弥合差距——将传感器有效地集成到电力市场的设备状态监控管理软件中

电力公司认识到传感器及其所提供的数据在提供可靠且经济高效的服务方面的价值。在帮助提供主动维护所需数据方面，状态监控传感器的优势已得到充分证实，但许多电力公司并未在所有的设备上安装这种系统。

电力公司可以通过状态监控解决方案，解决传感器系统不兼容和缺乏熟练的工业物联网程序员的问题，该解决方案无需编程即可轻松集成不同的传感器。它可以连接到任何需要的系统，例如 OSI PI Historian 和 OPC UA，从而记录和分析来自各种传感器的时间序列数据。将这些传感器与创新的软件和硬件资源结合后，可以为重要资产的状态数据汇总提供一种简单有效的方法，以提高环境感知能力，并提供决策支持，从而维持运行、降低维护成本，同时提高生产力、可靠性和安全性。

电力公司面临的需求和挑战

电力公司面临以下必须解决的业务需求：

• 改善安全、安防和可靠性
• 整合新的能源及消耗模式
• 实现电网现代化

同时，他们还面临一系列挑战：

• 与传统设备集成
• 熟练检查员的退休
• 访问生产资产和数据
• 安全风险
• 基础设施老化
• 筒仓式应用程序和网络的管理和保护代价高昂
• 数据、网络和安全管理的专业知识

电力公司解决这些问题的一种方法是使用专为工业环境设计的工业物联网边缘网关。

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定期现场检查

考虑到现有基础设施的年代，大量电力设施很少或没有配备内置传感器也就不足为奇了。检查每隔一段时间进行一次，通常由携带手持传感器的内部团队进行，目的是进行常规预防性维护。这种现场检查的时间间隔各不相同，但每年可能只有一到两次。

对使用手持设备进行检查的技术人员来说，安全非常重要。能够进行这种检查的合格技术人员很少，并且走进高压输电站可能会很危险。

检查团队经常使用手持式红外热像仪来检查系统。他们在检查过程中记录数据，随后上传以供传输。在接收并检查数据后，团队会生成一份检查报告，这可能需要长达一周的时间，具体取决于检查的系统数量。

以下图片是使用手持式红外热像仪进行现场检查时发现的问题的示例：

保险丝熔断（左起第二个）（参考：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（红外会议档案 - 红外培训中心）(ITC)）

变压器风扇故障 (AR2)（参考：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（红外会议档案 - 红外培训中心）(ITC)）

散热片蝶阀关闭（参考：FLIR）

在常规定期检查期间尽早查出故障可以节省时间并降低维护和修理成本，如果能够防止意外停机则更是如此。查出和修复这些问题可提高电力服务的可靠性和可依赖性。

以下例子说明了在缺陷变为故障之前加以识别和修复的成本效益。右图显示了断路器内的电压互感器发生故障。如果使用红外热像仪，在互感器发生故障之前对其进行检查，则修复的代价仅限于更换互感器，并且只需停机一天。然而，实际的故障所产生的代价是更换互感器和断路器，还包括额外的人工和现场施工成本，停电时间则为八天。这个例子说明，故障可能，并且会在两次检查之间的间隔期内发生。

电路板烧坏的断路器

断路器内的电压互感器故障

根据现场检查的结果和报告，发现的问题或事件的严重程度可分为以下几个级别：

• 关键——需要立即关注，可以选择停用设备
• 严重——尽快评估并增加检查的频率
• 中级——继续保持现有检查频率

用手持式热像仪进行定期检查会使问题在两次检查之间的间隔期内发展和恶化。显然，越早发现和报告问题，维修工作就可以越早开始，从而避免意外停机。增加定期检查的频率虽然可以缩小故障的发生几率，但仍然存在发生灾难性故障的可能性。

状态监控

缩短从问题发生到发现之间的时间的有效方法是安装持续运行的固定式热像仪。安装持续运行的状态监控热像仪可以生成温度数据。例如，可以持续记录，而不是定时拍照记录。通过对报告的数据进行检查和审核，可以使电力运营商能够在下一次现场检查发现问题和潜在故障之前就意识到其存在。

