建筑電氣中斷路器智能故障診斷系統

郭明娟

（山西首鋼國際工程技術有限公司，山西 長治 046031）

建筑安全一直是社會各界非常關注的問題，其包含建筑設計方案的安全保障設計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生產的安全，我國對建筑物安全防控制定了嚴格措施[1]。斷路器作為建筑物配電網絡運行中的安全控制設備之一，其重要性不可忽視。

隨著科技的發展，電子信息遠端控制技術和計算機中央處理控制手段已經成功應用于眾多行業之中。從某些角度出發，計算機的普及化程度也代表著國家的發展程度[2]。智能化技術的普及，解放了人們的雙手，能夠執行多種類的全自動工作，在節約成本的同時也提升了工作效率。我國建筑電力設備的監測工作主要針對發生故障后的故障檢測，日常監測工作主要針對設備投入運行前的預防性常規功能檢測，針對性不強、檢測工作量大、費時費力且效率較低。將計算機技術應用于斷路器的故障診斷，將會有效提高電力系統運行的穩定性，將斷路器故障消除在萌芽狀態，保障建筑安全使用的同時，節約維修成本，提升建筑用電的安全品質。

1 斷路器智能故障診斷系統硬件設計

斷路器故障智能診斷的難點是基礎數據信息的對比分析，需要建立故障模型知識庫。故障模型知識庫中的數據主要來源于歷史試驗收集的典型斷路器故障原因及對應的輸出波形，對某一項試驗中得出的波形進行自主地分析，對比各種故障原因的典型輸出波形，從中總結并判斷故障[3]?；谏鲜鲈?，通過建立智能處理電路，內置典型故障模型數據庫，采用高速DSP處理電路進行自動判斷，發現斷路器故障，實現智能故障診斷。選用鴻立芯HYM320VC33型DSP和HYM9253型AD轉換芯片，采用波形抓取的模數轉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別特征。HYM320VC33具有34 K×32 位（1.1-Mbit）片內雙靜態SRAM和13ns指令周期，能夠完全滿足數據庫的存儲空間需求與處理速度要求。HYM9253內置采樣保持電路，轉換速率最高可達125 MSPS，可以滿足斷路器故障發生時瞬時采樣要求。被檢測的試驗樣本信號通過加速傳感器，經電纜輸送到調理板，轉換成能夠被數據采集卡收集到的數據信號。被采集到的信號傳送到上位機等待下一步的計算處理。硬件結構如圖1所示。

圖1 硬件結構

由加速度傳感器獲取斷路器的振動信號。加速度傳感器具有反應速度快、頻率范圍大、機體體積小、整體較輕、設備不易損壞等優點。加速傳感器參數如表1所示。

表1 加速傳感器參數

加速傳感器具有較高的電路阻抗，輸出的信號信噪較弱，需要使用電荷放大器以及低噪聲屏蔽儀器進行環境凈化和數據信號放大處理，處理后的數據信號才可以被數據采集卡接收[4]。文章設計的系統主要采用電荷放大器對信號進行處理，電荷放大器具有精度高、噪聲低的優點，適用于微弱信號提取，電荷放大器參數如表2所示。

表2 電荷放大器參數

數據經過模數轉換后，按照規定格式通過數據采集卡接入上位機，存入數據庫。為提高數據采集的穩定性，減少系統的組成分機，數據采集卡采用內置式，與上位機共用機箱。上位機主要功能包括數據計算和人機交互，考慮到數據量規模為中等水平，為降低硬件投入成本，采用i3內核處理器，4G內存的普通PC機。

2 斷路器智能故障診斷系統軟件設計

軟件功能模塊構成如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊構成

斷路器智能故障診斷系統實時監測建筑中各斷路器工作狀態，將采集到的斷路器工作波形信號與數據庫中的典型故障波形進行對比，通過波形擬合，確定與典型故障波形的相似程度，若判斷為故障，發出故障警報信息。警報信息包括聲、光、電三種形式，通過蜂鳴器發出聲音警示，上位機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。報警信息自動錄入后臺，生成故障報告。

