電氣工程中智能監控系統的設計與實現

方連茂

(福建省廈門市睿才人力資源服務有限公司 福建 廈門 361000)

0 引言

目前,電氣設備在日常生產和生活中被廣泛使用,但是這些電氣設備通常都在一個相對惡劣的環境下運行,容易受到天氣變化、溫度、濕度等因素影響而發生故障。因此,如何提高電氣設備的可靠性以及降低維護成本成為當前亟待解決的問題。本文提出一種基于物聯網技術的智能化電氣設備監測方案,旨在通過實時采集電氣設備數據信息并進行分析處理,及時發現設備異常情況并發出警報以便工作人員及時采取措施加以修復或更換,從而有效地保障電氣設備的正常運行。

1 智能監控系統在電氣設備中的需求分析

1.1 系統的性能需求

在進行電氣設備運行狀態監測時,需要保證系統具有較高的實時性、準確性和穩定性。因此,系統必須滿足以下幾個相應的要求:

(1)數據采集速度快。鑒于該系統的數據量龐大,為了確保它能夠迅速檢測出任何異常狀態,并迅速采取有效的行動來解決問題,必須擁有高效的反應能力。

(2)數據處理精度高。針對不同類型的故障問題,系統應該具有自動識別各種故障的功能,可以根據特定的參數來提供有效的解決方案,從而有效地解決各種故障問題。

(3)報警機制完善。當檢測到設備出現異常狀況時,系統應立即發出警報,以提醒相關人員盡快前往現場進行檢查和維修,以防止因故障而造成更大的損失。

(4)可擴展性好。隨著電力行業的不斷發展以及新技術的引入,原有的監控系統可能無法滿足實際工作需求,因此系統應當具備良好的可擴展性,方便后續升級及擴容[1]。

1.2 系統的安全性需求

在電氣設備運行過程中,由于各種原因可能會導致數據信息泄露、損壞等問題。因此,為了保障系統的穩定和可靠,需要對其安全性進行嚴格要求。主要包括以下幾個方面:

(1)防止非法用戶入侵。當有非法用戶試圖訪問或篡改系統時,該系統應能夠及時發現并報警;同時,還需具備權限管理功能,只允許授權用戶進入系統操作。

(2)保證用戶數據的完整性和機密性。通過采用加密算法以及其他技術手段來確保用戶數據不被竊取或者丟失。

(3)防范網絡攻擊。針對來自外部的惡意攻擊行為,如黑客攻擊、病毒木馬等,系統應有相應的防范措施,例如安裝防火墻、反病毒軟件等。

(2)如果前頭有表示時點的時間詞語，：“就”表示早，“才”表示晚；如果有表示時段的時間詞語，“就”表示快，“才”表示慢。

(4)提供完善的異常處理機制。當出現某些意外情況時,如停電、通信中斷等,系統應能夠自動檢測并采取相應的應對措施,以保護系統的正常運行[2]。

2 智能監控系統在電氣設備中的設計

2.1 系統的總體設計

該系統主要由數據采集、數據處理和控制中心3個部分組成。首先,數據采集層負責對現場各種傳感器進行實時監測并將收集到的信息傳輸給數據處理層;其次,數據處理層通過分析這些數據,提取有用信息并存儲于數據庫中;最后,控制中心接收來自數據處理模塊的反饋信息,經過處理后發出相應指令來調整或控制現場設備的運行狀態。整個系統結構清晰明了,各部分之間相互協作共同完成監控任務。該系統的整體架構如圖1所示。

圖1 電力設備智能監控系統

(1)數據采集層。該層是指利用各種類型的傳感器對現場設備進行實時監測,包括溫度傳感器、電流互感器等。同時還需要設置一些輔助性的檢測裝置,例如震動傳感器、壓力傳感器等,以便更全面地掌握設備的工作狀況。

