文/吴康   艾伦安控信息技术有限公司

　　众所周知, 智能制造的电力供应是属制造业发展的主攻方向。 电力供应作为制造业的能量供应站，所提供的电力质量直接影响整个生产环节，轻者产品质量受损，重者生产设备损坏，所以电力供应是制造业的“国之重器”，但凡“国之重器”必有护从者，而电能质量检测技术与电力智能巡检机器人带上的“热眼“均是需要护从的二个重要支柱。前者是助力智能制造，而后者可代替人工视并有效补充遥信遥视的工作，从而保证变电站的安全运行。这也是从源头上为智能电网的安全提供了重要保障。这是因为它们为用户提供了专业的检测和分析工具，帮助用户获知自身用电的电能质量真实情况。其检测和分析后给出的报告、图表均直观易懂，可用于电力和电气工程师的设备维护计划和故障排查的依据。据此，本文就多种新型电能质量安全参数的监控技术及分析仪与电力智能巡检机器人带上“热眼”的设计方案及安全运行保障的应用作分析说明。

　　为叙述有凊晰思路，首先对电能质量监测仪理念作说明。

　　电能质量安全参数的监控与分析的理念

　　电能是一种产品，和任何其他产品一样，并且它或许是目前工商业所需要的最必不可少的原材料。它的不同寻常之处在于它必须连续不断被接收和使用，人们无法方便地大量储存电能，并且在使用前无法方便地对它进行质量检验。若电能质量较差，则有可能对生产线造成重大损伤。因此，通过监测电能质量，我们就能够在系统遭到损伤找到潜在的问题。此时进行预防工作的成本相对而言是较低的，并且可以进行一系列的改善工作，从优化系统运行流程到监测与控制设备的整体安装等。

　　电能质量安全参数的监控

　　有哪些电能质量安全参数需要监控呐? 应该说应用电能质量分析仪是有效的途径或举措。因典型的电能质量分析仪能采集并分析电网中的三路电压，并根据国际标准的规定计算电压质量。电压质量由以下安全参数进行评估或定义，那就是频率、电压电平变化、闪变、三相系统不平衡、谐波光谱、总谐波失真和信号电压电平等。在某些情况下，也需要将电流信号和电压一起分析。这样就可以分析电流相关的参数，并能够计算一些间接参量。例如有功功率、无功功率、电能等。图1就是典型带有电能质量安全参数监控功能的电能传输示意图。

　　图1为带有电能质量安全参数监控功能的电能传输示意图

　　既然应用电能质量监测/分析仪是对电能质量安全参数监控功能的有效的途径，那末有哪此新技术在电能质量监测/分析仪中的应用，才能确保监控功能的可靠性呐？至今已有基于嵌入式处理器技术、基于图像化软件系统、分布式电能质量监测及三相电能质量釆集等多种技术在电能质量监测/分析仪中的应用。值此仅对基于嵌入式处理器电能质量监测/分析仪与三相电能质量釆集监测仪作说明。

　　多种新技术在电能质量监测/分析仪中的应用

　　基于嵌入式处理器的电能质量监测/分析仪

　　设计思想

　　当今作为电能质量监测仪应常用于许多工业环境之中。其功能是使操作人员既能够监视电力线的扰动，还能监控某个建筑、机器或设备的用电情况。在某些情况下，可通过调制解调器或高速通信线对设备功能进行远程监视和控制。为此,则应用各种传感器来负责收集重要电站设备的性能和状况信息，例如变压器和电路断路器，并负责存储数据以供将来参考使用。这些分时数据以用于执行特定功能并为操作员、维护计划员和工程师提供决策指导。要实现这些功能，则引入嵌入式处理器将成为电能质量监测仪设计的核心部件。

　　方案设计与分析

　　图2为基于嵌入式处理器的电能质量监测/分析仪设计方案框图

　　信号链技术的应用

　　在电流与电压监视通道设计中应用了可提供多种用于采样和测量高电压功率数据的信号链方法。在电流监视通道

　　（可为3相5通道或单相3通道）中使用ADC（单极模数转换器，如 ADS8364型) 的输入的分压电阻和电平转换器使其能够实现高输入阻抗。该电路中的VREF（电压基准)通常为 2.5V。差动放大器仅使用一个单极电源（如INA159 ）的器件,也可尝试使用外部组件构建相同的电路,但将花费更多成本并且会降低性能。在电压监视通道（可为3相5通道或单相3通道）中方案设计中的双极输入模数转换器（如 ADS8556 或 ADS8557型）具有 +/-10V 输入和高阻抗，可与放大器（如 OPA2211、OPA827 或 OPA4277） 一起使用，用于调节信号和驱动 ADC（模数转换器）。该方法减少了对电平转换电路的需求，由此可简化了设计。

