虚拟仪器在电力故障诊断中的应用

文:2017年第一期

引言

   随着现代电力电子装置的发展,其应用范围越来越广,所应用的场合也越来越复杂。由于电力电子装置所控制的对象越来越复杂,各种不确定因素和种种难以描述的非线性特性存在,使得基于传统控制的对象模型越来越难得建立;再者人们对电力电子装置输出控制要求的日益提高,越来越要求控制的智能化和宽适应能力。虚拟仪器源于对人脑信息处理机制的模拟,具有很强的适应复杂环境的能力和多目标控制的自学习能力,并具有良好的非线性函数逼近能力。因此虚拟仪器控制策略能解决逆变系统中的常规控制策略无法解决的许多问题,理论上来说可以设计出一个与系统数学模型无关的,自学习、自适应的鲁棒性好动态响应快的智能控制系统。虚拟仪器的这些特性为我们解决现代电力电子装置控制上的种种难题提供了一条很好的途径。

   近十几年来,人工虚拟仪器在控制领域中的研究也取得了很大的进展。人工虚拟仪器能够通过自身的学习过程了解系统的结构、参数、不确定性和非线性,并给出系统所需的控制规律,由它构成的控制器具有很强的鲁棒性。

   虚拟仪器(VirtualInstrument简称VI),是在以计算机为核心的硬件平台上,其功能由用户设计和定义,具有虚拟面板,其测试功能主要由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。其实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板,与传统仪器相比,它具有开放速度快、成本低、用户可以自定义等突出优点,使用者可以通过修改软件来改变、增减仪器系统的功能与规模以满

   目前我国使用的电能质量检测方法存在许多问题:实时性差、监测指标少、工作量大、效率低等。本文以虚拟仪器技术和网络通信技术为基础,以虚拟仪器(VI)技术为平台的电能质量监测和分析系统克服了常规测试系统功能单一、升级复杂等缺点,丰富了系统功能,提高了系统测量精度,加快了数据采集的速度,其自动化程度也随之更高更强,使电力系统相关部门能够实时掌握电能质量情况,及时提出电网管理的最佳方案。

1、LabVIEW介绍

   虚拟仪器技术起源于美国20世纪80年代是有美国Nl公司开发的一套虚拟仪器开发平台软件,其特点是主要通过软件来实现传统仪器中硬件所实现的各项功能。它是基于图形化编程的思想,与传统的仪器不同,Vl极易改变仪器的功能而且一般不会出现元器件损坏或老化的问题。本系统中虚拟仪器的软件开发平台采用基于图形化编程语言的实验室虚拟仪器开发平台LabVIEW主要由前面板、框图程序和大量的节点组成,能很容易地设计出友好的人机交互式界面,当Vl与专用的DAQ卡结合后,使得数据的采集、分析、存储和显示变得易于实现。由于该软件中提供了大量的数据分析、处理节点以及常用的算法节点,而且可以和MATLAB、C语言接口,大大缩短了仪器的开发时间,同时,随着现代工业对网络的依赖性加强,在LabVIEW的Communication子模板中还有大量的实现网络功能节点,可以很方便地组建局域网,在测量和控制领域占有重要的地位。

2、电力电子整流电路故障诊断原理

2.1故障分类

   故障诊断定位实质上是一个模式分类的问题,即把运行状态分为正常和故障两类。诊断时选择有效的故障测试点至关重要。以三相桥式可控整流电感性负载电路为例,研究分析表明,整流输出电压包含了电路的故障信息,是一个关键的测试点。以晶闸管桥臂开路故障为例进行分析,并且最多同时有两路桥臂开路的故障。可将故障分为五大类,为便于神经网络训练,对故障的大类、小类进行编码,用位编码Y6Y5Y4Y3Y2Y1,第4~6位用于大类编码,第1~3位用于小类编码,则可将三相可控整流电路的故障类型定义为如表1所示的22种故障类型。表1故障分类编码表

2.2故障特征信号

   整流电路输出电压ud具有周期性,包含了晶闸管是否有故障的信息,可将波形形状相同或类似,而仅在时间轴上相互平移的波形所对应的故障状态划为同一类。分析时可用傅立叶变换将时域中的故障波形变换到频域,以突出故障特征,在不同故障类型时,ud的波形不同,并且其五个频谱分量:直流分量、基波幅值、2次谐波幅值、基波相位、2次谐波相位,可以对应唯一的一个故障类型。因此,本文以Ud的五个频谱分量作为故障特征信号。