(2)信號調理層。該層主要用于對接收到的原始信號進行放大濾波等預處理操作,使其能夠被后續處理單元有效識別。

(3)特征提取層。該層主要采用信號處理技術從已經預處理好的信號中提取出有用的特征參數,例如功率因數、頻率響應等。

(4)分類決策層。該層主要基于前面幾步得到的特征參數,運用模式識別算法對不同類別的設備進行判斷,最終輸出報警提示或者采取相應措施予以解決。

(5)執行層。該層通常為現場設備,當發現有異常情況時可以及時采取相應措施予以應對。

2.2 系統的硬件設計

為了實現智能監控系統的有效運行,必須精心挑選和配置適當的傳感器,以便準確捕捉現場環境,并將信息實時傳輸至上位機或云端服務器。還需要考慮如何優化傳感器的布局,提升數據采集的效率,以及降低運行成本。通過引入一款先進的處理芯片,結合多種低功耗、高效率的傳感器模塊,能夠提升系統的實時性和穩定性,從而更好地收集數據。此外,還開發了一款手機APP,讓用戶可以在任何時間、任何地點查看監測結果,并對相關設備進行控制[3]。

2.3 系統的軟件設計

電氣工程中智能監控系統的軟件設計需要明確系統的功能需求和目標用戶群體。通過對現有的監測設備進行調研和分析,可以確定系統的主要功能為實時監測電力質量參數以及故障診斷。同時,為了滿足不同用戶的需求,還需要考慮系統的可擴展性和易用性。因此,在軟件的設計過程中應該充分考慮到這些因素。由于智能監控系統需要處理大量的數據并進行復雜的計算,采用了分布式架構的方式來組織整個系統的運行過程。智能監控系統由多個節點組成,每個節點都負責執行不同的任務。例如,一個節點可以負責采集電能質量參數的數據,另一個節點則用于對數據進行處理和存儲。此外,還使用了一些常用的編程語言和技術工具,如Java、Spring框架、MySQL數據庫等。進行了系統的測試和調試工作,確保其能夠正常運行并且符合預期的功能要求。

2.4 系統的抗干擾措施

為了保證智能監控系統能夠正常運行,需要采取一些有效的抗干擾措施。具體可以從以下幾方面入手:

(1)硬件層面的抗干擾措施。對于采集電路、信號處理電路等重要部分進行合理布局和優化設計,以減少電磁輻射對其產生的影響;同時選用高質量的元器件并加強防護處理,以防止靜電對信號傳輸造成干擾。此外還可采用隔離技術將敏感元件與其他部件分離開來,避免相互之間的干擾。

(2)軟件層面的抗干擾措施。針對不同類型的干擾源,采用相應的濾波算法或屏蔽技術來消除噪聲或者抑制干擾信號的傳播。例如,通過數字濾波器去除高頻噪聲,利用屏蔽罩將傳感器包裹起來防止外界干擾信號進入等。

(3)人為因素的抗干擾措施。操作人員應當具備較強的專業知識和技能水平,熟練掌握各種儀器儀表的使用方法以及故障排除流程,及時發現并解決異常情況。另外,建立健全完善的規章制度和安全管理體系也是提高系統穩定性和可靠性的必要手段[4]。

3 智能監控系統的實現

3.1 開發環境搭建

采用Visual Studio作為開發工具。它擁有出色的編程性能,并且擁有完善的功能庫,可以滿足各種復雜的應用場景,讓項目更加高效。步驟如下:(1)安裝Visual Studio 2019版本,并且按照提示進行操作。(2)配置OpenCV和Python等依賴庫。其中,OpenCV是一款跨平臺計算機視覺庫,可以用于圖像處理、模式識別以及機器學習等方面;而Python則是一種通用編程語言,具有簡單易學、面向對象、解釋性強等特點,非常適合用于算法實現及數據分析等任務。(3)安裝常用的擴展包如NumPy、matplotlib等以方便使用第三方工具對數據進行可視化展示。完成以上步驟后,可以開始編寫代碼了。通過調用攝像頭獲取實時畫面,利用OpenCV進行目標檢測和跟蹤,同時結合Python的GUI界面設計功能來直觀地呈現監控結果。整個過程中涉及大量的數據處理和計算工作,因此要求程序員具備較高的數學功底和編程能力,才能夠順利地完成項目[4]。

3.2 系統主界面設計

開發工具搭建完成后,對該系統的主要功能模塊及其對應的主頁面進行設計。首先是登錄界面,用戶需要輸入正確的賬號和密碼才能進入系統。其次是實時監測界面,包括電壓、電流等多個參數的實時顯示以及報警信息的彈出提示。最后是歷史數據查詢界面,可以對過去一段時間內的所有數據進行查詢并導出Excel表格。整個主界面采用了簡潔明了的風格,符合人們使用電腦時的操作習慣。同時為了方便用戶快速找到所需信息,還設置了常用工具欄和快捷鍵切換窗口。具體的主界面效果圖如圖2所示。

