CN102156245A - 一种矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法，目的是利用多个传感器采集到的特征信号对矿用高压电缆进行在线故障诊断及预警，以获得准确信息；本发明包括单片机采集发送、FPGA采集发送、工控机通讯、局部放电特征提取、局部放电模式识别、故障诊断及预警、数据库存储和人机界面显示八个步骤；STC89C51单片机采集电缆温度和绝缘电阻后将数据发送至FPGA；FPGA采集局部放电信号，并将全部特征信号发送至工控机；工控机接收到全部特征信号后在虚拟仪器LabVIEW中提取局部放电统计特征量，识别放电模式，预警电缆潜在故障，并将实时数据和预警信息存储在工控机数据库中；井上调度中心计算机通过以太环网对监测数据、预警信息、静态参数、测试数据和检修记录进行显示和查询。

Description

一种矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法

技术领域

本发明涉及一种高压电缆故障诊断及预警方法，具体涉及一种用于煤矿井下矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法。

技术背景

矿用高压电缆是矿井供电系统的重要组成部分，是煤矿安全生产的关键设备，担负着向各生产环节传输电能的任务。随着井下工作面的延伸，矿井供电距离越来越远，矿用高压电缆分布越来越复杂。供电系统操作过电压、机械损伤和环境潮湿等因素一直以来严重影响矿用高压电缆的绝缘状态，直接导致电缆供电的可靠性降低。据不完全统计，煤矿供电设备事故中，电缆故障占2/3左右，是造成煤矿瓦斯爆炸事故的主要原因之一。为保证井下供电系统正常工作，长期以来井下工作人员采用离线测试方式，对电缆进行定期停电检修。这种方式不但需要暂停生产，而且消耗大量人力和财力，还不能及时发现电缆的潜在故障，电缆离线测试方式已经不能满足现代化矿井安全生产的要求。因此发展矿用高压电缆在线故障诊断及预警系统对潜在的绝缘故障进行诊断、预警，有助于防止突发性事故发生，减小故障对矿井安全的威胁，对煤矿安全生产具有十分重要的现实意义。

现有的电缆在线故障诊断系统大多是仅对故障范围内的特征量进行检测，或者对单一特征量进行监测，不能及时、可靠的预警故障发展趋势。如中国专利号为200910045471.3的专利中提到的“一种高压电缆在线监测系统”主要对护层电流、线芯电流和电缆温度进行检测，它只在故障后进行保护，而不能在电缆绝缘劣化之前就及时预警电缆绝缘状态；又如中国专利号为200910272138.6专利中提到的“高压交联聚乙烯电缆系统局部放电在线检测方法及装置”主要对电缆的局部放电进行监测，而没有考虑单一类型的传感器测量方案中数据的精度和可靠性，同时也没有对采集得到的局部放电信号进行模式识别，无法进一步判断电缆的绝缘状态；中国专利号为200610041888.9专利中提到的“交联聚乙烯绝缘电力电缆绝缘状态在线监测方法”也是仅对绝缘电阻进行监测，不但存在单一特征量的缺点，而且还无法全面的诊断电缆的绝缘状态。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种利用多个传感器采集到的特征信号对矿用高压电缆进行在线故障诊断及预警，以获得更加准确可靠的监测数据和预警信息的矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法。

本发明方法采集电缆温度、绝缘电阻和局部放电特征信号，利用这些特征量对矿用高压电缆潜在故障进行诊断和预警。具体步骤如下：

(1)单片机采集发送；利用STC89C51单片机接收到现场可编程门阵列FPGA的采集电缆温度和绝缘电阻指令后，启动模数转换器AD0809，通过模数转换器AD0809采集10个转换周期的电缆温度和绝缘电阻数据，去除采样数据的最大值和最小值后计算出平均值，将计算得到的电缆温度和绝缘电阻特征量通过串口通信发送给FPGA。

(2)FPGA采集发送；FPGA在接收到工控机(计算机)采集的电缆温度和绝缘电阻指令后，通过RS232向单片机发送采集指令。FPGA接收到单片机通过RS232发送来的电缆温度和绝缘电阻特征量后，经CAN总线通讯发送至工控机。

FPGA在接收到工控机采集局部放电指令后，通过对高速模数转换器AD9283进行控制，按10MHz采样率采集一个工频周期局部放电信号，将采集得到的局部放电信号存储到FPGA宏功能Mega function定义的先进先出存储器中，采集结束后将局部放电采集数据通过CAN总线通讯发送至工控机。

