监测关键技术

直流电源系统

本项目首次提出了基于深度信念网络的燃煤烟气Ox和飞灰含碳量在线软测量技术。解决了硬件传感器测量不准甚至是测量错误或不能在线等问题，为建设电厂智能设备层提供技术支撑。提出了锅炉对流受热面积灰厚度在线监测技术。解决了目前燃煤电厂定吹模式存在的过渡吹灰、吹灰不及时、吹灰能耗大等问题，显著提高了锅炉的运行效率。开发了基于供需传热平衡的空冷单元冻结状态和清洁因子在线监测技术。突破了目前温差预测方法存在无法实时、准确预测冻结状态的瓶颈，提高了空冷岛的安全运行性能。提出了锅炉燃烧和汽轮机背压实时优化方案。实现了机组由热端至冷端的全工况运行性能优化，提高了机组的运行效率。基于ESP-isys实时数据库，结合SIS系统和MIS系统，研发了火力发电节能监测平台，实现了机组性能在线计算和在线优化。本技术经国电电科院太原分院测试，煤粉输送参数监测和优化技术使锅炉热效率提高了1.346%，空冷优化使机组热耗率平均下降53.86kJ/kW·h厂用电率平均下降0.06%，机组供电煤耗平均下降7.03g/kW.h。本技术在国电电力大同发电公司600MW空冷发电机组完成了工程示范，目前正推广在公司2台660MW机组。

根据国家、水利部和国网公司相关法规规范要求，电网工程水土保持监测是电网工程水保竣工验收的必须工作和关键环节。水土保持监测最广泛的应用场景是土状堆积物形成的稳定坡面，而此场景的最常用的测量方法为测钎法。该方法具体操作为：向待测坡面有规律的插入若干细钎，常见的测钎布设为3×3的9根测钎方阵，在测钎上标记与土壤表层持平的位置，作为原始高度点，人工定期观测地表土层降低的厚度，计算土壤蚀侵量等水土流失量相关数据。该方法要求测量人员定期到达现场查看测钎的状态，人工测量每根测钎的地表降低厚度，这种方法耗时耗力且易破坏坡面稳定性。 本发明专利将水土保持专业与测试技术相结合，创造性的利用超声波在传播过程中方向性强、能量消耗缓慢、遇到物体表面产生反射波的特性，测量检测波发射与反射接收的时间间隔，计算出需要测量的距离，自动监测地表降低厚度，首次实现了水土侵蚀量的自动化测量，大大节省了人力物力，降低了人工监测破坏坡面的风险，并使水土保持监测的频率不再受限于人工巡查频率，真正实现了水土保持的全天候监测。由于自动测量所获得的数据量远远多于人工读取，且测量精度大幅提升，为建立更精准的不同环境下的水土侵蚀模型提供了数据基础。 本专利还设计了一种标准反射块和反射实时校准技术，创造性的解决了超声测距易受温度、湿度、压力等环境因素影响的问题，使测钎设备在多环境因子的干扰下依然可以有远高测量标准的测量精度，从而使基于超声测量的水土保持监测传感器走向实用。经调研，目前还没有类似技术或专利应用于水土保持监测，本专利为独创性专利。 本专利获2019年度国网陕西省电力公司专利奖一等奖，除此之外，以本专利为基础的“交流特高压工程环保监测与施工关键技术及应用”项目获得“2020年中国电力科学技术奖一等奖”，“特高压工程环境保护及水土保持专项技术研究”项目获得“2019年电力建设科学技术进步奖二等奖”，“电网工程天地一体化水土保持监测关键技术”项目获得“2019年度电力建设科学技术进步奖二等奖”，“输变电工程水土保持监测软件平台关键技术”项目获得“2019年国网陕西省电力公司科学技术进步奖一等奖”，以及“输变电工程水土保持在线监测系统”项目获得“2018年国网陕西省电力公司科学技术进步奖一等奖”。经鉴定，本专利研究成果在交直流特高压工程建设中得到成功应用，实时监测水土流失量及环境因子，为水土流失监测和治理提供技术支撑，取得了显著的经济效益、生态环境效益和社会效益，为电网建设和环境保护发挥了积极作用。同时，该研究成果在输变电工程建设生态环境监测方面达到国际领先水平。

