CN101225532A - 电解铝生产供电安全在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的电解铝生产供电安全在线监测系统，包括数据采集系统、华深数据平台集中系统以及数据应用系统。其中数据采集系统1使用超声波传感器、射频电流传感器、电流传感器、电压传感器、光纤传感器等，采集并检测设备状态的实时参数；华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将各采集的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，对系统中的所有在线检测数据进行各种处理、分析、再现，建立相关的预警、报警、专家分析和综合查询系统等；数据应用系统根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相应的监控措施，利用功能模块提供实时监控、分析、统计、管理功能；判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态提供维修服务。

Description

电解铝生产供电安全在线监测系统

技术领域

本发明涉及电解铝生产监测系统，特别涉及电解铝生产供电安全在线监测系统。

背景技术

我国是世界电解铝生产大国。随着铝电解产业技术的发展，已基本实现大型预焙化，而且槽型将越来越大，从160kA到现在的350kA。国内电解铝企业供电整流系统的设备组成基本相同，一个大型电解铝厂都有2个电解铝生产系列以上，每个系列配有一套供电整流系统，包括：动力变压器、整流机组、双母线供电、相应的电流互感器、电压互感器、断路器、隔离开关、避雷器、电容器、电抗器等和中央控制室。电解铝厂都是自投产之日起连续性运行生产，供电按一级企业性质设计，若生产运行过程发生故障停电时间达数小时以上，将破坏工艺流程稳定、沉槽、凝固、导致设备报废、乃至长时间无法恢复生产；电解铝厂将发生电解槽温度降低、破坏工艺平衡、电解质与铝水混和、电解槽凝固，可能导致整个系列全部电解槽大修；都将造成极为巨大的经济损失。因此，铝电解技术大型预焙化的实现使系列用电负荷呈几何级增加，给现有的铝电解供电系统安全运行带来了巨大的压力。

在现有的供电系统设备监控技术方面，对于供电系统的保护、测量、监视、控制等，一般都是采用电流、电压、差动、频率等继电器组成的不同继电器屏、声光报警屏、控制操作屏、仪表屏来实现；随着电子技术、计算机技术、通讯技术的发展，常规的继电器逐步被电子设备、数字设备完全取代，并由独立的单元设备发展到集散系统和网络系统，即所称的电力综合自动化系统，一般10kv(高压)以上部分通过综合自动化系统实现数据的自动采集与控制，实现所谓的5遥功能，即：遥信、遥测、遥控、遥调、遥视，配备相应的专用硬件和专用软件还实现5防的安全功能。但目前系统监控功能对于实际供电系统监控需求来说还存在明显不足，一个主要原因是设备本身的保护仅仅是对运行结果的监控，企业对设备实时状态数据了解手段不够，不能实时监控设备状态，更无法及时预防设备故障的发生，无法对运行过程的内部进行实时监测与分析。另一方面，监控设备也只是对某一特定的部件分别单独进行监控，而没有一个整体的集成系统，进行全方位进行实时监控。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中供电监控系统的不足，提出一种集成的能实时监控设备运行状态的供电安全在线监测系统，提高了对电解铝生产用各种设备的运行状态的同时实时监控程度，加强对重点安全部位的检测，并提高对设备故障维修的及时性，由于可以对各种设备同时实时监控，也提高了综合管理的效率。

本发明的电解铝生产供电安全在线监测系统，包括数据采集系统、华深数据平台集中系统以及数据应用系统。所述数据采集系统利用在线检测技术，使用超声波传感器、射频电流传感器、电流传感器、电压传感器等传感中任何一种，采集并检测电解铝供电系统关键设备的状态参数；华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将各采集的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，利用各种服务组件和系统扩展性，与企业资产管理系统EAM、管控一体化等系统集成；数据应用系统，利用可视化技术、数据库分析技术等，基于数据采集、数据处理的信息，对系统中的所有在线检测数据进行各种处理、分析、再现，建立相关的预警、报警、专家分析和综合查询系统等，为安全运行管理、优化运行方式提供应用平台；数据应用系统根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相应的监控措施，该数据应用系统包括供电系统监控业务处理相关的模块、设备状态检修应用、专家系统等，利用这些组合的功能模块提供应用服务，进行实时监控、分析、统计、管理功能；专家系统提供智能知识库，通过专家经验帮助判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态检修服务。

进一步，所述数据采集系统包括变压器油气检测系统、变压器油温检测系统、变压器局放检测系统、高压柜开关及母线开关温度检测系统、高压开关局放检测系统、SF6容器检测系统、电容性设备检测系统、高压绝缘子污迹检测系统、整流器均流检测系统。

