基于諧波法的電纜諧波監(jiān)測(cè)分析技術(shù)研究

中山景明智慧能源技術(shù)有限公司 李 朋 覃遠(yuǎn)云

20世紀(jì)80年代，國(guó)外學(xué)者結(jié)合多起電纜故障，通過(guò)低壓脈沖法、沖閃法及二次脈沖法分析波形數(shù)據(jù)、進(jìn)行故障點(diǎn)位初步測(cè)距，再通過(guò)聲磁同步法精確定位故障點(diǎn)。最后將電纜故障部分進(jìn)行解剖，分析具體故障原因，為中壓電纜終端在電力系統(tǒng)中安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。雖在電力電纜檢測(cè)的技術(shù)和應(yīng)用方面取得了一些進(jìn)展，但當(dāng)前常規(guī)檢測(cè)手段難以對(duì)帶電運(yùn)行中的電纜進(jìn)行絕緣劣化分析及壽命預(yù)測(cè)，大多數(shù)絕緣劣化分析及壽命預(yù)測(cè)是在實(shí)驗(yàn)室中完成[1]。

本文主要研究?jī)?nèi)容包括：電纜諧波診斷終端的研究和開(kāi)發(fā)；研究用兩大模塊來(lái)設(shè)計(jì)電纜諧波診斷的硬件系統(tǒng)；通過(guò)電流經(jīng)過(guò)電諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)對(duì)比系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)比完成采集。

1 諧波診斷系統(tǒng)

是一種可提取、存儲(chǔ)、分析、對(duì)比并上傳信息的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能測(cè)量電氣電纜和電氣設(shè)備的諧波并分析其中的高次諧波的含有率，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思維與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，處理后的數(shù)據(jù)與已有專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析就可得到電纜老化的基本情況，從而給出檢修建議。從該系統(tǒng)得到的結(jié)果不需斷電，且在帶電工作下測(cè)量且操作簡(jiǎn)單、安全、便捷；為減少不必要的安全隱患及能源損耗，以及針對(duì)性的檢修維護(hù)、大幅度降低各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的非正常停電及停機(jī)時(shí)間，可從給出的檢修方案可實(shí)現(xiàn)。

諧波診斷系統(tǒng)在線診斷技術(shù)核心，是利用非接觸式的傳感器，在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況下采集電氣設(shè)備產(chǎn)生的電流高次諧波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換變換及小波變換后，與諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析，來(lái)判斷設(shè)備目前存在的異常和缺陷，再采用先進(jìn)的劣化趨勢(shì)分析技術(shù)對(duì)當(dāng)前設(shè)備存在的異常和缺陷進(jìn)行劣化趨勢(shì)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的帶電狀態(tài)診斷及故障預(yù)測(cè)。諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

預(yù)知預(yù)判，準(zhǔn)確性高：諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為故障排除贏得準(zhǔn)備時(shí)間；帶電檢測(cè)，效率性高：實(shí)現(xiàn)設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，不影響正常生產(chǎn)；分析簡(jiǎn)單，智能性高：無(wú)需專業(yè)人員頻譜分析，設(shè)備狀態(tài)的分析過(guò)程由智能化管理軟自動(dòng)完成；非接觸式，安全性高：采用電磁感應(yīng)技術(shù)，進(jìn)行非接觸式狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)人機(jī)安全；單點(diǎn)檢測(cè)，系統(tǒng)性高：選取一點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，可同時(shí)分析電氣故障和機(jī)械故障并自動(dòng)生成診斷結(jié)果。

趨勢(shì)管理，指導(dǎo)性高：諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)先進(jìn)的劣化趨勢(shì)分析技術(shù)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)和壽命周期分析；范圍全面，適用性高：可對(duì)常見(jiàn)的各類電動(dòng)機(jī)進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域；提升管理，精細(xì)性高：使用戶在企業(yè)效益、投入成本、庫(kù)存管理、減員增效、部門(mén)協(xié)調(diào)等方面得到極大提升。

諧波診斷系統(tǒng)電氣設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括諧波傳感器、電流互感器、諧波數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)、顯示終端，軟件部分包括諧波數(shù)據(jù)采集器嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件、上位機(jī)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)診斷軟件、諧波診斷系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和Web服務(wù)平臺(tái)。

2 數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)和研發(fā)

2.1 電纜諧波診斷終端概述

電纜諧波診斷終端硬件系統(tǒng)分為電源、信號(hào)采集處理模塊和通信模塊。該系統(tǒng)電源部分采用220V/50Hz交流市電供電，交流電經(jīng)過(guò)電源硬件部分的降壓、整流處理后輸出12V的直流電。電源部分輸出的直流電給系統(tǒng)中信號(hào)采集處理模塊和通信模塊供電，充當(dāng)系統(tǒng)的直流電源。

