JP2018044938A - 監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気設備内の機器の劣化、異常を監視することのできる監視システムを提供する。【解決手段】電気設備内に取り付けられ、音波を検出する音響センサ２１と、電気設備の通常運転時の音波の波形が予め記憶された記憶部２４と、音響センサ２１により検出した電気設備の音波の波形と、通常時の音波の波形とを比較し、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なるかを判定する比較判定部２５と、比較判定部２５が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、警報を発報する警報部２６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気設備内の機器の劣化や異常を監視するための監視システムに関する。

従来から、受変電設備の劣化や異常の診断としては、AE（Acoustic Emission）センサを用いた診断が知られている。AEセンサは、材料が変形する際の弾性波として発生する音を拾い、当該材質の変形度合いやひび割れを検出するセンサである。また、このAEセンサは、目視では確認が難しいモールド機器などの高圧機器の絶縁部の汚損や劣化により発生する部分放電の検出にも用いられる。

特許５７４６５２７号公報

上記のような従来までの受変電設備に対する劣化又は異常の監視は、定期点検時に点検員が現地まで赴き、点検員により劣化又は異常の診断を行い、設備の健全性や絶縁性能を確認していた。しかし、受変電設備内を確認するためには、活線近接作業を避けるため停電をとる必要があり、定期点検を頻繁に行うことが難しい。そのため、実際には１年に数回程度の劣化又は異常の監視しか行えないことも多かった。

また、受変電設備や無停電電源装置などの電気設備には、限られたスペースに非常に多くの用品が設けられており、例えば奥まった箇所に配置されている用品など、その全てについて目視で劣化や異常を確認することはできなかった。

本発明の解決しようとする課題は、電気設備内の機器の劣化、異常を監視することのできる監視システムを提供することである。

本実施形態の監視システムは、次の構成を備えることを特徴とする。
（１）電気設備内に取り付けられ、前記電気設備の機器の発する音波を検出する音響センサ。
（２）前記電気設備の通常運転時の音波の波形が予め記憶された記憶部。
（３）前記音響センサにより検出した前記電気設備の音波の波形と、前記通常時の音波の波形とを比較し、検出した前記音波の波形が前記通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なるかを判定する比較判定部。
（４）前記比較判定部が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、警報を発報する警報部。

第１の実施形態に係る監視システムの機能ブロック図である。 音響センサの取付位置を説明するための図である。（ａ）は、電気設備が受変電設備の変圧器の場合を示す図である。（ｂ）は、電気設備が無停電電源装置の場合を示す図である。 第１の実施形態に係る監視システムの動作フローチャートである。 （ａ）は劣化又は異常の判定方法を説明するための図である。（ｂ）は異常の発生した機器を判別する方法を説明するための図である。 第３の実施形態に係る監視システムの機能ブロック図である。

［１．第１の実施形態］
［１−１．構成］
以下では、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態に係る監視システムの構成について説明する。

本実施形態に係る監視システムは、電気設備内の機器の発する音波を検出し、その音波の波形に基づいて、当該機器の劣化又は異常を診断するシステムである。本監視システムは、電気設備内の機器の発する音波を検出するセンサと、その検出した音波に基づいて、電気設備内の機器の劣化又は異常を診断する監視装置本体とを備える。

監視装置本体は、単一のコンピュータ又はネットワーク接続された複数のコンピュータ及び表示装置を含み構成されている。監視装置本体は、プログラム及びデータベースをＨＤＤやＳＳＤ等に記憶しており、ＲＡＭに適宜展開し、ＣＰＵで処理することにより、後述する音波の波形の比較及び判定など、必要な演算を行う。監視装置は、電気設備に設けても良いし、中央監視装置のような外部装置に設けても良い。

監視システムについて、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る監視装置の機能ブロック図である。図１に示すように、本監視システムは、音響センサ２１と、送信装置２２と、受信装置２３と、記憶部２４と、比較判定部２５と、警報部２６と、周波数分析部２７と、振幅判定部２８と、異常機器判別部２９と、送信装置３０とを備えている。