(3)工控机通讯；工控机定时向FPGA发送采集指令，工控机通过CAN总线接收步骤(2)发送来的电缆温度、绝缘电阻和局部放电特征信号，利用虚拟仪器LabVIEW的数据库连接工具包将全部特征信号存储在SQL Sever数据库的电缆监测实时数据表中。同时工控机利用虚拟仪器LabVIEW的数据通信工具包的TCP协议，通过以太环网与井上调度中心计算机通讯，将监测数据和预警信息发送给井上调度中心。

(4)局部放电特征提取；根据步骤(3)接收得到的局部放电特征信息，在虚拟仪器LabVIEW中提取

谱图，计算放电量因数Q、相位不对称度Φ、相关系数cc和正(负)半波偏斜度S_K ⁺(S_K ^-)等统计特征量。

(5)局部放电模式识别；在虚拟仪器LabVIEW中编写三层BP神经网络，利用局部放电试验数据训练三层BP神经网络，得到三层BP神经网络的权值和阈值。

将步骤(4)提取的局部放电统计特征量作为三层BP神经网络的输入，识别矿用高压电缆绝缘局部损伤、绝缘受潮、绝缘气泡、电缆线芯有毛刺、绝缘水树等局部放电现象。

(6)故障诊断及预警；根据步骤(3)采集得到的电缆温度和绝缘电阻特征量及步骤(5)得到的局部放电类型，利用电缆特征量与故障的关系树，在虚拟仪器LabVIEW中编写规则库，预警矿用高压电缆的潜在故障类型。

(7)数据库存储；根据步骤(3)和(4)得出的数据，将电缆温度、绝缘电阻和局部放电统计特征量存储在电缆监测实时数据表中，将步骤(5)和(6)输出结果存储在电缆预警实时信息表中。在下一次存储步骤(3)、(4)、(5)和(6)的数据前，将监测实时数据和预警实时信息转存到电缆监测历史数据表中和电缆预警历史信息表中。为保证系统的完整性，给工作人员提供更全面的信息，数据库在存储监测数据和预警信息的同时，存储矿用高压电缆的静态参数、测试数据和检修记录。

(8)人机界面显示；井上调度中心计算机通过以太环网读取工控机数据库中存储的数据信息，在虚拟仪器LabVIEW中对电缆监测实时数据和电缆预警实时信息进行显示，同时可以对电缆的静态参数、测试数据、检修记录、监测历史数据和预警历史信息进行查询。

本发明利用高速模数转换器，通过FPGA采集局部放电信号，可以如实反映局部放电的真实信号，为正确的故障预警提供保证。不同于以往的单一参数监测，可对多个特征量进行监测，为矿用高压电缆的绝缘监测提供了丰富而客观的依据。将采集的各个特征量信息进行信息融合，诊断矿用高压电缆的绝缘状况，能够实现及时、可靠的矿用高压电缆故障诊断及预警，使矿用高压电缆由故障后的保护和报警转换为故障前的监测和预警。

附图说明

图1是本发明方法系统结构框图；

图2是单片机采集发送程序流程图；

图3是FPGA采集发送程序结构框图；

图4是CAN总线通讯流程图；

图5是特征量与故障的关系树；

图6是数据库结构框图。

具体实施方式

本发明方法配套使用相应的矿用高压电缆在线故障诊断及预警装置效果更佳。该装置包括传感器单元、输入电抗器单元、电压互感器单元、供电单元、绝缘电阻监测单元、特征量信号处理单元、特征量信号采集发送单元、局部放电信号采集单元、FPGA系统单元、工控机单元和防爆外壳。传感器单元包括温度传感器、微电流传感器、毫安电流传感器和局部放电高频信号传感器；温度传感器、微电流传感器、毫安电流传感器通过信号线与特征量信号处理单元相连接；局部放电高频信号传感器通过信号线与局部放电信号采集单元连接。特征量信号处理单元主要包括接地线电流信号、温度信号调理电路；输出与特征量信号采集发送单元连接。绝缘电阻监测单元输入接电抗器中性点和电压互感器的低压副边，输出与特征量信号采集发送单元连接。特征量信号采集发送单元包括STC89C51单片机、A/D转换器和MAX3232通讯芯片，通过RS232串口与FPGA系统单元连接。局部放电信号采集单元包括高频信号放大电路、滤波电路、高速A/D转换器，通过数据线、时钟线和控制线与FPGA系统单元连接。FPGA系统单元包括FPGA芯片、扩展SDRAM和FLASH、通讯电路；通讯部分包括两路，一路是与特征量信号采集发送单元连接的RS232通讯电路，另一路是与工控机单元连接的CAN总线电路。特征量信号采集发送单元固化了A/D采样程序和串口通讯程序。FPGA系统单元固化了高速信号采样程序、滤波程序、RS232通讯程序和CAN总线通讯程序。防爆外壳是由具有隔爆性能和耐爆能力的钢板按防爆设计要求制成的，包括主腔体和进出线腔，隔爆方式为平面止口隔爆形式。该故障诊断装置已另案申请专利，中国专利申请号为201010220639.2。

