專利名稱：基于多判據(jù)融合的分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障診斷方法，特別涉及一種應(yīng)用于電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測和診斷技術(shù)，該方法采用多種判據(jù)，進(jìn)行融合判斷，提高了診斷結(jié)果的可信度，結(jié)合提出的兩級分布式系統(tǒng)結(jié)果，很好的滿足了發(fā)電廠的在線監(jiān)測的需求。
背景技術(shù)：
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間容易發(fā)生短路故障。匝間短路故障容易導(dǎo)致局部過熱，最后形成轉(zhuǎn)子接地故障。此外，匝間短路引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱不均勻，轉(zhuǎn)子彎曲和產(chǎn)生不平衡的磁拉力，所有以上這些因素將引起電機(jī)振動增加。由于轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障初期階段對機(jī)組正常運(yùn)行影響不大或故障特征不明顯往往容易被忽視，而隨時間的增加，許多匝間短路故障會進(jìn)一步發(fā)展，轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生，因此進(jìn)行匝間短路故障的早期預(yù)報是十分必要的。
“狀態(tài)監(jiān)測”就是在設(shè)備整個使用期內(nèi)連續(xù)不斷的對其進(jìn)行“健康狀況”的檢查和判斷。相對繼電保護(hù)而言，在事故的早期階段就發(fā)現(xiàn)事故和提前報警，這樣可以使設(shè)備維護(hù)人員選擇在最合適的條件下有準(zhǔn)備的停機(jī)與檢修。因此狀態(tài)監(jiān)測在工程實(shí)際中意義重大。
對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判斷，目前國內(nèi)外通用的檢測手段是在靜態(tài)工況下進(jìn)行，諸如在靜態(tài)工況下對繞組的絕緣、直流阻抗、交流阻抗和功耗等作常規(guī)的預(yù)防性試驗(yàn)，檢測周期一般為3～4年一次，由于試驗(yàn)周期較長，且作此類試驗(yàn)必須使發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)行，適合于發(fā)電機(jī)組大修期間的常規(guī)試驗(yàn)，或?qū)\(yùn)行狀態(tài)下預(yù)報出的短路故障進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)性診斷(停機(jī)后進(jìn)行)。由此可見，此類實(shí)驗(yàn)對運(yùn)行期間所發(fā)生的匝間短路故障，難以形成有效的監(jiān)測。
微分探測線圈法是阿爾布賴特首先提出的。國家機(jī)械部在1996年頒布了JB/T 8446-1996標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的診斷制定了2種診斷方法，對故障的確定具有指導(dǎo)意義。其中動態(tài)試驗(yàn)中采用微分探測線圈波形法。探測線圈的寬度比轉(zhuǎn)子的一個齒寬小，通常安裝在定子的槽楔或鐵心的內(nèi)表面，既可測磁通的徑向分量，也可測磁通的切向分量。檢測線圈可以放大每一個槽楔磁通密度變化率(或微分)。從線圈的輸出借助進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和故障診斷方法，可以診斷故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種應(yīng)用于電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測和診斷方法，該方法采用多種判據(jù)，進(jìn)行融合判斷，提高了診斷結(jié)果的可信度，結(jié)合提出的兩級分布式系統(tǒng)結(jié)果，很好的滿足發(fā)電廠的在線監(jiān)測的需要。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線監(jiān)測方法，其特征在于，該方法以分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)對置于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)定子間氣隙的微分探測線圈輸出的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行檢測。所述的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)包括一個上位機(jī)，其中設(shè)有多種判據(jù)相融合的故障診斷算法的軟件和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，該上位機(jī)通過RS485總線連接有多個數(shù)據(jù)采集模塊，每個數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)連接有一臺發(fā)電機(jī)組，構(gòu)成分布的多臺測量單元，由上位機(jī)對多臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一管理和進(jìn)行故障診斷，故障診斷的具體步驟如下1)數(shù)據(jù)采集模塊對各發(fā)電機(jī)的微分探測線圈輸出感應(yīng)電勢信號及有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流信息進(jìn)行采集；2)上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的周期，對所有測量單元進(jìn)行輪巡檢測，獲取各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)信息，分別存入對應(yīng)于該機