本実施形態では、音響センサ２１及び送信装置２２は、電気設備に設けられ、それ以外の構成２３〜３０については、監視装置本体を構成し、電気設備とは離隔した場所に設けられるものとして説明する。但し、監視装置本体の各構成すべてを電気設備に設けるようにしても良い。

音響センサ２１は、音波を検出するセンサである。音響センサ２１としては、例えば小型マイクロフォンを用いることができる。音響センサ２１は、電気設備内に設けられ、電気設備内の機器の発する音波を検出する。音響センサ２１は、電気設備内に１つ設けても良いし、複数設けても良い。音響センサ２１を複数設ける場合には、電気設備内の機器の種類毎或いは機器毎に設けても良い。

電気設備としては、受変電設備や無停電電源装置（UPS）が挙げられる。その他、停電させることが好ましくない設備や、非常に多くの用品で構成され、その劣化又は異常の診断が目視で行えない設備に対して本実施形態を適用することができる。

図２は、音響センサ２１の取付位置を説明するための図である。電気設備が受変電設備である場合、図２（ａ）に示すように、音響センサ２１は、受変電設備の変圧器の鉄心１１又はその近傍に音響センサ２１の受音部を鉄心１１に向けて設ける。変圧器の鉄心１１が変圧器の励磁音の発生源であるからである。また、電気設備が無停電電源装置である場合、図２（ｂ）に示すように、インバータ１２又はその近傍に音響センサ２１の受音部をインバータ１２に向けて設ける。インバータ１２が無停電電源装置の音の発生源であるからである。

送信装置２２は、電気設備に設けられ、音響センサ２１が検出した音の情報を監視装置本体に送信する。送信装置２２は、検出した音の情報を常時監視装置本体に送信しても良いし、電気設備が稼働していない場合には送信しないようにしても良い。また、送信装置２２は、音響センサ２１で検出した音の音圧レベルが一定以上である場合に送信するようにしても良い。受信装置２３は、監視装置本体に設けられ、送信装置２２から音響センサ２１が検出した音の情報を受信する。送信装置２２及び受信装置２３は、有線又は無線で構成することができる。なお、監視装置を電気設備に設ける場合には、送信装置２２及び受信装置２３を省略することができる。

記憶部２４には、電気設備の通常運転時の音波の波形が予め記憶されている。この音波の波形は、電気設備内の機器の劣化や異常の診断を行う基準波形である。すなわち、当該音波の波形は、音響センサ２１により検出された音波に機器の劣化又は異常が見られるかを判断する基準となる波形である。記憶部２４は、定期的に通常運転時の音波の検出を行い、基準波形の追加或いは更新がされるようにしても良い。例えば、音響センサ２１により通常運転時の音波の検出を行い、送信装置２２及び受信装置２３を介して当該音波の情報を記憶部２４に記憶させることができる。

また、記憶部２４には、電気設備内の機器毎に、その種類と、異常が発生する周波数との対応関係が予め記憶されている。この対応関係には、当該機器が配置されている場所も含めると良い。劣化又は異常の発生した機器が特定でき、ピンポイントで整備ポイントを把握できるようにするためである。その他、記憶部２４には、各種の閾値が予め記憶されている。

比較判定部２５は、音響センサ２１により検出した電気設備の音波の波形と、記憶部２４に記憶された通常時の音波の波形とを比較する。そして、比較判定部２５は、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なるかを判定する。この所定の幅は、適宜設計変更可能である。例えば、機器の劣化を示す幅と異常を示す幅とは異なる幅にすることができる。比較判定部２５は、当該所定の幅を超えて検出した音波の波形が通常時の音波の波形と異なると判定した場合は、警報部２６に警報を発報する指令を出力する。また、比較判定部２５は、各機器の劣化を示す波形と異常を示す波形とをパターンとして記憶部２４に予め記憶させておき、パターンマッチングにより、劣化の進行度や異常を特定するようにしても良い。