1.3故障诊断原理

   神经网络作为一类性能良好的非线性分类器,广泛应用于模式识别领域,而故障诊断实质上就是模式的分类。BP神经网络是一种误差反向传递的多层前馈式网络,其模型如图1所示。它由输入层、隐含层和输出层组成。理论上,第一层采用sigmoid型传递函数,第二层采用线性传递函数,经过训练可以用来逼近非线性函数。BP网络的算法是一种有监督学习算法,已知网络的输入、输出样本,其中网络输入节点对应故障特征参数,输出节点对应故障类型,进行故障模式识别时,先用一批故障样本对模型进行训练以确定网络结构(隐层及其节点数)和节点间的联接权,网络训练好后故障的模式分类就是根据给定的一组征兆集,实现征兆集到故障集之间非线性映射的过程,只要将得到的故障征兆加到神经网络的输入端,就可以得到适当的诊断结果。

3、电能质量指标的主要算法

   由于电力系统中由于存在大量类型各异的负荷,特别是感性和容性等非线性负载,会使本来质量合格的电能被“污染”,造成电网质量下降。为此我国技术监督局颁布了评价电能质量合格与否的五个国家标准,分别是::电压偏移、系统频率、三相不平衡度、谐波总畸变率THD和电压波动与闪变等。

(1)电压电流有效值

   根据周期连续函数的有效值及平均功率的定义计算,在连续的时间域中:

4、故障诊断系统构建与实现

   虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台,是由计算机、应用软件和仪器硬件组成。仪器硬件是由数据采集卡、接口、传感器等组成;软件是由信号处理算法分析程序、计算机语言、各种控件和软件开发工具等组成。软件的开发和设计是虚拟仪器的核心。

   本系统采用的是分散取样、集中处理的方式,即在监测点安装相应的电压传感器和电流传感器,电压、电流信号取样经调理后由数据采集卡送入PC中进行处理、分析、存储。系统的总体方案框图如图1所示,该系统以个人计算机为基础,用软件实现系统的功能,充分体现了“软件即仪器”的虚拟仪器的概念。

图1系统的总体方案框图

   系统的硬件部分完成的基本任务就是数据采集、隔离和变换,再由DAQ板卡把变换后的模拟信号转换成数字信号,形成计算机能够处理的数据。图1中信号调理电路的功能主要是:将被测装置中的电压信号经隔离转化为DAQ板卡允许输入的电压信号(V10±范围内)、波形转换、滤波等,以便于DAQ进行数据采集。数据采集卡采用美国NI公司的M系列的PCI-6251采集卡,它是一款高速多功能DAQ板卡,在高采样率下也能保持高精度。系统机构如图2所示。

图2电能质量的在线监测和分析系统

5、软件开发

   LABVIEW环境中可交互地设计这些对象的外观和属性。LABVIEW提供非常丰富的界面控件对象,可方便地设计出生动、直观、操作方便的用户界面。基于LABVIEW的电能质量在线监测和分析系统软件开发主要包括7个模块的设计监测方式设置模块、波形及数据存储模块、实时波形显示模块、电能质量指标显示模块、电网额定参数设置模块、报警模块、用户登录界面模块。前面板设计见图3所示。

图3系统界面

   (1)监测方式设置模块:包括监测电压的有效值、电压的波动,THD值、采样频率设置和电压的偏差等;

   (2)波形及数据存储模块:包括监测波形和电能质量指标计算存储,数据存放位置选为默认位置,采用时间作为存储文件的文件名;

   (3)实时波形显示模块:实时显示三相电压波形,谐波分析图;

   (4)电能质量指标显示模块:实时显示电能质量指标数据;

   (5)电网额定参数设置模块:配置被测电网的额定参数;

   (6)报警模块:电能质量指标测试超标报警;

   (7)用户登录界面模块:在监控系统运行后,有权限操.

   系统软件主要有信号采集、数据处理、数据存储、数据分析及故障诊断等模块。本系统的软件组成结构如图4所示。

图4系统的软件组成结构图

6、结论

    虚拟仪器技术在电力电子装置故障诊断领域的应用,使得检测设备具有投资少、开发周期短及通用性强特点。对于不同的电力电子装置,只要添加相应的传感器组成新的硬件系统,软件增加相应的模块,就易于实现装置的故障诊断,显著地提高了故障分析诊断的灵活性,具有一定工程实用价值。本文设计的检测和分析系统,充分的利用了虚拟仪器技术在测控领域的特点和良好的人机交互界面。硬件上采电压传感器、DAQ数据采集板和PC机实现数据的采集,软件上利用虚拟仪器软件LabVIEW编制的界面以及数据的采集、计算、报表和报警等功能模块,实现了电力故障的监测与分析功能。采用虚拟仪器开发的系统可以缩短监测系统的开发周期,降低系统的成本,提高系统的性能。经检验系统运行稳定性高,具有很好的实用价值。

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