进一步，所述华深数据平台集中系统包括数据服务模块、工作流服务模块、消息服务模块、日志服务模块、报表工具模块、组织结构模块、公用数据模块、UI框架模块和用户权限模块，该华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将数据采集系统采集的各区域的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，利用上述各种服务模块与系统的扩展性结合，与EAM形成管控一体化系统。

进一步，所述数据应用系统包括系统管理模块、基础数据管理模块、实时状态检测模块、综合分析查询模块、设备动态管理模块和故障诊断专家系统模块，该数据应用系统主要根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相关的监控措施，其包括所述供电系统监控业务处理相关的模块、设备状态检修应用、专家系统等内容，利用这些组合的功能模块提供应用服务，实现实时监控、分析、统计、管理功能；故障诊断专家系统模块通过智能知识库，帮助判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态提供维修服务信息。

附图说明

图1是本发明电解铝生产供电安全在线监测系统的总体构架图；

图2是本发明在线监测系统的数据应用系统的功能模块架构。

具体设施方式

下面结合附图具体描述本发明的一个优选实施例，图1是本发明电解铝生产供电安全在线监测系统的总体构架图，其包括数据采集系统1、华深数据平台集中系统2以及数据应用系统3。其中数据采集系统1利用在线检测技术，使用AE(超声波)传感器、RFCT(射频电流)传感器、电流传感器、电压传感器等传感部件，采集并检测电解铝供电系统关键设备状态参数；这些参数然后被输入到华深数据平台集中系统进行处理。华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将各区域的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，利用各种服务组件、高效的系统扩展性，能够与EAM、管控一体化等系统集成；数据应用系统，利用可视化技术、数据库分析技术等，基于数据采集、数据处理的信息，对系统中的所有在线检测数据进行各种处理、分析、再现，建立相关的预警、报警、专家分析和综合查询系统等，为科学安全运行管理、优化运行方式提供应用平台。数据应用系统3主要根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相关的监控措施，该数据应用系统包括供电系统监控业务处理相关的模块、设备状态维修应用、专家系统等内容，利用这些组合的功能模块提供应用服务，解决具体业务问题，满足实时监控、分析、统计、管理功能；专家系统提供高级智能知识库，通过专家经验帮助判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态维修服务。

下面结合具体的结构，详细描述本发明电解铝生产供电安全在线监测系统的一个优选实施例。该供电安全在线监测系统的数据采集系统1包括变压器油气检测系统4、变压器油温检测系统5、变压器局放检测系统6、高压柜开关及母线开关温度检测系统7、高压开关局放检测系统8、SF断路器检测系统9、电容性设备检测系统10、高压绝缘子污迹检测系统11、整流器均流检测系统12等。这些检测系统分别具有设置在被检测部位的传感器，采集相应的被检测信息。

变压器的油气检测系统4主要是检测变压器油中气体的种类和含量。通过故障气体的种类和含量，分析变压器内部故障以及发展趋势，生产主管部门立即组织人员进行综合分析，诊断设备的状态，减少损失，避免恶性事故的发生。油气在线检测技术有气相色谱、传感器阵列法(电子鼻法)、傅立叶变换红外光谱法(FTIR)、光声光谱法(PAS)。

变压器局放检测系统6采用较多的是电测法和超声波检测法。电测法是当电气设备内出现局部放电时，放电脉冲电流可通过变压器油箱接地线流入大地。通过将环形高频电流传感器(HFCT)环绕于接地线的做法，即可探测局放脉冲电流的存在。声测法是通过采用压电陶瓷超声波传感器进而探测伴随电信号产生的超生波信号。传感器的谐振频率通常高于外界干扰噪声频率。

高压柜开关及母线开关温度检测系统7采用光纤测温技术。在需要测温的高压柜开关及母线开关等元件部位安装光纤传感器。光纤测温原理是当一个激光脉冲由光纤的一端射入并沿着光纤向前传播时，光脉冲在经过光纤中的每一点时也都会产生一种反(散)射光。此反射光会背向传播返回到光纤的入射端。背向反射光的强度与光纤中该反射点的温度之间存在着一定数学关系。测出光纤各点的反射光的强度，便可以此推算出各反射点的温度及其反射点的位置。

高压开关局放检测系统8是在开关的操作回路上安装高灵敏度传感器，通过开关在动作过程中对操作回路影响的微细变化，进行分析比较。

六氟化硫气SF₆体是世界上目前最优良的绝缘介质和灭弧介质。它无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定；与传统绝缘油相比，其绝缘性能和灭弧性能都要好得多。气体具有优良的绝缘性能，故SF₆断路器检测系统9广泛使用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)。在高电压、高负荷供电设备集中的地方多采用SF₆密闭容器，增加供电设备密度，减少使用空间，节约成本，提高安全和可靠性。其检测原理是，当GIS气体绝缘全封闭组合电器关闭或者断路器操作时，安装的超高频UHF传感器将会采集到快速的暂态过电压。

