[01214389]基于网络环境的发电设备在线监测技术研究及应用

1、成果背景 随着我国经济的飞速发展,对电力的需求量越来越大,为了满足国家对电力的迫切需求,作为洁净及可再生能源的水电以及风力发电将会更加受到重视。作为输、发、配电核心的发电机、变压器等大型电气设备,单机容量将不断增大,运行可靠性显得尤为重要和突出。对于这些大型电气设备,不仅在设计和制造阶段要以提高产品质量和可靠性作为首要任务,而且并网运行后实现状态监测也是一项亟待解决的课题。大型电气设备状态在线监测早已成为有关部门研究的热点之一,各式各样新颖的在线监测方式方法层出不穷。其主要目的：一是,检出设备在初始阶段出现的缺陷,以便有计划地安排检修,从而减少强迫停机次数,避免事故的发生（如三峡电厂2003年7月投产到2004年10月共发生强迫停运26次）;二是,延长设备平均无故障时间及缩短平均修理时间,从而降低设备的维护费用和提高其可用性。目前,大型电气设备状态监测主要有电量、振动、局部放电等监测项目,其中电量和振动监测已发展到应用推广、功能较全面的阶段。然而,围绕局部放电监测技术,国外自50年代以来已开展了大量的研究工作,已成功地将多种技术（如中性点耦合监测、射频监测、PDA监测等）应用于电机的局部放电检测中;而国内对局部放电在线监测方面的研究起步较晚、发展较慢,目前,虽然有多套局部放电在线监测系统投入使用,但理论仍很不完善,还有很多待解决的难题。 大型电气设备事故中,绝缘故障, 特别是电机定子绝缘损坏事故引发的比例很大。很多绝缘缺陷在逐步发展、最终形成介质击穿,引发事故前都会出现局部放电不断发展和增强的现象。在线监测发电机PD信号,进行故障诊断,对防止事故的发生和实现状态检测具有重要的意义。从技术上来讲,目前国内研制的局部放电在线监测系统可以分为窄带和宽带系统。窄带系统只对局部放电后期严重的火花放电比较敏感,并且不能区分机内和机外PD信号。宽带系统,带宽越宽,采集的PD信息越丰富,但对系统的要求也越高;一方面要求有较高的采样率和数字处理能力,另一方面干扰的鉴别也是关键。现有的局部放电监测系统无论采用那一种方法,都不能实现大型电气设备内局部放电源定位。 现行的局部放电测量与评定标准只是对电气设备的总体评估,其测量值受局部放电源在设备内的位置影响很大。只有在已知放电源位置的条件下,设备绝缘的总体评估才具有更高的可信度和实用价值,因而局部放电源的准确定位非常重要,故对局部放电源定位方法的研究具有重要的科学意义和实用价值。 目前, 局部放电源的定位方法主要有电气、超声波和射频超声波联合定位法。他们都有一定的优点,但在理论上仍有无法解决多点定位问题。此外,现有的局部放电定位方法,不管是电气定位法,还是超声波定位法和射频超声波联合定位法,均需将各传感器提供的信号通过相应的有线电缆传输至数据处理中心。使用这种有线传感器存在诸多缺点： ①由于电缆的限制,不能实现发电机转子信息和定子多点信息的接触式监测; ②为了定位,发电机内需要监测的点数众多,需要在大型电气设备内部安装成百上千只传感器。有资料表明,容量为300MW的汽轮发电机组需要的传感器数目高达950～1050只,大量电缆引出非常困难,不但增加了布线成本,还有可能造成发电机绝缘的损坏; ③随着时间的推移,发电机内部大量的传感器不可避免地会发生老化或出现故障,这会导致监测参数的损失甚至发生强迫停机事故; ④一般的监测系统设计完成后,增加、调整传感器比较困难,传感器配置的改变有可能需要修改系统软件源程序。这些缺点限制了大型电气设备状态监测的发展。 为克服上述缺陷,无线传感器及其网络将是一种极佳的选择。无线传感器网络（WSN）由分布在给定局部区域内足够多的无线传感器节点、收发器、传输介质、通讯网络和客户构成。