張俊良， 李曉波， 李志軍

(1.河北工業(yè)大學(xué)電工廠，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)

0 引言

勵(lì)磁系統(tǒng)是電廠發(fā)電機(jī)組重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)好壞直接或間接的影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元中最常見(jiàn)的故障有晶閘管直通和晶閘管開(kāi)路故障［1］。發(fā)生晶閘管直通故障時(shí)，瞬間將造成相電壓短路，短路電流使保護(hù)電路動(dòng)作;發(fā)生晶閘管開(kāi)路故障時(shí)(如晶閘管器件門(mén)極損壞或觸發(fā)脈沖丟失等故障)，功率單元仍然工作，但輸出勵(lì)磁電壓的脈動(dòng)增大，平均值降低，這種帶病工作導(dǎo)致勵(lì)磁電壓波形產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)也加大了對(duì)電網(wǎng)的干擾［2］。因此，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障的分析和推理診斷，設(shè)計(jì)出一種基于Labwindows/CVI的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)將顯得尤為重要。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障的仿真分析

1.1 故障的分類

河北工業(yè)大學(xué)電工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的WLZ型勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是雙橋并聯(lián)三相橋式全控整流電路。在這個(gè)整流電路中，如果A、B兩組整流橋同時(shí)發(fā)生故障，這種故障會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作，對(duì)系統(tǒng)的機(jī)端電壓也會(huì)造成一定的影響，屬于嚴(yán)重故障，需要停機(jī)檢修。本文在不考慮同時(shí)發(fā)生故障的情況下，一組整流橋正常工作，而另一組發(fā)生故障時(shí)可以分為以下21種(主要討論最多兩個(gè)晶閘管故障):(1)僅一只晶閘管故障，分為6個(gè)故障單元:VT1故障，VT2故障，VT3故障，VT4故障，VT5故障，VT6故障;(2)接在同一半橋中的2只晶閘管故障，分為6個(gè)故障單元:VT1與VT3故障，VT1與VT5故障，VT3與VT5故障，VT4與VT2故障，VT4與VT6故障，VT2與VT6故障;(3)接到同一相電壓的兩個(gè)晶閘管故障，分為3個(gè)故障單元:VT1與VT4故障，VT3與VT6故障，VT5與VT2故障;(4)接在交叉2個(gè)晶閘管故障，分為6個(gè)故障單元:VT1與VT6故障，VTl與VT2故障，VT3與VT4故障，VT3與VT2故障，VT5與VT4故障，VT5與VT6故障。

1.2 故障仿真分析

圖1是在MATLAB/Simulink下通過(guò)powerlib庫(kù)建立的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元仿真圖［3］。三相整流電路的電源分別為U(A)=30sin(wt)、U(B)=30sin(wt+120°)、U(C)=30sin(wt－120°)，頻率為50 Hz;Synchronized 6-Pulse Generator單元為晶閘管觸發(fā)單元，alpha_deg為觸發(fā)角，通過(guò)它可以輸入仿真時(shí)的觸發(fā)角，而B(niǎo)lock口通常設(shè)置為0，Pulses為 Synchronized 6-Pulse Generator的輸出口，從Pulses口就可以得到相應(yīng)觸發(fā)角下的觸發(fā)脈沖。Pulses的輸出信號(hào)通過(guò)USY單元的索引輸出就可以得到三相整流電路的各個(gè)晶閘管的脈沖［4］。因?yàn)樨?fù)載中感性部分較大，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真算法選用的是ode23。

圖1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元仿真

限于篇幅，本文只在斷開(kāi)A橋的VTA1管和B橋的VTB1管的脈沖狀態(tài)下進(jìn)行了仿真，這兩個(gè)晶閘管在這12個(gè)晶閘管中具有代表性的作用。仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 VTA1故障時(shí)A橋輸入端IA1、IB1、IC1

