集監(jiān)測儀作說明。

　　多種新技術在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應用

　　基于嵌入式處理器的電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀

　　設計思想

　　當今作為電能質(zhì)量監(jiān)測儀應常用于許多工業(yè)環(huán)境之中。其功能是使操作人員既能夠監(jiān)視電力線的擾動，還能監(jiān)控某個建筑、機器或設備的用電情況。在某些情況下，可通過調(diào)制解調(diào)器或高速通信線對設備功能進行遠程監(jiān)視和控制。為此,則應用各種傳感器來負責收集重要電站設備的性能和狀況信息，例如變壓器和電路斷路器，并負責存儲數(shù)據(jù)以供將來參考使用。這些分時數(shù)據(jù)以用于執(zhí)行特定功能并為操作員、維護計劃員和工程師提供決策指導。要實現(xiàn)這些功能，則引入嵌入式處理器將成為電能質(zhì)量監(jiān)測儀設計的核心部件。

　　方案設計與分析

　　圖2為基于嵌入式處理器的電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀設計方案框圖

　　信號鏈技術的應用

　　在電流與電壓監(jiān)視通道設計中應用了可提供多種用于采樣和測量高電壓功率數(shù)據(jù)的信號鏈方法。在電流監(jiān)視通道

　?。蔀?相5通道或單相3通道）中使用ADC（單極模數(shù)轉換器，如 ADS8364型) 的輸入的分壓電阻和電平轉換器使其能夠實現(xiàn)高輸入阻抗。該電路中的VREF（電壓基準)通常為 2.5V。差動放大器僅使用一個單極電源（如INA159 ）的器件,也可嘗試使用外部組件構建相同的電路,但將花費更多成本并且會降低性能。在電壓監(jiān)視通道（可為3相5通道或單相3通道）中方案設計中的雙極輸入模數(shù)轉換器（如 ADS8556 或 ADS8557型）具有 +/-10V 輸入和高阻抗，可與放大器（如 OPA2211、OPA827 或 OPA4277） 一起使用，用于調(diào)節(jié)信號和驅動 ADC（模數(shù)轉換器）。該方法減少了對電平轉換電路的需求，由此可簡化了設計。

　　系統(tǒng)電源中可以通過用很好的電源管理芯片（如 TPS65130型）替換電源模塊來達到節(jié)約成本的目的。因該 DC/DC 轉換器提供（雙路）輸出的800mA 升壓電流、高達 +/-15V的正負電源，可滿足雙極信號調(diào)節(jié)和 ADC（模數(shù)轉換器）輸入要求。

　　數(shù)字信號處理器的應用

　　應用了基于OMAP-L137+FPGA的數(shù)字信號處理平臺。其OMAP-L137是集成了C674x系列DSP內(nèi)核與ARM9內(nèi)核的開放式多媒體應用平臺,具有高速運算能力和很強的控制功能。非常適合于在功率監(jiān)控和控制應用中高效地處理采樣數(shù)據(jù)和執(zhí)行 FFT 類型的計算，它們需要進行大量的數(shù)據(jù)采樣和處理工作，才能檢測出 RMS 的當前電流和電壓、實際功率、無功功率、諧波和高次諧波。

　　該系統(tǒng)又應用了具有片上閃存和一個 12 位的ADC（如 F2833型）。其集成 12 位 ADC 雖然并不用于電力線電流和電壓感應，但它非常適合于感應環(huán)境和其它操作變化。而電路板之間的接口電路通常包括 CAN（控制器局域網(wǎng)絡）、RS485 或 M-LVDS（低壓差分信號-具有高速時鐘）。其M-LVDS 的優(yōu)點就是能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　由此可見，在電能質(zhì)量監(jiān)測儀設計中,使用了數(shù)字信號處理平臺（ OMAP） 或其它 MCU、低噪聲放大器、精密 ADC 和低功耗工業(yè)接口來測量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)并可與主機系統(tǒng)進行通信。

