基于Labwindows/CVI的發電機勵磁系統故障診斷

張俊良， 李曉波， 李志軍

(1.河北工業大學電工廠，天津 300130;2.河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130)

0 引言

勵磁系統是電廠發電機組重要組成部分，勵磁系統運行的狀態好壞直接或間接的影響發電機的運行狀態，同時也影響電力系統的安全穩定。在發電機勵磁系統功率單元中最常見的故障有晶閘管直通和晶閘管開路故障［1］。發生晶閘管直通故障時，瞬間將造成相電壓短路，短路電流使保護電路動作;發生晶閘管開路故障時(如晶閘管器件門極損壞或觸發脈沖丟失等故障)，功率單元仍然工作，但輸出勵磁電壓的脈動增大，平均值降低，這種帶病工作導致勵磁電壓波形產生畸變，從而導致發電機工作在不穩定狀態，同時也加大了對電網的干擾［2］。因此，通過對勵磁系統功率單元故障的分析和推理診斷，設計出一種基于Labwindows/CVI的發電機勵磁系統的故障診斷系統將顯得尤為重要。

1 勵磁系統功率單元故障的仿真分析

1.1 故障的分類

河北工業大學電工廠設計和生產的WLZ型勵磁系統采用的是雙橋并聯三相橋式全控整流電路。在這個整流電路中，如果A、B兩組整流橋同時發生故障，這種故障會嚴重影響系統的正常工作，對系統的機端電壓也會造成一定的影響，屬于嚴重故障，需要停機檢修。本文在不考慮同時發生故障的情況下，一組整流橋正常工作，而另一組發生故障時可以分為以下21種(主要討論最多兩個晶閘管故障):(1)僅一只晶閘管故障，分為6個故障單元:VT1故障，VT2故障，VT3故障，VT4故障，VT5故障，VT6故障;(2)接在同一半橋中的2只晶閘管故障，分為6個故障單元:VT1與VT3故障，VT1與VT5故障，VT3與VT5故障，VT4與VT2故障，VT4與VT6故障，VT2與VT6故障;(3)接到同一相電壓的兩個晶閘管故障，分為3個故障單元:VT1與VT4故障，VT3與VT6故障，VT5與VT2故障;(4)接在交叉2個晶閘管故障，分為6個故障單元:VT1與VT6故障，VTl與VT2故障，VT3與VT4故障，VT3與VT2故障，VT5與VT4故障，VT5與VT6故障。

1.2 故障仿真分析

圖1是在MATLAB/Simulink下通過powerlib庫建立的發電機勵磁系統功率單元仿真圖［3］。三相整流電路的電源分別為U(A)=30sin(wt)、U(B)=30sin(wt+120°)、U(C)=30sin(wt－120°)，頻率為50 Hz;Synchronized 6-Pulse Generator單元為晶閘管觸發單元，alpha_deg為觸發角，通過它可以輸入仿真時的觸發角，而Block口通常設置為0，Pulses為 Synchronized 6-Pulse Generator的輸出口，從Pulses口就可以得到相應觸發角下的觸發脈沖。Pulses的輸出信號通過USY單元的索引輸出就可以得到三相整流電路的各個晶閘管的脈沖［4］。因為負載中感性部分較大，仿真時間設置為10 s，仿真算法選用的是ode23。

圖1 發電機勵磁系統功率單元仿真

限于篇幅，本文只在斷開A橋的VTA1管和B橋的VTB1管的脈沖狀態下進行了仿真，這兩個晶閘管在這12個晶閘管中具有代表性的作用。仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 VTA1故障時A橋輸入端IA1、IB1、IC1

圖3 VTB1故障時A橋輸入端IA1、IB1、IC1

通過仿真發現，A組輸入三相電流中，IB1，IC1兩相輸入電流對比正常狀態的波形均為正常。只有IA1輸入電流不正常，在斷開VTA1管脈沖條件下，IA1相波形由階梯波變為方波，峰峰值從I到－I變為從0到－I;在斷開VTB1管脈沖條件下，IA1相階梯波峰峰值從－I到I變為從－I到2I(取正常情況下輸入電流的峰值為2I)。