警報部２６は、比較判定部２５が、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なると判定した場合に、警報を発報する。警報の態様は、音によって監視員に伝達しても良いし、監視装置の表示装置に点滅や文字表示等により伝達しても良い。また、遠隔にあるスピーカに信号を出力し、当該スピーカを通じて電気設備から離れた場所にいる監視員に知らせるようにしても良い。警報の態様は、公知となっているあらゆる態様を採用することができる。

周波数分析部２７は、音響センサ２１により検出した電気設備の音波の波形をスペクトル解析により周波数分析し、周波数毎に振幅を求める。具体的には、比較判定部２５で所定の幅を超えていると判定された音波部分を抽出し、当該部分についてスペクトル解析を行う。

振幅判定部２８は、周波数毎に周波数分析部２７により求めた振幅が、予め設定された所定の閾値を超えるかを判定する。

異常機器判別部２９は、振幅判定部２８により振幅が所定の閾値を超えると判定された場合に、当該閾値を超えたときの周波数を異常が発生する周波数とし、記憶部２４に記憶された対応関係に基づいて、異常が発生した機器を判別する。異常機器判別部２９は、異常が発生した機器の判別後、当該機器に異常が発生した旨を監視装置本体の表示装置に表示する。

送信装置３０は、比較判定部２５が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、その音波の情報を外部装置に送信する。異常があった機器の音の情報を外部に送信するのは、異常があった機器の異常の検証を行うためである。外部装置とは、例えば中央監視装置である。

［１−２．動作］
本監視装置の動作について、図３および図４を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る監視装置の動作フローチャートである。この動作順序は一例であり、これに限定されない。

図３に示すように、まず、音響センサ２１により、電気設備の運転音の検出を行い（ステップＳ０１）、送信装置２２及び受信装置２３を介して、検出した音波の情報を比較判定部２５に入力する。比較判定部２５は、記憶部２４から通常運転時の音波の波形を取得し、図４（ａ）に示すように、当該波形と入力された音波の波形とを比較し、所定の幅を超えて異なっているかを判定する（ステップＳ０２）。

所定の幅を超えていない場合には、比較判定部２５は運転音に異常がなく、電気設備の機器に劣化又は異常が発生していないと判定し（ステップＳ０２のＮｏ）、ステップＳ０１に戻る。一方、所定の幅を超えている場合は、比較判定部２５は電気設備の機器に劣化又は異常が発生していると判定し（ステップＳ０２のＹｅｓ）、警報を発報する指令を警報部２６に出力する。警報部２６は当該指令を受けて警報を発報する（ステップＳ０３）。

また、所定の幅を超えていると比較判定部２５が判定する場合、周波数分析部２７により、検出した音波に異常が見られる箇所を抽出し、当該波形部分の周波数分析を行う（ステップＳ０４）。すなわち、当該波形部分のスペクトル解析を行い、周波数毎に振幅を求める。そして、振幅判定部２８により、記憶部２４から予め設定された閾値を取得し、図４（ｂ）に示すように、周波数毎に求めた振幅が当該閾値を超えるかを判定する（ステップＳ０５）。当該閾値を超えないと判定した場合（ステップＳ０５のＮｏ）、その周波数についてはその後の処理を終了する。

一方、当該閾値を超えると判定した場合（ステップＳ０５のＹｅｓ）、異常機器判別部２９により、異常が発生した当該閾値を超える周波数と、記憶部２４に予め記憶された機器の種類とその機器の異常が発生する周波数との対応関係に基づいて、異常が発生した機器を判別する（ステップＳ０６）。そして、異常機器判別部２９によって、判別した機器を監視装置本体の表示装置に表示させて監視員に異常が発生した機器を通知する（ステップＳ０７）。また、比較判定部２５が、検出した音波の波形が通常時の音波の波形と所定の幅を超えて異なる場合に、その音波の情報を送信装置３０により外部装置に送信し（ステップＳ０８）、終了する。