(jī)組的測量信息數(shù)據(jù)庫；3)根據(jù)檢測的各發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率信息，獲得當(dāng)前工況L(k)，查詢上位機(jī)的故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，獲得對應(yīng)于該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形數(shù)據(jù)、波形閾值αw(Lk)、標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，勵磁電流變化閾值αi(Lk)；4)根據(jù)檢測到的各發(fā)電機(jī)組的微型探測線圈感應(yīng)電勢波形數(shù)據(jù)，對諧波進(jìn)行標(biāo)號，分別對應(yīng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子N，S極的槽號；5)對檢測到的感應(yīng)電勢波形和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫中該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形進(jìn)行比對，給出兩波形的相似程度，以及出現(xiàn)差異的具體諧波號，并對該部分進(jìn)行突出標(biāo)示；6)將檢測到的感應(yīng)電勢波形數(shù)據(jù)與其延遲半周期的波形疊加，對疊加后的波形進(jìn)行如下處理將小于該工況下波形閾值αw(Lk)的部分設(shè)置為0，則有故障的諧波部分將會超出0，形成突變，對突變部分及位置信息突出標(biāo)示；7)按照微分探測線圈的限定值法判斷取一個磁極上的一個線圈電壓與另一個磁極上相對應(yīng)的同號線圈電壓之差值與二者較大值之比，即 如果按上式算得比值大于下式所計(jì)算的數(shù)值時，判定被測轉(zhuǎn)子存在匝間短路 按上述公式計(jì)算一個周期，給出是否存在短路故障以及短路位置信息；8)將測得的勵磁電流值if和標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，如果滿足if-if0if0≥αi(Lk),]]>則存在匝間短路故障；
9)根據(jù)步驟5)、6)、7)、8)提供的四種故障診斷結(jié)果，查詢綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表，獲得最終診斷結(jié)果及詳細(xì)診斷信息。
本發(fā)明給出的基于多判據(jù)融合的分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線監(jiān)測方法，由于采用了多種信息源，多種判據(jù)進(jìn)行融合判斷，克服了以往采用單一方法診斷不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，使得診斷結(jié)果可信度更高，診斷結(jié)果信息更加豐富，同時采用兩級分布式結(jié)構(gòu)，很好的滿足了現(xiàn)場查看和廠級統(tǒng)一管理的需求。采用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)所有測量單元的統(tǒng)一管理和各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫的管理，為各機(jī)組建立了長期“健康狀況”檔案；充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，編制各種復(fù)雜融合算法，實(shí)現(xiàn)綜合診斷，為發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子短路故障提供有效提前預(yù)報。


圖1本發(fā)明故障診斷方法流程圖；圖2分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，圖中DAM為數(shù)據(jù)采集模塊，G為發(fā)電機(jī)；圖3測量單元的硬件組成框圖；圖4同步信號的提取電路圖；圖5前端信號調(diào)理電路圖；圖6上位機(jī)診斷畫面；圖7測量單元實(shí)物照片。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方法對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的方法以分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)對置于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)定子間氣隙的微分探測線圈輸出的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行檢測，所述的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)包括一個上位機(jī)，其中設(shè)有多種判據(jù)相融合的故障診斷算法的軟件和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，該上位機(jī)通過RS485總線連接有多個數(shù)據(jù)采集模塊，每個數(shù)據(jù)采集模塊上連接有一臺發(fā)電機(jī)組，構(gòu)成分布的多臺測量單元，由上位機(jī)對多臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一管理和進(jìn)行故障診斷。
系統(tǒng)采用的通訊網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)主從式結(jié)構(gòu)，從站不少于8個，通訊速率可改變，通訊距離可達(dá)1000米。
