基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計

何毓函，翟曉卉，孫艷玲，于丹文，邢宇，石春艷

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250000; 2.山東中實易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

工業(yè)中的許多設(shè)備需要電機(jī)驅(qū)動來用于生產(chǎn)和生活，尤其是在大型應(yīng)用領(lǐng)域[1]，如機(jī)車牽引、水利電力和采礦冶金等行業(yè)中，對電機(jī)的能耗分析、故障判斷和運行狀態(tài)存在迫切的需求[2]。電機(jī)系統(tǒng)是包括機(jī)械負(fù)荷、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電動機(jī)的復(fù)合系統(tǒng)。在大部分工業(yè)應(yīng)用場合中，由于工作空間狹小，環(huán)境惡劣復(fù)雜，電機(jī)狀態(tài)的檢測無法用有線信號傳輸方式實現(xiàn)，對電機(jī)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生了限制[3]，與此同時，人們越來越重視環(huán)境保護(hù)，在監(jiān)測電機(jī)系統(tǒng)的過程中對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的碳排放量和運行效率的估計成為必要內(nèi)容。當(dāng)前高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法存在安全性差和檢測準(zhǔn)確率低的問題，需要對高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法進(jìn)行研究[4]。文獻(xiàn)[5]提出一種可用于PSS參數(shù)優(yōu)化的算法。結(jié)合差分進(jìn)化算法(DE)變異操作和自適應(yīng)遷移操作對生物地理學(xué)算法(BBO)進(jìn)行改進(jìn),提高了尋優(yōu)能力和速度。所提優(yōu)化算法計算的PSS參數(shù)能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)的不同運行工況。文獻(xiàn)[6]提出對柔性直流輸電系統(tǒng)的能效計量方法，能效計量器具存在一定誤差，這種誤差是影響能效計量精度的主要原因。需要通過多次試驗完成對計量器具的優(yōu)化，并分析新器具使用過程中的誤差情況，進(jìn)而完成柔性直流輸電系統(tǒng)能效計量優(yōu)化。該方法在一定程度上雖然提高了檢測精度，但檢測準(zhǔn)確率仍有待提高。文獻(xiàn)[7]對MEMS內(nèi)部存在的三軸加速度計和陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過結(jié)合角速度數(shù)據(jù)和Runge-Kutta法則對四元數(shù)進(jìn)行更新，進(jìn)而獲得電機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置信息，補償軸向角的誤差，實現(xiàn)高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的設(shè)計，該方法更新后的四元數(shù)存在誤差，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法。設(shè)計檢測平臺的硬件模塊，分別為絕緣電阻信號采集模塊、溫度信號采集模塊和局部放電信號采集模塊，其中在絕緣電阻信號采集模塊引入3個繼電器，并配備與之對應(yīng)的開關(guān)來控制繼電器的閉合，實現(xiàn)了電流定時反向，避開了電流換向和接頭電阻造成的計量誤差，提高了電阻電壓的檢測精度。在軟件設(shè)計部分，首先利用上位機(jī)設(shè)計了軟件的各個功能模塊，在參數(shù)計算部分采用寬頻功率系統(tǒng)及開關(guān)濾波器組實現(xiàn)基波與諧波的分開測量，減少了諧波對檢測結(jié)果的影響，得到高壓電機(jī)能效檢測的準(zhǔn)確結(jié)果。利用寬頻功率測量系統(tǒng)完成電機(jī)參數(shù)的計算，完成平臺設(shè)計，并通過實驗測試證明了所設(shè)計平臺的有效性。

1 高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

對工作狀態(tài)下的高壓電機(jī)能效進(jìn)行計量和檢測的實質(zhì)是在絕緣狀態(tài)下構(gòu)建檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)主要由絕緣電阻信號采集模塊、溫度信號采集模塊及局部放電信號采集模塊組成，系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall design structure diagram of system hardware

(1)絕緣電阻信號采集模塊

在電阻信號采集過程中，三相電抗器在信號采集硬件中的進(jìn)線端連接電動機(jī)對應(yīng)的進(jìn)線端，附加直流電源電路板連接三相電抗器的出線端，信號調(diào)理電路、取樣電路以及附加直流電源電路板之間是相連的[8]。利用取樣電阻在工作狀態(tài)時對應(yīng)的電壓值可以獲得絕緣電阻對應(yīng)的電阻值。提高電阻電壓的檢測精度是繼電器的主要作用，信號采集過程中，電流的電流換向會產(chǎn)生電阻、電壓的波動，連接線之間的接頭電阻會對電阻、電壓的檢測造成誤差，為了減小誤差，在信號采集模塊引入3個繼電器，每個繼電器都配有與之對應(yīng)的開關(guān)，通過開關(guān)控制繼電器的閉合，能夠?qū)崿F(xiàn)電流定時反向，避開了電流換向和接頭電阻造成的計量誤差，提高了電阻電壓的檢測精度。本研究對取樣電阻對應(yīng)的電壓做A/D轉(zhuǎn)換操作，將信號在CPU的控制下傳送到平臺的上位機(jī)中，信號采集模塊如圖2所示[9]。

