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摘 要：变电站的设备音频监测的开发属于智能电网建设的一部分，将极大地丰富无人值班变电站的在线监测技术和状态检修技术，有效填补国内利用电气设备音频信号诊断电气设备故障类型的技术及装置的空白，从根本上改进以往通过人工听电气设备发出的声音来判断电气设备故障类型的方法，提高无人值班变电站的运行效率，另外，可与现有的监控系统相配合，对提高设备的运行可靠性，减小设备的运行维护成本，延长设备使用寿命，有其现实意义。
关键词：设备 音频 监控系统 设计
1、背景
目前无人值班变电站的计算机监控系统主要倾向于实施“五遥”（遥测、遥信、遥控、遥调、遥视）监控，以实现少人、无人值守，提高生产效益，却几乎没有涉及到对变电站电气设备的音频监控。由于设备在运行过程中会发出种种声音，从声音的变化强弱可以判别设备的故障情况。当变压器出现异常声响时，不同的声音代表着不同的故障情况。应及时对变压器进行进一步检测或停用，避免故障扩大。
目前听声音辨别变压器故障的方法主要是：用绝缘棒的一端放在变压器的油箱上，另一端放在耳边仔细听声音。该方法虽然操作简单，但无法实现连续的在线检测，与无人值班变电站的发展趋势不相符；同时还要求检测人员具有丰富的实际经验，给判断的准确性带来了不稳定因素。
随着“智能电网”在线监测技术的应用，人工诊断电气设备故障类型的方法显然已不能满足电网发展的要求，需要寻求一种能够对电气设备故障进行及时、精确、安全系数高的诊断方法。为了克服人工诊断电气设备故障类型方法不及时、判断不准确、安全系数低等缺点，有必要研究并开发一种无人值班变电站电气设备音频监控的新装置，通过采集设备运行时发出的声音信号，对其运行状态进行实时地在线监测。
2、设计方案
2.1 确定研究路线
为了能更好地研究与开发无人值班变电站的设备音频监控系统，我们首先要对变电设备不同故障情况下的运行特征资料进行收集，根据设备各种故障与不同异常声音的对应关系，制定出无人值班变电站的设备音频监控系统的设计方案；再通过模拟试验，对系统运作情况进行观察、调试，并做出相应的改进；最后将该系统应用于无人值班变电站，进行现场跟踪调试，验证其工作性能，待技术成熟后在电力系统进行推广应用。即研究路线为：
图1 项目研究路线
在该项目的研究中我们准备主要采用如下研究方法：
（1）对变电设备不同故障情况下的运行特征资料进行收集，分析和研究；
（2）总结分析设备各种故障与不同异常声音的对应关系；
（3）制定无人值班变电站的设备音频监控系统的设计方案，从理论上论证其可行性；
（4）通过模拟试验，对系统的信号采集能力、判别功能进行验证、调试。针对试验结果，找出该系统的薄弱环节和设计缺陷，提出相应的改进措施；
（5）将该系统应用于无人值班变电站，进行现场试验，并根据运行情況不断的进行改进和完善，待技术成熟后在电力系统进行推广应用。
2.2 确定系统总体方案
从音频监控的方案分析，有两种主要方案：其一是音视频一体化监控方案，另一种是音频信号单独采集并监控的方案。通过前期的调研和实验结果，项目组多次讨论总体方案及各自可行性。如果采用音视频一体化监控方案，尽管视频通道的信号为空白，但是还是要占用网络流量，通信效率低。鉴于工业城变电站已经存在遥视模块，因此，经过数次集中讨论，最终确定的技术方案为音频信号单独采集并监控的方案。
无人值班变电站的设备音频监控系统包括硬件和软件两大部分。硬件主要由拾音器（声音传感器）、声音信号处理模块（数据采集器、现场总线、总控制器）、故障判别模块（通信转换器、变电站主机）和集控中心主机四部分组成。
软件主要包括四个功能模块：声音的采集与实时播放、声音的压缩与传输、声音特征量的提取与频谱分析、声音的录制与存储。软件系统的工作流程图如图2所示。
图2无人值班变电站的设备音频监控系统工作流程图
2.3各子模块的功能设计
无人值班变电站的设备音频监控系统通过采集电气设备运行时发出的声音，提取音频信号的特征量与故障音频数据库进行比对，从而快速、有效、实时地判别电气设备的运行状态。
1、声音信号采集与处理模块
通过紧贴在电气设备的拾音器（声音传感器），采集被监听的电气设备运行时的声音，同时完成对声音数据的数模转换、滤波、放大、特征量的提取、频谱分析等处理过程，同时，能将数据压缩传输给总控制器，在上传给监控计算机。
2、声音信号传输与故障判别模块