該監(jiān)測系統(tǒng)采用的故障診斷算法為多種判據(jù)相融合的方法，其故障診斷算法主要包括1)微型探測線圈輸出感應(yīng)電勢波形與同工況下標(biāo)準(zhǔn)無故障波形比對法；2)微型探測線圈輸出波形與其延遲半周期的波形疊加法，除故障分量外，波形應(yīng)均小于某一閾值水平；3)探測線圈波形限定值法取一個磁極上的一個線圈電壓與另一個磁極上相對應(yīng)的同號線圈電壓之差值與二者較大值之比應(yīng)小于 若不符合，則存在匝間短路；4)轉(zhuǎn)子繞組匝間發(fā)生短路故障后，轉(zhuǎn)子勵磁電流增加，無功減少；綜合應(yīng)用以上判據(jù)，查找綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表，獲得最終故障診斷結(jié)果。
上述故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫包含以下關(guān)系表①發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的關(guān)系表；②工況L(k)與有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流關(guān)系表；③工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表；④工況L(k)與波形閾值αw(Lk)關(guān)系表、⑤工況L(k)與勵磁電流變化閾值αi(Lk)關(guān)系表、⑥綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表；故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫按以下步驟建立1)安裝微型探測線圈，調(diào)整測量單元相關(guān)參數(shù)滿足測量要求，以后不再對其進(jìn)行改變；若改變，需重新建立該機(jī)組工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表；2)根據(jù)該發(fā)電機(jī)組已有磁化曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化，獲得發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的對應(yīng)數(shù)據(jù)，建立發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的關(guān)系表；3)在機(jī)組無故障狀態(tài)下，調(diào)整發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，錄取不同工況下標(biāo)準(zhǔn)無故障波形，同時記錄有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流，建立工況L(k)與有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流關(guān)系表和工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表；4)計(jì)算不同工況下，無故障波形與其延遲半周期的波形疊加后，幅值水平，確定該工況下的波形閾值αw(Lk)，建立工況L(k)與波形閾值αw(Lk)關(guān)系表；5)計(jì)算不同工況下，無故障時，轉(zhuǎn)子勵磁電流與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流之差與標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流的比值，確定該工況下的勵磁電流變化閾值αi(Lk)，建立工況L(k)與勵磁電流變化閾值αi(Lk)關(guān)系表；6)根據(jù)四種判據(jù)給出的診斷結(jié)果R1、R2、R3、R4，按以下方法建立到最終結(jié)果R的綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表若四個診斷結(jié)果中有三個及三個以上判斷有故障且故障位置相同，則最終診斷結(jié)果為確定級故障；若四個診斷結(jié)果中有三個及三個以上判斷有故障但故障位置不同，則最終診斷結(jié)果為嚴(yán)重可能級故障；若四個診斷結(jié)果中僅有一個或兩個判斷有故障，則最終診斷結(jié)果為輕微可能級故障；若四個診斷結(jié)果中均判斷無故障，則最終診斷結(jié)果為無故障。
以下是發(fā)明人給出的一個具體的實(shí)施例。
參見圖1，圖1是基于多判據(jù)融合的分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷方法流程，具體實(shí)施步驟如下1)通過分布于各機(jī)組的測量單元，對各發(fā)電機(jī)探測線圈輸出波形及有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流等信息進(jìn)行采集。
2)上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的周期(每1小時)，對所有測量單元進(jìn)行輪巡，獲取各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)信息，存入對應(yīng)于該機(jī)組的測量信息數(shù)據(jù)庫。
3)根據(jù)有功功率、無功功率信息，獲得當(dāng)前工況L(k)，查詢故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，獲得對應(yīng)于該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形數(shù)據(jù)、波形閾值αw(Lk)、標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，勵磁電流變化閾值αi(Lk)。
4)根據(jù)測量波形數(shù)據(jù)，對諧波進(jìn)行標(biāo)號，分別為1，1’___n，n’等，分別對應(yīng)于N，S極的槽號。具體方法為根據(jù)AD采樣速率、PT觸發(fā)采樣信號的位置、該發(fā)電機(jī)的齒槽數(shù)，可計(jì)算獲得該波形數(shù)據(jù)中，第一個槽對應(yīng)的諧波數(shù)據(jù)偏移量，以及后續(xù)各槽對應(yīng)諧波的數(shù)據(jù)間隔量。通過一次實(shí)際采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，即可獲得準(zhǔn)確的偏移量和間隔量信息，從而準(zhǔn)確的對波形諧波進(jìn)行編號處理，便于故障診斷中的定位。