［１−３．効果］
（１）本実施形態の監視装置は、電気設備内に取り付けられ、電気設備の機器の発する音波を検出する音響センサ２１と、電気設備の通常運転時の音波の波形が予め記憶された記憶部２４と、音響センサ２１により検出した電気設備の音波の波形と、通常時の音波の波形とを比較し、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なるかを判定する比較判定部２５と、比較判定部２５が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、警報を発報する警報部２６と、を備えるようにした。

これにより、電気設備内の機器の状態を音で常時監視することができ、電気設備を停止させることなく、電気設備内の機器の劣化や異常を検知することができる。特に、電気設備が受変電設備である場合、通常、受変電設備は活線状態にあるため、点検等を行う場合には停電させた上で行う必要があり、定期点検を頻繁に行うことは難しかったが、本実施形態によれば、常時監視することができるので、停電させることなく点検を行うことができる。その結果、電気設備内の機器の劣化や異常を早期に検知することができ、当該機器の更新の必要性を迅速に判断することができる。

（２）記憶部２４には、電気設備内の機器毎に、その種類と、異常が発生する周波数との対応関係を記憶するようにし、本実施形態の監視装置は、検出した音波の波形から異常が発生した部分を抽出して当該部分を周波数分析し、周波数毎に振幅を求める周波数分析部２７と、周波数毎に求めた振幅が予め設定された所定の閾値を超えるかを判定する振幅判定部２８と、振幅判定部２８が周波数毎の所定の閾値を超えると判定した場合に、当該周波数を異常が発生する周波数とし、対応関係に基づいて、異常が発生した機器を判別する異常機器判別部２９と、を備えるようにした。

これにより、電気設備内において異常が発生した機器を判別することができる。すなわち、検出した音波の波形が通常時の音波の波形と異なる箇所は、電気設備の機器の異常が反映されたと推定される箇所であり、当該部分を抽出し、異常が見られる周波数を振幅判定部２８により特定するようにしている。また、機器の種類に応じて、異常が発生する周波数が決まっているため、異常機器判別部２９により、異常が発生した当該閾値を超える周波数と、記憶部２４に予め記憶された機器の種類とその機器の異常が発生する周波数との対応関係に基づいて、異常が発生した機器を判別することができる。そのため、異常が発生していることが判明したものの、どの機器に異常が発生したかが分からないといった事態を防止でき、点検員による対象機器の点検などの対処をしやすくすることができる。例えば、受変電設備や無停電電源装置は、非常の多くの機器から構成されており、異常が発生した機器が特定できるので、迅速に交換などの対応をすることができる。

（３）本実施形態では、音響センサ２１で検出した音波の情報を監視装置本体に送信する送信装置２２と、送信装置２２により送信された音波の情報を受信する受信装置２３と、を備えるようにした。これにより、検出した音の情報を入手できるので、点検員が現地まで赴くことなく、電気設備内の機器の劣化や異常を検知することができる。また、点検員が現地まで赴く必要もないので、電気設備の運転を停止させることなく、機器の劣化や異常を検知することができる。

（４）比較判定部２５が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、その音波の情報を外部装置に送信する送信装置３０を備えるようにした。これにより、監視装置自体が異常のあった音波の情報を分析する構成を有していない場合であっても、外部装置にその分析を委託することができる。

［２．第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態の基本構成と同じである。以下では、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、警報部２６は、音響センサ２１により検出した音波の波形が前記通常時の音波の波形に対して所定の幅を超える場合に、その超えた時間が所定時間以内であれば、警報の発報をしない。具体的には、第１の実施形態では、比較判定部２５が、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えると判定する場合には、比較判定部２５により警報部２６に警報を発報させる信号を出力するようにしたが、その超えた時間が所定時間以内であれば、当該信号を出力しないようにする。所定時間とは、例えば、数ｍｓとすることができるが、これに限定されず、秒単位、分単位などとしても良い。