声音信号传输与故障判别模块主要包括总控制器、现场总线、通讯转换器、变电站主机，其主要作用是在系统轮询监控模式下接收来自声音信号处理模块的故障音频信号，对其进行频谱分析，提取音频信号的特征量并与故障音频数据库进行比对，判断电气设备具体的故障类型；在系统监听模式下人工选择监听某路被采集的电气设备的声音，并绘制出波形图和频谱幅度图。
3、音频信号特征数据库模块
对电气设备故障类型进行判别的前提是建立音频特征数据库，鉴于电气设备在不同负荷下，电气设备发出的声音也应当有所区别。因此，该系统设计自学习模式。该系统投入运行前，先进入自学习模式，在自学习模式下系统将自动记录不同负荷下的电气设备的声音信号，分别建立数据库，作为实时监听时声音信号进行比对的依据。
4、集控中心监控人机交互模块
考虑到无人值班变电站的设备音频监控系统将来可能会应用到多个变电站，为了方便对各变电站主机的远程操控，可在集控站设置集控站主机对各变电站主机进行集中控制，该系统设计完善的人机交互界面，能够选择该系统的工作模式、监听声音的通道号、录制音频文件及存储音频文件等。
4、应用情况
无人值班变电站的设备音频监控系统已在信阳供电公司220kV沙港集控中心及110kV工业城变电站试运行，试运行设备包括：变电站主机1台、集控站主机1台、数据采集器8个、总控制器、端子箱、配电箱、通讯转换器、通讯电缆等。其中集控站主机安装在信阳供电公司220kV沙港集控中心，其余设备均安装在信阳供电公司110kV工业城变电站。
根据现场运行的情况来看，无人值班变电站的设备音频监控系统到目前为止运行状态良好，性能稳定，取得了较好的运行效果。
在110kV工业城变电站工1号主变、工111、工112、平工、工碱GIS开关处分别安装了8个数据采集器，从不同的位置监听工1号主变、GIS设备运行时发出的声音，提高了系统判断的准确性。
变电站主机与“变电站遥视设备”位于同一机柜内，其主要作用是接收由数据采集器采集的电气设备音频信号，并对其进行频谱分析，判断声音的异常情况，然后将波形图和频谱幅度图通过以太网传送至位于220KV沙港集控中心的集控站主机上，供值班人员查看。
从人机界面上我们可以选择性的监听声音数据采集器所采集到的声音信号及查看音频信号具体的波形图和频谱幅度图，通过该音频信号的波形图和频谱幅度图可以反映所监测的电气设备的音频状况。
5、前景预测
目前，无人值班变电站的设备音频监控已经实现了远程监听设备运行时的声音，准确识别异常声音，以后将对无人值班变电站的设备音频监控系统做进一步完善和改进，建立故障音频数据库，加入判别设备具体故障类型的功能，这对于完善无人值班变电站的计算机监控系统将有着重大的意义，因而无人值班变电站的设备音频监控具有广泛的应用前景。
关键词：设备 音频 监控系统 设计
1、背景
目前无人值班变电站的计算机监控系统主要倾向于实施“五遥”（遥测、遥信、遥控、遥调、遥视）监控，以实现少人、无人值守，提高生产效益，却几乎没有涉及到对变电站电气设备的音频监控。由于设备在运行过程中会发出种种声音，从声音的变化强弱可以判别设备的故障情况。当变压器出现异常声响时，不同的声音代表着不同的故障情况。应及时对变压器进行进一步检测或停用，避免故障扩大。
目前听声音辨别变压器故障的方法主要是：用绝缘棒的一端放在变压器的油箱上，另一端放在耳边仔细听声音。该方法虽然操作简单，但无法实现连续的在线检测，与无人值班变电站的发展趋势不相符；同时还要求检测人员具有丰富的实际经验，给判断的准确性带来了不稳定因素。
随着“智能电网”在线监测技术的应用，人工诊断电气设备故障类型的方法显然已不能满足电网发展的要求，需要寻求一种能够对电气设备故障进行及时、精确、安全系数高的诊断方法。为了克服人工诊断电气设备故障类型方法不及时、判断不准确、安全系数低等缺点，有必要研究并开发一种无人值班变电站电气设备音频监控的新装置，通过采集设备运行时发出的声音信号，对其运行状态进行实时地在线监测。
2、设计方案
2.1 确定研究路线
为了能更好地研究与开发无人值班变电站的设备音频监控系统，我们首先要对变电设备不同故障情况下的运行特征资料进行收集，根据设备各种故障与不同异常声音的对应关系，制定出无人值班变电站的设备音频监控系统的设计方案；再通过模拟试验，对系统运作情况进行观察、调试，并做出相应的改进；最后将该系统应用于无人值班变电站，进行现场跟踪调试，验证其工作性能，待技术成熟后在电力系统进行推广应用。即研究路线为：
图1 项目研究路线
在该项目的研究中我们准备主要采用如下研究方法：
（1）对变电设备不同故障情况下的运行特征资料进行收集，分析和研究；
（2）总结分析设备各种故障与不同异常声音的对应关系；
