電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計與實現

劉和崗

（兗礦煤化工程有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

近年來，隨著電力系統的迅猛發展，國內外電網大面積停電事故時有發生，給社會生產和人民生活帶來了嚴重的影響。這些事故的根本原因主要與電網設備存在的問題和電網運行的問題密切相關，引起了廣泛的關注和深刻的反思[1]。為了有效應對這一嚴峻挑戰，電氣設備狀態監測與遠程診斷技術應運而生，成為防范電網事故的關鍵一環，受到了各方面的高度重視。

電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計與實現，旨在充分利用現代信息技術，實現對電力系統關鍵設備狀態的實時監測和精準診斷，從而提高系統的可靠性和穩定性[2]。這一系統的設計不僅能夠在設備發生潛在故障時提前預警，降低事故的發生概率，同時也有助于優化設備的運行管理，延長設備的使用壽命，提高整個電力系統的運行效率。在保證電力設備質量方面，傳統的質量檢查雖然在一定程度上能夠降低由于質量問題引發的事故風險，但仍然存在無法全面、實時監測設備狀態的不足[3]。因此，電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計將彌補這一缺陷，通過全面、精準的監測手段，實現對設備狀態的動態管控，為電力設備的高效運行提供強有力的支持。

當前，隨著在線監測技術的不斷創新和發展，電氣設備狀態監測與遠程診斷系統已經成為電力系統運行中不可或缺的一部分。因此，深入分析并不斷優化該系統的設計與實現，對提升電氣設備運行效果和電力系統整體性能具有極為重要的意義。

1 電氣設備的故障及其危害性

1.1 短路故障

短路通常是由兩個或多個電氣導體之間的直接接觸引起的，其中之一通常是電流傳輸路徑之外的導體。這是由于電線絕緣層的磨損、老化或機械損傷導致的。當這種狀況發生時，電流會沿著捷徑流動，繞過正常的電氣設備部件，形成一個低電阻的回路。這會導致電流增加，可能引起電氣設備過載，導致設備受損或燒壞。

危害性：短路故障可能導致局部高溫，從而引發火災。電流在短路位置集中，可能造成設備燃燒，進而引發周圍環境的火災；短路故障會導致電氣設備受到過載，電氣部件可能燒毀，電線可能熔化，設備可能徹底失效；短路故障可能導致設備周圍的電氣部件變得帶電，增加人員觸電的風險，可能造成嚴重的傷害甚至死亡；電氣設備的短路故障可能導致生產線停機，造成生產中斷，對企業的經濟造成嚴重影響。

1.2 放電故障

電氣設備絕緣結構內部的局部放電是一種潛在危險，特別是在高壓斷路器中更為顯著。局部放電的原因多方面，包括油中存在氣泡或基本固體絕緣材料中存在空穴、空腔，外界環境條件對高壓斷路器的影響，以及金屬部件或導電體之間的接觸不良[4]。這些因素可能導致電氣設備內氣隙或油膜處發生交流電，引發局部放電。局部放電的危害是逐漸遞增的。首先，它可能發展成惡性循環，不斷損害絕緣結構，加速設備老化。隨著時間的推移，局部放電最終可能導致設備的擊穿和損壞，引發嚴重事故。油中存在的氣泡或空腔以及金屬部件之間的不良接觸可能形成惡性循環，使局部放電逐漸升級，最終超越設備的耐壓強度，引發設備擊穿和損壞。

1.3 絕緣故障

電氣設備的絕緣故障是指絕緣材料在使用過程中發生的損傷或失效，主要包括老化和變質兩方面。絕緣材料扮演著電氣設備中關鍵的保護角色，包括絕緣紙、絕緣油、塑料薄膜等。由于長時間使用或外界環境因素的影響，絕緣材料容易發生老化現象，導致絕緣性能下降。另外，一些絕緣材料可能會因受熱、受潮等原因發生變質，使其失去原有的絕緣性能。圖1 清晰展示了絕緣材料老化和變質等因素對機電強度的不良影響。

圖1 絕緣故障產生示意圖

絕緣故障會導致電氣設備的機電性能顯著下降，從而引發嚴重的危害。以遼沈地區2001 年的大面積停電事故為例，該事件由于絕緣故障引發，使得高壓輸電線路遭受燃弧放電，嚴重威脅了機電性能的穩定運行。這一絕緣故障波及面廣，影響范圍超過70%的停電面積，給當地社會生活和工業生產造成了嚴重困擾。特別是在鐵西區，經濟損失嚴重，不僅導致企業生產中斷，還對基礎設施運行造成了極大壓力。

2 電氣設備維修機制的發展和狀態監測的必要性

在二十世紀五十年代以前，事故后維修是主要的維修方式。設備出現故障，才會啟動維修工作，導致停機時間長、維修成本高。二十世紀六七十年代沿用至今的定期維修則是基于預防性試驗的方法[5]。每年春查時進行預防性試驗，將試驗結果與《電氣設備預防性試驗規程》的標準進行比較，若有超標，即要安排維修和停電計劃。這種維修方式主要強調對設備進行定期檢查和保養，但難以預防突發性故障，停機時間依然難以避免。

