文/吳康   艾倫安控信息技術(shù)有限公司

　　眾所周知, 智能制造的電力供應(yīng)是屬制造業(yè)發(fā)展的主攻方向。 電力供應(yīng)作為制造業(yè)的能量供應(yīng)站，所提供的電力質(zhì)量直接影響整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，輕者產(chǎn)品質(zhì)量受損，重者生產(chǎn)設(shè)備損壞，所以電力供應(yīng)是制造業(yè)的“國之重器”，但凡“國之重器”必有護(hù)從者，而電能質(zhì)量檢測技術(shù)與電力智能巡檢機(jī)器人帶上的“熱眼“均是需要護(hù)從的二個(gè)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(bǔ)充遙信遙視的工作，從而保證變電站的安全運(yùn)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?yàn)樗鼈優(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(shí)情況。其檢測和分析后給出的報(bào)告、圖表均直觀易懂，可用于電力和電氣工程師的設(shè)備維護(hù)計(jì)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(shù)及分析儀與電力智能巡檢機(jī)器人帶上“熱眼”的設(shè)計(jì)方案及安全運(yùn)行保障的應(yīng)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(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。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(shí)進(jìn)行預(yù)防工作的成本相對而言是較低的，并且可以進(jìn)行一系列的改善工作，從優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行流程到監(jiān)測與控制設(shè)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(yīng)該說應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定計(jì)算電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量由以下安全參數(shù)進(jìn)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(guān)的參數(shù)，并能夠計(jì)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(yīng)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(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應(yīng)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(shù)、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(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應(yīng)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(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀中的應(yīng)用

　　基于嵌入式處理器的電能質(zhì)量監(jiān)測/分析儀

　　設(shè)計(jì)思想

　　當(dāng)今作為電能質(zhì)量監(jiān)測儀應(yīng)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(gè)建筑、機(jī)器或設(shè)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(shè)備功能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。為此,則應(yīng)用各種傳感器來負(fù)責(zé)收集重要電站設(shè)備的性能和狀況信息，例如變壓器和電路斷路器，并負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)以供將來參考使用。這些分時(shí)數(shù)據(jù)以用于執(zhí)行特定功能并為操作員、維護(hù)計(jì)劃員和工程師提供決策指導(dǎo)。要實(shí)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(shè)計(jì)的核心部件。

　　方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案框圖

　　信號鏈技術(shù)的應(yīng)用

　　在電流與電壓監(jiān)視通道設(shè)計(jì)中應(yīng)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(zhuǎn)換器，如 ADS8364型) 的輸入的分壓電阻和電平轉(zhuǎn)換器使其能夠?qū)崿F(xiàn)高輸入阻抗。該電路中的VREF（電壓基準(zhǔn))通常為 2.5V。差動放大器僅使用一個(gè)單極電源（如INA159 ）的器件,也可嘗試使用外部組件構(gòu)建相同的電路,但將花費(fèi)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(shè)計(jì)中的雙極輸入模數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)動 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。該方法減少了對電平轉(zhuǎn)換電路的需求，由此可簡化了設(shè)計(jì)。

　　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(dá)到節(jié)約成本的目的。因該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供（雙路）輸出的800mA 升壓電流、高達(dá) +/-15V的正負(fù)電源，可滿足雙極信號調(diào)節(jié)和 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）輸入要求。

　　數(shù)字信號處理器的應(yīng)用

　　應(yīng)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(yīng)用平臺,具有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)的控制功能。非常適合于在功率監(jiān)控和控制應(yīng)用中高效地處理采樣數(shù)據(jù)和執(zhí)行 FFT 類型的計(jì)算，它們需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采樣和處理工作，才能檢測出 RMS 的當(dāng)前電流和電壓、實(shí)際功率、無功功率、諧波和高次諧波。

　　該系統(tǒng)又應(yīng)用了具有片上閃存和一個(gè) 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(yīng)，但它非常適合于感應(yīng)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(luò)）、RS485 或 M-LVDS（低壓差分信號-具有高速時(shí)鐘）。其M-LVDS 的優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。

　　三相電能質(zhì)量記錄儀新應(yīng)用趨勢

　　當(dāng)今基于WiFi和 Connect^?的移動應(yīng)用的三相電能質(zhì)量記錄儀是電能質(zhì)量記錄儀新應(yīng)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(wù)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(yīng)用，可以隨時(shí)隨地獲得所需數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)也具有基本的電能質(zhì)量記錄和分析功能，同時(shí)還支持的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和系統(tǒng)組網(wǎng)的功能應(yīng)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(gè)電能質(zhì)量參數(shù)，讓技術(shù)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(guān)電能質(zhì)量值，以便為負(fù)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(jìn)行詳細(xì)分析并自動生成報(bào)告。值此以在過載、三相不平衡的檢測與診斷中的應(yīng)用為例作介紹。

