測(cè)控技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

韓方杰

（華北電力大學(xué)，北京，102208）

1 測(cè)控技術(shù)概述

1.1 測(cè)控技術(shù)的概念

測(cè)控技術(shù)是一門(mén)涉及精密機(jī)械、電子、電路、光學(xué)、電氣工程、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)相互滲透的高新技術(shù)。是集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、先進(jìn)控制理論、電子技術(shù)、光電技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，是對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、整理、顯示或輸出的過(guò)程，對(duì)多個(gè)行業(yè)均有重要作用[1]。

1.2 測(cè)控技術(shù)分類

測(cè)控技術(shù)主要包含三個(gè)方面：遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(shí)、全面地監(jiān)控各儀器儀表、工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，幫助工作人員快速地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并處理故障。現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控技術(shù)可幫助工作人員構(gòu)建完整的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，確保整個(gè)工作過(guò)程正常穩(wěn)定運(yùn)行。集中監(jiān)控技術(shù)是指主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

2 測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用

測(cè)控技術(shù)作為一種控制、檢測(cè)、采集數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，在電子、電路、電力、機(jī)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(mén)技術(shù)可以能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)控制，例如在航空領(lǐng)域運(yùn)用好測(cè)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天飛行器的實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)，在機(jī)械領(lǐng)域運(yùn)用好測(cè)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器設(shè)備運(yùn)行情況的檢修與控制，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以通過(guò)測(cè)控技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)控制谷物濕度等等。

3 測(cè)控技術(shù)在電力生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 利用紅外檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)電力設(shè)備

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)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(jí)、更高容量、更高效率的方向發(fā)展，而這也對(duì)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了越來(lái)越高的要求。因此對(duì)于電力生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，我們要能做到更加及時(shí)、準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，于是便有了紅外檢測(cè)技術(shù)。電力設(shè)備的紅外檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)簡(jiǎn)便、快捷的設(shè)備狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)，是保證電力設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施。

所謂紅外檢測(cè)技術(shù)，就是指利用紅外輻射的原理對(duì)機(jī)器或設(shè)備等物體進(jìn)行檢查檢驗(yàn)跟測(cè)量的專門(mén)技術(shù)，在電力系統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常利用紅外檢測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的溫度變化。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，紅外檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)。(2)具有非接觸、無(wú)損、非植入的特點(diǎn)。檢測(cè)過(guò)程不需要接觸物體，也不需要破壞被測(cè)物體本身。(3)檢測(cè)準(zhǔn)確快速，檢測(cè)結(jié)果直觀。利用紅外檢測(cè)技術(shù)能在機(jī)器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中快速有效地檢測(cè)和診斷電力設(shè)備是否存在過(guò)熱缺陷的問(wèn)題，然后對(duì)其進(jìn)行反饋與控制調(diào)節(jié)，從而保證整個(gè)電力過(guò)程的安全性與可靠性。紅外檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)對(duì)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(qiáng)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(cè)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(guò)將直接測(cè)得的溫度與正常情況下的溫度進(jìn)行比較來(lái)判斷設(shè)備的故障。設(shè)備運(yùn)行狀況。(2)相對(duì)溫差法：顧名思義，相對(duì)溫差是指對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫差與較熱點(diǎn)溫升的比值的百分比，來(lái)判斷是否存在設(shè)備故障。(3)相似比較法：通過(guò)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(lái)判斷設(shè)備是否異常的方法。(5)文件分析法：將測(cè)量結(jié)果與設(shè)備的紅外探測(cè)技術(shù)文件進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)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(cè)技術(shù)檢測(cè)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(guò)觀察圖像比對(duì)可以很清晰地看出電力設(shè)備每個(gè)工作區(qū)域的溫度分布情況，再通過(guò)與正常工作對(duì)于的額定溫度進(jìn)行比較便可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障區(qū)域，從而進(jìn)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(cè)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(guó)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(gè)完整的火力發(fā)電系統(tǒng)，各個(gè)部分都需要大量的檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)其設(shè)備的安全與性能，這里我們主要介紹火力發(fā)電過(guò)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(dòng)補(bǔ)償?shù)姆答伩刂葡嘟Y(jié)合。冷水在換熱器中被進(jìn)來(lái)的蒸汽加熱，得到一定溫度的熱水。整個(gè)水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)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(cè)變送器是溫度傳感器。整個(gè)控制過(guò)程采用溫度負(fù)反饋的控制方式，若溫度過(guò)高，則通過(guò)溫度控制器發(fā)出控制信號(hào)，使閥門(mén)關(guān)小，減小蒸汽量，從而降低對(duì)熱水的加熱程度，使熱水溫度降低，回到給定值。若溫度過(guò)低，則將通過(guò)溫度控制器使閥門(mén)開(kāi)大，增大蒸汽量，從而提高對(duì)熱水的加熱程度，使熱水溫度升高。同時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)也采用擾動(dòng)順饋補(bǔ)償來(lái)維持熱水溫度的恒定，當(dāng)冷水減少時(shí)，通過(guò)減少補(bǔ)償量，使閥門(mén)關(guān)小，蒸汽量減從而保持水溫恒定。

3.3 利用測(cè)控技術(shù)制成的水位流速自動(dòng)控制與采集系統(tǒng)