本実施形態によれば、電気設備の外部要因による振動を除外して、機器の劣化又は異常を検知しやすくすることができる。すなわち、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定幅を超える場合であっても、短い時間であれば、偶発的に生じた変動によるものと考えられる。換言すれば、電気設備内の機器の劣化や異常は、短い時間ではなく長期にわたって音波の波形に現れると考えられることから、短い時間内の変動は電気設備の外部要因による変動であると推定できる。このような場合に警報の発報をしないようにしたので、外部要因による誤報を防止することができる。

［３．第３の実施形態］
第３の実施形態について、図５を用いて説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態の基本構成と同じである。以下では、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図５は、第３の実施形態に係る監視装置の機能ブロック図である。第３の実施形態では、電気設備内に設けられている遮断器の開閉状態信号の入力を受ける入力部３１と、入力部３１で入力を受けた前後で検出した音波の波形に変化があるかを判定する波形変化判定部３２と、波形変化判定部３２が、変化ありと判定する場合に、検出した音波の波形から、その変化前後の所定時間分を除く加工をする波形加工部３３と、を備える。

遮断器の開閉状態の変化は、入力部３１に遮断器の開閉状態信号の入力があったことをもって判断できる。例えば、通常運転中、遮断器は閉状態にあるので、当該信号の入力があれば、閉状態へ変化すると分かる。変化前後の所定時間は、例えば１０秒とし、適宜設計変更可能である。

入力部３１は、遮断器の開閉状態信号の入力があった場合は、その旨の信号を波形変化判定部３２に出力する。波形変化判定部３２は、入力部３１からの信号を受けて、検出した音波の波形の変化の有無を判定する。波形変化判定部３２は、変化ありと判定する場合には、波形加工部３３に加工を要求する信号を出力し、変化なしと判定する場合には、警報部２６に警報の発報を要求する信号を出力する。

比較判定部２５は、波形加工部３３により加工された音波の波形を用いて、第１の実施形態と同様の比較を行う。すなわち、比較判定部２５は、波形加工部３３により加工された音波の波形と、通常運転時の音波の波形とを比較する。

なお、入力部３１が遮断器の開閉状態信号の入力を受けていないときは、波形変化判定部３２及び波形加工部３３は動作せず、比較判定部２５は、第１の実施形態と同様に比較及び判定を行う。

警報部２６は、波形変化判定部３２が、入力部３１が入力を受けた前後で検出した音波の波形に変化がないと判定した場合に、警報を発報する。

本実施形態によれば、遮断器の動作に伴う音を除外することができる。すなわち、遮断器の動作時には、その遮断器の接点を開閉させる駆動機構が動作し、その動作音が大きく、他の機器の異音が埋もれてしまう場合があり得るが、そうした事態を防止することができる。

また、警報部２６は、波形変化判定部３２が変化なしと判定する場合に、警報を発報するようにした。これにより、遮断器の駆動機構に異常があるかどうかを判定することができる。例えば、通常運転中、遮断器は閉状態にあるので、入力部３１に遮断器の開閉状態信号の入力があったことをもって、遮断器の駆動機構が動作したこと、すなわち、遮断器が開状態になったと推定できる。ところが、波形変化判定部３２が、遮断器からの開閉状態信号の入力があったにも関わらず、検出した音波の波形に変化が無い場合には、遮断器の駆動機構が動作せず、遮断器の駆動機構の動作音を検出していないと判断できる。このように本実施形態によれば、遮断器の駆動機構の異常があったと判断することができる。