5)對測量波形和該工況下的標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比對，給出兩波形的相似程度，以及出現(xiàn)差異的具體諧波號，并對該部分進(jìn)行突出標(biāo)示。
6)將測量波形與其延遲半周期(以半周期的采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行控制)的波形疊加，對疊加后的波形進(jìn)行如下處理將小于該工況下波形閾值αw(Lk)的部分設(shè)置為0，則有故障的諧波部分將會超出0，并突出顯示。
7)按探測線圈限定值法判斷取一個磁極上的一個線圈電壓與另一個磁極上相對應(yīng)的同號線圈電壓之差值與二者較大值之比。
如按上式算得比值大于下式所計(jì)算的數(shù)值時，可判定被測轉(zhuǎn)子存在匝間短路。
按上述公式計(jì)算一個周期，給出是否存在短路故障以及短路位置信息；8)將測得的勵磁電流值if和標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，如果滿足if-if0if0·≥αi(Lk),]]>則存在匝間短路故障；9)根據(jù)以上由各判據(jù)診斷的結(jié)果查找綜合規(guī)則表，獲得最終結(jié)果。
基于以上故障診斷方法完成的分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由一臺上位機(jī)和多個測量單元組成，滿足廠級現(xiàn)場查看及統(tǒng)一管理監(jiān)視的要求；下位機(jī)即測量單元是整個系統(tǒng)監(jiān)測的基礎(chǔ)，對置于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)定子間氣隙的微分探測線圈信號及發(fā)電機(jī)其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測，具有實(shí)時采樣、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲以及與上位機(jī)通信等功能。上位機(jī)即PC，通過串行通信接口與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)對多個數(shù)據(jù)采集模塊的集中管理和控制，并進(jìn)行故障診斷，具有友好的用戶界面。
整個系統(tǒng)采用RS485通信網(wǎng)絡(luò)，通信距離可達(dá)1000米，通訊速率最高可達(dá)115200bps，網(wǎng)絡(luò)采用主從式結(jié)構(gòu)，所有通信請求均由上位機(jī)PC發(fā)起，每個測量單元有獨(dú)立的地址，定時時間到后，上位機(jī)對所有的測量單元進(jìn)行輪巡，測量單元收到數(shù)據(jù)請求指令后，將所有測量數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。
測量單元的硬件組成如圖3所示，由同步信號(1)、增益調(diào)整電路(2)、信號調(diào)理電路(3)、AD采樣電路(4)、微控制器電路(5)、數(shù)據(jù)存儲電路RAM(6)、液晶顯示電路(7)、通信接口電路(8)、系統(tǒng)監(jiān)控(9)、鍵盤電路(10)、日歷時鐘電路(11)、偏置調(diào)整電路(12)、基準(zhǔn)電壓電路(13)、功率、電壓、電流信號轉(zhuǎn)換電路(14)、探測線圈(15)組成。
測量單元的采集觸發(fā)信號來源于電機(jī)PT信號；
測量單元定期(可選5s～5分鐘)采集相關(guān)信息，也可手動控制進(jìn)行采集，便于現(xiàn)場觀察故障情況；上位機(jī)定期(可選1小時～1天)對所有測量單元進(jìn)行輪巡，獲得各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)。
上述測量單元實(shí)物如圖7所示，實(shí)現(xiàn)功能如下1)對微分探測線圈輸出的電勢信號及發(fā)電機(jī)的有功功率，無功功率，轉(zhuǎn)子電壓，轉(zhuǎn)子電流，定子電壓，定子電流信息進(jìn)行采集；2)在屏幕上顯示微分探測線圈輸出的波形信息及其他采集信息；3)可對微分探測線圈輸出的信號幅度和偏置進(jìn)行數(shù)字化調(diào)整；4)可放大顯示部分波形信息；5)可存儲和回調(diào)顯示波形；6)響應(yīng)上位機(jī)請求，傳送相關(guān)采集結(jié)果。
探測線圈15的輸出波形信號經(jīng)過信號調(diào)理電路3進(jìn)入到AD進(jìn)行采樣，發(fā)電機(jī)的有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流輸入信號均為經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換過的4～20mA信號，經(jīng)過電阻取樣電路后，轉(zhuǎn)換為電壓信號，進(jìn)入AD采樣。
同步信號的電路如圖4所示，信號的輸入回路由電阻R1，光耦和D構(gòu)成，其中D是保護(hù)二極管，R1是限流電阻。在PT輸入信號的正半周，光耦導(dǎo)通電流，輸出低電平；在信號的負(fù)半周，D導(dǎo)通，光耦截至，輸出高電平。這樣，輸入的正弦波通過光耦被轉(zhuǎn)換成方波，該方波與原信號相比，相位反轉(zhuǎn)180。光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一般要取5mA-10mA左右，PT電壓輸入一般為100V，所以選擇限流電阻的大小應(yīng)當(dāng)在10K-20K之間。由于電流比較大，所以R1應(yīng)當(dāng)選擇至少2W的功率電阻。
