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民用建筑电气设备远程监测与诊断摘要：以电气设备故障监测和诊断技术为背景，以传统电气设备状态监测方案为基础，探索一种基于智能测控单元、面向民用建筑电气设备的远程监测与诊断系统，并在实际工程中展开实验。实验表明，远程监测和诊断技术能够方便电气故障的检修与维护工作。关键词：民用建筑；建筑电气；设备状态；远程监测；远程诊断；智能测控；故障预警；物联网随着我国社会经济的新一轮发展，用电需求进一步扩大，电力系统中电气设备发生故障的频率逐步增加，而故障所引起的经济损失也呈增长态势。在电子信息技术日新月异的今天，电力设备更新换代的步伐在加快，电气设备的故障类型和形式趋于复杂化、非规律化，对设备实时监测和故障诊断技术提出了更高的要求。因而，无论是经济发展的需要，还是技术更新带来的推动，都要求必须加大对电气设备诊断技术的创新力度1。鉴于电气设备种类繁多，故障类型和形式趋于具有不确定性、不规律性，现有的技术检测手段仍存在缺乏，很多情况下需由技术人员基于丰富的理论知识和现场经历进行长时间的诊断分析，才能最终找出故障原因和修复方案2。在这种形式下，需要专家到现场进行检查、分析，一方面延长了设备恢复的时间，增加了设备维护成本；另一方面，一些电气设备的运行环境往往非常恶劣，给专家进行现场检测带来了非常大的困难。1电气设备状态监测与故障诊断技术的研究意义电气设备故障监测和诊断技术遭到了国内外电力行业的普遍重视，该技术发展迅速，不断获得新的研究成果。电气设备状态监测和故障诊断的意义，一方面，在于提早了解和跟踪电气设备在使用经过中的运行状态，提早发现设备故障隐患，确定其整体和局部能否正常，在早期发现设备的故障及其产生原因，并对故障发生部位、性质作出评估，能够预报故障发展趋势；另一方面，在于发生设备故障时，能够及时采取必要的报警和应急措施，防止故障进一步恶化或扩散，进而避免严重的人员伤亡、环境污染和经济损失。总体而言，运用电气状态监测和故障诊断技术，能够在运行、维修、管理等设备的全生命周期提供帮助，有利于保障设备正常运行、预防设备故障、提高维护效率、降低维修成本等，确保工业生产和日常生活的安全运行，在当代化大生产中发挥着重要作用，越来越遭到人们的重视3。2电气设备状态监测与远程诊断技术的发展趋势电气设备监测和诊断技术最早于20世纪30年代出如今军事领域，主要应用电子仪表代替机械设备来计量设备的状态相关参数，并出现了早期的自动式监测仪器，随后技术的研究和应用迅速普及。在20世纪6080年代，正是计算机技术、传感器技术、微电子技术突飞猛进的时期，加上航空航天和工业领域的极大需求，设备监测和诊断技术迅速发展。20世纪末，在冶金矿山、交通运输、化工、发电、农业和机械制造等行业已经开场应用设备诊断技术，其发展日新月异，经济效益日益明显。进入21世纪后，这一技术迅速浸透到国民经济各部门，应用已相当普及，设备故障诊断技术水平的提高，开场向智能化方向发展4。能够看出，电气设备状态监测及诊断技术主要经历了3个明显的发展阶段：早期阶段利用独立式的电子仪表代替技术人员的感官判定，但该诊断仍极大依靠技术人员的专业知识和经历；中期阶段得益于计算机和电子技术的发展，能够大量采用传感器进行电气信息的采集，并开场运用计算机技术进行在线、即时的信号处理以及故障诊断；在当前阶段，则借助于物联网技术、远程监控技术和计算机模拟仿真技术的极大发展，逐步构成了智能型的远程监测和诊断系统5。但在日常工作中，笔者发现目前的监测和诊断系统总体上价格昂贵、容量较低、计算能力相对有限，侧重于进行有限的特征量监测，且局限于单台或某一类设备的监测。在民用建筑中，这些缺点极大限制了该技术的应用前景。因此，民用建筑电气设备状态监测和诊断技术的发展趋势应该是降低成本、提高系统的适用性，既能在线监测又能远程诊断故障，构成一种分布式、综合性远程监测诊断系统1。3民用建筑的电气设备状态监测与远程诊断技术建筑电气系统是建筑不可分割的一部分，是建筑能否发挥其预期功能的关键要素。一旦建筑电气系统发生故障，会引起设备停机、计算机信息数据丢失、火灾等事故，给人们的工作和生活带来极大的不便乃至造成经济损失和人身伤亡。目前民用建筑电气系统的在线监测和远程诊断技术研究还未像继电保护等技术研究那么深化和广泛，这主要是随着信息技术的飞速发展，建筑电气系统的功能随之增加，作为一个与实际联络严密的研究对象，状态监测和诊断技术相对于建筑电气系统的复杂性、重要性还未引起足够的重视。现如今，建筑电气系统的发展已不可同日而语，随着用电设备的增加，负荷急剧增加，传统的检测技术和方法已稍显缺乏，需要研究有针对性的适用于建筑电气系统的故障诊断技术。