圖2 絕緣電阻信號采集模塊Fig.2 Signal acquisition module of insulation resistance

(2)溫度信號采集模塊

溫度信號采集模塊在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中的主要功能是通過抗干擾防浪涌電路和溫度變送器將電阻信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺@取的信號傳送到平臺的控制模塊中，采用A/D轉(zhuǎn)換模塊對電壓信號傳送到平臺的上位機(jī)中，高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中的溫度信號采集模塊如圖3所示。

圖3 溫度信號采集模塊Fig.3 Temperature signal acquisition module

(3)局部放電信號采集模塊

局部放電信號采集模塊在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中通過50 Ω檢測阻抗和三相耦合電容器采集局部放電信號，沿監(jiān)測通道將采集到的信號傳送到上位機(jī)在檢測平臺中的數(shù)據(jù)采集卡中，通過工頻同步電壓信號觸發(fā)模式在信號采集時保證局部放電信號在檢測平臺中對應(yīng)的起始相位[10]。局部放電信號在檢測平臺中的硬件如圖4所示。

圖4 局部放電信號采集模塊Fig.4 Partial discharge signal acquisition module

通過上述三個模塊共同工作，完成檢測系統(tǒng)硬件部分設(shè)計。

1.2 軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件是絕緣電阻信號采集模塊與操作人員之間交流、通信的中間樞紐，其主要功能是人機(jī)交互。操作人員通過人機(jī)界面軟件獲取信號采集模塊采集的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)人機(jī)界面軟件中操作人員對控制命令和操作參數(shù)進(jìn)行修改時，采用OPC通信技術(shù)將控制信號傳送到底層PLC中，各個檢測模塊通過可編程OLC控制器按照要求運行[11-13]。登錄窗口和管理員功能模塊作為計量檢測的準(zhǔn)備工作，通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能和狀態(tài)顯示功能完成輸入信息參數(shù)的計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，并設(shè)置報警顯示功能，一旦發(fā)現(xiàn)高壓電機(jī)處于非正常工作狀態(tài)立即發(fā)出報警，保證電機(jī)運行安全。在參數(shù)計算部分，采用寬頻功率系統(tǒng)及開關(guān)濾波器組實現(xiàn)基波與諧波的分開測量，得出準(zhǔn)確的輸出信息參數(shù)即電機(jī)能效檢測的準(zhǔn)確結(jié)果，完成基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計。軟件運行控制流程圖如圖5所示。

圖5 軟件運行控制流程圖Fig.5 Flow chart of software operation control

1.2.1 模塊設(shè)計

(1)登陸窗口功能

登陸窗口的主要功能是防止外部人員進(jìn)入高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中進(jìn)行不當(dāng)操作或篡改參數(shù)，造成不良后果，避免發(fā)生事故。客戶端操作人員在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的主界面中點擊登陸鍵進(jìn)入高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的登陸界面。操作人員將用戶名和密碼輸入后獲得對應(yīng)的權(quán)限，進(jìn)入高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中進(jìn)行對應(yīng)的控制和操作[14]。

(2)管理員功能

管理員擁有高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的最高管理權(quán)限，可以維護(hù)并管理平臺，具有修改密碼、刪除用戶和增加用戶等權(quán)限。登陸類型可以在登陸窗口中選擇，管理權(quán)限根據(jù)登陸類型的不同而不同，普通的用戶在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中只能做一些基本操作，如查看數(shù)據(jù)等，管理員在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中可以實現(xiàn)所有功能[15]。為避免歷史數(shù)據(jù)被相關(guān)人員篡改，管理員需要定期對高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的登陸密碼進(jìn)行修改，修改密碼時，為了確保管理人員的身份，需要輸入兩次正確的密碼[16-18]。

(3)歷史數(shù)據(jù)查詢功能

歷史數(shù)據(jù)作為直接依據(jù)，可以對高壓電機(jī)的工作過程和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)高壓電機(jī)中存在的問題，將分析結(jié)果作為依據(jù)解決問題，在高壓電機(jī)能效計量檢測平臺中可以判斷、分析和重新查詢存儲器中存在的歷史數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備號、操作人員、日期等不同的查詢條件對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢過程如圖6所示。

