电气工程中智能监控系统的设计与实现

方连茂

(福建省厦门市睿才人力资源服务有限公司 福建 厦门 361000)

0 引言

目前,电气设备在日常生产和生活中被广泛使用,但是这些电气设备通常都在一个相对恶劣的环境下运行,容易受到天气变化、温度、湿度等因素影响而发生故障。因此,如何提高电气设备的可靠性以及降低维护成本成为当前亟待解决的问题。本文提出一种基于物联网技术的智能化电气设备监测方案,旨在通过实时采集电气设备数据信息并进行分析处理,及时发现设备异常情况并发出警报以便工作人员及时采取措施加以修复或更换,从而有效地保障电气设备的正常运行。

1 智能监控系统在电气设备中的需求分析

1.1 系统的性能需求

在进行电气设备运行状态监测时,需要保证系统具有较高的实时性、准确性和稳定性。因此,系统必须满足以下几个相应的要求:

(1)数据采集速度快。鉴于该系统的数据量庞大,为了确保它能够迅速检测出任何异常状态,并迅速采取有效的行动来解决问题,必须拥有高效的反应能力。

(2)数据处理精度高。针对不同类型的故障问题,系统应该具有自动识别各种故障的功能,可以根据特定的参数来提供有效的解决方案,从而有效地解决各种故障问题。

(3)报警机制完善。当检测到设备出现异常状况时,系统应立即发出警报,以提醒相关人员尽快前往现场进行检查和维修,以防止因故障而造成更大的损失。

(4)可扩展性好。随着电力行业的不断发展以及新技术的引入,原有的监控系统可能无法满足实际工作需求,因此系统应当具备良好的可扩展性,方便后续升级及扩容[1]。

1.2 系统的安全性需求

在电气设备运行过程中,由于各种原因可能会导致数据信息泄露、损坏等问题。因此,为了保障系统的稳定和可靠,需要对其安全性进行严格要求。主要包括以下几个方面:

(1)防止非法用户入侵。当有非法用户试图访问或篡改系统时,该系统应能够及时发现并报警;同时,还需具备权限管理功能,只允许授权用户进入系统操作。

(2)保证用户数据的完整性和机密性。通过采用加密算法以及其他技术手段来确保用户数据不被窃取或者丢失。

(3)防范网络攻击。针对来自外部的恶意攻击行为,如黑客攻击、病毒木马等,系统应有相应的防范措施,例如安装防火墙、反病毒软件等。

(2)如果前头有表示时点的时间词语，：“就”表示早，“才”表示晚；如果有表示时段的时间词语，“就”表示快，“才”表示慢。

(4)提供完善的异常处理机制。当出现某些意外情况时,如停电、通信中断等,系统应能够自动检测并采取相应的应对措施,以保护系统的正常运行[2]。

2 智能监控系统在电气设备中的设计

2.1 系统的总体设计

该系统主要由数据采集、数据处理和控制中心3个部分组成。首先,数据采集层负责对现场各种传感器进行实时监测并将收集到的信息传输给数据处理层;其次,数据处理层通过分析这些数据,提取有用信息并存储于数据库中;最后,控制中心接收来自数据处理模块的反馈信息,经过处理后发出相应指令来调整或控制现场设备的运行状态。整个系统结构清晰明了,各部分之间相互协作共同完成监控任务。该系统的整体架构如图1所示。

图1 电力设备智能监控系统

(1)数据采集层。该层是指利用各种类型的传感器对现场设备进行实时监测,包括温度传感器、电流互感器等。同时还需要设置一些辅助性的检测装置,例如震动传感器、压力传感器等,以便更全面地掌握设备的工作状况。

