基于电气安全技术的电气工程智能监控系统设计和实现

石 磊

（中色科技股份有限公司 河南 洛阳 471000）

0 引言

在电气设备应用越来越频繁的背景下，所产生电气事故也在不断增加，尤其是电气火灾发生率。 要想能够降低事故的发生频率，就要使用适当的防范对策。 因此，基于电气工程的电气安全技术设计智能监控系统尤为重要，电气工程的智能监控系统使用先进计算机技术、电气智能控制技术、电气检测技术实时监视电气设备的工作情况，避免出现电气事故。 本文研究重点就是对其进行介绍，从而为工作提供指导作用［1］。

1 电气工程智能监控系统的架构

1.1 设计原则

电气系统包括多个子模块，能够实现信号转换、集中控制，利用网络、光纤等方式对信息进行传输，通过总控设备对各模块设备运行情况进行调整。 在设计过程中为了对各模块功能进行平衡，使各个单元能够独立运行，使环境干扰降低，要求：

（1）兼容性。 不管是接线控制或者网络控制的单元，要求保证连接软硬件配置、功能等兼容性，使连接端口和通信结构满足用户多元需求；

（2）稳定性。 利用主控室实现分布式接线，通过保护柜实现集中式接线，从而保证接线处理、开关设计的合理性，使信息接收、线路传送的稳定性得到提高；

（3）扩展性。 在对智能监控系统设计的过程中，要对控制系统规模进行考虑，使功能扩张能够满足用户需求［2］。

1.2 控制层功能

（1）数据采集。 根据网络等数字化手段实现数据的控制、传输和收集，利用终端设备的监测软件收集各终端设备的运行情况，比如设备运行故障信息、运行时间、环境信息等，将其作为系统控制功能基础。 信息传输指的是利用控制中心传输信息指令，通过终端设备进行接收，利用视频电缆实现，以传输信息、距离寻找合适传输设备和方法。 信息分析指的是处理采集信息，在数据库中存储。 针对无法自主处理的信息实现监控提示的设计，通过技术人员对系统工作进行协调；

（2）控制过程设计。 提高电气系统的自动化控制水平和效率，利用模糊控制、专家系统等技术进行控制，模糊控制和专家系统标准化设计不同，是以推理技术和模糊变量为基础，根据操作思路、基本运行对被控制对象信息模糊控制模型进行分析，利用模糊控制器对系统进行控制［3］。

2 电气工程智能监控系统的设计

2.1 系统的构成

系统主要通过无线通信、中央控制室、电力负荷监控终端构成，图1 为系统的结构。 使用人工智能技术连接终端设备和电气控制平台，利用计算机数字化信息收集手段将数据传输到终端仪表中，及时实现电气设备操作，从而使系统整体效率得到提高。 另外，在系统设计过程中保证能够收集电气设备运行信息，将系统功能发挥出来。 利用终端控制软件和硬件设备，对电力系统各设备运行情况和参数进行收集，方便工作人员在短时间内对系统接收的实时信息进行处理。

图1 智能监控系统的结构

2.1.1 中央控制室

中央控制室能够对系统运行进行监控和管理，对运行情况进行记录。 硬件通过主控机、打印机、多媒体、服务器、不间断电源等构成。 系统使用两台工控机，一般主控机1 正常运行，接收或者发送数据信息，实现人机对话，对信息文档进行打印。 主控机2 在热备份状态，对主控机运行状态进行监测，如果主控机1 存在故障就要切换到主控机2 中。 系统数据库服务器对操作信息和主控机处理数据信息进行存储，同台工控机利用服务器和交换机的结构构成10/100 M 以太网，主控机作为系统客户端，其他PD机在通过授权之后利用Internet 对服务器进行访问，从而实现数据共享和跨地域的远程监测。 使用一台GPS 装置对卫星时钟进行接收，实现控制系统准确校时。 如果中央控制室供电系统意外断电的时候，不间断电源还能够保证系统正常运行［4］。

2.1.2 系统通信

中央控制室和电力负荷监控终端的数据交换利用VHF/UHF 无线电台实现，数据传输速率为1 200 bps，使用FSK 调制方式，异频双工的工作模式。 因为外围的站点比较分散，所以通信体制使用大区制，一点对多点。 在距离监控中心比较远的地方实现中继站的创建。 中央控制室使用点对点或者广播的方式实现命令发送，使用广播方式的过程中，终端能够接受命令后执行，比如对电荷参数校时和修改的过程中，可以通过命令格式操作。 在数据上行过程中，微控制器打包所收集的数据，通过调制解调器FSK 进行调制，之后送电台实现无线发射。 数据下行的时候，终端通过天馈系统对主台发送信号进行接收，通过电台输出实现解调，使恢复数据在微控制器中传输［5］。

2.1.3 信息传输

信息传输属于双向性传输流程，充分使用终端设施和软件对电气设备信息进行接收与传输。 执行终端为处理中心，要对电气设备控制处理指令进行传输。 在设计系统的过程中，信息传输尤为重要，也能够作为电气工程智能监控系统顺利执行控制指令的基础。 在此系统设计中，传输设备主要包括电缆、光缆，以实际传输的不同类型对合适传输方法进行选择，避免信息丢失和不及时传输。 另外，所有控制器都要设计电源、通信与控制等功能模块，顺利完成各项工作。

在分析信息的过程中，能够实现系统控制运行的监测，使用终端设备对收集的信息进行及时处理，通过数据库实现信息发送，另外，系统还要对收集的信息进行存储，比如设备数据等，使工作人员能够及时处理［6］，图2 为信息传输的流程。