2.1 數據處理模塊設計

數據處理模塊主要采用DSP處理核心。DSP處理核心數據處理能力強，含有豐富的工具包和編程，能夠自主選擇數據的處理方式。DSP處理核心包含信號處理、數據分析、文件信號輸入、輸出等分析處理模組。具體工作流程為：波形測量（對采集到的數字化波形進行還原，提取特征點）；數字濾波（剔除噪聲，平滑波形）；窗、譜分析（通過局部放大方式分析波形中的諧振譜分量）；逐點計算（計算變化趨勢、增量等分析波形變化）；波形擬合（與數據庫中記錄波形進行對比）；報警驅動（在發現短路故障時，觸發報警模塊，分別驅動聲、光、電硬件設備）。

通過DSP處理核心的內置軟件處理，能夠充分反映故障特征[5]。傳統的模擬濾波器在信號和噪音波譜重疊時，不能精準去除噪聲，難以采集有效信號。僅采取簡單的頻譜過濾手段不能達到工作標準。為了能夠有效消除噪聲，提升信號的準確度，文章采用無限沖擊響應數字濾波器。在受到噪聲干擾時，噪聲所產生的波形偏移和傳統濾波器是相同的，但是無限沖擊響應數字濾波器能夠自動消除電子元器件和電路信號不對稱導致的誤差，抵消信號測量時的偏移誤差。

2.2 數據儲存與管理模塊設計

斷路器在線監測與故障診斷系統的數據管理、存儲和查詢是在虛擬儀器中編程實現的。系統通過數據庫對高壓斷路器監控數據進行管理、存儲和查詢。

斷路器的故障狀態變化和發展是漸進的，并且有各種干擾因素，設備從正常到不正常狀態的變化存在轉化期，因此系統選擇訪問的數據庫需要具備足夠的容量，實現全壽命周期數據存儲[6]。系統采用Access2003作為數據庫平臺，可以完全滿足斷路器數據存儲的要求。通過智能命令模塊完成動態網絡數據操作，如創建和刪除命令，讀取或寫入數據庫中的參數等，管理虛擬儀器與數據庫的連接。數據集模塊用于對數據庫中的記錄執行操作，如創建或刪除記錄，讀取和寫入記錄中的條目等。

2.3 故障診斷模塊設計

當斷路器出現真空斷路器鎖緊狀態異常、底座螺絲松動等典型故障時，設備的特征值的頻率會發生變化。斷路器故障診斷流程如圖3所示。

根據文章所述故障診斷方法，將設備故障振動信號的特征頻率值與知識庫中的特征頻率值逐一對比，判斷具體的故障類型[7]。因此斷路器診斷模塊的功能包括：第一，已經儲存在知識庫中的特征值。令Pt0、Pt1、Pt2、Pt3的頻率值分別為S0、S1、S2、S3，作為t0、t1、t2、t3時刻的頻率基準數值。第二，調入現場振動信號特征頻率值。t0、t1、t2、t3時刻的頻率值分別為X0、X1、X2、X3。第三，將實際工作中的振動信號頻率值與知識庫特征頻率值進行對比并且記錄，當現場的頻率值比知識庫特征頻率值分別為大于、等于、小于時，記錄值依次為+1、0、-1，最后將四個頻率計分結果相加，得出診斷結果。

3 試驗結果

試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

設置5個斷路器試驗樣本并進行編號，分別用文章設計的智能故障檢測系統和傳統故障檢測方法進行故障檢測。由表1可知，智能監測系統和傳統的檢測方法的準確度相差不大，但在檢測時長方面，文章設計的智能監測系統比傳統檢測方法速度快三十倍左右。

4 結語

斷路器在整個電力系統的工作運行中起著非常重要的作用，其工作狀態是否正常決定著建筑配電網絡能否安全運行，實現智能化的斷路器故障監測，對建筑安全領域和高新技術應用領域具有重要的現實意義。結合智能化處理模塊，開發功能更為強大的系統，在用電安全、智能處理、節能減排等方面實現智能化應用是未來的發展趨勢，也是社會發展的必然選擇。后續應在斷路器智能故障診斷系統的軟件界面交互友好性、功能操作的易用性方面加以改進，不斷完善系統，提供方便、快捷、可靠、優質的智能化產品。