(2)信号调理层。该层主要用于对接收到的原始信号进行放大滤波等预处理操作,使其能够被后续处理单元有效识别。

(3)特征提取层。该层主要采用信号处理技术从已经预处理好的信号中提取出有用的特征参数,例如功率因数、频率响应等。

(4)分类决策层。该层主要基于前面几步得到的特征参数,运用模式识别算法对不同类别的设备进行判断,最终输出报警提示或者采取相应措施予以解决。

(5)执行层。该层通常为现场设备,当发现有异常情况时可以及时采取相应措施予以应对。

2.2 系统的硬件设计

为了实现智能监控系统的有效运行,必须精心挑选和配置适当的传感器,以便准确捕捉现场环境,并将信息实时传输至上位机或云端服务器。还需要考虑如何优化传感器的布局,提升数据采集的效率,以及降低运行成本。通过引入一款先进的处理芯片,结合多种低功耗、高效率的传感器模块,能够提升系统的实时性和稳定性,从而更好地收集数据。此外,还开发了一款手机APP,让用户可以在任何时间、任何地点查看监测结果,并对相关设备进行控制[3]。

2.3 系统的软件设计

电气工程中智能监控系统的软件设计需要明确系统的功能需求和目标用户群体。通过对现有的监测设备进行调研和分析,可以确定系统的主要功能为实时监测电力质量参数以及故障诊断。同时,为了满足不同用户的需求,还需要考虑系统的可扩展性和易用性。因此,在软件的设计过程中应该充分考虑到这些因素。由于智能监控系统需要处理大量的数据并进行复杂的计算,采用了分布式架构的方式来组织整个系统的运行过程。智能监控系统由多个节点组成,每个节点都负责执行不同的任务。例如,一个节点可以负责采集电能质量参数的数据,另一个节点则用于对数据进行处理和存储。此外,还使用了一些常用的编程语言和技术工具,如Java、Spring框架、MySQL数据库等。进行了系统的测试和调试工作,确保其能够正常运行并且符合预期的功能要求。

2.4 系统的抗干扰措施

为了保证智能监控系统能够正常运行,需要采取一些有效的抗干扰措施。具体可以从以下几方面入手:

(1)硬件层面的抗干扰措施。对于采集电路、信号处理电路等重要部分进行合理布局和优化设计,以减少电磁辐射对其产生的影响;同时选用高质量的元器件并加强防护处理,以防止静电对信号传输造成干扰。此外还可采用隔离技术将敏感元件与其他部件分离开来,避免相互之间的干扰。

(2)软件层面的抗干扰措施。针对不同类型的干扰源,采用相应的滤波算法或屏蔽技术来消除噪声或者抑制干扰信号的传播。例如,通过数字滤波器去除高频噪声,利用屏蔽罩将传感器包裹起来防止外界干扰信号进入等。

(3)人为因素的抗干扰措施。操作人员应当具备较强的专业知识和技能水平,熟练掌握各种仪器仪表的使用方法以及故障排除流程,及时发现并解决异常情况。另外,建立健全完善的规章制度和安全管理体系也是提高系统稳定性和可靠性的必要手段[4]。

3 智能监控系统的实现

3.1 开发环境搭建

采用Visual Studio作为开发工具。它拥有出色的编程性能,并且拥有完善的功能库,可以满足各种复杂的应用场景,让项目更加高效。步骤如下:(1)安装Visual Studio 2019版本,并且按照提示进行操作。(2)配置OpenCV和Python等依赖库。其中,OpenCV是一款跨平台计算机视觉库,可以用于图像处理、模式识别以及机器学习等方面;而Python则是一种通用编程语言,具有简单易学、面向对象、解释性强等特点,非常适合用于算法实现及数据分析等任务。(3)安装常用的扩展包如NumPy、matplotlib等以方便使用第三方工具对数据进行可视化展示。完成以上步骤后,可以开始编写代码了。通过调用摄像头获取实时画面,利用OpenCV进行目标检测和跟踪,同时结合Python的GUI界面设计功能来直观地呈现监控结果。整个过程中涉及大量的数据处理和计算工作,因此要求程序员具备较高的数学功底和编程能力,才能够顺利地完成项目[4]。

3.2 系统主界面设计

开发工具搭建完成后,对该系统的主要功能模块及其对应的主页面进行设计。首先是登录界面,用户需要输入正确的账号和密码才能进入系统。其次是实时监测界面,包括电压、电流等多个参数的实时显示以及报警信息的弹出提示。最后是历史数据查询界面,可以对过去一段时间内的所有数据进行查询并导出Excel表格。整个主界面采用了简洁明了的风格,符合人们使用电脑时的操作习惯。同时为了方便用户快速找到所需信息,还设置了常用工具栏和快捷键切换窗口。具体的主界面效果图如图2所示。

