建筑電氣中斷路器智能故障診斷系統(tǒng)

郭明娟

（山西首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046031）

建筑安全一直是社會(huì)各界非常關(guān)注的問(wèn)題，其包含建筑設(shè)計(jì)方案的安全保障設(shè)計(jì)以及在建筑物投入使用之后的水、煤、電的使用安全。為了保證居民生活和企業(yè)生產(chǎn)的安全，我國(guó)對(duì)建筑物安全防控制定了嚴(yán)格措施[1]。斷路器作為建筑物配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的安全控制設(shè)備之一，其重要性不可忽視。

隨著科技的發(fā)展，電子信息遠(yuǎn)端控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)中央處理控制手段已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多行業(yè)之中。從某些角度出發(fā)，計(jì)算機(jī)的普及化程度也代表著國(guó)家的發(fā)展程度[2]。智能化技術(shù)的普及，解放了人們的雙手，能夠執(zhí)行多種類(lèi)的全自動(dòng)工作，在節(jié)約成本的同時(shí)也提升了工作效率。我國(guó)建筑電力設(shè)備的監(jiān)測(cè)工作主要針對(duì)發(fā)生故障后的故障檢測(cè)，日常監(jiān)測(cè)工作主要針對(duì)設(shè)備投入運(yùn)行前的預(yù)防性常規(guī)功能檢測(cè)，針對(duì)性不強(qiáng)、檢測(cè)工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率較低。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于斷路器的故障診斷，將會(huì)有效提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，將斷路器故障消除在萌芽狀態(tài)，保障建筑安全使用的同時(shí)，節(jié)約維修成本，提升建筑用電的安全品質(zhì)。

1 斷路器智能故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

斷路器故障智能診斷的難點(diǎn)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的對(duì)比分析，需要建立故障模型知識(shí)庫(kù)。故障模型知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于歷史試驗(yàn)收集的典型斷路器故障原因及對(duì)應(yīng)的輸出波形，對(duì)某一項(xiàng)試驗(yàn)中得出的波形進(jìn)行自主地分析，對(duì)比各種故障原因的典型輸出波形，從中總結(jié)并判斷故障[3]。基于上述原理，通過(guò)建立智能處理電路，內(nèi)置典型故障模型數(shù)據(jù)庫(kù)，采用高速DSP處理電路進(jìn)行自動(dòng)判斷，發(fā)現(xiàn)斷路器故障，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷。選用鴻立芯HYM320VC33型DSP和HYM9253型AD轉(zhuǎn)換芯片，采用波形抓取的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與智能處理電路，分析斷路器故障的原因和輸出工作波形的識(shí)別特征。HYM320VC33具有34 K×32 位（1.1-Mbit）片內(nèi)雙靜態(tài)SRAM和13ns指令周期，能夠完全滿足數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)空間需求與處理速度要求。HYM9253內(nèi)置采樣保持電路，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)125 MSPS，可以滿足斷路器故障發(fā)生時(shí)瞬時(shí)采樣要求。被檢測(cè)的試驗(yàn)樣本信號(hào)通過(guò)加速傳感器，經(jīng)電纜輸送到調(diào)理板，轉(zhuǎn)換成能夠被數(shù)據(jù)采集卡收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)。被采集到的信號(hào)傳送到上位機(jī)等待下一步的計(jì)算處理。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

由加速度傳感器獲取斷路器的振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器具有反應(yīng)速度快、頻率范圍大、機(jī)體體積小、整體較輕、設(shè)備不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。加速傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 加速傳感器參數(shù)

加速傳感器具有較高的電路阻抗，輸出的信號(hào)信噪較弱，需要使用電荷放大器以及低噪聲屏蔽儀器進(jìn)行環(huán)境凈化和數(shù)據(jù)信號(hào)放大處理，處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)才可以被數(shù)據(jù)采集卡接收[4]。文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用電荷放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，電荷放大器具有精度高、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，適用于微弱信號(hào)提取，電荷放大器參數(shù)如表2所示。

表2 電荷放大器參數(shù)

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，按照規(guī)定格式通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡接入上位機(jī)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。為提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的組成分機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡采用內(nèi)置式，與上位機(jī)共用機(jī)箱。上位機(jī)主要功能包括數(shù)據(jù)計(jì)算和人機(jī)交互，考慮到數(shù)據(jù)量規(guī)模為中等水平，為降低硬件投入成本，采用i3內(nèi)核處理器，4G內(nèi)存的普通PC機(jī)。

2 斷路器智能故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件功能模塊構(gòu)成如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊構(gòu)成

