电力关键设备远程监测与故障诊断系统的研究
邓宏贵，罗安，刘雁群，刘连浩
（中南大学信息科学与技术学院，湖南省长沙市410083）
摘要：电力系统设备运行中发生的任何故障或失效不仅会引起严重后果，造成重大的经济损失，甚至还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会影响。为此，作者设计出一套能够解决上述难题的电力设备的远程监测与故障诊断系统，并对此系统的结构、实现、应用进行了阐述。
关键词：远程监测；故障诊断；电力系统；关键设备

1引言
电力关键设备监测与故障诊断技术是指在电力关键设备在需要维护之前，利用整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特征，开发应用一种具有特殊用途的系统，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的趋势^[1-2]。借助于电力关键设备的监测与故障诊断系统，使得维护只需在需要时才安排，这样，适时的维护能有效地避免因设备故障产生的意外停电。因此采用监测与故障诊断系统，可缩短停电时间，降低维护费用，延长设备使用寿命，还可避免因维护中的疏忽而产生的故障^[3]。电力系统监测与故障诊断的对象主要是电厂、变电站以及电力系统的关键电力设备，如变压器、发电机、电动机、电缆、断路器以及其他电气机械等。
对上述设备的监测往往对实时性要求较高，要采集的数据量很大，这就必须要有高速、可靠的采集及特征提取模块和数据传输总线^[4-5]，发展趋势是采用DSP技术（必要时采用多DSP并行处理）和VXI总线技术^[6]。
随着信息技术和计算机网络技术的发展，在以往单机监测诊断系统和分布式监测诊断与故障诊断系统基础上，设备远程监测与故障诊断系统的研究受到了国内外研究者的密切关注和重视^[7]。基于网络的电力关键设备远程监测与故障诊断系统是未来的发展方向，国内在该领域的研究应用起步较晚，而国外产品的价格又比较昂贵。面对国内企业日益迫切的应用需求，笔者设计的一套诊断系统已经在湖南乐黎220kV变电站使用，并取得良好效果。
2系统结构
系统分解为三个相对独立的层面，它们之间通过Web发布数据建立网络联系，具体结构如图1所示。
（1）VXI总线数据采集处理层
它完成VXI总线多DSP高速信号采集和特征提取模件与VXI总线嵌入式网络接口模件之间的基于VXI总线协议的数据通信。
VXI总线的数据传输速度、可靠性、工程实用性等技术指标良好，已被列入IEEE1155标准，获得广大软、硬件厂商的支持，可供项目开发研究中软、硬件的选型；VXI模件化结构具备体积小、重量轻、低功耗等特点，使整个仪器系统更加紧凑、可靠、降低成本。（2）专家故障诊断层
它包括一个以远程监测和故障诊断为核心的开放式、可视化的规范的操作平台。基于网络的远程设备监测和故障诊断系统的“神经中枢”，即设备故障诊断分析软件包，是专家故障诊断层的功能核心；设备监测分析的图形化软件环境为信息集成和业务集成提供优秀直观的人机界面，它采用Labview图形化编程语言及虚拟技术，根据设备状态数据信息，按照不同用户的个性化要求，动态显示设备的运行状态以及诊断知识的表达。
（3）网络专家群件层
它是基于Web的数据发布技术和专家会诊环境^[7]，将现场采集的设备状态数据实时、动态、可靠、准确地发布到Internet上，网络用户可以直接用浏览器（如IE或NetscapeNavigator等）进行访问，通过身份验证登记并根据不同身份代表的不同访问权限等级，对数据库进行查阅、修改、删除或编辑^[8-10]。专家可查阅诊断软件包对故障事件的诊断分析过程和结果以及其他专家的发表意见，也可对故障事件发表看法，数据库服务器详细记录专家的ID和意见，以供系统进行查阅和参考。诊断专家网络群件系统实时传输数据、图表、语音和视频信息进行故障会诊。具体方法是应用IP广播技术和点对点的H.323协议标准，结合音频视频编码和解码技术，实现数据、图表、音频和视频信号在网上连续无误地传播，满足同一地域范围内的专家们在同一时间通过局域网进行信息交流，分散在其他地域的专家也可通过Internet加入信息交流，集中对特定故障问题进行讨论。数据库服务器实时记录会诊过程，以供系统进行查阅和参考。
3系统的实现
（1）基于VXI总线的电力关键设备监测系统
系统由两部分组成，前端部分经过前置处理后送DSP消息基器件完成模拟信号采集和A/D转换，从大量征兆信号中快速、准确地提取出特征数据的并行计算处理工作；后端VXI总线零槽嵌入式系统控制其他模件之间以及实现VXI总线与外部的通信。系统的结构原理如图2所示。VXI总线零槽嵌入式系统实现嵌入式网络接入和VXI总线控制。它主要由嵌入式的硬件驱动，嵌入式操作系统WINDOWSCE、实时数据库、网络协议、嵌入式内核、控制程序和应用程序等组成。
（2）专家诊断服务器为核心的远程监测与故障诊断网络系统的结构如图3所示。设备远程监测与故障诊断网络系统以专家诊断服务器为核心。专家诊断服务器及时访问与大型关键设备紧密连接的VXI总线嵌入式WebServer，汇总VXI总线装置在线连续检测的有关设备运行状况特征信息并存储到数据库中，利用神经网络、模糊理论等智能信息处理方法，实现对设备故障的智能诊断。基于网络技术的开放式专家诊断系统平台，提高了故障诊断系统的专家知识库的可扩充能力，使系统具有精度高、工作可靠、适应性强、操作简单、功能齐全、扩展性强的工程实用性能。
开放式专家诊断平台其结构如图4所示。4系统功能
（1）VXI总线监测系统网络接入
VXI总线零槽嵌入式系统实现嵌入式网络接入和VXI总线控制，主要由嵌入式的硬件驱动，嵌入式操作系统WINDOWSCE、实时数据库、网络协议、嵌入式内核、控制程序和应用程序等组成。VXI总线零槽嵌入式系统网络接入和控制结构原理如图5所示。（2）VXI总线的多DSP并行处理
多DSP消息基器件中的并行计算处理部分由DSP计算功能模块、VXI总线接口模块和局部数据总线接口模块组成。DSP模块完成计算任务，DSP模块中可以包含一个或多个DSP芯片(电路)，芯片(电路)间用局部数据总线通信，VXI总线接口模块实现DSP模块与VXI总线间的时序转换，此部分的结构框图如图6所示。（3）远程信息服务
专家诊断服务器访问VXI总线嵌入式系统站点，汇总远程设备状态信息并建立数据库，采用可视化组态软件环境虚拟演示远程设备的运行状态，实现设备信息的检测与分析。为此构造了开放式故障诊断分析软件包，提供了面对专家会诊网络群件的系统环境，通过专家会诊建议优化、改进或直接升级服务器专家知识库，此措施尤其有利于对新建大型关键设[1][2]下一页