圖2 智能監控系統界面

通過以上幾個主要功能模塊的設計,使得該智能監控系統具有了更加完善的功能和更高的實用性[5]。

3.3 系統主要功能模塊的實現

以下詳細介紹電氣設備狀態監測、故障診斷及預警等核心功能模塊的具體實現,如圖3所示。

圖3 電氣設備故障智能診斷模塊

(1)電氣設備狀態監測模塊。該模塊通過對電氣設備運行數據進行實時采集和分析,及時發現并預測可能出現的異常情況,從而提前采取相應措施避免事故發生或減少損失。在實際應用過程中,采用多種傳感器來獲取電氣設備各項參數指標,包括電流、電壓、功率因數、溫度等多個方面。同時,為保證數據準確性和可靠性,還引入了濾波算法和數據分析方法,以確保所采集到的數據能夠真實反映出電氣設備當前的工作狀況。此外,針對不同類型的電氣設備,分別制定了對應的監測策略,如對于變壓器類設備,重點關注其油溫變化趨勢;對于電機類設備,則需要特別考慮其振動信號特征。

(2)故障診斷及預警模塊。該模塊基于前期采集到的大量電氣設備運行數據,結合專家經驗知識庫,運用模糊推理、神經網絡等人工智能技術進行綜合分析判斷,快速定位電氣設備故障點,提供可行的解決方案。例如當系統檢測到某臺設備的電流值突然升高時,會自動觸發報警機制,提醒運維人員注意設備健康狀況。另外,還會根據歷史故障記錄,建立故障模型,不斷優化故障診斷算法,提高故障診斷效率和精度。值得一提的是,由于該模塊涉及復雜的數據處理和計算,因此,選擇了開源免費的機器學習工具Python作為主要開發語言之一,大大降低了研發成本和周期。

3.4 系統測試

在完成了系統開發后,需要對整個系統進行全面的測試。本次測試主要分為兩部分:功能性測試和非功能性測試。其中功能性測試是為了驗證各個模塊是否能夠正常工作以及各項功能是否符合需求;而非功能性測試則是為了保證系統整體性能穩定可靠,并且具有較高的安全性、可用性等特點。

(1)功能性測試。針對該系統的功能性測試主要包括以下幾個方面:①對系統的登錄界面進行測試。通過模擬用戶輸入正確密碼進入到系統主頁面,觀察其響應時間及錯誤提示信息來判斷系統是否存在異常情況。結果顯示,當用戶輸入正確密碼時,系統會立即返回相應的信息,無任何錯誤或警告信息出現。因此可以得出結論,該系統具備良好的安全機制。②對于報警模塊,分別測試了不同類型的故障發生時系統所發出的警報聲,并記錄下每種聲音對應的故障編號及其所在部位。實驗結果表明,該系統能準確地檢測出各種類型的故障并發出相應的警報聲,同時也支持多個故障同時觸發。③還測試了遠程控制模塊的操作流程,包括開關機、修改參數等操作。經過多次測試發現,該模塊能夠按照預期的順序執行所有操作,并給出錯誤提示信息以便用戶進行修正。

(2)非功能性測試。除了上述基本功能測試外,還對該系統的性能、安全性、可維護性等方面進行了一系列測試。具體內容如下:性能測試主要涉及系統啟動速度、響應時間、負載能力等指標。測試結果顯示,該系統啟動速度快,響應及時,負載能力強,完全滿足實際應用場景的要求。安全性測試主要考慮了數據傳輸過程中可能遭受的攻擊手段及防范措施。測試結果表明,該系統采用加密算法對數據進行保護,有效避免了數據泄露風險。此外,還對系統的易擴展性、易用性等方面進行了評估,結果顯示該系統易于管理和維護,方便后續升級擴容。

4 結語

綜上所述,基于物聯網技術和云計算平臺,實現了對電力行業電氣設備運行狀態進行實時監測、故障診斷及預測的一套完整解決方案。該套解決方案通過對電氣設備各項參數指標采集并上傳至云端服務器,再由專業人員在客戶端查看數據結果,從而達到遠程監測控制的目的。同時,為保證系統穩定性和安全性,采用了多種加密算法以及權限管理機制來確保數據傳輸過程的安全可靠。