　　在過載、三相不平衡的檢測與診斷中的應(yīng)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(yán)重時(shí)會造成設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(xì)節(jié)，避免問題的發(fā)生。

　　而用多任務(wù)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(dǎo)出和生成報(bào)表于一身，并結(jié)合圖表、曲線、概覽和統(tǒng)計(jì)功能，給客戶提供了一體化的電能質(zhì)量專業(yè)分析和報(bào)告解決方案。

　　電力智能巡檢機(jī)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(shè)施。變電站運(yùn)行中，其傳統(tǒng)運(yùn)行巡視獲取的信息95％以上來源于目視觀察。變電站目前應(yīng)用的“四遙”只可以實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的視頻監(jiān)控，不能分析目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這就為變電內(nèi)的安全運(yùn)行留下隱患。為此裝有紅外熱像儀的智能巡檢機(jī)器人則可代替人工視并有效補(bǔ)充遙信遙視的工作，從而保證變電站的安全運(yùn)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(guān)系，利用紅外熱像儀，生產(chǎn)人員能夠準(zhǔn)確方便地發(fā)觀和測量生產(chǎn)設(shè)備溫度變化，對于消除生產(chǎn)設(shè)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(guān)重要的作用。這就成為電力智能巡檢機(jī)器人帶上的“熱眼”。而紅外熱像儀的應(yīng)用特征見圖4（a）所示。

　　圖4（a）所示為紅外熱像儀基本架構(gòu)圖

　　紅外熱像儀可以給工程技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)配置的專用軟件，可以對熱像圖進(jìn)行逐點(diǎn)解讀溫度數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)報(bào)告或溫度曲線。

　　為機(jī)器人裝上“熱眼”的應(yīng)用

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

　　電氣接頭的檢測和診斷中的應(yīng)用

　　在變配電系統(tǒng)中，有大量觸頭、開關(guān)、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(diǎn)，嚴(yán)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(shù)可以根據(jù)可見光和紅外之間的對應(yīng)關(guān)系，快速定位刀閘的故障點(diǎn)，提高效率，直觀可靠，而且還可存檔。由此，如今的變電站機(jī)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(jìn)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(jī)器人帶上的“熱眼”巡邏＼巡檢質(zhì)量主要應(yīng)包括哪幾個(gè)方面吶?

　　溫度與電力設(shè)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(shè)備溫度測量中，設(shè)備有無異常溫度變化是至關(guān)重要的一個(gè)因素。

　　溫度與安全可靠性

　　變電站智能巡檢機(jī)器人將日常巡視、夜間紅外巡視、重點(diǎn)設(shè)備巡視和特殊巡視相結(jié)合，利用多傳感信息融合定位技術(shù)，結(jié)合電子地圖與路徑規(guī)劃完成整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動導(dǎo)航，準(zhǔn)確獲取設(shè)備狀態(tài)和表計(jì)信息，提高視頻分析的精度和可靠性。

　　當(dāng)紅外熱像儀被安裝在電力巡檢機(jī)器人上，機(jī)器人通過用專業(yè)軟件（如紅外熱像儀標(biāo)配的smartVerW軟件導(dǎo)出的示意圖）或自動或人為的穿梭于電力設(shè)備之間，巡視記錄將會被自動保存并生成分析報(bào)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(bào)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(dú)特的性能

　　由此可拓展出獨(dú)特的性能，如：熱靈敏度高，能夠捕捉最細(xì)微的圖像細(xì)節(jié)和溫差信息，全面的內(nèi)置分析功能，點(diǎn)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(bào)警分析功能；以太網(wǎng)、IP及ModbusTCP兼容，可輕松地將分析結(jié)果和報(bào)警結(jié)果傳輸?shù)絇LC，熱像僅定期或在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)自動以電子郵件的形式發(fā)送分析結(jié)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(guān)圖像部分進(jìn)行分析；數(shù)字輸入、輸出適用于報(bào)警及外部設(shè)備控制。同時(shí)還有以下特性熱靈敏度高，能夠捕捉最細(xì)微的圖像細(xì)節(jié)和溫差信息并通過網(wǎng)絡(luò)和TCP／IP協(xié)議遠(yuǎn)程控制等特性。

　　后話

　　上述電力助力智能制造與安全運(yùn)行的新舉措,既是電力供應(yīng)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(yùn)行作技術(shù)保證。它們均是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效優(yōu)化的運(yùn)行。