測控技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

韓方杰

（華北電力大學(xué)，北京，102208）

1 測控技術(shù)概述

1.1 測控技術(shù)的概念

測控技術(shù)是一門涉及精密機械、電子、電路、光學(xué)、電氣工程、自動控制、計算機和信息技術(shù)等多個領(lǐng)域知識相互滲透的高新技術(shù)。是集計算機控制技術(shù)、先進控制理論、電子技術(shù)、光電技術(shù)、自動檢測技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，是對自動化系統(tǒng)信號進行采集、處理、整理、顯示或輸出的過程，對多個行業(yè)均有重要作用[1]。

1.2 測控技術(shù)分類

測控技術(shù)主要包含三個方面：遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、現(xiàn)場總線監(jiān)控技術(shù)、集中監(jiān)控技術(shù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)作為測控技術(shù)中的重要組成部分，其作用在于能使工作人員及時、全面地監(jiān)控各儀器儀表、工業(yè)過程的實時動態(tài)，幫助工作人員快速地發(fā)現(xiàn)問題并處理故障?，F(xiàn)場總線監(jiān)控技術(shù)可幫助工作人員構(gòu)建完整的自動監(jiān)控系統(tǒng)，確保整個工作過程正常穩(wěn)定運行。集中監(jiān)控技術(shù)是指主要通過網(wǎng)絡(luò)的方式來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

2 測控技術(shù)的應(yīng)用

測控技術(shù)作為一種控制、檢測、采集數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，在電子、電路、電力、機械、航空等種種涉及工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用，有效地利用這門技術(shù)可以能夠及時準(zhǔn)確地對設(shè)備進行檢測控制，例如在航空領(lǐng)域運用好測控技術(shù)可以實現(xiàn)對航天飛行器的實時控制與檢測，在機械領(lǐng)域運用好測控技術(shù)可以實現(xiàn)對機器設(shè)備運行情況的檢修與控制，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以通過測控技術(shù)來實時控制谷物濕度等等。

3 測控技術(shù)在電力生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用

3.1 利用紅外檢測技術(shù)檢測電力設(shè)備

隨著現(xiàn)代社會對用電量的需求的大幅增加，電力工業(yè)的發(fā)展也向著更高電壓等級、更高容量、更高效率的方向發(fā)展，而這也對電力系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了越來越高的要求。因此對于電力生產(chǎn)過程中設(shè)備的運行狀態(tài)，我們要能做到更加及時、準(zhǔn)確的在線監(jiān)測與故障診斷，于是便有了紅外檢測技術(shù)。電力設(shè)備的紅外檢測技術(shù)是一項簡便、快捷的設(shè)備狀態(tài)在線檢測技術(shù)，是保證電力設(shè)備安全、經(jīng)濟運行的重要措施。

所謂紅外檢測技術(shù)，就是指利用紅外輻射的原理對機器或設(shè)備等物體進行檢查檢驗跟測量的專門技術(shù)，在電力系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中常利用紅外檢測技術(shù)來檢測機器運行過程中的溫度變化。與其他檢測技術(shù)相比，紅外檢測技術(shù)的優(yōu)勢在于：（1）可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測。(2)具有非接觸、無損、非植入的特點。檢測過程不需要接觸物體，也不需要破壞被測物體本身。(3)檢測準(zhǔn)確快速，檢測結(jié)果直觀。利用紅外檢測技術(shù)能在機器設(shè)備運行過程中快速有效地檢測和診斷電力設(shè)備是否存在過熱缺陷的問題，然后對其進行反饋與控制調(diào)節(jié)，從而保證整個電力過程的安全性與可靠性。紅外檢測技術(shù)的檢測對象一般是設(shè)備的熱故障。電力設(shè)備故障按紅外診斷方法可分為外部故障和內(nèi)部故障。外部故障包括電氣設(shè)備外部接頭接觸不良和絕緣強度降低。內(nèi)部故障是指設(shè)備內(nèi)部元件的故障，一般在電氣設(shè)備的故障分析中占主導(dǎo)地位。

用紅外檢測技術(shù)診斷電力設(shè)備是否有故障的方法一般有：(1)溫度判斷法：所謂溫度判斷法就是通過將直接測得的溫度與正常情況下的溫度進行比較來判斷設(shè)備的故障。設(shè)備運行狀況。(2)相對溫差法：顧名思義，相對溫差是指對應(yīng)測點的溫差與較熱點溫升的比值的百分比，來判斷是否存在設(shè)備故障。(3)相似比較法：通過比較同類型設(shè)備相應(yīng)部位的溫度，判斷設(shè)備是否正常。(4)熱圖分析法：是根據(jù)同類型電力設(shè)備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱圖差異來判斷設(shè)備是否異常的方法。(5)文件分析法：將測量結(jié)果與設(shè)備的紅外探測技術(shù)文件進行對比分析，從而對重要、復(fù)雜的設(shè)備是否出現(xiàn)異常做出正確判斷。