系統(tǒng)中信號(hào)采集處理模塊部分是整個(gè)終端的核心部分，完成諧波診斷的主要電路包括電纜諧波檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和電纜諧波診斷主控微控制單元。FLASH存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)和日志信息，其中微控制單元的程序燒錄接口可與電腦連接完成主控芯片的調(diào)試和程序燒錄。信號(hào)采集處理模塊與通信模塊間通信的信號(hào)總線協(xié)議是工業(yè)485總線，485總線通信電路通過(guò)串口信號(hào)線與主控芯片微控制單元通信，完成信號(hào)采集與處理模塊與通信模塊的交互數(shù)據(jù)。

鑒于信號(hào)采集處理模塊部分在運(yùn)行時(shí)有多種信號(hào)存在和不同電壓標(biāo)準(zhǔn)的需要，本系統(tǒng)對(duì)不同功能的電路采用獨(dú)立的供電電源芯片，滿足不同電路的供電要求的同時(shí)也有效預(yù)防電纜諧波檢測(cè)信號(hào)中浪涌電流的沖擊。單片機(jī)、存儲(chǔ)芯片和485通信芯片采用單獨(dú)的電源芯片供電，電纜諧波檢測(cè)電路部分采用分開(kāi)的電源芯片以供該部分電路工作。此外信號(hào)放大電路需要+15V和-15V電源供電，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片需要5.0V的電壓供電。

2.2 電纜諧波診斷硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源、通信模塊：該硬件系統(tǒng)的電源電路設(shè)計(jì)為后續(xù)整流電路提供低壓交流電，降壓部分由220V/50Hz交流電經(jīng)變壓器T1后輸出10.5V交流電。電源中整流電路是由電路通過(guò)MB14S整流IC芯片將10.5V交流電整流為10.5V的直流，整流后直流信號(hào)的穩(wěn)壓電路采用LT3045線性穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓電路輸出12.0V的直流電以供其他模塊工作；通信模塊采用NB通信模組，是通信模組的供電電路，采用同步降壓芯片TPS62148，輸出5.0V直流電。485串行總線與信號(hào)采集處理模塊通信，而生存時(shí)間值轉(zhuǎn)485通信模塊的電源采用線性穩(wěn)壓芯片TPS73633，輸出3.3V直流電。

信號(hào)采集處理模塊：電纜諧波檢測(cè)電路的供電電源是電纜諧波檢測(cè)電路，采用的是線性穩(wěn)壓芯片TPS73633，輸出3.3V穩(wěn)壓直流。電纜工作流過(guò)交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，傳感器通過(guò)其內(nèi)部的線圈感應(yīng)該磁場(chǎng)然后輸出感應(yīng)電流。諧波傳感器的輸出連接電纜諧波檢測(cè)電路的采集口J4、J5、J6。諧波信號(hào)放大電路采用E0515S電源模塊作為諧波信號(hào)放大電路電源，該電源電路輸出+15V和-15V兩路直流電源給信號(hào)放大電路供電。輸入是電纜諧波檢測(cè)電路的輸出，采用OPA4277UA高精度運(yùn)算放大器芯片，將電纜諧波檢測(cè)電路的信號(hào)運(yùn)算方法后輸出。

該硬件系統(tǒng)的485總線通信電路采用MAX3485 RS-485收發(fā)芯片完成485通信，而其中的瞬態(tài)阻斷單元浪涌保護(hù)器能很好的保護(hù)電路不被外部不正常信號(hào)的沖擊，氣體放電管起到防雷保護(hù)的作用。該通信電路與微控制單元共用電源。

3 研究總結(jié)

本項(xiàng)目通過(guò)分析被監(jiān)測(cè)電纜的諧波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電纜的劣化情況追蹤，因此該系統(tǒng)除需分析數(shù)據(jù)的后臺(tái)診斷系統(tǒng)，還需電纜運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)才能完成。

為進(jìn)一步將理論應(yīng)用到實(shí)際復(fù)雜環(huán)境的電纜監(jiān)測(cè)上，本文結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家數(shù)據(jù)庫(kù)建立了電纜診斷系統(tǒng)。當(dāng)前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取得很大發(fā)展，通過(guò)結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，有效的將復(fù)雜的理論和專家數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合到整個(gè)診斷系統(tǒng)中，不僅有更準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，且不依賴操作人極強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，有較為高效的人機(jī)交互過(guò)程。本文結(jié)合已有的電纜壽命研究和諧波診斷系統(tǒng)，建立了多老化應(yīng)力的電纜的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)貝葉斯推斷將專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)即可對(duì)運(yùn)行的電纜做出個(gè)體性的電纜剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。

在建立了完整的理論基礎(chǔ)和具體的電纜診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了云端的診斷系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)的電纜在線數(shù)據(jù)采集終端。電纜數(shù)據(jù)采集終端可采集電纜的特征量，可定時(shí)上傳數(shù)據(jù)至云端，云端的診斷系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)電纜監(jiān)控和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜的故障，對(duì)電纜的劣化程度進(jìn)行監(jiān)控。