本项目面向高压电缆运行故障预警以及安全在线监测的技术需求，突破了常规光纤传感技术只监测单一参量的局限，取得了如下创新成果：提出了同轴双包层结构局放声发射振动传感光纤技术，解决了信号高灵敏度和宽频带监测相互制约的难题。基于光纤内干涉技术，克服了传统光纤干涉仪参数不易控制的问题，实现400kHz的监测带宽，能够覆盖局放声发射监测的主要信号频段，构建了高压电缆高性能监测的敏感“神经”体系。研制了高泊松比硅橡胶灵敏度增强的光纤传感器，突破了光纤检测微弱局部放电声发射信号的难题，基于弹性体增强技术，实现了1.7rad/(m·Pa)的声发射振动探测灵敏度，为高压电缆实时监测局部放电预警提供了超敏“感官”。提出了分布式光纤传感系统的高精度信号提取技术，形成了多物理量交叉互验的事件分析定位方法，有效克服了由于信号衰落而导致误报的难题，建立的“点-线”结合的电力电缆多参量监测系统，实现了基于振动、温度、局放等多参量智能监测平台，为电力基础设施的安全预警提供了智慧“大脑”。该项目授权发明专利11项，软件著作权1项，电力行业标准1项，发表论文15篇，经查新“……该项目综合技术达到国际先进水平……”，特别是“在光纤弹性体局部放电传感灵敏度增强方面”经鉴定“……处于国际领先水平。”本项目提高了高压电力电缆局放等多参量信号远程在线监测和诊断的智能化水平，高度契合能源互联网企业建设电网运行状态智慧监控与诊断的技术需求。项目成果可推广到架空地线、相线、杆塔、变压器、开关等输变电设施温度、应力的监测，乃至石油测井、油气管道监测等能源领域，产业化前景显著。

配电网覆盖面广、结构复杂。全国配电网有6亿余组在运电磁式电压互感器，由此引入了大量的非线性铁磁元件，谐振现象极为普遍。2015年国家能源局发布《配电网建设改造行动计划》，南网、国网积极落实，配电网进入高速发展阶段，随着分布式电源及冲击性负荷广泛接入，铁磁谐振问题越发凸显。每年因铁磁谐振引起的配网故障近3万起，经济损失数以亿计，且引发设备爆炸造成人身伤亡，安全问题突出。然而，铁磁谐振是非线性电感与电容的复杂振荡现象，其当前谐振阈值评估困难，属于行业“难点”；传统消谐方法，识别率低、消谐时间长、效果差，属于行业“断点”；谐振互感器绝缘检测，属于行业“热点”。因此，如何高效、准确、快速抑制谐振，已成为行业内亟需解决的关键共性技术难题。 依托国家自然科学基金及南网公司科技项目，经过近10年研究攻关，建立了配电网铁磁谐振防治标准体系，攻克了新型防铁磁谐振互感器设计、快速高效防治及互感器绝缘状态监测关键技术。主要创新如下：

我国是自然灾害多发国家之一，输电线路沿途环境恶劣、地质地形复杂，同时受到周边采矿、施工等人为活动影响，电力杆塔工况状态如疲劳断裂、倒塌等现象时有发生，严重威胁电网运行安全。目前，电力杆塔安全监测存在诸多难点问题：监测精度不高且普遍只能观测到形变相对变化，难以高精准地获取时空坐标系下的绝对形变数据，如整体沉降、滑移；监测数据类型单一、监测稳定性差，针对线路复杂应用场景需进一步融合通道环境数据，以提升监测预警准确性、有效性；缺乏有效的智能化分析手段，无法揭示灾害形成机理和发展规律。 针对上述现状，项目历经3年多的研发攻关，攻克了电力杆塔安全监测关键技术，在提升输电线路复杂环境下北斗高精度定位、稳定监测方面取得了系列突破，形成了自主知识产权的电力杆塔高精度监测核心技术，研制了电力杆塔安全监测系列产品和预警平台，构建了一整套完备的电力杆塔监测、预警机制。 项目获发明专利9项、实用新型专利4项、软件著作权2项，发表论文11篇,完成标准编制5项。项目成果成功应用于跨区特高压±800kV及省公司750kV、500kV等不同电压等级输电线路，涵盖国网安徽、甘肃、新疆等7省市公司15条重点输电通道，建设隐患风险杆塔综合监测点96座。本项目积极推进落实国家北斗发展政策，完成了“北斗+电网”融合应用和创新探索，提升了线路安全监测效率和巡检智能化水平，可推广应用于交通、国土、建筑等行业，市场应用前景十分广阔。