电容性设备检测系统10的检测原理是，电容型设备的介质损耗因数在线检测方法基本上采用数字化的测量方法，所不同的是如何获取数字化的测量信号以及采用何种信号处理方法。由于介质损耗角s就是流经试品的电流和运行电压的向量之间夹角的余角，如果能测量或计算出电流信号和电压信号之间的相位差，也就得到设备的介质损耗角正切，电流和电压两个参量都可以通过传感器在运行现场测得，因此目前电容型设备的在线检测都采用了这个原理。

高压绝缘子污迹检测系统11采用连续检测绝缘子表面污染后其泄漏电流的变化情况，达到对绝缘子进行在线监测的目的。绝缘子表面泄漏电流值及其变化量均可作为绝缘子污染严重程度的重要参量。系统特别设计和记录监测绝缘子表面可溶及不可溶导电类污秽物引起绝缘子泄漏电流的变化情况。并在分析后及时发出报警信号和清洁通知。

整流器均流检测系统12包括在整流机组柜内设备安装的一次测量元件，如电流传感器，系统设计时将信号量程转换和数字化后，采集到远端专用数采服务器。对于已建有的控制系统，采集的数据可通过安全的数据接口读写。

本发明供电安全在线监测系统的华深数据平台集中系统2包括数据服务模块13、工作流服务模块14、消息服务模块15、日志服务模块16、报表工具模块17、组织结构模块18、公用数据模块19、UI(用户界面User Interface)框架模块20和用户权限模块21。其中数据服务模块13提供通用的数据访问服务，支持多种主流的关系型数据库；提供通用的数据转换服务，支持XML，Excel等文件格式和数据库间的数据转换；采用多极数据缓存技术，提高系统访问性能。工作流服务模块14的核心是工作流引擎，负责任务的调度和分配，时间和事件控制以及流程与业务数据的交互等工作。提供图形化的工作流设计工具，工作流活动支持人工节点、自动节点、路由节点、子流程节点；支持任务的串行、并行、条件分支处理；完善的任务分配体系，支持角色、职位、人员等多种工作组模型；支持任务超时处理，任务的重新分配。  提供可视化的流程监控工具，可以让管理者了解每一个流程实例的流转状况，并可对运转的流程实例进行监控和干预。消息服务模块15提供通用的消息交换服务，在不同业务系统间精确交换与格式化数据，支持点对点和发布定阅两种消息模型，提供电子邮件、手机短信、即时通讯等多种发送接收机制，构成了完备的信息交互平台。日志服务模块16提供通用的日志服务接口，对系统运行过程中的各种事件及由事件引起的相应数据的改变进行完整的记录，形成日志数据写入日志文件，以便对系统的执行过程进行跟踪分析。日志数据包括：业务操作事件、数据访问事件、数据交换事件、工作流事件和数据、系统消息、异常信息等。报表工具模块17提供了高效的Web报表设计方案、强大的报表展现能力、灵活的部署机制，并且具备强有力的填报功能，为企业级统计分析、数据中心、商业智能前端展现提供了高性能、高效率的报表系统解决方案。组织结构模块18用于描述应用系统的实际业务环境的管理结构和人员构成。组织机构包括两个业务对象：部门和人员。公用数据模块19提供通用的字典数据的定义和维护工具，提供管控系统公用数据，如物料、备件、供应商等数据的维护。UI框架模块20提供系统菜单的定义和维护工具；提供系统样式管理和配置工具。用户权限模块21，通过系统提供的通用权限管理模型，可确保只有授权用户才能进行相应的系统操作。

本发明供电安全在线监测系统的数据应用系统3包括系统管理模块22、基础数据管理模块23、实时状态检测模块24、综合分析查询模块25、设备动态管理模块26和故障诊断专家系统模块27。各模块包含的具体内容如图2所示。

其中系统管理模块22包括进行角色管理、权限管理、组织机构管理、人员管理、代码表管理，以华深集成平台的内部服务组件为基础，为供电整流设备在线监测系统定义系统角色、权限、相关的组织机构，及系统涉及的人员信息；为角色定义权限；提供系统安全保护。

基础数据管理模块23包括设备整体数字建模、设备预试规程数据管理、试验数据、质量事件数据、缺陷及家族缺陷数据、检修记录数据、在线检测数据管理功能。

实时状态监测模块24，可以对连接到系统的包括变压器油气、变压器油温、变压器局放、母线开关温度、SF₆容器、电容性设备、高压断路器、高压绝缘子污迹、整流器均流实时状态，进行设备状态实时监控，以便及时发现故障隐患。包括：