　　三相電能質(zhì)量記錄儀新應用趨勢

　　當今基于WiFi和 Connect^?的移動應用的三相電能質(zhì)量記錄儀是電能質(zhì)量記錄儀新應用趨勢。

　　該三相電能質(zhì)量記錄儀儀是定位于高能耗企業(yè)和節(jié)能服務行業(yè)的新型入門級三相電能質(zhì)量記錄儀。它通過WiFi和 Connect^? 的移動應用，可以隨時隨地獲得所需數(shù)據(jù)實時做出重要的電能質(zhì)量和能耗決策。通過使用互聯(lián)網(wǎng)+時代下全新 能耗和電能質(zhì)量記錄儀產(chǎn)品，可以獲取用電能耗最新的數(shù)據(jù)，同時輕松發(fā)現(xiàn)用電能耗問題，并找到解決方案。提供全新更專業(yè)的能耗測量工具同時也具有基本的電能質(zhì)量記錄和分析功能，同時還支持的設備遠程監(jiān)控和系統(tǒng)組網(wǎng)的功能應用。典型的是Fluke 1736/1738三相電能質(zhì)量記錄儀。

　　三相電能記錄儀，可自動捕獲并記錄 500 多個電能質(zhì)量參數(shù)，讓技術人員和工程師更加了解所需數(shù)據(jù)，從而對電能質(zhì)量和電能消耗做出更好的決策。這兩款電能記錄儀可捕獲并記錄電壓、電流、功率、諧波及相關電能質(zhì)量值，以便為負載研究、電能評估、諧波測量和電壓事件提供全面的數(shù)據(jù)。 其內(nèi)置的軟件(Energy Analyze Plus)可以對電能消耗和電能質(zhì)量進行詳細分析并自動生成報告。值此以在過載、三相不平衡的檢測與診斷中的應用為例作介紹。

　　在過載、三相不平衡的檢測與診斷中的應用

　　電能質(zhì)量的好壞直接影響到生產(chǎn)及生活的正常秩序，過載、三相不平衡會使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，嚴重時會造成設備損壞和電網(wǎng)事故。圖3（a）為電氣線纜過載三相不平衡示意(見火紅色63.3度)圖, 圖3（b）為線纜過載，導致溫度超過示意(見火紅中黃色)圖。

　　圖3（a）為電氣線纜過載三相不平衡示意圖

　　圖3（b）為線纜過載，導致溫度超過示意圖

　　紅外熱像儀具備更高的熱靈敏度，可以檢測出更小的溫度差異，利于得到更多的溫度細節(jié)，避免問題的發(fā)生。

　　而用多任務電能質(zhì)量分析軟件是新一代高級電能質(zhì)量分析軟件, 可集數(shù)據(jù)下載，分析，導出和生成報表于一身，并結合圖表、曲線、概覽和統(tǒng)計功能，給客戶提供了一體化的電能質(zhì)量專業(yè)分析和報告解決方案。

　　電力智能巡檢機器人帶上的“熱眼”

　　問題的由來

　　眾所周知,變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能的電力設施。變電站運行中，其傳統(tǒng)運行巡視獲取的信息95％以上來源于目視觀察。變電站目前應用的“四遙”只可以實現(xiàn)變電站內(nèi)的視頻監(jiān)控，不能分析目標設備的運行狀態(tài)，這就為變電內(nèi)的安全運行留下隱患。為此裝有紅外熱像儀的智能巡檢機器人則可代替人工視并有效補充遙信遙視的工作，從而保證變電站的安全運行。這是由于電力生產(chǎn)系統(tǒng)工作狀態(tài)與溫度變化有很大關系，利用紅外熱像儀，生產(chǎn)人員能夠準確方便地發(fā)觀和測量生產(chǎn)設備溫度變化，對于消除生產(chǎn)設備的安全隱患、保障生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)高效的發(fā)展有著至關重要的作用。這就成為電力智能巡檢機器人帶上的“熱眼”。而紅外熱像儀的應用特征見圖4（a）所示。

　　圖4（a）所示為紅外熱像儀基本架構圖

　　紅外熱像儀可以給工程技術人員分析表面溫度提供有力工具，紅外熱像圖中顏色差異表示溫度的高低，而且通過標準配置的專用軟件，可以對熱像圖進行逐點解讀溫度數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)報告或溫度曲線。