本项目从智能终端支撑客户停电实时监测可行性、计量自动化主站与智能终端停电监测上行通讯协议扩展、专变大客户停电实时监测系统架构研究与开发、低压居民客户停电实时监测系统架构研究与开发、多方客户停电信息实时交互及闭环管理的技术研究、电能量数据挖掘与智能分析技术研究与应用等方面开展研究。项目创新性高，可推广性强，累计发表专利两项（授权一项），授权软件著作权3项，发表论文3篇。成果经过2年多的应用至今，通过应用项目所研究的停电监测等关键技术，产生了良好的社会效益和经济效益，为广州电网的可靠运行提供了有力的技术保障。该项技术和设备的推广应用，有效地降低了电力企业运营成本，提供了经济效益，使电力企业管理更加精细、完善，提升电力企业整体管理水平，具有极高的推广价值。本项目完成后，填补了国内相关领域技术空白，形成具有自主知识产权的新方案、新产品，在提升我国用电信息采集水平、降低人工运维成本等方面做出了巨大贡献。本项目成果的相关技术及产品需求旺盛，意义重大，有持续的生命力，产业化后会带来明显的效益，带来相关社会效益不可估量。

本项目以深度挖掘火力发电厂节能潜力、构建电厂智慧监测系统为目标，形成了如下研究成果：（1）锅炉运行在线监测和优化：给出不同煤质、不同负荷下基于炉内空气动力场优化的煤粉炉最优静态特性；（2）汽轮机冷端全工况精细节能优化：对空冷岛 56 个空冷单元传热性能实施全方位的实时监测，确定实时最佳背压和各空冷风机最佳频率；（3）锅炉尾部烟道对流受热面积灰厚度在线监测技术，实现自动高效吹灰，提高锅炉热效率，解决目前燃煤电厂定吹模式存在的过渡吹灰、吹灰不及时、 吹灰能耗大等问题；（4）针对炉膛出口温度高 NOX 难以测量及硬件测量存在的实际问题和飞灰含碳量难以实时检测的技术难题，研究基于深度信念网络（DBN）的 NOX 和飞灰含碳量先进软测量技术，实时监测锅炉燃烧性能并在线优化；（5）从热端到冷端对主要热力设备状态性能进行监测，包括锅炉煤粉输送系统的实时在线监测监控、炉膛水冷壁高温硫腐蚀实时监测，提出了基于供需传热平衡的空冷单元冻结状态和清洁因子实时在线监 测技术，显著提高设备运行的安全性和经济性。（6）开发了机组性能监测和在线优化运行平台，实现机组性能在线计算和运行优化、设备状态性能监测和大数据分析。（7）定量计算分析发电机组升级改造的节能潜力，为机组升级改造提供技术支持。 项目研究成果已在大同发电有限公司 600MW 空冷发电机组示范运行， 经第三方测试，锅炉热效率提高 1.346%，汽轮机热耗率下降 53.86kJ/kW·h，厂用电率下降 0.06%，机组供电煤耗降低 7.03g/kW·h，具有显著的经济和社会效益。

项目授权发明专利40项，发表论文63篇（含SCI论文23篇，Scopus前10%高被引论文6篇，High Voltage (IF:4.71)封面论文1篇），出版中英文专著各1部。陈维江院士为主任的鉴定委员会认为本项目达到国际领先水平。英国物理学会会士Mawby教授、IEEE液体绝缘技术委员会主席Fofana等专家高度评价本项目成果。研制传感器通过了魏德曼电力科技（美国）等多家国内外权威机构检测。焦点访谈等权威媒体对光纤传感技术成果进行了专题报道。 项目研制的光纤传感器及监测系统应用于国内外电力、铁路等行业750kV及以下5000余台变压器，国内市场占有率超过80%，远销至美国等18个国家，近三年产品销售额7.5亿元。成果提升了变压器故障监测预警水平和负载能力，以河北电网为例，变压器故障率下降30%，变压器负荷限值提升6.7%。成果提高了变压器安全性和电网供电可靠性，推动我国电力装备制造业的智能化转型升级。

氢电导率是发电厂水汽循环系统腐蚀监控的最关键指 标，一旦超标，热力设备腐蚀、积盐风险极高；目前氢电导 率测量所用的交换柱需频繁更换或再生树脂，不能实现连续 在线监测；树脂溶出物、再生度低等会使测量结果偏离真值， 导致水冷壁腐蚀、结垢爆管，汽轮机通流部件积盐、腐蚀损 坏等事故，严重影响机组安全运行。如何实现水汽氢电导率 智能连续监测、有效提高测量准确性是国内外电厂化学领域 亟待解决的技术难题。课题组立项研究氢电导率智能监测技 术，以期研发出一种全新的氢电导率测量方法及仪器，提高 测量准确性和连续性。