光耦二次側(cè)輸出的方波通過74HC14(帶施密特觸發(fā)器的反相器)進(jìn)行沿整形。如圖所示，R2是上拉電阻，其大小的選擇取決于光耦，按照光耦的電流傳輸比30％計(jì)算，當(dāng)光耦輸入側(cè)通過10mA電流的情況下，光耦輸出側(cè)灌電流應(yīng)為3mA，所以R2的阻值最大應(yīng)當(dāng)選擇1.6K左右。整形后的方波通過T觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)二分頻。觸發(fā)器的輸出端Q與單片機(jī)的軟同步信號經(jīng)過或門接至單片機(jī)的外部中斷INT0引腳，利用其下降沿觸發(fā)INT0中斷，從而控制單片機(jī)采樣。
前端信號調(diào)理電路如圖5所示，主要由三部分組成儀用放大器信號調(diào)理電路3、增益數(shù)字控制電路2、偏置數(shù)字調(diào)整電路12組成。儀用放大器采用AD623，其增益可通過外接在+RG和-RG之間的增益電阻方便地在1～1000范圍內(nèi)設(shè)定。增益的計(jì)算公式如下G=1+100KΩRG]]>AD623在前端電路中的作用有三個。第一，以高共模抑制比、高閉環(huán)增益精度和高輸入阻抗對微型探測線圈輸出的小電壓信號進(jìn)行放大，以匹配ADC的輸入量程。第二，由于ADC以+4.096v電壓為參考對輸入模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，AD623通過加于REF管腳的數(shù)字可調(diào)電壓基準(zhǔn)對其輸入信號進(jìn)行偏置調(diào)整；第三，配合數(shù)字電位器，通過程序控制接入增益電阻RG的不同，實(shí)現(xiàn)增益的數(shù)字控制。
增益數(shù)字控制電路中選用數(shù)字電位器X9313，總阻值為100k，32抽頭，也即在前端信號處理電路中，與AD623配合，可實(shí)現(xiàn)32檔的可編程放大器，放大倍數(shù)可在2～1000倍范圍內(nèi)調(diào)整。
偏置數(shù)字調(diào)整電路采用MAX517實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)進(jìn)行程序控制輸出電壓的范圍。
通過以上分析可得如下ADC輸入電壓的計(jì)算公式uadm=um×(1+100kRG)+DACReg0FFH×4.096(V)···(3.2)]]>式中uadm-------------ADC的輸入信號
um---------------微型線圈輸出信號RG------------數(shù)字電位器接入調(diào)理電路部分的阻值DACReg-----max517轉(zhuǎn)換寄存器的值，范圍00H-0FFH采樣速率的確定根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)資料，可知完整信號頻率為50Hz，轉(zhuǎn)子繞組槽數(shù)為32-34，外加兩極間的大齒的影響，可知探測線圈經(jīng)過每槽的時間約占一個周期信號的1/50。由香農(nóng)采樣定理知，采樣頻率需大于5kHz(120ms/50×2=5kHz),]]>考慮到后續(xù)分析要求，確定采樣頻率為20×5kHz＝100kHz，則每個諧波可40點(diǎn)以上的分辨率，可以很好的分辨故障。
AD采樣電路4選用MAX197實(shí)現(xiàn)，8通道，12位精度，最高轉(zhuǎn)換速率為166k，其中通道0輸入信號為微型探測線圈輸出的波形信號，通道1輸入信號為發(fā)電機(jī)的有功功率，通道2輸入信號為發(fā)電機(jī)的無功功率，通道3為輸入信號為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓信號，通道4輸入信號為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流信號，通道5輸入信號為發(fā)電機(jī)的定子電壓信號，通道6輸入信號為發(fā)電機(jī)的定子電流信號。采樣順序?yàn)椋瑢νǖ?的微型探測線圈信號以100k的采樣頻率連續(xù)采樣50ms，由定時器和同步信號觸發(fā)采樣，采樣完成后，對通道1～6的信號各采樣一次，獲得結(jié)果；所有結(jié)果均存儲到RAM區(qū)。
存儲容量的選擇與分配測量單元存儲區(qū)分為實(shí)時波形區(qū)和歷史波形存儲區(qū)，要求實(shí)時波形區(qū)存儲深度為2.5周期，則需要的存儲容量為100k/s×50ms×2B＝10kB；歷史波形存儲區(qū)為最多存儲4組，每組存儲深度為2.5周期，則需要的存儲容量為10kB×4＝40kB，由于單片機(jī)可配置的最大數(shù)據(jù)存儲空間為64kB，因此選用64k的RAM，除去存儲波形占用的50k，剩余14k作為程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)空間使用。
由于測量單元需要動態(tài)顯示發(fā)電機(jī)組定轉(zhuǎn)子氣隙的磁場波形，考慮到測量波形比較復(fù)雜，及友好的人機(jī)界面，選用大屏幕圖形液晶模塊DMF50081作為人機(jī)接口。
上位機(jī)PC軟件采用C++Builder和Matlab相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，C++Builder主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面，數(shù)據(jù)庫的管理，測量單元的管理，串行通信等；Matlab實(shí)現(xiàn)診斷算法，C++Builder通過DDE的方式調(diào)用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)合。上位機(jī)的診斷界面如圖6所示，對歷史波形數(shù)據(jù)庫中的三號機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，界面中位于上方的波形為該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形，下方波形為當(dāng)前采集波形，經(jīng)過診斷分析，得知第三號發(fā)電機(jī)存在匝間短路故障，故障位置位于N極第5槽，詳細(xì)各判據(jù)的診斷結(jié)果可通過點(diǎn)擊“詳細(xì)內(nèi)容”按鈕獲得。