本发明方法采集电缆温度、绝缘电阻和局部放电特征信号，利用这些特征量对矿用高压电缆潜在故障进行诊断和预警。具体步骤如下：

(1)单片机采集发送；如图2所示为单片机采集发送程序流程图，该程序包括基于STC89C51单片机的三相电缆温度、绝缘电阻的采集程序、特征量信息预处理程序和串口通讯程序。单片机接收到现场可编程门阵列FPGA的采集电缆温度和绝缘电阻指令后，启动特征量信号采集发送单元的模数转换器AD0809，通过模数转换器AD0809采集电缆温度和绝缘电阻，为防止单次采样随机性，增加系统的抗干扰能力，采集10个转换周期的电缆温度和绝缘电阻数据，去除采样数据的最大值和最小值后计算平均值，将计算得到的电缆温度和绝缘电阻特征量通过串口发送给FPGA。

(2)FPGA采集发送；如图3所示为FPGA采集发送程序结构框图。

FPGA在接收到工控机(计算机)采集电缆温度和绝缘电阻指令后，通过串口向单片机发送采集指令。FPGA接收到单片机通过串口发送来的电缆温度和绝缘电阻特征量后，经CAN总线通讯发送至工控机。如图4所示为CAN总线通讯流程图，包括芯片复位、芯片配置、芯片初始化和芯片正常工作模式。

FPGA在接收到工控机采集局部放电指令后，FPGA通过对局部放电信号采集单元的高速模数转换器AD9283进行控制，为如实反映局部放电的真实信号，局部放电采集单元采样频率为10MHz，采集时间为一个工频周期。在FPGA内部利用宏功能Mega function定义建立一块异步先进先出存储器(FIFO)，将高速模数转换器采集得到的局部放电信号存储到FIFO中。FIFO的写时钟与局部放电采样频率一致，读时钟与FPGA通讯单元数据发送频率一致。采集结束后将局部放电采集数据通过CAN总线通讯发送至工控机。

(3)工控机通讯；工控机通讯程序由虚拟仪器LabVIEW实现，它负责工控机与FPGA通讯、工控机与井上调度中心计算机通讯。工控机与FPGA通讯程序是通过CAN总线定时向FPGA发送采集指令，接收FPGA发送至工控机的全部特征量信号，利用Virtual CANInterface(VCI)函数库作为CAN总线与工控机的程序接口，在LabVIEW中通过调用库函数节点(CDV)调用VCI函数。VCI函数所实现的功能包括打开CAN总线、CAN总线初始化、启动CAN总线、关闭CAN总线。工控机与井上调度中心计算机通讯程序是通过以太环网将数据库中存储的电缆监测实时数据、电缆预警实时信息显示到井上调度中心计算机的人机界面，同时也负责井上调度中心计算机查询电缆监测历史数据、电缆预警历史信息及其他静态参数时的通讯。工控机与井上调度中心计算机通讯程序是通过虚拟仪器LabVIEW的数据通讯工具包TCP协议函数实现的，包括TCP侦听、打开TCP连接、写入TCP数据、读取TCP数据和关闭TCP连接。