(1)数据采集功能，对需要采集的数据进行检测、传输。

(2)图形显示分析，根据不同的设备状态参数提供多种专业分析图形化根据

(3)数据格式转换，系统提供把数据转化成Excel或其他通用格式文档得到功能，方便用户保存查看。

(4)历史趋势查询，能够查询历史数据。

(5)数据报警，提供报警设置及报警功能。

综合分析查询模块25是为技术岗位及各级管理人员提供全方位多角度对设备综合分析工具。系统支持WEB方式的系统查询分析，提供多种查询分析手段。如：

(1)故障预警分析统计

根据当前状态进行故障预警分析。如变压器故障预警分析可以通过对变压器油色谱、八种气体含量、绕组热点温度、局部放电，并结合历史数据和标准数据的比较分析，达到实时掌握变压器运行状态和预测故障发生，保证设备正常运行。

对发生的故障预警还可以进行查询统计。

(2)设备寿命分析

对重要设备进行寿命分析。如变压器主要通过对变压器内油、八种气体、绕组线圈等设备的实时监测和数据分析，并结合设备出厂数据指标，分析变压器的寿命。

(3)综合统计评价

根据在线检测数据，通过系统评价模型，对系统当前状态进行综合评价打分。

(4)统计报表

自定义设置需要的统计输出报表，提供报表输出打印、转换成EXECL格式等功能。

设备动态管理模块26跟踪供电设备动态，通过设备状态制订设备维修策略，制订设备维修计划，记录设备维修记录，结合各种动静态数据提供设备状态趋势曲线，帮助企业实现设备状态维修。

故障诊断专家系统模块2 7依据在线监测信息、分析信息、标准信息、统计信息、诊断信息，结合控制保护基准，按照运行方式组织与维护管理规则，对现场设备运行状态进行监测和故障诊断。如：

(1)变压器油中溶解气体分析和故障定位

根据三比值法和故障气体生成速率，实现油色谱在线监测对故障的定位。

(2)判断变压器内部的绝缘状况

根据变压器油温变化，结合供电网络电压、电流等负荷参数分析，判断变压器内部的绝缘状况。

(3)均流柜均流状况预警

专家系统能够对硅元件更换及参数进行提示。通过对均流柜、机臂、元件的电流值和均流系数的监测及预警值的设置，实现均流柜均流状况监测及预警功能。

Claims (4)

1.一种电解铝生产供电安全在线监测系统，其特征在于，包括数据采集系统、华深数据平台集中系统以及数据应用系统；

所述数据采集系统利用在线检测技术，使用超声波传感器、射频电流传感器、电流传感器、电压传感器等传感中任何一种，采集并检测电解铝供电系统关键设备的状态参数；

华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将各采集的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，利用各种服务组件和系统扩展性，与企业资产管理系统、管控一体化等系统集成；数据应用系统，利用可视化技术、数据库分析技术等，基于数据采集、数据处理的信息，对系统中的所有在线检测数据进行各种处理、分析、再现，建立相关的预警、报警、专家分析和综合查询系统等，为安全运行管理、优化运行方式提供应用平台；

数据应用系统根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相应的监控措施，该数据应用系统包括供电系统监控业务处理相关的模块、设备状态维修应用、专家系统，利用这些组合的功能模块提供应用服务，进行实时监控、分析、统计、管理功能；专家系统提供智能知识库，通过专家经验帮助判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态维修服务。

2.根据权利要求1所述的电解铝生产供电安全在线监测系统，其特征在于，所述数据采集系统包括变压器油气检测系统、变压器油温检测系统、变压器局放检测系统、高压柜开关及母线开关温度检测系统、高压开关局放检测系统、SF6容器检测系统、电容性设备检测系统、高压绝缘子污迹检测系统、整流器均流检测系统。

3.根据权利要求2所述的电解铝生产供电安全在线监测系统，其特征在于，所述华深数据平台集中系统包括数据服务模块、工作流服务模块、消息服务模块、日志服务模块、报表工具模块、组织结构模块、公用数据模块、UI框架模块和用户权限模块，该华深数据平台集中系统利用计算机的网络技术、数据库技术，将数据采集系统采集的各区域的数据进行统一加工、处理、分析、存储，建立有效的信息平台，利用上述各种服务模块与系统的扩展性结合，与企业资产管理系统形成管控一体化系统。

4.根据权利要求3所述的电解铝生产供电安全在线监测系统，其特征在于，所述数据应用系统包括系统管理模决、基础数据管理模块、实时状态检测模块、综合分析查询模块、设备动态管理模块和故障诊断专家系统模块，该数据应用系统主要根据华深数据平台集中系统处理的信息采取相关的监控措施，其包括所述供电系统监控业务处理相关的模块、设备状态维修应用、专家系统内容，利用这些组合的功能模块提供应用服务，实现实时监控、分析、统计、管理功能；故障诊断专家系统模块通过智能知识库，帮助判断设备故障、评价设备状态，为实时设备状态提供维修服务信息。

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