電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測新技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用

萬海林，劉國平，武建平，水 濤，楊一平

（甘肅華煤清能煤化工有限公司 甘肅 平?jīng)?744100）

0 引言

在智慧社會(huì)發(fā)展下，物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)分析及智能算法等技術(shù)在煤化工企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，加速了煤化工企業(yè)的技術(shù)升級(jí)，促進(jìn)了煤化工企業(yè)信息化管理的轉(zhuǎn)型。本文立足于煤化工企業(yè)電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測新技術(shù)，對(duì)紅外成像技術(shù)、局部放電檢測技術(shù)、基于內(nèi)阻的蓄電池監(jiān)測技術(shù)等具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述，確保煤化工企業(yè)獲得持續(xù)、經(jīng)濟(jì)、綠色、安全、優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)[1]。為了促進(jìn)煤化工企業(yè)信息化、數(shù)據(jù)化、智能化及高效化的發(fā)展，避免資金和設(shè)備浪費(fèi)，提升電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測水平，對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測新技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行研究就變得越來越重要[2]。

1 紅外成像技術(shù)在煤化工企業(yè)巡視中應(yīng)用

1.1 巡視工作現(xiàn)狀分析

煤化工企業(yè)中巡視工具現(xiàn)應(yīng)用較多的為可見光巡視儀器，其工作原理為物體通過對(duì)反射的極少部分可見光來成像，成像核心在于可見光傳感器。可見光傳感器優(yōu)點(diǎn)為，該傳感器可以較為敏感地捕捉到成像圖像場景亮度信息和顏色信息，圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)豐富、視覺沖擊力大、視覺體驗(yàn)感較好、圖像信息表達(dá)力好、空間分辨率高、圖像內(nèi)容容易被人理解等。缺點(diǎn)為，該傳感器受外界環(huán)境光照和能見度等因素影響較大，在晴天、白天等環(huán)境表現(xiàn)成像效果良好，成像較為清晰；在云霧、黑天、陰天、雨雪等惡劣環(huán)境表現(xiàn)成像效果較差，更甚至?xí)捎趫D像成像目標(biāo)被遮擋導(dǎo)致難于捕捉拍攝場景中有效信息，不能進(jìn)行全天無間斷實(shí)時(shí)可見光巡視工作[3]。

煤化工企業(yè)作為能源加工生產(chǎn)企業(yè)，地理位置多分布于偏遠(yuǎn)的山區(qū)或是環(huán)境相對(duì)惡劣的野外，電氣設(shè)備作為保障煤化工企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。利用可見光巡視儀器對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡視，只能對(duì)位于光線強(qiáng)度優(yōu)良的電氣設(shè)備外觀進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)電氣設(shè)備細(xì)節(jié)進(jìn)行了很好的展示，一旦遇上黑夜、陰雨天或是大霧等惡劣天氣，可見光巡視儀器不能很好地對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步影響巡視工作效率。

紅外成像技術(shù)成像原理與環(huán)境光照條件無關(guān)，可以很好地對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)目標(biāo)信息進(jìn)行捕捉，但是存在不能很好地描述電氣設(shè)備運(yùn)行細(xì)節(jié)的缺點(diǎn)，而將紅外成像技術(shù)嵌入到可見光監(jiān)測技術(shù)中，兩者具有很好的圖像信息互補(bǔ)特性，通過選取適宜圖像融合技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)可見光圖像細(xì)節(jié)展示和紅外圖像目標(biāo)信息捕捉的結(jié)合，從而獲取更為全面、清晰、準(zhǔn)確、高效的電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測信息。基于以上優(yōu)點(diǎn)，將紅外成像技術(shù)應(yīng)用在煤化工企業(yè)，進(jìn)行生產(chǎn)區(qū)域電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測，可為企業(yè)快速監(jiān)測設(shè)備異常運(yùn)行提供助力[4]。

1.2 紅外成像技術(shù)應(yīng)用分析

由于不同物體或同一物體的不同部位輻射能力差異，導(dǎo)致它們在對(duì)紅外線反射呈現(xiàn)出強(qiáng)弱區(qū)別，利用物體與背景環(huán)境的輻射差異及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現(xiàn)景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。設(shè)備紅外成像原理示意圖如圖1所示，可以看出，紅外輻射介于可見光光譜（0.4～0.75 μm）和微波光譜（＞15 μm）之間，火和太陽等作為紅外線來源，通過具備紅外熱成像的攝像機(jī)輸出圖像稱之為“熱圖像”。

圖1 設(shè)備紅外成像原理示意圖

在煤化工企業(yè)中，配置用于電氣設(shè)備監(jiān)測功能操作的紅外熱成像儀，開展設(shè)備巡視工作時(shí)，通過嵌入紅外成像技術(shù)的設(shè)備巡檢終端，對(duì)煤化工企業(yè)電氣設(shè)備表面的紅外溫度進(jìn)行測量，經(jīng)多次重復(fù)檢測，建立煤化工企業(yè)每一個(gè)區(qū)域設(shè)備所屬紅外溫度場。為了確保該功能的精確度，可人為調(diào)整被測設(shè)備表面溫度范圍（圖2），對(duì)其進(jìn)行紅外測試，通過對(duì)獲取數(shù)據(jù)的分析、診斷及報(bào)警靈敏度效果檢驗(yàn)，來判斷該功能模塊的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