(4)狀態(tài)顯示功能

干燥機(jī)、冷卻循環(huán)水供水系統(tǒng)、空壓機(jī)等設(shè)備的工作狀態(tài)可以通過真空站的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，設(shè)置供氣氣壓和實際供氣氣壓，方便操作人員在現(xiàn)場準(zhǔn)確、實時地對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對高壓電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，通過接收線程對數(shù)據(jù)是否正確進(jìn)行判斷，解析并顯示正確的數(shù)據(jù)。采集高壓電機(jī)的能效數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)軟件判斷并校驗接收到的數(shù)據(jù)，將正確的數(shù)據(jù)傳送到顯示模塊中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示[19-21]。

(5)報警顯示功能

報警顯示功能的實質(zhì)是高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的軟件系統(tǒng)判斷參數(shù)設(shè)置，由平臺采集的設(shè)置參數(shù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行判斷和分析，獲取報警等級以及報警提示。例如，溫度、電流、流量、電壓、氣壓等各項參數(shù)在底層設(shè)備運行時超出設(shè)置的范圍或發(fā)生突變，上位機(jī)軟件對檢測的高壓電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計算和處理，獲得比較結(jié)果，建立模型，對高壓電機(jī)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行分析，如果高壓電機(jī)處于非正常工作狀態(tài)，發(fā)出警報，提示操作人員管理并控制設(shè)備的運行狀態(tài)，并根據(jù)報警提示信息檢測高壓電機(jī)存在的隱患和問題[22]。

1.2.2 參數(shù)計算

參數(shù)計算是能效計量檢測的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)輸入信息參數(shù)的計算結(jié)果，采用寬頻功率系統(tǒng)及開關(guān)濾波器組實現(xiàn)基波與諧波的分開測量，能夠減少諧波對檢測結(jié)果的影響，得出準(zhǔn)確的輸出信息參數(shù)，得到高壓電機(jī)能效檢測的準(zhǔn)確結(jié)果。

(1)輸入信息參數(shù)

(a)電壓電流

基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法通過積分的方法對電壓電流的有效值進(jìn)行計算，電壓電流有效值的計算公式如下：

(1)

(2)

式中n為檢測次數(shù)；u(k)、i(k)分別為第k次檢測得到的電壓值及電流值[23]。

(b)輸入功率

電壓電流瞬時值乘積對應(yīng)的積分即為有效功率，通過離散的數(shù)據(jù)對輸入功率進(jìn)行計算，其表達(dá)式如下：

(3)

如式(4)所示，三相功率之和為高壓電機(jī)的總輸入功率，而三相電流和電壓在三相平衡負(fù)載時為零，但三相電流和電壓在三相平衡負(fù)載情況下的和為零，即：

p=uAiA+uBiB+uCiC

(4)

(5)

此時高壓電機(jī)的輸入功率可通過下式計算得到：

(6)

(2)輸出參數(shù)估計

高壓電機(jī)輸出效率估計技術(shù)在高壓電機(jī)能效計量檢測技術(shù)中是實現(xiàn)高壓電機(jī)能效評估與在線檢測的關(guān)鍵。引入齒諧波法，實現(xiàn)基波與諧波的分開測量，減少了諧波對檢測結(jié)果的影響，得到準(zhǔn)確的高壓電機(jī)能效計量值。基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法通過氣隙轉(zhuǎn)矩法對電機(jī)運行參數(shù)進(jìn)行估計。

(a)輸出轉(zhuǎn)速

通過齒諧波法估計輸出轉(zhuǎn)速，諧波磁場在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子繞組中能夠感應(yīng)出諧波電流和電壓。通過對定子電流和電壓進(jìn)行濾波處理，可以獲得轉(zhuǎn)子對應(yīng)的齒槽諧波量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過轉(zhuǎn)速與諧波頻率之間存在的關(guān)系計算得到。諧波在定子電流中的信號較強，為了提高對噪聲的魯棒性和測量的精度，基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法采用定子電流的諧波檢測方法：

(7)

(8)

(b)輸出轉(zhuǎn)矩

設(shè)T1代表的是氣隙轉(zhuǎn)矩，其計算公式如下：

(9)

式中Pg為極對數(shù)；R為一半的線間電阻值；iA、iB、iC為線電流；vCA、vAB為線電壓。

設(shè)T2為輸出轉(zhuǎn)矩，其計算公式如下：

(10)

式中Ps為雜散損耗；Pfw為機(jī)械損耗。

(c)輸出效率和功率

設(shè)PM為輸出功率；η為輸出效率，根據(jù)輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩對其進(jìn)行計算：

(11)

(12)

2 實驗結(jié)果與分析

為驗證基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法的整體有效性，需要對基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法進(jìn)行測試，本次測試采用Simulink軟件為實驗平臺，操作系統(tǒng)為Windows。實驗對象選擇南陽防爆YB26kV 400-8高壓電機(jī)，其極數(shù)為8極，額定功率為160 kW，額定電壓為6 000 V，轉(zhuǎn)速為750 rpm。在Simulink軟件中，構(gòu)建所設(shè)計平臺檢測系統(tǒng)的仿真模型，如圖7所示。