　　系统电源中可以通过用很好的电源管理芯片（如 TPS65130型）替换电源模块来达到节约成本的目的。因该 DC/DC 转换器提供（双路）输出的800mA 升压电流、高达 +/-15V的正负电源，可满足双极信号调节和 ADC（模数转换器）输入要求。

　　数字信号处理器的应用

　　应用了基于OMAP-L137+FPGA的数字信号处理平台。其OMAP-L137是集成了C674x系列DSP内核与ARM9内核的开放式多媒体应用平台,具有高速运算能力和很强的控制功能。非常适合于在功率监控和控制应用中高效地处理采样数据和执行 FFT 类型的计算，它们需要进行大量的数据采样和处理工作，才能检测出 RMS 的当前电流和电压、实际功率、无功功率、谐波和高次谐波。

　　该系统又应用了具有片上闪存和一个 12 位的ADC（如 F2833型）。其集成 12 位 ADC 虽然并不用于电力线电流和电压感应，但它非常适合于感应环境和其它操作变化。而电路板之间的接口电路通常包括 CAN（控制器局域网络）、RS485 或 M-LVDS（低压差分信号-具有高速时钟）。其M-LVDS 的优点就是能满足高速数据传输的要求。

　　由此可见，在电能质量监测仪设计中,使用了数字信号处理平台（ OMAP） 或其它 MCU、低噪声放大器、精密 ADC 和低功耗工业接口来测量电能质量数据并可与主机系统进行通信。

　　三相电能质量记录仪新应用趋势

　　当今基于WiFi和 Connect^®的移动应用的三相电能质量记录仪是电能质量记录仪新应用趋势。

　　该三相电能质量记录仪仪是定位于高能耗企业和节能服务行业的新型入门级三相电能质量记录仪。它通过WiFi和 Connect^® 的移动应用，可以随时随地获得所需数据实时做出重要的电能质量和能耗决策。通过使用互联网+时代下全新 能耗和电能质量记录仪产品，可以获取用电能耗最新的数据，同时轻松发现用电能耗问题，并找到解决方案。提供全新更专业的能耗测量工具同时也具有基本的电能质量记录和分析功能，同时还支持的设备远程监控和系统组网的功能应用。典型的是Fluke 1736/1738三相电能质量记录仪。

　　三相电能记录仪，可自动捕获并记录 500 多个电能质量参数，让技术人员和工程师更加了解所需数据，从而对电能质量和电能消耗做出更好的决策。这两款电能记录仪可捕获并记录电压、电流、功率、谐波及相关电能质量值，以便为负载研究、电能评估、谐波测量和电压事件提供全面的数据。 其内置的软件(Energy Analyze Plus)可以对电能消耗和电能质量进行详细分析并自动生成报告。值此以在过载、三相不平衡的检测与诊断中的应用为例作介绍。

　　在过载、三相不平衡的检测与诊断中的应用

　　电能质量的好坏直接影响到生产及生活的正常秩序，过载、三相不平衡会使电网电能质量下降，严重时会造成设备损坏和电网事故。图3（a）为电气线缆过载三相不平衡示意(见火红色63.3度)图, 图3（b）为线缆过载，导致温度超过示意(见火红中黄色)图。

　　图3（a）为电气线缆过载三相不平衡示意图

　　图3（b）为线缆过载，导致温度超过示意图

　　红外热像仪具备更高的热灵敏度，可以检测出更小的温度差异，利于得到更多的温度细节，避免问题的发生。

　　而用多任务电能质量分析软件是新一代高级电能质量分析软件, 可集数据下载，分析，导出和生成报表于一身，并结合图表、曲线、概览和统计功能，给客户提供了一体化的电能质量专业分析和报告解决方案。

　　电力智能巡检机器人带上的“热眼”