軟件包括如下功能1)測量單元的管理；2)測量信息數(shù)據(jù)庫的建立和填充，以可選的時間對所有測量單元進(jìn)行輪巡，獲得測量數(shù)據(jù)，存入測量信息數(shù)據(jù)庫；3)故障規(guī)則數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)；4)歷史數(shù)據(jù)的查詢和回調(diào)顯示；5)故障診斷結(jié)果包括綜合診斷結(jié)果故障級別(確定級故障、嚴(yán)重可能級故障、輕微可能級故障、無故障)，故障發(fā)生位置，詳細(xì)診斷結(jié)果包括每一種判據(jù)的診斷情況；6)故障診斷在獲得數(shù)據(jù)后自動進(jìn)行一次，若有故障，則給出聲音報警提示；同時可根據(jù)操作人員需要，隨時對所選取數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。
采用本發(fā)明提出的多判據(jù)融合的故障診斷算法，使得診斷結(jié)果更加豐富，更加可信，為發(fā)電機(jī)的故障預(yù)報提供了可靠的監(jiān)測手段。應(yīng)用所開發(fā)的分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，既滿足了現(xiàn)場實(shí)時查看的需要，又能實(shí)現(xiàn)全廠所有機(jī)組故障情況的統(tǒng)一管理和分析，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算分析功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的分析算法，獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，所開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，操作管理方面，人機(jī)界面友好。
權(quán)利要求
1.一種分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線監(jiān)測方法，其特征在于，該方法以分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)對置于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)定子間氣隙的微分探測線圈輸出的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行檢測；所述的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)包括一個上位機(jī)，其中設(shè)有多種判據(jù)相融合的故障診斷算法的軟件和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，該上位機(jī)通過RS485總線連接有多個數(shù)據(jù)采集模塊，每個數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)連接有一臺發(fā)電機(jī)組，構(gòu)成分布的多臺測量單元，由上位機(jī)對多臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一管理和進(jìn)行故障診斷，故障診斷的具體步驟如下1)數(shù)據(jù)采集模塊對各發(fā)電機(jī)的微分探測線圈輸出感應(yīng)電勢信號及有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流信息進(jìn)行采集；2)上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的周期，對所有測量單元進(jìn)行輪巡檢測，獲取各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)信息，分別存入對應(yīng)于該機(jī)組的測量信息數(shù)據(jù)庫；3)根據(jù)檢測的各發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率信息，獲得當(dāng)前工況L(k)，查詢上位機(jī)的故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，獲得對應(yīng)于該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形數(shù)據(jù)、波形閾值αw(Lk)、標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，勵磁電流變化閾值αi(Lk)；4)根據(jù)檢測到的各發(fā)電機(jī)組的微型探測線圈感應(yīng)電勢波形數(shù)據(jù)，對諧波進(jìn)行標(biāo)號，分別對應(yīng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子N，S極的槽號；5)對檢測到的感應(yīng)電勢波形和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫中該工況下的標(biāo)準(zhǔn)無故障波形進(jìn)行比對，給出兩波形的相似程度，以及出現(xiàn)差異的具體諧波號，并對該部分進(jìn)行突出標(biāo)示；6)將檢測到的感應(yīng)電勢波形數(shù)據(jù)與其延遲半周期的波形疊加，對疊加后的波形進(jìn)行如下處理將小于該工況下波形閾值αw(Lk)的部分設(shè)置為0，則有故障的諧波部分將會超出0，形成突變，對突變部分及位置信息突出標(biāo)示；7)按照微分探測線圈的限定值法判斷取一個磁極上的一個線圈電壓與另一個磁極上相對應(yīng)的同號線圈電壓之差值與二者較大值之比，即 如果按上式算得比值大于下式所計(jì)算的數(shù)值時，判定被測轉(zhuǎn)子存在匝間短路 按上述公式計(jì)算一個周期，給出是否存在短路故障以及短路位置信息；8)將測得的勵磁電流值if和標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流if0，如果滿足if-if0if0≥αi(Lk),]]>則存在匝間短路故障；9)根據(jù)步驟5)、6)、7)、8)提供的四種故障診斷結(jié)果，查詢綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表，獲得最終診斷結(jié)果及詳細(xì)診斷信息。