圖2 設(shè)備紅外測溫示意圖

可見光和公文圖像對(duì)比如圖3所示，利用可見光成像巡視儀器和利用紅外成像技術(shù)巡視儀器，得到的煤化工企業(yè)某變壓器設(shè)備運(yùn)行圖像，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，可見光巡視圖像更為清晰，紅外圖像則捕捉了更敏感運(yùn)行信息。

圖3 可見光和公文圖像對(duì)比

1.3 應(yīng)用效果分析

嵌入紅外成像技術(shù)巡視終端在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用，可以有效滿足企業(yè)自動(dòng)化、智能化、在線化的監(jiān)測需求，實(shí)現(xiàn)煤化工企業(yè)電氣設(shè)備巡視圖像智能識(shí)別處理，能夠自動(dòng)判斷柜體指示燈狀態(tài)、分合閘狀態(tài)、儀表讀數(shù)等運(yùn)行信息。在遇到雨天、下霧等惡劣天氣時(shí)，紅外成像設(shè)備相比傳統(tǒng)巡檢設(shè)備，可以更為清晰地對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行展示。紅外成像技術(shù)在煤化工企業(yè)巡視中的應(yīng)用，提高了企業(yè)電氣化設(shè)備監(jiān)測管理水平，降低了企業(yè)巡視人員的工作強(qiáng)度。

2 局部放電檢測技術(shù)

2.1 電纜故障檢測現(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)的電氣設(shè)備故障檢修中，電氣設(shè)備主要通過定期破壞性試驗(yàn)來進(jìn)行絕緣性優(yōu)劣判斷。在煤化工企業(yè)中，電纜故障檢測現(xiàn)有手段對(duì)電纜設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，即為按運(yùn)維檢修部事先編制的年度檢修計(jì)劃開展定期試驗(yàn)，一般間隔時(shí)間較長，2次試驗(yàn)之間無法有效遏制突發(fā)事故的發(fā)生。預(yù)防性試驗(yàn)是典型的破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)所加電壓電流均高于正常運(yùn)行水平，對(duì)電纜本身的絕緣也是一種考驗(yàn)，即電纜本身沒有明顯的故障，但多次破壞性耐壓試驗(yàn)之后，電纜絕緣性能將大幅下降。同時(shí)試驗(yàn)期間需要中斷對(duì)用戶的供電，影響用戶的正常生產(chǎn)與生活。因此，傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)已經(jīng)無法滿足當(dāng)下電纜運(yùn)行維護(hù)需求[5]。

在煤化工企業(yè)中高壓電纜均是穿管敷設(shè)的，沒有空間給運(yùn)維人員進(jìn)行巡視，導(dǎo)致電纜工作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行異常情況。對(duì)電纜絕緣開展在線監(jiān)測，通過監(jiān)測系統(tǒng)異常情況的告警提示，可以通知運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)運(yùn)行隱患，并及時(shí)安排停電檢修，避免由于電纜故障所引起的電力事故產(chǎn)生。因此，設(shè)法引入電纜的絕緣在線監(jiān)測，對(duì)煤化工企業(yè)電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測有助于電纜故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2.2 電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

借助于采樣精度很高的傳感器，對(duì)能夠表征電纜運(yùn)行特征的電氣量與非電氣量進(jìn)行采集，并選擇合適的通信方式，送入微機(jī)控制器中進(jìn)行處理，采用合適的算法對(duì)采集的電氣量進(jìn)行運(yùn)算，最后給出電纜的健康指標(biāo)。電纜發(fā)生故障前，所選的特征量必會(huì)變化，該變化能夠提醒運(yùn)行檢修人員更換準(zhǔn)故障電纜，防止突然故障的產(chǎn)生，給用戶帶來損失。基于此思路，電纜絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電纜絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在每個(gè)電纜饋線的出線處布置終端監(jiān)測模塊，終端監(jiān)測模塊的主要功能包括信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)的前端處理和數(shù)據(jù)的上傳。終端監(jiān)測模塊采集到的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī)進(jìn)行上層處理。上位機(jī)由于要處理復(fù)雜的算法，并有很高的通信要求，因此采用工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)。以煤化工企業(yè)電纜現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)為系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

在煤化工企業(yè)現(xiàn)場，對(duì)老化（非線性電阻）位于200 m處的電纜進(jìn)行分析，當(dāng)非線性電阻位于600 m和1 000 m處，進(jìn)行同樣的仿真實(shí)驗(yàn)分析。非線性電阻位于不同位置的電流分析，如圖6所示。