　　為機器人裝上“熱眼”的應用

　　變電站智能巡檢機器人巡檢的核心部件是紅外熱成像和可見光相機，兩者安裝在機器人頂部，就如同裝上了一只敏感的眼睛。整個云臺通過以太網(wǎng)與機器人主控電腦連接，主控制器通過網(wǎng)絡對紅外熱成像、高清相機和云臺運動進行控制。

　　電氣接頭的檢測和診斷中的應用

　　在變配電系統(tǒng)中，有大量觸頭、開關、套管夾等，常常由于接觸不良、腐蝕或內(nèi)部異常等各種原因，出現(xiàn)異常過熱點，嚴重影響安全供電。

　　圖4(b)為刀閘處接觸不良示意(見火紅色)圖,圖4(c) 為變壓器B相出線接頭氧化腐蝕過熱示意(見紅色73.3)圖。

　　圖4(b)刀閘處接觸不良示意圖

　　圖4(c) 為變壓器B相出線接頭氧化腐蝕過熱示意圖

　　如用該技術可以根據(jù)可見光和紅外之間的對應關系，快速定位刀閘的故障點，提高效率，直觀可靠，而且還可存檔。由此，如今的變電站機器人主要用于110kV、220kV＼330kV＼500kV及以上電壓等級變電站，代替工作人員進行巡邏＼巡檢，可以有效地提高Ⅲ檢頻次、檢效率和巡檢質(zhì)量。

　　巡邏＼巡檢質(zhì)量的主要方面

　　電力智能巡檢機器人帶上的“熱眼”巡邏＼巡檢質(zhì)量主要應包括哪幾個方面吶?

　　溫度與電力設備異常

　　各類紅外熱像儀均能記錄熱輻射。由于所有的物體均發(fā)射熱輻射，熱輻射是物體溫度的函數(shù)，該數(shù)據(jù)可用來以一種非接觸的方式?jīng)Q定物體的確切溫度。在變電站的電力設備溫度測量中，設備有無異常溫度變化是至關重要的一個因素。

　　溫度與安全可靠性

　　變電站智能巡檢機器人將日常巡視、夜間紅外巡視、重點設備巡視和特殊巡視相結合，利用多傳感信息融合定位技術，結合電子地圖與路徑規(guī)劃完成整個機器人運動導航，準確獲取設備狀態(tài)和表計信息，提高視頻分析的精度和可靠性。

　　當紅外熱像儀被安裝在電力巡檢機器人上，機器人通過用專業(yè)軟件（如紅外熱像儀標配的smartVerW軟件導出的示意圖）或自動或人為的穿梭于電力設備之間，巡視記錄將會被自動保存并生成分析報表，一旦發(fā)現(xiàn)溫度異?；螂姎夥忾]等問題，整套系統(tǒng)將立即報警并確定故障源，這些自動化的巡檢流程，都是人類本身所難以啟及的。

　　“熱眼”的獨特的性能

　　由此可拓展出獨特的性能，如：熱靈敏度高，能夠捕捉最細微的圖像細節(jié)和溫差信息，全面的內(nèi)置分析功能，點測溫、區(qū)域測溫及各種溫度測量功能；一種內(nèi)部溫度或數(shù)字輸入的內(nèi)置報警分析功能；以太網(wǎng)、IP及ModbusTCP兼容，可輕松地將分析結果和報警結果傳輸?shù)絇LC，熱像僅定期或在出現(xiàn)報警時自動以電子郵件的形式發(fā)送分析結果、紅外像等，以FTP或SMTP客戶端的形式自動分發(fā)文件或電子郵件；其圖像屏蔽功能則僅選擇相關圖像部分進行分析；數(shù)字輸入、輸出適用于報警及外部設備控制。同時還有以下特性熱靈敏度高，能夠捕捉最細微的圖像細節(jié)和溫差信息并通過網(wǎng)絡和TCP／IP協(xié)議遠程控制等特性。

　　后話

　　上述電力助力智能制造與安全運行的新舉措,既是電力供應智能制造和智電電力的助力,又是從源頭上給智能電網(wǎng)安全運行作技術保證。它們均是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效優(yōu)化的運行。