圖3 VTB1故障時(shí)A橋輸入端IA1、IB1、IC1

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，A組輸入三相電流中，IB1，IC1兩相輸入電流對(duì)比正常狀態(tài)的波形均為正常。只有IA1輸入電流不正常，在斷開(kāi)VTA1管脈沖條件下，IA1相波形由階梯波變?yōu)榉讲?，峰峰值從I到－I變?yōu)閺?到－I;在斷開(kāi)VTB1管脈沖條件下，IA1相階梯波峰峰值從－I到I變?yōu)閺模璉到2I(取正常情況下輸入電流的峰值為2I)。

1.3 故障推理及診斷方法

通過(guò)對(duì)21種故障仿真可以得出A組的三相輸入電流IA1、IB1、IC1的波形各有7種狀態(tài)，A組整流橋的電流正負(fù)兩端輸出波形分別有3種狀態(tài)。經(jīng)過(guò)分析在A、B兩個(gè)整流橋有一個(gè)正常工作而另外一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，在A組的三相輸入電流IA1、IB1、IC1對(duì)應(yīng)的波形和峰峰值與21種故障存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以采用三相輸入電流IA1、IB1、IC1的峰峰值作為故障診斷的特征信號(hào)，如表1所示。為了敘述方便將連接在整流橋的輸出直流正端的晶閘管記為+A、+B、+C(A、B、C 表晶閘管的連接的輸入端)，同樣連接在負(fù)端的記為－A、－B、－C。

表1 特征值對(duì)應(yīng)的故障

2 基于虛擬儀器的故障診斷方法實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬儀器及其專用軟件Labwindows/CVI的簡(jiǎn)介

虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)是計(jì)算機(jī)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器的目的是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源使硬件技術(shù)軟件化，分立元件模塊化，降低程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。

Labwindows/CVI是National Instruments公司(美國(guó)國(guó)家儀器公司，簡(jiǎn)稱NI公司)推出的交互C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Labwindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集等程序，提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。利用這些庫(kù)函數(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的程序設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［5］。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障診斷系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路和PC機(jī)組成，其硬件配置如圖4所示。數(shù)據(jù)采集卡采用美國(guó)NI公司的PCI-6070E采集卡，PCI-6070E是一種基于計(jì)算機(jī)PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，它可直接插在計(jì)算機(jī)的PCI插槽上使用，它具有12位16路最大采集頻率1.25 MS/s的A/D接口，同時(shí)還具有8位數(shù)字I/O接口。

圖4 Labwindows/CVI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

信號(hào)調(diào)理電路的功能主要有:將被測(cè)裝置中的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流信號(hào);波形轉(zhuǎn)換;濾波;對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整等。圖5為信號(hào)調(diào)理電路原理圖。

這里主要介紹勵(lì)磁電流適配、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，如圖6所示。晶閘管整流橋的輸出電流(IE)通過(guò)取壓電阻R1，經(jīng)跟隨器U3D、匹配電阻R69、R70、跟隨器U4A生成勵(lì)磁電流匹配信號(hào)的電壓信號(hào)(Uie)。電流電壓變換系數(shù)Kie=0.136，空載額定時(shí)勵(lì)磁電流實(shí)測(cè)值IE為8.7 A，適配后Uie為1.18 V。

2.3 發(fā)電機(jī)功率單元的故障診斷系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

2.3.1 軟件的總體設(shè)計(jì)

軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)分析模塊(故障分析模塊)等四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)勵(lì)磁系統(tǒng)(主要是功率單元)的各種模擬和數(shù)字量的采集主要有A1、B1、C1三相交流電輸入、晶閘管輸出電壓(整流電壓/勵(lì)磁電壓)、勵(lì)磁電流和相關(guān)的數(shù)字量等相關(guān)信號(hào)。數(shù)據(jù)顯示模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)不同的需要接收數(shù)據(jù)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的波形。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)按照NI公司的TDMS文件格式存入計(jì)算機(jī)硬盤(pán)。數(shù)據(jù)分析處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集上來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)按照邏輯推理的原理來(lái)進(jìn)行相關(guān)的故障診斷，并將系統(tǒng)的運(yùn)行情況快速反饋給顯示模塊，達(dá)到一個(gè)很好的人機(jī)交互。具體各模塊之間的關(guān)聯(lián)如圖7所示。