图2 信息传输的流程

2.1.4 电气控制

在电气控制设计过程中，使用人工智能技术实现，提高自动化控制系统的水平和实际工作运行效率。 针对电子系统控制，此领域主要集中在模糊控制、专家系统、神经网络等。 将模糊控制应用在本文自动化控制系统设计的过程中，使其作为模糊语言变量，根据推理对基本设计思路进行分析，实现被控制对象模糊模型的设计，将其作为系统控制［7］。

2.2 站端软件

站端监控软件系统通过前后端系统构成，两者利用网络方式实现灵活部署，前后端服务系统使用松耦合的架构设计，利用面向服务模式实现信息交互。

前端客户端软件能够实现系统配置、历史浏览、实时查看和设备控制等功能，前端系统能够在辅控主机中安装，也能够在其他PC 中安装。 后端服务软件能够连接外围设备，记录日志，收集数据，在辅控主机中安装服务端软件，启动主机之后自动运行。

服务端和客户端能够在独立机器中安装，一个服务端连接多个客户端，一个客户端和不同服务端连接。 后端软件通过服务的方式将调用端口提供给前端软件，利用IEC 61850 信息模式实现通信过程数据的映射［8］。

2.3 信息交互机制

此软件系统利用分布式订阅/发布机制实现不同模块之间的信息交互，各个软件模块能够实现公用信息总线的信息交换，利用XML 格式实现数据交换，使用SSL 技术对数据进行加密。

系统信息总线能够提供数据接入、获取和消息总线等服务。

（1）数据查询，实现设备实时数据与历史数据的查询，或者查询设备配置信息。

（2）消息总线服务，能够实现报警信息分级订阅和实时发布信息的功能。

（3）数据接入服务，实现设备配置的修改、更新等服务，还能够对设备进行反向控制。

2.4 数据模型

变电站辅助功能系统主要包括不同厂家IED 设备，为了满足接入各种设备与厂家设备需求，系统还对设备模型进行抽象化。 比如，任何的设备都能够抽象成为一个动作集、数值集、表现集、动作集等。

（1）数据集为数值集合，对数值描述最基本的包括数值类型、范围和单位等，实现类似模拟量的定义，一个数值集通过数值子集将通道数值展现出来。

（2）状态集为状态集合，主要包括状态值、文本和含义等，使用状态子集对各通道状态表示。

（3）动作集为动作集合，对基本动作的文本、含义与动作值进行描述。

（4）表现集为展现方式的集合，主要包括状态动作、图标等对应关系。

一个设备的控制、配置和展现的过程为：利用客户端界面实现设备属性的配置，通过通用设备对文件进行描述；服务端要以配置动态实现设备模型创建，在配置数据库中保存；服务端以配置连接设备总线、控制设备、实时采集等在实时数据库中集合。 服务端对设备状态进行更新，客户端以表现集和设备状态对设备的显示状态进行更新［9］。

2.5 无线通信

在系统设计的过程中，通信设计为系统设计主要构成，电气自动化通信设计系统在信息资源传输的过程中，能够保证工作效率和控制精准度。 在实际工作的过程中，系统还存在多个节点，要想全面提高电气自动化控制系统的通信工作效率和质量，一般使用有线通信和无线通信结合的方式。 在对通信方式选择的过程中，要对用户实际情况进行考虑，从而选择最佳化通信方式。

在设计无线通信方式的过程中，使用普通电台通信与高速智能传电相结合的方式。 高速智能无线传输通信的传输速率比较高，且精准性良好，能够对路由功能自由选择，在高可靠性配电终端设备中使用。 在系统运行的过程中，主线程串行口的初始化操作尤为重要，利用通信线程串口监视，如果发现通信事件要自定义消息，同时告知主线程，从而实现串行口的读写处理。

3 电气工程智能监控系统的测试

3.1 监控系统用户的权限测试

用户在对监控系统登录前需要合法的身份，在对个人信息完善之后提交，监控系统后台对信息的正确性进行检测，针对注册个人信息实现数据库匹配考核。 假如用户定义多对多用户，一个角色能够和多个控制键关联，对监控系统的菜单和权限重叠进行管理。 通过系统进入到web监控系统用户权限管理界面，此界面能够完善用户信息，使用户权限更改，新注册的用户能够以自申请权限进入到监控区域中，实现电气设备的现场监控，表1 为用户权限测试。 通过测试数据分析表示，web 监控系统用户权限测试结果可靠、实用，满足系统需要的测试需求。

表1 用户权限测试

3.2 系统监控场景的测试

监控系统控制场景为系统主要模块，能够实时监控电气设备的现场实时监控，子功能能够实现电气设备的提示警告、实时监控等，该模块利用Ajax 技术的监控前端同步得到动态数据。 通过监控系统主界面能够直接进入到灯光控制界面中，在此界面中设置控制电气设备总开关，单击切换继电器的开和关，控制建筑的主卧室与次卧室的灯光，对比反馈实时情况。 最后，通过BusHound 数据抓包工具匹配系统后台电气设备，能够控制现场灯光，通过抓包工具针对系统后台追踪网络数据，表2 为灯光电气设备的运行工作效率。 通过实验结果表示，整个监控系统模块的各功能版块都是独立完整的，并且能够正常使用，使web监控整体测试需求得到满足［10］。

表2 灯光电气设备的运行工作效率

4 结语

加强电气安全技术管理，能够降低电气事故的发生概率，通过电气工程智能监控系统对所使用的电气设备进行检测，能够改善电气工程行业安全现状，具备良好的发展空间和技术性能，对我国电气工程领域具有重要作用，对其设计和研究具有重要意义。 电气工程设计人员要在智能监控系统中使用先进技术，并且进行兼容和优化，使系统可靠性、稳定性得到提高，防止电气安全事故的发生。