［４．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

（１）第１乃至第３の実施形態では、振幅判定部２８により、異常があったと判定される周波数に基づいて、異常のある機器を判別するようにしたが、異常があったと判定される周波数に複数の機器の種類が該当する場合もありうる。その場合は、異常の現れる周波数、機器の種類、及び当該周波数における振幅の大きさの対応関係を予め記憶部２４に記憶させておき、当該対応関係に基づいて、異常のある機器を判別するようにしても良い。すなわち、機器の種類によって、異常の現れる周波数が同じであっても、その程度である振幅レベルは異なると考えられることから、異常機器判別部２９は、この性質を利用して異常のある機器を判別するようにしても良い。

（２）第２の実施形態では、警報部２６は、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超える場合に、その超えた時間が所定時間以内であれば、警報の発報をしないようにしたが、これを実現する構成として、例えば、検出した音波の波形が通常時の音波の波形に対して所定の幅を超える場合、当該部分を除外する加工を行い、その加工を行った音波の波形を比較判定部２５での比較に用いるようにしても良い。このようにすることで、波形が異なる部分は比較されないので、外部要因によって警報が発報されることを防止することができる。

１１…鉄心
１２…インバータ
２１…音響センサ
２２…送信装置
２３…受信装置
２４…記憶部
２５…比較判定部
２６…警報部
２７…周波数分析部
２８…振幅判定部
２９…異常機器判別部
３０…送信装置
３１…入力部
３２…波形変化判定部
３３…波形加工部

Claims (9)

1. 前記電気設備内に取り付けられ、前記電気設備の機器の発する音波を検出する音響センサと、
   前記電気設備の通常運転時の音波の波形が予め記憶された記憶部と、
   前記音響センサにより検出した前記電気設備の音波の波形と、前記通常時の音波の波形とを比較し、検出した前記音波の波形が前記通常時の音波の波形に対して所定の幅を超えて異なるかを判定する比較判定部と、
   前記比較判定部が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、警報を発報する警報部と、
   を備えることを特徴とする監視システム。
2. 前記記憶部には、前記電気設備内の機器毎に、その種類と、異常が発生する周波数との対応関係が記憶され、
   検出した音波の波形から異常が発生した部分を抽出して当該部分を周波数分析し、周波数毎に振幅を求める周波数分析部と、
   周波数毎に前記振幅が予め設定された所定の閾値を超えるかを判定する振幅判定部と、
   前記振幅判定部が周波数毎の所定の閾値を超えると判定した場合に、当該周波数を異常が発生する周波数とし、前記対応関係に基づいて、異常が発生した機器を判別する異常機器判別部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の監視システム。
3. 前記警報部は、検出した前記音波の波形が前記通常時の音波の波形に対して所定の幅を超える場合に、その超えた時間が所定時間以内であれば、警報の発報をしないこと、
   を特徴とする請求項１又は２記載の監視システム。
4. 前記電気設備内の遮断器の開閉状態信号の入力を受ける入力部と、
   前記入力を受けた前後で検出した音波の波形に変化があるかを判定する波形変化判定部と、
   前記波形変化判定部が、変化ありと判定する場合に、検出した音波の波形から、その変化前後の所定時間分を除く加工をする波形加工部と、
   を備え、
   前記比較判定部は、前記波形加工部により加工された音波の波形を前記比較に用いること、
   を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の監視システム。
5. 前記警報部は、前記波形変化判定部が変化なしと判定する場合に、警報を発報すること、
   を特徴とする請求項４記載の監視システム。
6. 前記電気設備は、受変電設備であること、
   を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の監視システム。
7. 前記電気設備は、無停電電源装置であること、
   を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の監視システム。
8. 前記音響センサで検出した音波の情報を監視装置本体に送信する送信装置と、
   前記送信装置により送信された前記音波の情報を受信する受信装置と、
   を備えること、
   を特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の監視システム。
9. 前記比較判定部が所定の幅を超えて異なると判定した場合に、その音波の情報を外部装置に送信する送信装置を備えること、
   を特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の監視システム。

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