电气设备状态监测与远程诊断系统的设计与实现

2024-01-23刘和岗

煤矿现代化 2024年1期

刘和岗

（兖矿煤化工程有限公司，山东邹城 273500）

0 引言

近年来，随着电力系统的迅猛发展，国内外电网大面积停电事故时有发生，给社会生产和人民生活带来了严重的影响。这些事故的根本原因主要与电网设备存在的问题和电网运行的问题密切相关，引起了广泛的关注和深刻的反思[1]。为了有效应对这一严峻挑战，电气设备状态监测与远程诊断技术应运而生，成为防范电网事故的关键一环，受到了各方面的高度重视。

电气设备状态监测与远程诊断系统的设计与实现，旨在充分利用现代信息技术，实现对电力系统关键设备状态的实时监测和精准诊断，从而提高系统的可靠性和稳定性[2]。这一系统的设计不仅能够在设备发生潜在故障时提前预警，降低事故的发生概率，同时也有助于优化设备的运行管理，延长设备的使用寿命，提高整个电力系统的运行效率。在保证电力设备质量方面，传统的质量检查虽然在一定程度上能够降低由于质量问题引发的事故风险，但仍然存在无法全面、实时监测设备状态的不足[3]。因此，电气设备状态监测与远程诊断系统的设计将弥补这一缺陷，通过全面、精准的监测手段，实现对设备状态的动态管控，为电力设备的高效运行提供强有力的支持。

当前，随着在线监测技术的不断创新和发展，电气设备状态监测与远程诊断系统已经成为电力系统运行中不可或缺的一部分。因此，深入分析并不断优化该系统的设计与实现，对提升电气设备运行效果和电力系统整体性能具有极为重要的意义。

1 电气设备的故障及其危害性

1.1 短路故障

短路通常是由两个或多个电气导体之间的直接接触引起的，其中之一通常是电流传输路径之外的导体。这是由于电线绝缘层的磨损、老化或机械损伤导致的。当这种状况发生时，电流会沿着捷径流动，绕过正常的电气设备部件，形成一个低电阻的回路。这会导致电流增加，可能引起电气设备过载，导致设备受损或烧坏。

危害性：短路故障可能导致局部高温，从而引发火灾。电流在短路位置集中，可能造成设备燃烧，进而引发周围环境的火灾；短路故障会导致电气设备受到过载，电气部件可能烧毁，电线可能熔化，设备可能彻底失效；短路故障可能导致设备周围的电气部件变得带电，增加人员触电的风险，可能造成严重的伤害甚至死亡；电气设备的短路故障可能导致生产线停机，造成生产中断，对企业的经济造成严重影响。

1.2 放电故障

电气设备绝缘结构内部的局部放电是一种潜在危险，特别是在高压断路器中更为显著。局部放电的原因多方面，包括油中存在气泡或基本固体绝缘材料中存在空穴、空腔，外界环境条件对高压断路器的影响，以及金属部件或导电体之间的接触不良[4]。这些因素可能导致电气设备内气隙或油膜处发生交流电，引发局部放电。局部放电的危害是逐渐递增的。首先，它可能发展成恶性循环，不断损害绝缘结构，加速设备老化。随着时间的推移，局部放电最终可能导致设备的击穿和损坏，引发严重事故。油中存在的气泡或空腔以及金属部件之间的不良接触可能形成恶性循环，使局部放电逐渐升级，最终超越设备的耐压强度，引发设备击穿和损坏。

1.3 绝缘故障

电气设备的绝缘故障是指绝缘材料在使用过程中发生的损伤或失效，主要包括老化和变质两方面。绝缘材料扮演着电气设备中关键的保护角色，包括绝缘纸、绝缘油、塑料薄膜等。由于长时间使用或外界环境因素的影响，绝缘材料容易发生老化现象，导致绝缘性能下降。另外，一些绝缘材料可能会因受热、受潮等原因发生变质，使其失去原有的绝缘性能。图1 清晰展示了绝缘材料老化和变质等因素对机电强度的不良影响。

图1 绝缘故障产生示意图

绝缘故障会导致电气设备的机电性能显著下降，从而引发严重的危害。以辽沈地区2001 年的大面积停电事故为例，该事件由于绝缘故障引发，使得高压输电线路遭受燃弧放电，严重威胁了机电性能的稳定运行。这一绝缘故障波及面广，影响范围超过70%的停电面积，给当地社会生活和工业生产造成了严重困扰。特别是在铁西区，经济损失严重，不仅导致企业生产中断，还对基础设施运行造成了极大压力。