状态监控与定期现场检查相比具有以下几个优势：

• 使电力运营商能够更快地发现问题并且更快地做出响应
• 提高环境感知能力，使电力公司能够在发生灾难性情况之前主动对设备进行修理和维护
• 实现预防性维护，从而维持生产力和计划完整性
• 减少停机时间和停电情况的发生
• 节省成本；在故障发生之前修复大多数问题的成本要低得多（据估计，电力公司的维修成本仅为故障总成本的 1-2%）

状态监控热像仪具有多项优势：

• 高效、安全的测量方法
• 大范围、非接触式、多组件、精确且极为安全的温度测量
• 数据和图像可实时传输，而不用等待几小时或几天

然而，为老化的基础设施配备这种传感器仅仅是电力行业所面临的问题的一部分。数据的访问和集成是一大挑战。固定式热像仪必须结合计算机网络上的软件才能提取和分析所收集的数据。

将固定式热像仪连接到 OSI PI Historian 或 OPC UA 等系统可以让电力公司访问记录的时间序列数据。电力公司可能没有足够的员工掌握这种特定技能，因此需要引进技术顾问。

安装能解释和分析数据的智能传感器热像仪可以为电力公司提供更高级的状态监控数据。智能传感器使用户能够随时监控电气设备、电机或变电站的状况。这些传感器无需等待数据被解读；传感器本身就能触发警报，鸣响警铃或喇叭，或启动关机过程。这种状态监控可以捕捉、处理和分析数据，然后在此基础上采取行动。

随着熟练劳动力的老龄化和退休，电力公司需要这样的系统来提供更好的分析而不仅仅是收集数据，并在数据收集和处理方面进一步实现自动化，从而获得更高的利润。

目前，智能传感器只占电力行业传感器总数的很小部分。相对于热成像，几乎所有热像仪都是用于现场检查的手持设备。尽管智能传感器具有持续状态监控的优势，定期现场检查仍然是常见的预防性维护形式。这种方式相对便宜，对于电压低于 2.5 kV 的电气资产而言是具成本效益的检查方法（参考：Mission Critical Magazine（关键任务杂志），2021 年 4 月 16 日）。然而，鉴于电力公司的基础设施老化，以及意外停电造成的客户不满和经济处罚方面的成本，这种情况可能会发生变化。在某些更关键的设备上采用状态监控传感器可能更具有经济上的意义。

下图说明了用状态监控来代替现场检查（或基于时间的预防性维护）或“运行至出故障为止”（或被动维护）的影响。预防性维护的目标是通过使设备保持良好的状态来减少故障。预防故障可降低成本，但很难确定适当的检查间隔。被动维护的设备维修或更换成本可能相当高，包括可能导致停电，但不需要考虑检查频率。状态监控可持续生成数据，使操作员能够观察趋势并即时了解设备问题。这样可以降低成本并延长设备的正常运行时间（参考：AIChE 的化学工程进展 (CEP) 杂志，2017 年 8 月）。

状态监控对维护和修理成本的影响

在电力设施中使用传感器

红外热像仪可以通过收集红外辐射来检测微小的温差，然后用不同的颜色生成电子图像，以显示这种温差。我们已经讨论了一些热成像的例子。此外，这些传感器可用于查找松动或腐蚀的电气连接、漏电等。随着电阻的增加，热量会积聚，使连接点处加速磨损，从而可能导致设备损坏。红外传感器可以检查出内部结构存在的隔热不良，后者导致寒冷天气下浪费供暖，以及在炎热天气下产生额外的空调 (AC) 成本。

溶解气体分析(DGA)传感器可利用气相色谱法检查油污，以监测变压器的运行状况。随着时间的推移，隔热材料会分解并释放出气体，因此通过成分和分布可以看出情况的程度和严重性。溶解气体分析(DGA)应纳入预防性维护计划，以确定可能的缺陷，避免变压器发生故障。