（3）制定无人值班变电站的设备音频监控系统的设计方案，从理论上论证其可行性；
（4）通过模拟试验，对系统的信号采集能力、判别功能进行验证、调试。针对试验结果，找出该系统的薄弱环节和设计缺陷，提出相应的改进措施；
（5）将该系统应用于无人值班变电站，进行现场试验，并根据运行情況不断的进行改进和完善，待技术成熟后在电力系统进行推广应用。
2.2 确定系统总体方案
从音频监控的方案分析，有两种主要方案：其一是音视频一体化监控方案，另一种是音频信号单独采集并监控的方案。通过前期的调研和实验结果，项目组多次讨论总体方案及各自可行性。如果采用音视频一体化监控方案，尽管视频通道的信号为空白，但是还是要占用网络流量，通信效率低。鉴于工业城变电站已经存在遥视模块，因此，经过数次集中讨论，最终确定的技术方案为音频信号单独采集并监控的方案。
无人值班变电站的设备音频监控系统包括硬件和软件两大部分。硬件主要由拾音器（声音传感器）、声音信号处理模块（数据采集器、现场总线、总控制器）、故障判别模块（通信转换器、变电站主机）和集控中心主机四部分组成。
软件主要包括四个功能模块：声音的采集与实时播放、声音的压缩与传输、声音特征量的提取与频谱分析、声音的录制与存储。软件系统的工作流程图如图2所示。
图2无人值班变电站的设备音频监控系统工作流程图
2.3各子模块的功能设计
无人值班变电站的设备音频监控系统通过采集电气设备运行时发出的声音，提取音频信号的特征量与故障音频数据库进行比对，从而快速、有效、实时地判别电气设备的运行状态。
1、声音信号采集与处理模块
通过紧贴在电气设备的拾音器（声音传感器），采集被监听的电气设备运行时的声音，同时完成对声音数据的数模转换、滤波、放大、特征量的提取、频谱分析等处理过程，同时，能将数据压缩传输给总控制器，在上传给监控计算机。
2、声音信号传输与故障判别模块
声音信号传输与故障判别模块主要包括总控制器、现场总线、通讯转换器、变电站主机，其主要作用是在系统轮询监控模式下接收来自声音信号处理模块的故障音频信号，对其进行频谱分析，提取音频信号的特征量并与故障音频数据库进行比对，判断电气设备具体的故障类型；在系统监听模式下人工选择监听某路被采集的电气设备的声音，并绘制出波形图和频谱幅度图。
3、音频信号特征数据库模块
对电气设备故障类型进行判别的前提是建立音频特征数据库，鉴于电气设备在不同负荷下，电气设备发出的声音也应当有所区别。因此，该系统设计自学习模式。该系统投入运行前，先进入自学习模式，在自学习模式下系统将自动记录不同负荷下的电气设备的声音信号，分别建立数据库，作为实时监听时声音信号进行比对的依据。
4、集控中心监控人机交互模块
考虑到无人值班变电站的设备音频监控系统将来可能会应用到多个变电站，为了方便对各变电站主机的远程操控，可在集控站设置集控站主机对各变电站主机进行集中控制，该系统设计完善的人机交互界面，能够选择该系统的工作模式、监听声音的通道号、录制音频文件及存储音频文件等。
4、应用情况
无人值班变电站的设备音频监控系统已在信阳供电公司220kV沙港集控中心及110kV工业城变电站试运行，试运行设备包括：变电站主机1台、集控站主机1台、数据采集器8个、总控制器、端子箱、配电箱、通讯转换器、通讯电缆等。其中集控站主机安装在信阳供电公司220kV沙港集控中心，其余设备均安装在信阳供电公司110kV工业城变电站。
根据现场运行的情况来看，无人值班变电站的设备音频监控系统到目前为止运行状态良好，性能稳定，取得了较好的运行效果。
在110kV工业城变电站工1号主变、工111、工112、平工、工碱GIS开关处分别安装了8个数据采集器，从不同的位置监听工1号主变、GIS设备运行时发出的声音，提高了系统判断的准确性。
变电站主机与“变电站遥视设备”位于同一机柜内，其主要作用是接收由数据采集器采集的电气设备音频信号，并对其进行频谱分析，判断声音的异常情况，然后将波形图和频谱幅度图通过以太网传送至位于220KV沙港集控中心的集控站主机上，供值班人员查看。
从人机界面上我们可以选择性的监听声音数据采集器所采集到的声音信号及查看音频信号具体的波形图和频谱幅度图，通过该音频信号的波形图和频谱幅度图可以反映所监测的电气设备的音频状况。
5、前景预测
目前，无人值班变电站的设备音频监控已经实现了远程监听设备运行时的声音，准确识别异常声音，以后将对无人值班变电站的设备音频监控系统做进一步完善和改进，建立故障音频数据库，加入判别设备具体故障类型的功能，这对于完善无人值班变电站的计算机监控系统将有着重大的意义，因而无人值班变电站的设备音频监控具有广泛的应用前景。