2.3.2 DAQmx 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

圖7 各模塊之間的關(guān)聯(lián)

在進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集是無(wú)間斷地返回?cái)?shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程循環(huán)使用緩存。在采集之前應(yīng)指定一個(gè)循環(huán)使用的緩沖區(qū)，緩存大小與采樣頻率以及采樣時(shí)取走的采樣點(diǎn)有關(guān)。連續(xù)數(shù)據(jù)采集開(kāi)始之后，將采集卡采集到的數(shù)據(jù)存入這塊緩存內(nèi)，如果要進(jìn)行數(shù)據(jù)保存或存儲(chǔ)時(shí)，使用這種循環(huán)緩沖區(qū)技術(shù)，循環(huán)交替取走緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，在本設(shè)計(jì)中這些數(shù)據(jù)都被送入了線程安全隊(duì)列，供給多線程使用。Labwindows/CVI中連續(xù)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖8所示。使用Labwindows/CVI編寫(xiě)連續(xù)數(shù)據(jù)采集子線程程序時(shí)，主要調(diào)用了NI-DAQmx中的 DAQmxReadAnalogF64()函數(shù)［6］。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程

2.3.3 故障診斷程序設(shè)計(jì)

在程序中判斷晶閘管斷路故障時(shí)，首先要從安全隊(duì)列TSQ中讀取相關(guān)的特征量，A1、B1、C1的輸入通道的電流值IA1、IB1、IC1，并分別對(duì)其在一時(shí)間段中求最大值和最小值。由于數(shù)據(jù)采集卡每次采集數(shù)據(jù)都是采用數(shù)組寫(xiě)入的辦法，所以在求最大值和最小值時(shí)基本每次都是從送入安全隊(duì)列中讀取的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行。在取得這六個(gè)最值后按著前面敘述的方法進(jìn)行判斷。同時(shí)將判斷的結(jié)果在面板的文本框中輸出。其程序流程圖如圖9所示。

圖9 故障診斷程序流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文利用三相輸入電流IA1、IB1、IC1波形和峰峰值變化判斷故障的診斷方法，在虛擬儀器的軟件平臺(tái)Labwindows/CVI上開(kāi)發(fā)了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元的故障診斷系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)WLZ型勵(lì)磁裝置進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)WLZ型勵(lì)磁系統(tǒng)組成。首先該系統(tǒng)必須處于穩(wěn)態(tài)的情況，只要檢測(cè)輸出勵(lì)磁電流在某個(gè)數(shù)值的±5%波動(dòng)，就可以認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，這時(shí)就可以起動(dòng)故障診斷線程。在起動(dòng)故障診斷線程后首先要讀取數(shù)據(jù)采集的I/O口判斷系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖是否正常，如果觸發(fā)脈沖的輸入有異常會(huì)將面板上的與I/O口對(duì)應(yīng)的LED控件熄滅，并在文本框內(nèi)輸出哪個(gè)脈沖故障，提示檢修。當(dāng)排除觸發(fā)脈沖引起故障的干擾以后就能判斷晶閘管斷路的情況。當(dāng)人為斷開(kāi)VTA4時(shí)，從實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以看出，IA1的波形從階梯波變成了方波，峰峰值從－I到I變?yōu)?到I，確實(shí)是VTA4發(fā)生了故障。驗(yàn)證了仿真分析所得到故障診斷方法是正確的，試驗(yàn)也表明該診斷系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地診斷出哪一個(gè)晶閘管出現(xiàn)故障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文先對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元的故障進(jìn)行了分類，并應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了故障仿真和分析，在此基礎(chǔ)上得出了利用三相輸入電流的變化判斷故障的方法。根據(jù)此診斷方法開(kāi)發(fā)出了基于虛擬儀器的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元的故障診斷系統(tǒng)。試驗(yàn)表明該診斷系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地判斷出具體的哪個(gè)晶閘管發(fā)生故障，從而可以極早的排除故障根源，減少故障損失。

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