2 电气设备维修机制的发展和状态监测的必要性

在二十世纪五十年代以前，事故后维修是主要的维修方式。设备出现故障，才会启动维修工作，导致停机时间长、维修成本高。二十世纪六七十年代沿用至今的定期维修则是基于预防性试验的方法[5]。每年春查时进行预防性试验，将试验结果与《电气设备预防性试验规程》的标准进行比较，若有超标，即要安排维修和停电计划。这种维修方式主要强调对设备进行定期检查和保养，但难以预防突发性故障，停机时间依然难以避免。

二十世纪七十年代提出的状态维修方法标志着维修理念的深刻变革。该方法的核心思想是通过在线监测和信息分析处理实现对设备状况的实时获取和精准诊断，最终制定出预知性的维修计划。预知性维修的步骤涵盖在线监测、分析诊断和状态维修[7]。相较于传统的事故后维修和定期维修，这种方法具有如下的优势：①降低事故率：连续在线监测能够提前捕捉潜在故障迹象，通过预知性维修降低设备事故率，增强系统的安全性[8]；②提高设备利用率：预知性维修使得维修工作更为计划化，减少了设备停机时间，提高了设备的利用率，有利于提高生产效率；③减少维修成本：通过提前发现问题，状态维修可以避免紧急维修，降低了维修次数和相关费用，实现维修成本降低[9]；④延长设备寿命：及时的状态维修有助于预防设备因突发故障而损坏，延长了设备的使用寿命。

虽然状态维修取得了显著成果，但为了更全面、精准地监测设备状态并实现更及时的维修，本文设计了先进的状态监测与远程诊断系统[10]。通过这一系统的应用，可以更好地了解设备运行状况，实现更准确、快速的诊断和维护，进一步推动电气设备维护领域的发展，促使整个电气工程体系更加智能、高效。

3 电气设备状态监测与远程诊断系统的设计

3.1 物理架构

物理架构包括三个组成部分，第一个组成部分为监测对象，指的是电力用户现场安装的各类电气设备，如变压器、开关柜、电缆、电机等，以及相应的传感器、采集器等设备；第二个组成部分为通信通道，指的是连接电力用户现场相关电气设备与系统主站的通信信道，可采用有线或无线的方式，如以太网、光纤、GPRS、NB-IoT 等；第三个组成部分为系统主站，基于对信息安全的考虑，采取单独组网形式，利用防火墙技术安全隔离内外网信道。

3.2 应用架构

应用架构可划分为五个层次。第一个层次为系统支撑平台，这一层是系统的基础，包括平台工作支撑功能、人员管理功能、权限体系管理功能和公共短信平台、系统监控平台、问题管理平台等。第二个层次为数据处理平台，这一层包括数据采集、数据清洗、数据存储、数据分析和数据展示等功能，其中数据分析功能利用大数据技术和人工智能技术，对电气设备的状态数据进行故障诊断、预警提醒和维护建议等。第三个层次为运维监控，这一层主要在于数据运维，各级部门需要基于监测管理、数据管理来完成数据指标考核目标，依据指标数据开展电气设备运维工作。第四个层次为业务应用层，这一层是系统的核心，包括电气设备状态监测、故障诊断、预警提醒、维护建议等功能。第五个层次为接口服务平台，这一层主要基于公共服务平台实现信息共享和交互，具备配置管理、服务监管、问题处理、安全认证等功能，为各系统信息共享提供支持，提高业务效率。

3.3 技术架构

系统的技术架构被划分为三个关键层次，每个层次具有特定的功能和职责。

1）监测层：是系统的底层，主要负责实时采集电气设备的运行数据。这包括传感器、监测设备等，用于捕捉设备的各种参数和状态。监测层的设计要确保高效、准确地获取实时数据，以提供后续层次的分析和处理所需的信息。

2）通信层：位于监测层之上，负责将采集到的数据传输到主站层。这个层次中可能包含了网络通信协议、数据传输协议等组件，确保从监测层传输到主站层的数据是安全可靠的。通信层的设计要考虑设备的分布式部署和大规模数据传输的需求。

3）主站层：是系统的顶层，分为三个主要部分。

数据处理平台：采用分布式系统结构，包括数据采集、清洗、存储、分析和展示模块。这确保平台性能的高效和可靠运行，从而提供对电气设备状态的全面监测和诊断。

运维监控：这一部分负责对整个系统的运行状态进行监测和管理。通过运维监控，系统管理员可以实时了解系统的性能和稳定性，及时做出响应，确保系统的可用性。

业务应用层：是系统的最上层，提供了实际应用的接口。这可能包括报警系统、远程维护工具、数据可视化界面等，以满足用户的各种需求和应用场景。

3.4 数据库

在电气设备状态监测与远程诊断系统的数据库设计中，采用了开源MySQL 数据库作为主要的数据库系统。这是一个关系型数据库，旨在确保系统的数据安全性和可靠性。数据库主要分为以下两个方面：数据库类型：选择了关系型数据库，以表结构的形式存储物理数据和逻辑数据。这种数据库类型在中小型信息化系统中广泛应用，具有高效利用系统资源、快速处理数据、高效率的优势。