图2 智能监控系统界面

通过以上几个主要功能模块的设计,使得该智能监控系统具有了更加完善的功能和更高的实用性[5]。

3.3 系统主要功能模块的实现

以下详细介绍电气设备状态监测、故障诊断及预警等核心功能模块的具体实现,如图3所示。

图3 电气设备故障智能诊断模块

(1)电气设备状态监测模块。该模块通过对电气设备运行数据进行实时采集和分析,及时发现并预测可能出现的异常情况,从而提前采取相应措施避免事故发生或减少损失。在实际应用过程中,采用多种传感器来获取电气设备各项参数指标,包括电流、电压、功率因数、温度等多个方面。同时,为保证数据准确性和可靠性,还引入了滤波算法和数据分析方法,以确保所采集到的数据能够真实反映出电气设备当前的工作状况。此外,针对不同类型的电气设备,分别制定了对应的监测策略,如对于变压器类设备,重点关注其油温变化趋势;对于电机类设备,则需要特别考虑其振动信号特征。

(2)故障诊断及预警模块。该模块基于前期采集到的大量电气设备运行数据,结合专家经验知识库,运用模糊推理、神经网络等人工智能技术进行综合分析判断,快速定位电气设备故障点,提供可行的解决方案。例如当系统检测到某台设备的电流值突然升高时,会自动触发报警机制,提醒运维人员注意设备健康状况。另外,还会根据历史故障记录,建立故障模型,不断优化故障诊断算法,提高故障诊断效率和精度。值得一提的是,由于该模块涉及复杂的数据处理和计算,因此,选择了开源免费的机器学习工具Python作为主要开发语言之一,大大降低了研发成本和周期。

3.4 系统测试

在完成了系统开发后,需要对整个系统进行全面的测试。本次测试主要分为两部分:功能性测试和非功能性测试。其中功能性测试是为了验证各个模块是否能够正常工作以及各项功能是否符合需求;而非功能性测试则是为了保证系统整体性能稳定可靠,并且具有较高的安全性、可用性等特点。

(1)功能性测试。针对该系统的功能性测试主要包括以下几个方面:①对系统的登录界面进行测试。通过模拟用户输入正确密码进入到系统主页面,观察其响应时间及错误提示信息来判断系统是否存在异常情况。结果显示,当用户输入正确密码时,系统会立即返回相应的信息,无任何错误或警告信息出现。因此可以得出结论,该系统具备良好的安全机制。②对于报警模块,分别测试了不同类型的故障发生时系统所发出的警报声,并记录下每种声音对应的故障编号及其所在部位。实验结果表明,该系统能准确地检测出各种类型的故障并发出相应的警报声,同时也支持多个故障同时触发。③还测试了远程控制模块的操作流程,包括开关机、修改参数等操作。经过多次测试发现,该模块能够按照预期的顺序执行所有操作,并给出错误提示信息以便用户进行修正。

(2)非功能性测试。除了上述基本功能测试外,还对该系统的性能、安全性、可维护性等方面进行了一系列测试。具体内容如下:性能测试主要涉及系统启动速度、响应时间、负载能力等指标。测试结果显示,该系统启动速度快,响应及时,负载能力强,完全满足实际应用场景的要求。安全性测试主要考虑了数据传输过程中可能遭受的攻击手段及防范措施。测试结果表明,该系统采用加密算法对数据进行保护,有效避免了数据泄露风险。此外,还对系统的易扩展性、易用性等方面进行了评估,结果显示该系统易于管理和维护,方便后续升级扩容。

4 结语

综上所述,基于物联网技术和云计算平台,实现了对电力行业电气设备运行状态进行实时监测、故障诊断及预测的一套完整解决方案。该套解决方案通过对电气设备各项参数指标采集并上传至云端服务器,再由专业人员在客户端查看数据结果,从而达到远程监测控制的目的。同时,为保证系统稳定性和安全性,采用了多种加密算法以及权限管理机制来确保数据传输过程的安全可靠。