圖6 非線性電阻位于不同位置的電流分析

2.3 應(yīng)用效果分析

將電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在煤化工企業(yè)中，分別將非線性電阻置于電纜200、600、1 000 m處，對(duì)應(yīng)線路為L1、L3、L2，表示故障發(fā)生在對(duì)應(yīng)位置。同故障位置下的仿真情況，見表1。

表1 不同故障位置下的仿真情況

通過查找運(yùn)行數(shù)據(jù)，在煤化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中找出部署電纜年限分別為重新部署、滿5、10、15、20 a的設(shè)備，錄取一段電壓電流波形并經(jīng)過傅里葉變換得到幾組A50、A100K數(shù)據(jù)集，由此得到5種不同的樣本集，每組樣本包含2 000個(gè)數(shù)據(jù)。將這5種不同的數(shù)據(jù)集合并在一起，分別選出80%的樣本用于支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）分類模型訓(xùn)練，剩下20%的樣本用于測試。不同電纜的分類測試見表2，可以看出，電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)不同電纜的分類準(zhǔn)確率超過95%，可以對(duì)電氣設(shè)備實(shí)施有效監(jiān)測。

表2 不同電纜的分類測試

3 基于內(nèi)阻檢測的蓄電池監(jiān)測技術(shù)

3.1 蓄電池監(jiān)測現(xiàn)狀分析

在煤化工企業(yè)中，蓄電池主要有多組電池連接而成，主要監(jiān)測手段為定期安排蓄電池運(yùn)維廠家對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)蓄電池運(yùn)行情況進(jìn)行分析，判斷蓄電池有無異常。巡視人員對(duì)蓄電池存放環(huán)境溫濕度、蓄電池運(yùn)行指示燈及蓄電池有無異響等情況進(jìn)行查看、判斷與記錄。隨著煤化工企業(yè)機(jī)房內(nèi)配置蓄電池?cái)?shù)量越來越多，對(duì)人工巡視人員業(yè)務(wù)素質(zhì)要求也越來越高，一旦監(jiān)測不力將導(dǎo)致蓄電池運(yùn)行異常而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)蓄電池供電可靠性[6]。

3.2 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

蓄電池在線檢測每節(jié)蓄電池的內(nèi)阻，系統(tǒng)可設(shè)定電池內(nèi)阻的自動(dòng)定時(shí)檢測、自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)蓄電池的內(nèi)阻、電壓、溫度等參數(shù)的自動(dòng)檢測，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和存儲(chǔ)。使蓄電池監(jiān)測人員及時(shí)了解每個(gè)蓄電池的工作狀態(tài)，對(duì)電池的性能進(jìn)行在線檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池存在問題時(shí)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖7所示，該系統(tǒng)主要由UPS主機(jī)、蓄電池組、監(jiān)測模塊、專用協(xié)議模塊、電源模塊、GPRS模塊，以及監(jiān)測主機(jī)等構(gòu)成。

圖7 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

3.3 應(yīng)用效果分析

煤化工企業(yè)某組蓄電池內(nèi)阻實(shí)時(shí)值示意圖如圖8所示，為系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池在線監(jiān)測提供了輔助測試數(shù)據(jù)。

圖8 蓄電池內(nèi)阻實(shí)時(shí)值示意圖

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類檢測數(shù)據(jù)超限進(jìn)行報(bào)警功能，并能在終端上自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)綜合分析蓄電池的電壓、內(nèi)阻參數(shù)及變化趨勢，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警時(shí)間、類型、等級(jí)等不同類別，對(duì)歷史報(bào)警進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)功能，并結(jié)合UPS主機(jī)信息提供預(yù)警信息，對(duì)蓄電池維護(hù)檢修工作給出指導(dǎo)建議。歷史數(shù)據(jù)信息采用曲線顯示示意圖如圖9所示，對(duì)測試電池的內(nèi)阻和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了歷史數(shù)據(jù)對(duì)比顯示。

圖9 歷史數(shù)據(jù)曲線顯示示意圖

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)機(jī)房電池運(yùn)行及預(yù)估報(bào)警狀態(tài)，分析蓄電池異常運(yùn)行狀態(tài)，有效地實(shí)施了蓄電池集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史查詢、曲線展示等功能，為煤化工企業(yè)蓄電池監(jiān)測提供了有效助力。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著在線監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，運(yùn)行監(jiān)測技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備實(shí)施在線式監(jiān)測，對(duì)于企業(yè)安全、可靠且高效生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用，達(dá)到對(duì)不同電氣設(shè)備實(shí)施精準(zhǔn)監(jiān)測管理的智能化操作目標(biāo)。本文以現(xiàn)有的典型電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測新技術(shù)研究為基礎(chǔ)，并對(duì)紅外成像技術(shù)、局部放電技術(shù)及蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)等進(jìn)行了研究，給出了每個(gè)新技術(shù)的工作原理及應(yīng)用，為更好地了解電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測新技術(shù)在煤化工企業(yè)應(yīng)用起到了輔助作用。