(4)局部放电信号特征提取；局部放电信号特征提取程序是在虚拟仪器LabVIEW平台上进行计算的，包括提取

谱图，计算放电量因数Q、相位不对称度Γ、相关系数cc、正(负)半波偏斜度S_K ⁺(S_K ^-)等统计特征量。

谱图的提取方法为将采集得到的局部放电原始数据按时间和放电量幅值划分为

谱图，在

谱图上将工频相位

划分为36个小区间，将放电量划分为20个小区间，这样

平面就被分为36*20个小区间，通过统计每个小区间的放电次数就可得到

谱图。在谱图的基础上计算放电量因数Q、相位不对称度Φ、相关系数cc、正(负)半波偏斜度S_K ⁺(S_K ^-)。

放电因数Q反映了

谱图正负半周内平均放电量的差异，计算公式为：

$Q=\frac{Q_s^{-}}{N^{-}}/\frac{Q_s^{+}}{N^{+}}$

式中，Q_s ⁺(Q_s ^-)是正(负)半周放电量的总和；N⁺(N^-)是正(负)半周的放电次数，是

谱图的统计参数。

相位不对称度Γ反映了

谱图正负半周放电的起始相位的差别，计算公式为：

式中，

是正(负)半周放电的起始相角。

相关系数cc是表示正负半波分布形状的差异，计算公式为：

$\mathrm{cc}=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_j-\mathrm{\Σ}{x}_i\mathrm{\Σ}{y}_j/n}{\sqrt{[\mathrm{\Σ}{x}_i^2-{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2/n]\×\sqrt{[\mathrm{\Σ}{y}_j^2-{\left(\mathrm{\Σ}{y}_j\right)}^2/n]}}}$

式中，x_i(y_j)是正(负)半周放电第i(j)相位窗的平均放电量，n是半周内的相位开窗个数。

正(负)半波偏斜度S_K ⁺(S_K ^-)用于描述放电波形形状的分布对比与正态分布形状的偏斜度，计算公式为：

$S_k^{+}=\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\mathrm{\μ})}^3\×p_i}{{\mathrm{\σ}}^3}$

$S_k^{-}=\frac{\mathrm{\Σ}{(y_j-\mathrm{\μ})}^3\×p_j}{{\mathrm{\σ}}^3}$

式中，x_i(y_j)是正(负)半周放电第i(j)相位窗的平均放电量，P_i(P_j)、μ、σ是把谱图看成概率密度分布图，以

为随机变量时相位窗口i(j)内事件出现的概率、均值和标准差。

在局部放电波形的正半周期：

在局部放电波形的负半周期：

(5)局部放电模式识别；针对矿用高压电缆局部放电信号的特点，人为设计了绝缘局部损伤、绝缘受潮、绝缘气泡、线芯表面有毛刺和绝缘水树的电缆试验样品，分别对这几种绝缘缺陷的电缆及绝缘良好的电缆施加电压，测量其局部放电信号。提取这些局部放电信号的统计特征量，作为局部放电模式识别的样本。在LabVIEW中编写三层BP神经网络训练程序，对试验样本进行训练，当误差小于1％，并经样本验证后，认为该BP神经网络可用，保存该网络的权值和阈值，利用训练得到的权值和阈值识别绝缘局部损伤、绝缘受潮、绝缘气泡、电缆线芯有毛刺、绝缘水树等局部放电模式。

(6)故障诊断及预警；如图5所示为经试验得到特征量与故障的关系树。故障诊断及预警程序是依据特征量与故障的关系树，在虚拟仪器LabVIEW软件平台上实现的。通过电缆温度、绝缘电阻特征值和局部放电统计特征量等特征量与故障的关系，预警出电缆潜在故障，并将各类预警结果分为四级，第一级为矿用高压电缆绝缘状态良好；第二级为矿用高压电缆绝缘状态较好，提醒注意；第三级为矿用高压电缆绝缘状态一般，安排检修；第四级为矿用高压电缆绝缘状态恶化，需要报警，立即处理。通常若故障诊断及预警单元预警结果为第三级，并由工作人员安排检修后，不会出现第四级预警结果。

(7)数据库存储；如图6所示为数据库结构框图。为提高系统的可靠性和完整性，数据库中存储矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警装置采集的全部特征量信息，还存储矿用高压电缆的静态参数、测试参数、检修记录等信息。在SQL Server数据库中建立存储矿用高压电缆的静态参数、测试数据、检修记录、监测数据信息、监测实时数据、监测历史数据、预警实时信息和预警历史信息等数据信息的数据表。