每一个无线传感器节点由一种或多种传感器（例如声感应器、红外线感应器、磁感应器等）、A/D转换、数据处理单元和存储单元、无线电收发模块组成。它是一种全新的信息获取和处理技术, 能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。WSN在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、抢险救灾、民用等领域的巨大的应用价值和潜在应用前景,引起国内外军事部门、工业界、学术界的广泛关注。国内的一些大学和科研单位已开展了有关WSN方面研究工作。从总体来讲,我国关于WSN应用的研究还处于起步阶段,在应用领域有大量的关键技术亟待解决。因此,将WSN引入到大型电气设备绝缘故障定位中,深入开展基于WSN的大型电气设备局部放电监测和定位关键技术的研究,为电气设备内局部放电监测和定位的数据采集开辟一条新的更加有效的途径,不仅具有重要的科学价值,还具有重要的应用价值、经济价值和社会意义。 2、技术原理及性能指标 以无线传感器网络（WSN）、IP传感器替代传统传感器,将其置入发电机内直接与定子绕组绝缘表面紧密接触,构成WSN实现对其内多点局部放电故障信息的同时采集、处理、发送,并以此获得发电机定子绕组局部放电分布图对其定子绕组局部放电源定位与应用关键问题的进行研究,研制了基于TCP/IP协议嵌入式采集模块的发电机状态监测系统。主要技术内容有： 1)基于TCP/IP协议嵌入式采集模块的发电机状态监测系统; 2)局部放电声信号的数学模型及传感器特性研究;3)局部放电声信号预处理研究; 4)传感器网络的结构及通信方式研究;5)局部放电源定位方法的研究。 3、技术的创新性与先进性 1)将网络技术与传感技术相结合,采用TCP/IP协议研制了基于网络接口设备和虚拟仪器的IP传感器,通过WSN与Internet实现了现场设备监测数据远程传送、远程测控和网络化管理。 2)将无线传感器网络技术与电气设备绝缘故障点检测技术相结合,研制了基于WSN的大型电气设备绝缘故障点定位检测系统,通过WSN实现现场电气设备绝缘故障点监测数据远程传送、远程测控和网络化管理。 3)利用人工神经网络和模糊逻辑的智能控制方法进行多传感信息融合,提高了电气设备绝缘故障点传感测量的智能化水平,实现了基于WSN的数据采集模块及远程诊断的大型电气设备绝缘故障点定位检测新方法。 4)使用微机系统与WSN、TCP/IP数据采集模块结合,实现远程实时数据动态分析;提供了采用虚拟仪器技术建立网络化的测控系统平台。 5)提出了基于多种绝缘故障点检测定位方法,包括基于紫外检测、超声检测方法以及结合传统的电流传感器检测方法,提高绝缘故障点定位检测可靠性。 6)提出了一种消除簇间干扰的时分多址（TDMA）调度协议和NMDS-MEEF算法,为实现故障定位奠定了基础。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本成果已取得：出版专著1部,发表论文32篇（论文他人引用共计384篇次、SCI收录2篇、EI收录19篇）,申请国家发明专利6项（已授权3项）,获得实用新型专利5项,在基于网络环境的发电设备在线监测领域拥有了自主知识产权。研究成果为我国从事基于网络环境的发电设备在线监测的研发和应用提供了重要指导,技术已成熟,在电气设备绝缘生产、制造和使用企业推广应用中,一方面可以实时提供现场运行状况信息,监控设备是否正常运行,及时发现各种设备故障,减少因故障停产等造成的损失。另一方面可以使各种不同类型的设备采用统一的WSN实现连网进行远程监控和管理,实现实时动态和高效化管理;减少企业管理人员,从而为企业提供一个高效的设备智能诊断网络化信息化管理平台。此外,还可以为企业提高企业产品的技术水平与核心竞争力,提供更多的生产岗位,促进就业。