斷路器智能故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑中各斷路器工作狀態(tài)，將采集到的斷路器工作波形信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的典型故障波形進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)波形擬合，確定與典型故障波形的相似程度，若判斷為故障，發(fā)出故障警報(bào)信息。警報(bào)信息包括聲、光、電三種形式，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出聲音警示，上位機(jī)顯示控制屏故障指示燈閃爍，并在界面中顯示故障位置、故障編碼和維修建議信息。報(bào)警信息自動(dòng)錄入后臺(tái)，生成故障報(bào)告。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊主要采用DSP處理核心。DSP處理核心數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，含有豐富的工具包和編程，能夠自主選擇數(shù)據(jù)的處理方式。DSP處理核心包含信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、文件信號(hào)輸入、輸出等分析處理模組。具體工作流程為：波形測(cè)量（對(duì)采集到的數(shù)字化波形進(jìn)行還原，提取特征點(diǎn)）；數(shù)字濾波（剔除噪聲，平滑波形）；窗、譜分析（通過(guò)局部放大方式分析波形中的諧振譜分量）；逐點(diǎn)計(jì)算（計(jì)算變化趨勢(shì)、增量等分析波形變化）；波形擬合（與數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄波形進(jìn)行對(duì)比）；報(bào)警驅(qū)動(dòng)（在發(fā)現(xiàn)短路故障時(shí)，觸發(fā)報(bào)警模塊，分別驅(qū)動(dòng)聲、光、電硬件設(shè)備）。

通過(guò)DSP處理核心的內(nèi)置軟件處理，能夠充分反映故障特征[5]。傳統(tǒng)的模擬濾波器在信號(hào)和噪音波譜重疊時(shí)，不能精準(zhǔn)去除噪聲，難以采集有效信號(hào)。僅采取簡(jiǎn)單的頻譜過(guò)濾手段不能達(dá)到工作標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠有效消除噪聲，提升信號(hào)的準(zhǔn)確度，文章采用無(wú)限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器。在受到噪聲干擾時(shí)，噪聲所產(chǎn)生的波形偏移和傳統(tǒng)濾波器是相同的，但是無(wú)限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器能夠自動(dòng)消除電子元器件和電路信號(hào)不對(duì)稱導(dǎo)致的誤差，抵消信號(hào)測(cè)量時(shí)的偏移誤差。

2.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與管理模塊設(shè)計(jì)

斷路器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)和查詢是在虛擬儀器中編程實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)高壓斷路器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和查詢。

斷路器的故障狀態(tài)變化和發(fā)展是漸進(jìn)的，并且有各種干擾因素，設(shè)備從正常到不正常狀態(tài)的變化存在轉(zhuǎn)化期，因此系統(tǒng)選擇訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)需要具備足夠的容量，實(shí)現(xiàn)全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]。系統(tǒng)采用Access2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，可以完全滿足斷路器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。通過(guò)智能命令模塊完成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作，如創(chuàng)建和刪除命令，讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)等，管理虛擬儀器與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。數(shù)據(jù)集模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄執(zhí)行操作，如創(chuàng)建或刪除記錄，讀取和寫(xiě)入記錄中的條目等。

2.3 故障診斷模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)斷路器出現(xiàn)真空斷路器鎖緊狀態(tài)異常、底座螺絲松動(dòng)等典型故障時(shí)，設(shè)備的特征值的頻率會(huì)發(fā)生變化。斷路器故障診斷流程如圖3所示。

根據(jù)文章所述故障診斷方法，將設(shè)備故障振動(dòng)信號(hào)的特征頻率值與知識(shí)庫(kù)中的特征頻率值逐一對(duì)比，判斷具體的故障類(lèi)型[7]。因此斷路器診斷模塊的功能包括：第一，已經(jīng)儲(chǔ)存在知識(shí)庫(kù)中的特征值。令Pt0、Pt1、Pt2、Pt3的頻率值分別為S0、S1、S2、S3，作為t0、t1、t2、t3時(shí)刻的頻率基準(zhǔn)數(shù)值。第二，調(diào)入現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)特征頻率值。t0、t1、t2、t3時(shí)刻的頻率值分別為X0、X1、X2、X3。第三，將實(shí)際工作中的振動(dòng)信號(hào)頻率值與知識(shí)庫(kù)特征頻率值進(jìn)行對(duì)比并且記錄，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的頻率值比知識(shí)庫(kù)特征頻率值分別為大于、等于、小于時(shí)，記錄值依次為+1、0、-1，最后將四個(gè)頻率計(jì)分結(jié)果相加，得出診斷結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)置5個(gè)斷路器試驗(yàn)樣本并進(jìn)行編號(hào)，分別用文章設(shè)計(jì)的智能故障檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法進(jìn)行故障檢測(cè)。由表1可知，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度相差不大，但在檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)方面，文章設(shè)計(jì)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)檢測(cè)方法速度快三十倍左右。

4 結(jié)語(yǔ)

斷路器在整個(gè)電力系統(tǒng)的工作運(yùn)行中起著非常重要的作用，其工作狀態(tài)是否正常決定著建筑配電網(wǎng)絡(luò)能否安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化的斷路器故障監(jiān)測(cè)，對(duì)建筑安全領(lǐng)域和高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合智能化處理模塊，開(kāi)發(fā)功能更為強(qiáng)大的系統(tǒng)，在用電安全、智能處理、節(jié)能減排等方面實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，也是社會(huì)發(fā)展的必然選擇。后續(xù)應(yīng)在斷路器智能故障診斷系統(tǒng)的軟件界面交互友好性、功能操作的易用性方面加以改進(jìn)，不斷完善系統(tǒng)，提供方便、快捷、可靠、優(yōu)質(zhì)的智能化產(chǎn)品。