　　问题的由来

　　众所周知,变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能的电力设施。变电站运行中，其传统运行巡视获取的信息95％以上来源于目视观察。变电站目前应用的“四遥”只可以实现变电站内的视频监控，不能分析目标设备的运行状态，这就为变电內的安全运行留下隐患。为此装有红外热像仪的智能巡检机器人则可代替人工视并有效补充遥信遥视的工作，从而保证变电站的安全运行。这是由于电力生产系统工作状态与温度变化有很大关系，利用红外热像仪，生产人员能够准确方便地发观和测量生产设备温度变化，对于消除生产设备的安全隐患、保障生产系统平稳高效的发展有着至关重要的作用。这就成为电力智能巡检机器人带上的“热眼”。而红外热像仪的应用特征见图4（a）所示。

　　图4（a）所示为红外热像仪基本架构图

　　红外热像仪可以给工程技术人员分析表面温度提供有力工具，红外热像图中颜色差异表示温度的高低，而且通过标准配置的专用软件，可以对热像图进行逐点解读温度数据，并生成数据报告或温度曲线。

　　为机器人装上“热眼”的应用

　　变电站智能巡检机器人巡检的核心部件是红外热成像和可见光相机，两者安装在机器人顶部，就如同装上了一只敏感的眼睛。整个云台通过以太网与机器人主控电脑连接，主控制器通过网络对红外热成像、高清相机和云台运动进行控制。

　　电气接头的检测和诊断中的应用

　　在变配电系统中，有大量触头、开关、套管夹等，常常由于接触不良、腐蚀或内部异常等各种原因，出现异常过热点，严重影响安全供电。

　　图4(b)为刀闸处接触不良示意(见火红色)图,图4(c) 为变压器B相出线接头氧化腐蚀过热示意(见红色73.3)图。

　　图4(b)刀闸处接触不良示意图

　　图4(c) 为变压器B相出线接头氧化腐蚀过热示意图

　　如用该技术可以根据可见光和红外之间的对应关系，快速定位刀闸的故障点，提高效率，直观可靠，而且还可存档。由此，如今的变电站机器人主要用于110kV、220kV＼330kV＼500kV及以上电压等级变电站，代替工作人员进行巡逻＼巡检，可以有效地提高Ⅲ检频次、检效率和巡检质量。

　　巡逻＼巡检质量的主要方面

　　电力智能巡检机器人带上的“热眼”巡逻＼巡检质量主要应包括哪几个方面呐?

　　温度与电力设备异常

　　各类红外热像仪均能记录热辐射。由于所有的物体均发射热辐射，热辐射是物体温度的函数，该数据可用来以一种非接触的方式决定物体的确切温度。在变电站的电力设备温度测量中，设备有无异常温度变化是至关重要的一个因素。

　　温度与安全可靠性

　　变电站智能巡检机器人将日常巡视、夜间红外巡视、重点设备巡视和特殊巡视相结合，利用多传感信息融合定位技术，结合电子地图与路径规划完成整个机器人运动导航，准确获取设备状态和表计信息，提高视频分析的精度和可靠性。

　　当红外热像仪被安装在电力巡检机器人上，机器人通过用专业软件（如红外热像仪标配的smartVerW软件导出的示意图）或自动或人为的穿梭于电力设备之间，巡视记录将会被自动保存并生成分析报表，一旦发现温度异常或电气封闭等问题，整套系统将立即报警并确定故障源，这些自动化的巡检流程，都是人类本身所难以启及的。

　　“热眼”的独特的性能

　　由此可拓展出独特的性能，如：热灵敏度高，能够捕捉最细微的图像细节和温差信息，全面的内置分析功能，点测温、区域测温及各种温度测量功能；一种内部温度或数字输入的内置报警分析功能；以太网、IP及ModbusTCP兼容，可轻松地将分析结果和报警结果传输到PLC，热像仅定期或在出现报警时自动以电子邮件的形式发送分析结果、红外像等，以FTP或SMTP客户端的形式自动分发文件或电子邮件；其图像屏蔽功能则仅选择相关图像部分进行分析；数字输入、输出适用于报警及外部设备控制。同时还有以下特性热灵敏度高，能够捕捉最细微的图像细节和温差信息并通过网络和TCP／IP协议远程控制等特性。

　　后话

　　上述电力助力智能制造与安全运行的新举措,既是电力供应智能制造和智电电力的助力,又是从源头上给智能电网安全运行作技术保证。它们均是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、环保、高效优化的运行。