二十世紀七十年代提出的狀態維修方法標志著維修理念的深刻變革。該方法的核心思想是通過在線監測和信息分析處理實現對設備狀況的實時獲取和精準診斷，最終制定出預知性的維修計劃。預知性維修的步驟涵蓋在線監測、分析診斷和狀態維修[7]。相較于傳統的事故后維修和定期維修，這種方法具有如下的優勢：①降低事故率：連續在線監測能夠提前捕捉潛在故障跡象，通過預知性維修降低設備事故率，增強系統的安全性[8]；②提高設備利用率：預知性維修使得維修工作更為計劃化，減少了設備停機時間，提高了設備的利用率，有利于提高生產效率；③減少維修成本：通過提前發現問題，狀態維修可以避免緊急維修，降低了維修次數和相關費用，實現維修成本降低[9]；④延長設備壽命：及時的狀態維修有助于預防設備因突發故障而損壞，延長了設備的使用壽命。

雖然狀態維修取得了顯著成果，但為了更全面、精準地監測設備狀態并實現更及時的維修，本文設計了先進的狀態監測與遠程診斷系統[10]。通過這一系統的應用，可以更好地了解設備運行狀況，實現更準確、快速的診斷和維護，進一步推動電氣設備維護領域的發展，促使整個電氣工程體系更加智能、高效。

3 電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計

3.1 物理架構

物理架構包括三個組成部分，第一個組成部分為監測對象，指的是電力用戶現場安裝的各類電氣設備，如變壓器、開關柜、電纜、電機等，以及相應的傳感器、采集器等設備；第二個組成部分為通信通道，指的是連接電力用戶現場相關電氣設備與系統主站的通信信道，可采用有線或無線的方式，如以太網、光纖、GPRS、NB-IoT 等；第三個組成部分為系統主站，基于對信息安全的考慮，采取單獨組網形式，利用防火墻技術安全隔離內外網信道。

3.2 應用架構

應用架構可劃分為五個層次。第一個層次為系統支撐平臺，這一層是系統的基礎，包括平臺工作支撐功能、人員管理功能、權限體系管理功能和公共短信平臺、系統監控平臺、問題管理平臺等。第二個層次為數據處理平臺，這一層包括數據采集、數據清洗、數據存儲、數據分析和數據展示等功能，其中數據分析功能利用大數據技術和人工智能技術，對電氣設備的狀態數據進行故障診斷、預警提醒和維護建議等。第三個層次為運維監控，這一層主要在于數據運維，各級部門需要基于監測管理、數據管理來完成數據指標考核目標，依據指標數據開展電氣設備運維工作。第四個層次為業務應用層，這一層是系統的核心，包括電氣設備狀態監測、故障診斷、預警提醒、維護建議等功能。第五個層次為接口服務平臺，這一層主要基于公共服務平臺實現信息共享和交互，具備配置管理、服務監管、問題處理、安全認證等功能，為各系統信息共享提供支持，提高業務效率。

3.3 技術架構

系統的技術架構被劃分為三個關鍵層次，每個層次具有特定的功能和職責。

1）監測層：是系統的底層，主要負責實時采集電氣設備的運行數據。這包括傳感器、監測設備等，用于捕捉設備的各種參數和狀態。監測層的設計要確保高效、準確地獲取實時數據，以提供后續層次的分析和處理所需的信息。

2）通信層：位于監測層之上，負責將采集到的數據傳輸到主站層。這個層次中可能包含了網絡通信協議、數據傳輸協議等組件，確保從監測層傳輸到主站層的數據是安全可靠的。通信層的設計要考慮設備的分布式部署和大規模數據傳輸的需求。

3）主站層：是系統的頂層，分為三個主要部分。

數據處理平臺：采用分布式系統結構，包括數據采集、清洗、存儲、分析和展示模塊。這確保平臺性能的高效和可靠運行，從而提供對電氣設備狀態的全面監測和診斷。

運維監控：這一部分負責對整個系統的運行狀態進行監測和管理。通過運維監控，系統管理員可以實時了解系統的性能和穩定性，及時做出響應，確保系統的可用性。

業務應用層：是系統的最上層，提供了實際應用的接口。這可能包括報警系統、遠程維護工具、數據可視化界面等，以滿足用戶的各種需求和應用場景。

3.4 數據庫

在電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的數據庫設計中，采用了開源MySQL 數據庫作為主要的數據庫系統。這是一個關系型數據庫，旨在確保系統的數據安全性和可靠性。數據庫主要分為以下兩個方面：數據庫類型：選擇了關系型數據庫，以表結構的形式存儲物理數據和邏輯數據。這種數據庫類型在中小型信息化系統中廣泛應用，具有高效利用系統資源、快速處理數據、高效率的優勢。