圖7 檢測平臺仿真模型Fig.7 Simulation model of detection platform

以文獻(xiàn)[6]方法為實驗對比方法，分別采用基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺和文獻(xiàn)[6]方法所設(shè)計檢測平臺，對額定功率下的電機(jī)工作能效進(jìn)行計量檢測。測試共10次，據(jù)此得到3種方法進(jìn)行10次測試的耗時對比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 三種不同方法的檢測耗時對比圖Fig.8 Comparison of detection time of three different methods

通過圖8可以看出，文獻(xiàn)[5]方法在10次檢測實驗中的總耗時為102 s，文獻(xiàn)[6]方法在10次檢測實驗中的總耗時為98 s，而基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的檢測總耗時為50 s，約為兩種對比方法的一半。所設(shè)計平臺在軟件設(shè)計中增加了歷史數(shù)據(jù)查詢功能及狀態(tài)顯示功能，在檢測過程中能夠智能對比歷史數(shù)據(jù)，快速得到計量結(jié)果并及時顯示，提升了檢測時間及平臺檢測效率。

為了進(jìn)一步驗證基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法的整體有效性，分別采用3種方法檢測高壓電機(jī)的能效比及功率誤差，能效比表示能源的轉(zhuǎn)換效率之比，其值越大，電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化率就越大。能效比計算公式如下：

(13)

式中Qz為電機(jī)制熱量；Qh為電機(jī)耗熱量。設(shè)置電機(jī)在額定功率下運行12 min，分別采用3種檢測平臺測試電機(jī)的能效比，并對比其真實能效比得到3種方法的電機(jī)能效比如圖9所示。

圖9 三種不同方法的電機(jī)能效比Fig.9 Three different methods of motor energy efficiency ratios

分析圖9可知，實驗測試電機(jī)的真實能效比平均值為0.85，文獻(xiàn)[5]方法檢測得到的電機(jī)能效比平均值為0.73，文獻(xiàn)[6]方法檢測得到的電機(jī)能效比平均值為0.74，計算得出這兩種方法對電機(jī)能效的檢測準(zhǔn)確率分別為86%及87%；而采用基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計檢測到的電機(jī)能效比平均值為0.83，檢測準(zhǔn)確率為98%。

已知南陽防爆YB26kV 400-8高壓電機(jī)額定功率為160 kW，采用3種不同方法的測量其實際功率，得到功率誤差值對比結(jié)果如圖10所示。

分析圖10可知，文獻(xiàn)[5]方法的功率誤差平均值為5 kW，文獻(xiàn)[6]方法的功率誤差平均值為7 kW，文中方法的功率誤差平均值為1 kW。對比測試結(jié)果可知，基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的檢測準(zhǔn)確率較高，采用該平臺能夠檢測到準(zhǔn)確的電機(jī)能效值，能夠為生產(chǎn)工作提供一定的幫助。

圖10 三種不同方法的電機(jī)能效比Fig.10 Three different methods of motor energy efficiency ratios

在測試了檢測耗時及檢測準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測試檢測平臺的運行穩(wěn)定性，運行穩(wěn)定性指數(shù)計算公式如下：

(14)

式中Dz為系統(tǒng)運行時的電流波動量；Dh為電流平均值，穩(wěn)定性指數(shù)越小，表明該系統(tǒng)的運行過程較穩(wěn)定。分別運行3種測試平臺對YB26kV 400-8高壓電機(jī)能效進(jìn)行檢測，在Simulink軟件上輸出檢測平臺的運行穩(wěn)定性實驗對比結(jié)果如圖11所示。

圖11 三種不同方法的運行穩(wěn)定性對比結(jié)果圖Fig.11 Comparison results of running stability of three different methods

分析圖11可知，文獻(xiàn)[5-6]方法的穩(wěn)定性指數(shù)最大值分別為0.12及0.09，且波動較大；而文中方法穩(wěn)定性指數(shù)最高為0.06，且波動較小，對比得出文中方法的穩(wěn)定性更好，能夠穩(wěn)定檢測高壓電機(jī)能效。

3 結(jié)束語

電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中是主要的動力輸出，在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代工業(yè)中的地位較高，使高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法成為研究的熱點。當(dāng)前高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法存在檢測耗時較長和檢測準(zhǔn)確率低的問題，提出基于寬頻功率測量系統(tǒng)的高壓電機(jī)能效計量檢測平臺設(shè)計方法，分別設(shè)計了檢測系統(tǒng)的硬件和軟件模塊，基于寬頻功率測量系統(tǒng)及定子電流的諧波檢測方法，得到了輸出參數(shù)的估算結(jié)果。實驗表明所設(shè)計平臺降低了高壓電機(jī)能效計量檢測平臺的檢測時間，可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)高壓電機(jī)能效的檢測，為高壓電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展提供了安全保障。