水力發(fā)電也是電力工業(yè)中的一個(gè)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(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生電力。但我們知道，自然界的水流往往是無(wú)法預(yù)測(cè)的，而我們要想利用它進(jìn)行穩(wěn)定的發(fā)電，就需要對(duì)它進(jìn)行控制。如圖5所示為一個(gè)水位流速自動(dòng)控制與采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)控制水位，對(duì)水位、流速進(jìn)行多點(diǎn)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(dòng)控制與采集系統(tǒng)模型圖

電力工業(yè)的水位控制過(guò)程是通過(guò)控制尾門(mén)的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行控制的。 圖6為水位控制系統(tǒng)的流程框圖，控制對(duì)象為模型，控制量為水位，控制裝置為交流電機(jī)，檢測(cè)變送器為水位計(jì)。當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前水位時(shí)，若水位過(guò)高，則檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器放大器調(diào)節(jié)放大后送至交流電機(jī)，交流電機(jī)經(jīng)減速器后控制尾門(mén)關(guān)小，從而降低水位。若水位過(guò)低，則檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器放大器調(diào)節(jié)放大后送至交流電機(jī)，交流電機(jī)經(jīng)減速器后控制尾門(mén)開(kāi)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(guò)程主要通過(guò)流速傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，流速傳感器具有測(cè)量精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)測(cè)得水體流速。其基本原理是通過(guò)水體流動(dòng)帶動(dòng)傳感器的旋轉(zhuǎn)葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而葉輪的邊緣電鍍著兩個(gè)對(duì)稱反射面，當(dāng)反射面經(jīng)過(guò)光導(dǎo)纖維測(cè)桿的檢測(cè)面時(shí)，便會(huì)由于受到光照產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)光敏感轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而達(dá)到測(cè)量的目的[3]（見(jiàn)圖7）。

圖7 流速傳感器

3.4 利用測(cè)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(jiàn)的加熱設(shè)備，一個(gè)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(cè)控制儀器、自動(dòng)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(dòng)或手動(dòng)地控制電爐的溫度，于是在電力工業(yè)上，就利用了測(cè)控技術(shù)來(lái)制成了一套工業(yè)電爐的溫度自動(dòng)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?zhàn)饔谩Ｏ到y(tǒng)的被控對(duì)象是電爐，被控量是電爐爐溫，伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、調(diào)壓器都為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，熱電偶是檢測(cè)變送器。整個(gè)控制系統(tǒng)保持電爐溫度恒定的工作過(guò)程為：當(dāng)爐溫偏低時(shí)，產(chǎn)生正的偏差電壓，偏差電壓推動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流加大，爐溫上升，直到偏差電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，爐溫保持恒定。當(dāng)爐溫偏高時(shí)，偏差電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，使供電電壓減小，直至爐溫等于給定值為止，完成對(duì)電爐溫度的控制。

3.5 總結(jié)

測(cè)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(jiàn)的應(yīng)用。不難想象，就算只是一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單完整的發(fā)電流程，從運(yùn)煤器到鍋爐，再到汽輪機(jī)，以及發(fā)電機(jī)等等設(shè)備的安全運(yùn)行，離不開(kāi)溫度、速度等數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量與控制。僅僅只是一個(gè)鍋爐的安全運(yùn)行，就有好幾百處需要運(yùn)用到測(cè)控技術(shù)的地方，所以測(cè)控技術(shù)對(duì)于電力工業(yè)十分重要，也是不可或缺的一門(mén)技術(shù)。

4 測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代測(cè)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(cè)控技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等是測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向[4]。

4.1 遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)

遠(yuǎn)程測(cè)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(duì)大規(guī)模測(cè)控要求的提高，傳統(tǒng)的測(cè)控技術(shù)已不能滿足需求，更需要能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。采用遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)，不僅可以解決當(dāng)前制造測(cè)控系統(tǒng)高成本的問(wèn)題，更為關(guān)鍵的是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備或某個(gè)工業(yè)過(guò)程的遠(yuǎn)距離檢測(cè)與控制，大大提高了測(cè)控的效率。

遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）遠(yuǎn)程辦公。遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)的存在使得工作人員可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的檢測(cè)與診斷。（2）遠(yuǎn)程技術(shù)支持。遠(yuǎn)程測(cè)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(chǎng)的情況下就能在遠(yuǎn)端實(shí)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(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)就是虛擬儀器系統(tǒng)。作為現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，與傳統(tǒng)測(cè)控技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在具有一般測(cè)控技術(shù)所不具備的功能的同時(shí)，又保留了傳統(tǒng)測(cè)控技術(shù)的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。虛擬儀器技術(shù)具有高性能、可擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、無(wú)縫集成等特點(diǎn)。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，可以進(jìn)行溫度、電壓、電流等基本物理量的測(cè)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(shí)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(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩種設(shè)計(jì)方式。通過(guò)系統(tǒng)集成技術(shù)能有效地解決傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的合理構(gòu)成問(wèn)題，而這也成為測(cè)控界一個(gè)熱門(mén)關(guān)注的技術(shù)。它要求能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)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(shí)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(gè)設(shè)備系統(tǒng)獨(dú)立、信息數(shù)據(jù)分散、資源浪費(fèi)等問(wèn)題[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，測(cè)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(lái)的發(fā)展中，我們要積極將測(cè)控技術(shù)與電力工業(yè)中的實(shí)際需求結(jié)合起來(lái)，將測(cè)控技術(shù)應(yīng)用并為我們解決更多面臨的問(wèn)題，推動(dòng)電力工業(yè)的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步。