數據庫位置：數據庫位于主站服務器上，對全網類數據進行統一存儲。這種中心化的數據庫設計有助于集中管理和維護系統的數據，同時確保數據的一致性和完整性。

通過這樣的數據庫設計，系統能夠有效地管理和存儲大量的電氣設備監測數據，為后續的數據分析和展示提供可靠的基礎。

4 電氣設備狀態監測與遠程診斷系統實現方式

系統的組成圖如圖1 所示。主要組成部分包括硬件系統和軟件系統，構成了系統的監測與診斷功能。以下將詳細介紹系統的硬件和軟件系統。

4.1 硬件系統

是電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的關鍵組成部分，其任務是實時采集電氣設備的運行狀態并進行處理和分析。系統的硬件主要包括紅外測量單元、激光系統、中央處理器，以及相關的顯示器。

1）紅外測量單元。紅外測量單元是系統中的重要組成部分，負責捕捉電氣設備運行時發射的紅外輻射。這個輻射信息在紅外測量單元內被收集和處理，隨后傳送到系統的探測器。該單元通過一個轉換器將紅外輻射信息轉化為電信號，以便傳送到中央處理器。在信息傳送的過程中，紅外測量單元通過系統的放大、補償以及線性化處理確保傳送到探測器的信息準確無誤。

2）激光系統。在系統中具有集中性，主要用于測量遠距離目標。測量過程中，激光系統通過前置放大器、濾波器、積分器以及線性化電路對激光輻射信號進行處理。這個處理過程是將激光輻射信息轉化為電信號，使其能夠被系統有效地分析和理解。

3）中央處理器。是整個系統的核心，采用微處理器，其中主要使用了具有體積小、功能強、功耗低等特點的PC/104 模塊，非常適合嵌入式系統的應用。中央處理器負責接收來自紅外測量單元和激光系統處理后的電信號，進行數據處理、分析和存儲。

4）顯示器和數據庫。顯示器是系統的輸出界面，用于顯示系統處理后的數據、分析結果以及其他相關信息，使操作人員能夠直觀地了解電氣設備的運行狀態。數據庫是用于存儲系統采集到的數據的關鍵組成部分。它承擔著將處理后的數據有序地保存起來以備后續分析使用的任務。

4.2 軟件系統

電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的軟件系統是整個系統的智能化核心，負責實時數據的記錄、分析，以及對設備狀態進行預測、評估和提供檢修建議。該系統包括兩個主要組成部分：現場狀態監測系統和遠程診斷中心。

4.2.1 現場狀態監測系統

現場狀態監測系統是安裝在電力用戶現場的一套軟件系統，負責實時采集電氣設備的運行數據，記錄設備的狀態變化，并將相關數據傳送到中央處理器。該系統主要實現以下功能：

實時數據瀏覽：通過網絡技術，用戶可實時查詢和分析設備狀態數據，以確保及時了解設備性能，提供有效工具給運維人員，迅速響應潛在問題，保障設備可靠性和穩定性。同時，系統設定報警規則，實時分析數據，觸發報警，提醒運維人員注意潛在風險。

參數信息提供：系統通過溫濕度和氣體傳感器，將數據傳送至計算機，為用戶提供詳盡的設備參數信息，包括性能指標，促使深入系統分析，及時發現問題，制定相應維護計劃，提高設備管理效率和維護質量。

4.2.2 遠程診斷中心

遠程診斷中心是一個集中管理和分析現場狀態監測系統數據的平臺。該中心與各個現場監測系統建立通信連接，收集實時數據，進行集中處理和分析。以下是遠程診斷中心的主要功能：

平臺基于歷史數據和實時狀態的綜合分析，深度洞察設備壽命和功率變化，全面把握電氣設備運行狀況。通過此綜合預測，長期維護計劃得以制定，確保設備能夠高效穩定地運行。

同時，平臺集中處理和分析現場監測系統數據，擁有強大的信息處理和共享能力。它有效整理分類設備狀態數據，提升數據利用率，為研究人員深入分析提供了有力支持。還實現了多層次用戶交互，包括用戶間的溝通、用戶與服務器的交流以及規范問答，從而提升用戶體驗。此外，系統通過數據融合技術得出可靠結論，并組織在線專家討論以提高診斷準確性。

5 結 語

本文深入研究了電氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計與實現，以解決電氣設備長時間運行中可能出現的各類故障對系統帶來的危害，旨在提高設備的可維護性和運行效率。通過對電氣設備故障及危害性的深度分析，狀態監測與遠程診斷技術的重要性在維護電力系統穩定性和可靠性方面得以凸顯。

氣設備狀態監測與遠程診斷系統的設計，包括物理架構、應用架構、技術架構和數據庫等方面，以確保系統具有高效穩定的性能。通過硬件系統和軟件系統的實現方式，成功展示了整體系統的集成與運作。這一系統為電氣設備的實時監測提供了強有力的支持，為維修人員提供了及時有效的遠程診斷手段，使得故障維修更加迅速高效。