1.3 故障推理及診斷方法

通過對21種故障仿真可以得出A組的三相輸入電流IA1、IB1、IC1的波形各有7種狀態，A組整流橋的電流正負兩端輸出波形分別有3種狀態。經過分析在A、B兩個整流橋有一個正常工作而另外一個出現故障時，在A組的三相輸入電流IA1、IB1、IC1對應的波形和峰峰值與21種故障存在著對應關系?？梢圆捎萌噍斎腚娏鱅A1、IB1、IC1的峰峰值作為故障診斷的特征信號，如表1所示。為了敘述方便將連接在整流橋的輸出直流正端的晶閘管記為+A、+B、+C(A、B、C 表晶閘管的連接的輸入端)，同樣連接在負端的記為－A、－B、－C。

表1 特征值對應的故障

2 基于虛擬儀器的故障診斷方法實現

2.1 虛擬儀器及其專用軟件Labwindows/CVI的簡介

虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)是計算機、儀器技術和通信技術相結合的產物。虛擬儀器的目的是利用計算機強大的資源使硬件技術軟件化，分立元件模塊化，降低程序開發的復雜程度，增強系統的功能和靈活性。

Labwindows/CVI是National Instruments公司(美國國家儀器公司，簡稱NI公司)推出的交互C語言開發平臺。Labwindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺用于數據采集分析和顯示的測控專業工具有機地結合起來，利用它的集成化開發環境、交互式編程方法、函數面板和豐富的庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發設計人員編寫檢測系統、自動測試環境、數據采集等程序，提供了一個理想的軟件開發環境。利用這些庫函數不僅可以實現常規的程序設計，還可以實現更加復雜的數據采集和儀器控制系統的開發［5］。

2.2 發電機勵磁系統功率單元故障診斷系統的硬件組成

本系統由數據采集卡、信號調理電路和PC機組成，其硬件配置如圖4所示。數據采集卡采用美國NI公司的PCI-6070E采集卡，PCI-6070E是一種基于計算機PCI總線的數據采集卡，它可直接插在計算機的PCI插槽上使用，它具有12位16路最大采集頻率1.25 MS/s的A/D接口，同時還具有8位數字I/O接口。

圖4 Labwindows/CVI的數據采集系統

信號調理電路的功能主要有:將被測裝置中的電壓、電流信號，經隔離轉化為標準的電壓、電流信號;波形轉換;濾波;對數字信號進行必要的整形或電平調整等。圖5為信號調理電路原理圖。

這里主要介紹勵磁電流適配、調理電路的設計，如圖6所示。晶閘管整流橋的輸出電流(IE)通過取壓電阻R1，經跟隨器U3D、匹配電阻R69、R70、跟隨器U4A生成勵磁電流匹配信號的電壓信號(Uie)。電流電壓變換系數Kie=0.136，空載額定時勵磁電流實測值IE為8.7 A，適配后Uie為1.18 V。

2.3 發電機功率單元的故障診斷系統的軟件開發

2.3.1 軟件的總體設計

軟件部分主要由數據采集塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊及數據分析模塊(故障分析模塊)等四部分組成。數據采集模塊主要負責勵磁系統(主要是功率單元)的各種模擬和數字量的采集主要有A1、B1、C1三相交流電輸入、晶閘管輸出電壓(整流電壓/勵磁電壓)、勵磁電流和相關的數字量等相關信號。數據顯示模塊主要負責根據不同的需要接收數據采集模塊傳送的數據并實時顯示數據的波形。數據存儲模塊將數據采集模塊采集到的數據按照NI公司的TDMS文件格式存入計算機硬盤。數據分析處理模塊主要負責對采集上來的信號進行分析，同時按照邏輯推理的原理來進行相關的故障診斷，并將系統的運行情況快速反饋給顯示模塊，達到一個很好的人機交互。具體各模塊之間的關聯如圖7所示。