数据库位置：数据库位于主站服务器上，对全网类数据进行统一存储。这种中心化的数据库设计有助于集中管理和维护系统的数据，同时确保数据的一致性和完整性。

通过这样的数据库设计，系统能够有效地管理和存储大量的电气设备监测数据，为后续的数据分析和展示提供可靠的基础。

4 电气设备状态监测与远程诊断系统实现方式

系统的组成图如图1 所示。主要组成部分包括硬件系统和软件系统，构成了系统的监测与诊断功能。以下将详细介绍系统的硬件和软件系统。

4.1 硬件系统

是电气设备状态监测与远程诊断系统的关键组成部分，其任务是实时采集电气设备的运行状态并进行处理和分析。系统的硬件主要包括红外测量单元、激光系统、中央处理器，以及相关的显示器。

1）红外测量单元。红外测量单元是系统中的重要组成部分，负责捕捉电气设备运行时发射的红外辐射。这个辐射信息在红外测量单元内被收集和处理，随后传送到系统的探测器。该单元通过一个转换器将红外辐射信息转化为电信号，以便传送到中央处理器。在信息传送的过程中，红外测量单元通过系统的放大、补偿以及线性化处理确保传送到探测器的信息准确无误。

2）激光系统。在系统中具有集中性，主要用于测量远距离目标。测量过程中，激光系统通过前置放大器、滤波器、积分器以及线性化电路对激光辐射信号进行处理。这个处理过程是将激光辐射信息转化为电信号，使其能够被系统有效地分析和理解。

3）中央处理器。是整个系统的核心，采用微处理器，其中主要使用了具有体积小、功能强、功耗低等特点的PC/104 模块，非常适合嵌入式系统的应用。中央处理器负责接收来自红外测量单元和激光系统处理后的电信号，进行数据处理、分析和存储。

4）显示器和数据库。显示器是系统的输出界面，用于显示系统处理后的数据、分析结果以及其他相关信息，使操作人员能够直观地了解电气设备的运行状态。数据库是用于存储系统采集到的数据的关键组成部分。它承担着将处理后的数据有序地保存起来以备后续分析使用的任务。

4.2 软件系统

电气设备状态监测与远程诊断系统的软件系统是整个系统的智能化核心，负责实时数据的记录、分析，以及对设备状态进行预测、评估和提供检修建议。该系统包括两个主要组成部分：现场状态监测系统和远程诊断中心。

4.2.1 现场状态监测系统

现场状态监测系统是安装在电力用户现场的一套软件系统，负责实时采集电气设备的运行数据，记录设备的状态变化，并将相关数据传送到中央处理器。该系统主要实现以下功能：

实时数据浏览：通过网络技术，用户可实时查询和分析设备状态数据，以确保及时了解设备性能，提供有效工具给运维人员，迅速响应潜在问题，保障设备可靠性和稳定性。同时，系统设定报警规则，实时分析数据，触发报警，提醒运维人员注意潜在风险。

参数信息提供：系统通过温湿度和气体传感器，将数据传送至计算机，为用户提供详尽的设备参数信息，包括性能指标，促使深入系统分析，及时发现问题，制定相应维护计划，提高设备管理效率和维护质量。

4.2.2 远程诊断中心

远程诊断中心是一个集中管理和分析现场状态监测系统数据的平台。该中心与各个现场监测系统建立通信连接，收集实时数据，进行集中处理和分析。以下是远程诊断中心的主要功能：

平台基于历史数据和实时状态的综合分析，深度洞察设备寿命和功率变化，全面把握电气设备运行状况。通过此综合预测，长期维护计划得以制定，确保设备能够高效稳定地运行。

同时，平台集中处理和分析现场监测系统数据，拥有强大的信息处理和共享能力。它有效整理分类设备状态数据，提升数据利用率，为研究人员深入分析提供了有力支持。还实现了多层次用户交互，包括用户间的沟通、用户与服务器的交流以及规范问答，从而提升用户体验。此外，系统通过数据融合技术得出可靠结论，并组织在线专家讨论以提高诊断准确性。