利用紅外檢測技術(shù)檢測電力設(shè)備熱譜圖，如圖1~2所示。

圖1 變壓器連接不良熱像圖

圖2 電抗器套管接頭故障熱像圖

通過觀察圖像比對可以很清晰地看出電力設(shè)備每個工作區(qū)域的溫度分布情況，再通過與正常工作對于的額定溫度進行比較便可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障區(qū)域，從而進行診斷與修復(fù)處理。

圖3 水溫控制系統(tǒng)控制原理圖

3.2 利用測控技術(shù)制成的水溫控制系統(tǒng)

火力發(fā)電是電力工業(yè)中至關(guān)重要的子工業(yè)，火力發(fā)電目前仍然是我國主要的發(fā)電方式，其在所有發(fā)電方式中發(fā)電量占比最大。作為一個完整的火力發(fā)電系統(tǒng)，各個部分都需要大量的檢測裝置來檢測其設(shè)備的安全與性能，這里我們主要介紹火力發(fā)電過程中的水溫控制系統(tǒng)。

水溫控制系統(tǒng)的控制方法是根據(jù)偏差的閉環(huán)控制和根據(jù)擾動補償?shù)姆答伩刂葡嘟Y(jié)合。冷水在換熱器中被進來的蒸汽加熱，得到一定溫度的熱水。整個水溫控制系統(tǒng)的控制對象是熱交換器，控制量是熱水溫度，控制裝置是溫度控制器，檢測變送器是溫度傳感器。整個控制過程采用溫度負(fù)反饋的控制方式，若溫度過高，則通過溫度控制器發(fā)出控制信號，使閥門關(guān)小，減小蒸汽量，從而降低對熱水的加熱程度，使熱水溫度降低，回到給定值。若溫度過低，則將通過溫度控制器使閥門開大，增大蒸汽量，從而提高對熱水的加熱程度，使熱水溫度升高。同時整個控制系統(tǒng)也采用擾動順饋補償來維持熱水溫度的恒定，當(dāng)冷水減少時，通過減少補償量，使閥門關(guān)小，蒸汽量減從而保持水溫恒定。

3.3 利用測控技術(shù)制成的水位流速自動控制與采集系統(tǒng)

水力發(fā)電也是電力工業(yè)中的一個重要子工業(yè)，其基本工作原理就是利用水位差配合發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生電力。但我們知道，自然界的水流往往是無法預(yù)測的，而我們要想利用它進行穩(wěn)定的發(fā)電，就需要對它進行控制。如圖5所示為一個水位流速自動控制與采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動控制水位，對水位、流速進行多點采集，且具有快速處理數(shù)據(jù)的功能，高效可靠，操作方便[2]。

圖5 水位流速自動控制與采集系統(tǒng)模型圖

電力工業(yè)的水位控制過程是通過控制尾門的開度來進行控制的。 圖6為水位控制系統(tǒng)的流程框圖，控制對象為模型，控制量為水位，控制裝置為交流電機，檢測變送器為水位計。當(dāng)檢測到當(dāng)前水位時，若水位過高，則檢測到的信號經(jīng)調(diào)節(jié)器放大器調(diào)節(jié)放大后送至交流電機，交流電機經(jīng)減速器后控制尾門關(guān)小，從而降低水位。若水位過低，則檢測到的信號經(jīng)調(diào)節(jié)器放大器調(diào)節(jié)放大后送至交流電機，交流電機經(jīng)減速器后控制尾門開大，從而提高水位。

圖4 水溫控制系統(tǒng)流程方塊圖

圖6 水位控制系統(tǒng)

流速的數(shù)據(jù)采集過程主要通過流速傳感器來進行測量，流速傳感器具有測量精度高、靈敏度高等特點，能夠精準(zhǔn)測得水體流速。其基本原理是通過水體流動帶動傳感器的旋轉(zhuǎn)葉輪進行旋轉(zhuǎn)，而葉輪的邊緣電鍍著兩個對稱反射面，當(dāng)反射面經(jīng)過光導(dǎo)纖維測桿的檢測面時，便會由于受到光照產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)光敏感轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而達(dá)到測量的目的[3]（見圖7）。

圖7 流速傳感器

3.4 利用測控技術(shù)制成的工業(yè)電爐溫度控制系統(tǒng)