4建筑电气设备状态监测与远程诊断技术的工程试验4.1核心设备选型与设置为了实现建筑电气设备状态的远程监测，需要一种可准确采集电气设备运行参数并且可将测量结果远传到上位机的电气元件。本文选用某公司研发的智能测控单元IntelligentMeasurementandControlUnit，简称“ICU。4.1.1ICU的基本性能额定电压：220V/50Hz；额定电流：16A；计量精度：电压、电流为0.5级，功率为1级；工作环境：温度1060，湿度85%RH。4.1.2ICU基本功能计量功能：计量电气设备的运行参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、相位角。远传功能：可通过有线方式RS485和无线方式ZigBee将数据传输到上位机，上位机可以以给智能测控单元发送控制指令。4.1.3实验场所本研究选取华南理工大学某办公楼的一间大开间办公室中的照明系统作为研究对象。4.1.4设备安装与调试智能测控单元在电箱中采用导轨安装，主要接线有两种：一种为220V回路接线，另一种为RS485通信线，每一种均为一对进一对出。接线完成后，对每个智能测控单元进行调试与设置，完成后即可正常监测电气设备电灯的状态。4.2建筑电气设备状态的实时监测智能测控单元内部的采样芯片能够采集到各项电气参数，如电压、电流和功率等。为了便于观察与分析，将各项数据集中显示在上位机系统中。通过电气设备状态监测系统，能够在线实时监测电气设备的运行状态，如图1所示，U为实时电压、I为实时电流值、P为实时功率等。为了便于设备故障诊断，应将实时监测值存入数据库。编程如下：CHANNELName="数据记录"Description="报警记录"ConnectString="Provider=SQLOLEDB.1;PersistSecurityInfo=True;UserID=sa;Password=snw123456;InitialCatalog=SBZT;DataSource=BMSMSSQLSERVER2008"RcdCycleMs="10"DEVICES/DEVICES/CHANNEL其中，“RcdCycleMs表示数据存储的周期，单位为ms，“RcdCycleMs="10"代表监测数据每隔0.01s存储一次，可根据所监测设备的特点和对数据精细度的要求进行适当调整。4.3建筑电气设备状态的故障预警系统可根据电气设备状态监测系统所测量的电气设备运行经过中的状态参数进行自动分析。基于对设备状态运行参数的分析，能够设定故障预警。以电压状态故障预警为例，假定所需监控的电气设备耐压值为220V±20%176264V，则可取电压高压报警阈值为250V，电压低压报警阈值为190V。若设备实际运行电压高于250V，或低于190V，电气设备状态监控系统即发出警报，警告设备将会出现运行故障甚至损坏。如图1中的AlarmUh值和AlarmUl值，若为“FALSE表示未有报警，若为“TRUE则表示报警。本研究中，研究对象为照明灯具，经实测，电压一般可稳定在218230V之间，电流值则一般为0.150.38A之间。因而，设定电压高压报警阈值为250V及低压报警阈值为190V较为合理。同时，可设定电流报警阈值为0.5A。尽管电气设备状态监测系统能实时监测电气设备的电压、电流值等，并能作出预警，但由于故障一般都在霎时发生，所以并不能有效起到电气保护作用。绝大部分情况下，仍需要空气开关或其他电气保护装置对电气设备进行保护。4.4建筑电气设备状态的故障诊断某次，使用人员通过开关按钮开启一盏电灯，电灯在点亮后霎时熄灭，后续没法继续开启，出现故障。为了分析故障原因，可从数据库中调取存储的数据进行分析，如表1所示。从表1中可看出，该电气设备在10时14分20.17秒之前处于关闭状态，电压稳定为221V，电流值稳定为0.01A由于智能测控单元本身有一定能耗，所以电流值不为零。在10时14分20.17秒时，使用人员手动通过开关按钮开启电源，电流值开场上升。由于发生故障，电流上升极快，0.01s内即到达电气设备状态监测系统所设定的电流报警阈值，并且0.03s后超过16A，之后，电流、电压均变为0。由数据可分析出，由于电流过大，触发了空气开关保护动作，所以，空气开关及时切断了电源。查明原因后，技术人员恢复空气开关供电即可；如无法恢复，则进一步检查配电线路能否存在短路等问题。借助智能测控单元，能够建立基于远程通信网络的建筑电气设备状态监测系统，对建筑电气设备的运行状态进行实时监测，能够监测其电压、电流等信息，并实时进行存储。当出现电气设备的故障后，能够很容易根据监测的数值分析出设备的故障原因，极大地方便了电气故障的检修与维护工作。在当前物联网技术和监测技术突飞猛进的情况下，民用建筑电气设备状态的远程监测与诊断技术必然迎来更大的突破。