振动传感器也叫压电传感器或加速度计，可测量特定系统中的振动量和振动频率。这种传感器可用来寻找表明机器存在故障迹象的变化（例如轴承或齿轮箱开始出故障）。

电流传感器（也叫电流互感器 (CT)）用于检查线路或系统中的电流，以识别电流是否过高或过低，并根据需要触发控制系统或警报。

电压传感器用于监视或测量电源电压并计算电路上的功耗。它们可以检测负载和故障、控制功率需求和检测电源故障。

接地故障传感器可感测低量级接地故障（电气系统的低电阻接地路径断路，电流因此可能从其他路径通过，例如操作人员的身体）。这种传感器可通过触发警报，或通过打开断路装置关闭设备来保护人员免受严重伤害或死亡，或保护设备不被破坏。

气象传感器，如空气相对速度传感器（风速计）和湿度传感器（湿度计），也起着一定的作用。

智能传感器可以提供关键信息并上传到计算机网络。通过将智能传感器对准特定资产，可以远程读取仪表，并且可以查看开关，以确认其处于正确的打开或关闭位置。通过减少对远程设施的物理访问需求，可以改善员工的安全，同时仍可以提供关键数据。运动检测可以记录环境因素对系统的损害。在到达远程场所之前，先对问题进行目视检查，可以制定准备更加充分的解决方案（参考：Inframation Conference Archives – Infrared Training Center（红外会议档案 - 红外培训中心）(ITC)）。

例如，可以考虑天气对电网的影响。利用电网状态监控，传感器可以为电力公司提供足够的信息，以便在问题发生之前主动将其解决。这样，由于电网健康，天气原因不太可能导致问题和停电。虽然无论电网有多坚固，飓风等强烈风暴仍能破坏基础设施，但状态监控可以让电力公司在维修过程中能够进行资源的优先配置。对于因暴风雨、强风和碎片而对电站的上部结构造成的破坏，可以远距离获得影像，从而保护检查员免受可能的伤害。

最后，传感器可以用来保护电气基础设施免遭破坏。可以利用安防热像仪、安防视觉摄像头、围栏振动传感器、雷达等安防传感器来警告未经授权进入设施的行为。

考虑以下例子，这是美国能源部于 2009 年启动的智能电网投资拨款 (SGIG) 计划的一部分（参考：DOE, Distribution Automation: Results from the SGIG Program（能源部配电自动化：SGIG 计划结果），2016 年 9 月）。对于参与智能电网安装拨款计划的三家电力公司，其系统平均停电频率指数 (SAIFI) 与部署前的基准情况相比的百分比改善如下所示。智能传感器的使用降低了停电频率。

由于使用智能传感器而实现的停电次数减少的改善百分比

同一 SGIG 计划的第二张图显示了在电网中使用智能开关和智能仪表的影响。由于采取这种做法，风暴后受影响客户的供电恢复更快，如下所示。由于智能开关可将负载转移到未受影响的电路，近一半的电力公司客户几乎立即就恢复了供电，使工作人员能够专注于其他客户，从而更快地恢复这些用户的供电。

通过采用智能技术来避免停电

我们如何才能将这些传感器快速高效地联成一个网络？

如果电力公司尚未采用智能传感器和现场状态监控，他们将面临哪些问题和障碍？ 尽管好处多多，但状态监控的实现成本也许太高了。这些好处也许并不能证明值得支付额外费用来安装智能传感器、将其与现有传感器、软件和计算机网络集成到一起，以及在现有技术基础上培训操作员。

但是，已有一些新技术可用来解决这一情况。在采取这种措施之前，电力公司必须先解决以下问题：

• 数据累积——我们获得需要的数据了吗？
• 数据处理——我们分析数据和在此基础上采取行动的频率如何？
• 我们能否积累更多数据来提高总体绩效、效率、生产力、盈利能力、安全性、质量和可靠性？
• 如果我们需要更多数据和传感器，如何轻松实现？ 对于某些电力公司，答案可能如下文所示：
• 现有系统可以从许多不同类型的传感器收集数据，将这些数据转换为我们的资产管理系统可以使用的形式，并向本地设备控制系统提供反馈
• 企业正在从设备中收集数据，构建“数据湖”——既可以在本地，也可以在云中
• 这些数据在利用先进的软件进行分析后，可以用来提高性能、降低维护成本并减少资本支出