工業(yè)電爐是電力工業(yè)中一種常見的加熱設(shè)備，一個完整的電爐設(shè)備包括電爐爐體與一系列輔助的電力設(shè)備，包括電爐變壓器、整流器、變頻器、檢測控制儀器、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分。作為一種加熱設(shè)備，其基本的要求就是能夠使用戶可自動或手動地控制電爐的溫度，于是在電力工業(yè)上，就利用了測控技術(shù)來制成了一套工業(yè)電爐的溫度自動控制系統(tǒng)。

工業(yè)電爐溫度控制系統(tǒng)的基本控制原理是利用熱電偶在系統(tǒng)中的負(fù)反饋作用。系統(tǒng)的被控對象是電爐，被控量是電爐爐溫，伺服電動機、減速器、調(diào)壓器都為執(zhí)行機構(gòu)，熱電偶是檢測變送器。整個控制系統(tǒng)保持電爐溫度恒定的工作過程為：當(dāng)爐溫偏低時，產(chǎn)生正的偏差電壓，偏差電壓推動電動機旋轉(zhuǎn)，電流加大，爐溫上升，直到偏差電壓為零，電動機停止旋轉(zhuǎn)，爐溫保持恒定。當(dāng)爐溫偏高時，偏差電壓為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)，使供電電壓減小，直至爐溫等于給定值為止，完成對電爐溫度的控制。

3.5 總結(jié)

測控技術(shù)滲透在電力工業(yè)的方方面面，以上只是介紹了其中四種常見的應(yīng)用。不難想象，就算只是一個簡簡單單完整的發(fā)電流程，從運煤器到鍋爐，再到汽輪機，以及發(fā)電機等等設(shè)備的安全運行，離不開溫度、速度等數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量與控制。僅僅只是一個鍋爐的安全運行，就有好幾百處需要運用到測控技術(shù)的地方，所以測控技術(shù)對于電力工業(yè)十分重要，也是不可或缺的一門技術(shù)。

4 測控技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代測控技術(shù)正朝著小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、虛擬化方向發(fā)展。遠(yuǎn)程測控技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等是測控技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向[4]。

4.1 遠(yuǎn)程測控技術(shù)

遠(yuǎn)程測控技術(shù)是我們發(fā)展現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。 隨著當(dāng)前對大規(guī)模測控要求的提高，傳統(tǒng)的測控技術(shù)已不能滿足需求，更需要能夠進行遠(yuǎn)程測控，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。采用遠(yuǎn)程測控技術(shù)，不僅可以解決當(dāng)前制造測控系統(tǒng)高成本的問題，更為關(guān)鍵的是能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備或某個工業(yè)過程的遠(yuǎn)距離檢測與控制，大大提高了測控的效率。

遠(yuǎn)程測控技術(shù)的優(yōu)勢在于：（1）遠(yuǎn)程辦公。遠(yuǎn)程測控技術(shù)的存在使得工作人員可以在任何時間任何地點實現(xiàn)對設(shè)備的檢測與診斷。（2）遠(yuǎn)程技術(shù)支持。遠(yuǎn)程測控技術(shù)可以使得技術(shù)人員在不必要到達(dá)設(shè)備故障現(xiàn)場的情況下就能在遠(yuǎn)端實現(xiàn)技術(shù)的支持。

4.2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是測控技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其對應(yīng)的系統(tǒng)就是虛擬儀器系統(tǒng)。作為現(xiàn)代測控技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，與傳統(tǒng)測控技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。在具有一般測控技術(shù)所不具備的功能的同時，又保留了傳統(tǒng)測控技術(shù)的特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。虛擬儀器技術(shù)具有高性能、可擴展性強、開發(fā)時間短、無縫集成等特點。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，可以進行溫度、電壓、電流等基本物理量的測量，在電力工業(yè)中完全可以取代以往使用的各種儀器儀表，實現(xiàn)物理量的綜合顯示[5]。

圖8 電爐溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖9 電爐溫度控制系統(tǒng)方塊圖

4.3 系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩種設(shè)計方式。通過系統(tǒng)集成技術(shù)能有效地解決傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的合理構(gòu)成問題，而這也成為測控界一個熱門關(guān)注的技術(shù)。它要求能夠?qū)崿F(xiàn)測控系統(tǒng)的集成，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、信息、環(huán)境等的集成，與此同時也要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)集成技術(shù)是電力行業(yè)發(fā)展的迫切需求，在電力工業(yè)上能有效解決各個設(shè)備系統(tǒng)獨立、信息數(shù)據(jù)分散、資源浪費等問題[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，測控技術(shù)在電力工業(yè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，也具有十分光明的發(fā)展前景。在未來的發(fā)展中，我們要積極將測控技術(shù)與電力工業(yè)中的實際需求結(jié)合起來，將測控技術(shù)應(yīng)用并為我們解決更多面臨的問題，推動電力工業(yè)的持續(xù)發(fā)展與進步。