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫包含以下關(guān)系表①發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的關(guān)系表，②工況L(k)與有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流關(guān)系表，③工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表，④工況L(k)與波形閾值αw(Lk)關(guān)系表，⑤工況L(k)與勵磁電流變化閾值αi(Lk)關(guān)系表，⑥綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表；所述的故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫按以下步驟建立1)安裝微型探測線圈，調(diào)整測量單元相關(guān)參數(shù)滿足測量要求，以后不再對其進(jìn)行改變；若改變，需重新建立該機(jī)組工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表；2)根據(jù)該發(fā)電機(jī)組已有磁化曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化，獲得發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的對應(yīng)數(shù)據(jù)，建立發(fā)電機(jī)電動勢E0與勵磁電流if0的關(guān)系表3)在機(jī)組無故障狀態(tài)下，調(diào)整發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，錄取不同工況下標(biāo)準(zhǔn)無故障波形，同時記錄有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流，建立工況L(k)與有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電壓、定子電流關(guān)系表和工況L(k)與標(biāo)準(zhǔn)無故障波形關(guān)系表；4)計(jì)算不同工況下，無故障波形與其延遲半周期的波形疊加后，幅值水平，確定該工況下的波形閾值αw(Lk)，建立工況L(k)與波形閾值αw(Lk)關(guān)系表；5)計(jì)算不同工況下，無故障時，轉(zhuǎn)子勵磁電流與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流之差與標(biāo)準(zhǔn)勵磁電流的比值，確定該工況下的勵磁電流變化閾值αi(Lk)，建立工況L(k)與勵磁電流變化閾值αi(Lk)關(guān)系表；6)根據(jù)四種判據(jù)給出的診斷結(jié)果R1、R2、R3、R4，按以下方法建立到最終結(jié)果R的綜合規(guī)則數(shù)據(jù)表若四個診斷結(jié)果中有三個及三個以上判斷有故障且故障位置相同，則最終診斷結(jié)果為確定級故障；若四個診斷結(jié)果中有三個及三個以上判斷有故障但故障位置不同，則最終診斷結(jié)果為嚴(yán)重可能級故障；若四個診斷結(jié)果中僅有一個或兩個判斷有故障，則最終診斷結(jié)果為輕微可能級故障；若四個診斷結(jié)果中均判斷無故障，則最終診斷結(jié)果為無故障。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò)，從站最大數(shù)目為8，通訊速率能夠根據(jù)需要改變，通訊距離達(dá)1000米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線監(jiān)測方法，該方法以分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)對置于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)定子間氣隙的微分探測線圈輸出的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行檢測；分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)包括一個上位機(jī)，其中設(shè)有多種判據(jù)相融合的故障診斷算法的軟件和故障診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，該上位機(jī)通過RS485總線連接有多個數(shù)據(jù)采集模塊，每個數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)連接有一臺發(fā)電機(jī)組，構(gòu)成分布的多臺測量單元，由上位機(jī)對多臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一管理和進(jìn)行故障診斷，主要用于解決發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，使得可以根據(jù)早期征兆進(jìn)行故障預(yù)報，并能對故障進(jìn)行診斷和發(fā)展?fàn)顩r監(jiān)測。本發(fā)明的方法具有實(shí)時采樣、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能，可信度更高。
文檔編號G01R31/06GK1869719SQ20061004298
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者司剛?cè)? 曹暉, 張彥斌, 賈立新 申請人:西安交通大學(xué)