电力公司面临的一大困难是如何将来自不同供应商的多种传感器（特别是非智能传感器）的数据集成到自己的软件平台中。

为了将这些传感器联成一个网络，需要考虑多个因素（参考：DIANOMIC 网站：Edge 4.0 Features， Function and Business Requirements（Edge 4.0 的特色、功能和业务需求），2021 年 8 月 2 日）：

• 通用数据采集——电力公司需要从所有资产中采集数据，无论制造商、云提供商或软件工具包，无论是现有工具还是未来购买的工具
• 通用数据集成——他们必须接受、筛选和处理所有数据集，无论其格式如何，也无论是遗留、当前还是未来系统
• 数据迁移和 OT/IT 融合——一旦电力公司能够成功采集和集成数据，这一步就已经完成，使企业能够实现系统现代化，同时利用来自遗留系统和新系统的数据
• 多云/混合云/多重集成——解决方案必须适用于所有云提供商，同时提供适当的安全性并能实现不同提供商之间的通信

• 云间集成——该解决方案还必须允许云提供商之间，以及云和本地设备之间进行快速而可靠的沟通
• 多数据类型——该解决方案必须检测、处理和集成多种数据类型的时间序列数据、振动数据、视频、热辐射数据等
• 基于边缘的分布式机器学习/人工智能 (ML/AI) 的生命周期——必须能够收集多种类型的并行数据，并将其发送给合适的分析工具 无代码/低代码/源代码应用程序开发——该解决方案必须适应工程、运营、维护、IT 和管理方面的不同技能组合，让所有技能级别的人都能使用系统
• 纵向扩展和横向扩展管理——必须能够管理不同的边缘应用程序和配置、不同的资产和数据源，同时提供系统控制
• 不锁定供应商——通过开源实现跨越不同设备、云和方法的通信

现在已经有了一个解决方案

FLIR Bridge 是一款提供全面解决方案的工业物联网边缘网关，可将来自不同制造商的第三方传感器连接到同一个工业网络，是业内新型的解决方案。Bridge 可执行以下任务：

• 收集
• 转换
• 通知

Bridge 可将多个传感器的数据收集到同一个中心。其他竞争对手的设备也能提供边缘网关。但它们只能从自己的传感器中收集数据。FLIR 的 BRIDGE 既能从 FLIR 智能传感器热像仪，也能从其他类型的传感器中收集数据，并可在共享的网络上自动发现这些传感器/热像仪。

Bridge 通过采用强大的分析工具在边缘创建警报和提醒，以此来转换从传感器输入的数据。分析工具包括内置的软件，以及自定义代码和自定义机器学习模型。它可提供灵活的输出，包括处理后的数据、原始数据或两者同时输出。

Bridge 使多个传感器之间，以及 20 多种常见的工业资产监控系统（包括行业的标准状态监控软件平台，如 OSI PI Historian 和 OPC UA）之间的通信成为可能，从而提供有用的信息。它可提供灵活的数据路由和报告，以优化决策支持，并可同时向多个本地和云目的地提供数据。

下图展示了工业物联网边缘网关的工作原理：从红外热像仪和其他传感器收集数据，采用分析工具对其进行转换，并通过将结果传送到各个资产监测系统，从而为用户提供有用的信息。

结论

电力公司需要保证顺畅供电。停电会造成重大影响，损害客户满意度并招致经济处罚。电力设备的维护至关重要，检查和监控起着关键作用。与等待意外故障发生相比，主动维护的维修成本要低得多。

电力公司正在转向采用固定式热成像传感器的监控系统，而不是利用手持式热像仪进行定期现场检查。这样可以持续提供流动的数据，而不是定期分析单一的数据快照。

电力公司需要用智能红外热像仪和其他传感器来持续监控漏电、风暴破坏和其他供电干扰源。其目标是通过状态监控来帮助设施、发电站和变电站提高效率、优化性能并避免意外故障。

需要从多种类型的传感器获取可靠的数据，在不付出进行复杂编程的成本和时间的情况下安全、轻松地集成到网络中，这一点很关键。

现在可以利用一种新技术，轻松地将任何传感器的数据集成到电力公司的资产管理系统中。由该系统来处理来自智能传感器的数据和来自传统传感器的原始数据，从而实现通信。此边缘网关可通过持续提供实时数据来优化决策支持。