2.3.2 DAQmx 數據采集程序設計

圖7 各模塊之間的關聯

在進行連續數據采集過程中，數據采集是無間斷地返回數據，整個過程循環使用緩存。在采集之前應指定一個循環使用的緩沖區，緩存大小與采樣頻率以及采樣時取走的采樣點有關。連續數據采集開始之后，將采集卡采集到的數據存入這塊緩存內，如果要進行數據保存或存儲時，使用這種循環緩沖區技術，循環交替取走緩存內的數據，可以實現連續數據的采集和存儲，在本設計中這些數據都被送入了線程安全隊列，供給多線程使用。Labwindows/CVI中連續數據采集流程圖如圖8所示。使用Labwindows/CVI編寫連續數據采集子線程程序時，主要調用了NI-DAQmx中的 DAQmxReadAnalogF64()函數［6］。

圖8 數據采集流程

2.3.3 故障診斷程序設計

在程序中判斷晶閘管斷路故障時，首先要從安全隊列TSQ中讀取相關的特征量，A1、B1、C1的輸入通道的電流值IA1、IB1、IC1，并分別對其在一時間段中求最大值和最小值。由于數據采集卡每次采集數據都是采用數組寫入的辦法，所以在求最大值和最小值時基本每次都是從送入安全隊列中讀取的個數來進行。在取得這六個最值后按著前面敘述的方法進行判斷。同時將判斷的結果在面板的文本框中輸出。其程序流程圖如圖9所示。

圖9 故障診斷程序流程圖

3 試驗結果分析

本文利用三相輸入電流IA1、IB1、IC1波形和峰峰值變化判斷故障的診斷方法，在虛擬儀器的軟件平臺Labwindows/CVI上開發了發電機勵磁系統功率單元的故障診斷系統，并在現場對WLZ型勵磁裝置進行了測試。在測試時，試驗臺由一臺發電機和一臺WLZ型勵磁系統組成。首先該系統必須處于穩態的情況，只要檢測輸出勵磁電流在某個數值的±5%波動，就可以認為系統處于穩態，這時就可以起動故障診斷線程。在起動故障診斷線程后首先要讀取數據采集的I/O口判斷系統的觸發脈沖是否正常，如果觸發脈沖的輸入有異常會將面板上的與I/O口對應的LED控件熄滅，并在文本框內輸出哪個脈沖故障，提示檢修。當排除觸發脈沖引起故障的干擾以后就能判斷晶閘管斷路的情況。當人為斷開VTA4時，從實時檢測的數據可以看出，IA1的波形從階梯波變成了方波，峰峰值從－I到I變為0到I，確實是VTA4發生了故障。驗證了仿真分析所得到故障診斷方法是正確的，試驗也表明該診斷系統能較準確地診斷出哪一個晶閘管出現故障。

4 結語

本文先對發電機勵磁系統功率單元的故障進行了分類，并應用MATLAB/Simulink軟件進行了故障仿真和分析，在此基礎上得出了利用三相輸入電流的變化判斷故障的方法。根據此診斷方法開發出了基于虛擬儀器的發電機勵磁系統功率單元的故障診斷系統。試驗表明該診斷系統能夠比較準確地判斷出具體的哪個晶閘管發生故障，從而可以極早的排除故障根源，減少故障損失。

［1］張志學，馬皓，毛興云.基于混雜系統模型和事件辨識的電力電子電路故障診斷［J］.中國電機工程學報，2005(3):49-53.

［2］徐德鴻，馬浩.電力電子裝置故障自動診斷［M］.北京:科學出版社，2001.

［3］張亮，郭仕劍，王寶順，等.MATLAB7.x系統建模與仿真［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［4］賈周，王金梅，封俊寶.三相橋式可控整流電路的仿真及實驗裝置開發［J］.淮陰工學院學報，2009，18(3):62-67.

［5］王建新，楊世鳳，隋美麗.Labwindows/cvi測試技術及工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［6］張毅剛.虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVI 6.0編程指南［M］.北京:機械工業出版社，2002.