静态参数表存储电缆编号、电缆所在区域、电缆型号规格、电缆生产厂家、电缆启用时间及电缆预期停用时间等参数。

测试数据表存储电缆编号、测试时间、绝缘电阻、极化指数等测试信息。

检修记录表存储电缆编号、检修时间、检修原因、检修内容、检修负责人等检修信息。

监测数据信息表存储监测数据类型、监测数据信息、监测数据的采集频率等监测数据信息。

监测实时数据表存储电缆编号、监测时间、监测数据，它是临时数据表。

监测历史数据表是将采集得到的电缆监测实时数据进行存储的数据表。

预警实时信息表存储预警时间、预警区域、预警级别和预警信息等预警信息的数据表。电缆预警实时信息表也是临时数据表。

预警历史信息表是将预警得到的电缆预警实时信息进行存储的数据表。

采用虚拟仪器LabVIEW的数据库连接工具包作为数据库管理工具，在LabVIEW软件平台上即可方便快捷地查询数据库中存储的各类数据。

(8)人机界面显示；人机界面显示程序是在虚拟仪器LabVIEW软件的基础上实现的，它可以实现井上调度中心的数据显示和查询，包括电缆监测实时数据和电缆预警实时信息的显示，电缆的静态参数、测试数据、检修记录、监测历史数据和预警历史信息的查询。工作人员在监控电缆监测实时数据、预警实时信息和变化趋势的同时，还可以查阅电缆的测试数据、检修记录、监测历史数据和预警历史信息，为工作人员提供更全面、准确的信息。

Claims (1)

1.一种矿用高压电缆在线故障诊断及预警方法，其特征是：

(1)单片机采集发送；利用STC89C51单片机接收到现场可编程门阵列FPGA的采集电缆温度和绝缘电阻指令后，启动模数转换器AD0809采集10个转换周期的电缆温度和绝缘电阻数据，去除采样数据的最大值和最小值后计算出平均值，将计算得到的电缆温度和绝缘电阻特征量通过串口通信发送给FPGA；

(2)FPGA采集发送；FPGA在接收到工控机采集的电缆温度和绝缘电阻指令后，通过RS232向单片机发送采集指令；FPGA接收到单片机通过RS232发送来的电缆温度和绝缘电阻特征量后，经CAN总线通讯发送至工控机；FPGA在接收到工控机采集局部放电指令后，通过对高速模数转换器AD9283进行控制，按10MHz采样率采集一个工频周期局部放电信号，将采集得到的局部放电信号存储到FPGA宏功能Mega function定义的先进先出存储器中，采集结束后将局部放电采集数据通过CAN总线通讯发送至工控机；

(3)工控机通讯；工控机定时向FPGA发送采集指令，工控机通过CAN总线接收步骤(2)发送来的电缆温度、绝缘电阻和局部放电特征信号，利用虚拟仪器LabVIEW的数据库连接工具包将全部特征信号存储在SQL Sever数据库的电缆监测实时数据表中；同时工控机利用虚拟仪器LabVIEW的数据通信工具包的TCP协议，通过以太环网与井上调度中心计算机通讯，将监测数据和预警信息发送给井上调度中心；

(4)局部放电特征提取；根据步骤(3)接收得到的局部放电特征信息，在虚拟仪器LabVIEW中提取

谱图，计算放电量因数Q、相位不对称度Φ、相关系数cc和正(负)半波偏斜度S_K ⁺(S_K ^-)等统计特征量；

(5)局部放电模式识别；在虚拟仪器LabVIEW中编写三层BP神经网络，利用局部放电试验数据训练三层BP神经网络，得到三层BP神经网络的权值和阈值；

将步骤(4)提取的局部放电统计特征量作为三层BP神经网络的输入，识别矿用高压电缆绝缘局部损伤、绝缘受潮、绝缘气泡、电缆线芯有毛刺、绝缘水树等局部放电现象；

(6)故障诊断及预警；根据步骤(3)采集得到的电缆温度和绝缘电阻特征量及步骤(5)得到的局部放电类型，利用电缆特征量与故障的关系树，在虚拟仪器LabVIEW中编写规则库，预警矿用高压电缆的潜在故障类型；

(7)数据库存储；根据步骤(3)和(4)得出的数据，将电缆温度、绝缘电阻和局部放电统计特征量存储在电缆监测实时数据表中，将步骤(5)和(6)输出结果存储在电缆实时预警信息表中；在下一次存储步骤(3)、(4)、(5)和(6)的数据前，将监测实时数据和预警实时信息转存到电缆监测历史数据表中和电缆预警历史信息表中；为保证系统的完整性，给工作人员提供更全面的信息，数据库在存储监测数据和预警信息的同时，存储矿用高压电缆的静态参数、测试数据和检修记录；

(8)人机界面显示；井上调度中心计算机通过以太环网读取工控机数据库中存储的数据信息，在虚拟仪器LabVIEW中对电缆监测实时数据和电缆预警实时信息进行显示，同时可以对电缆的静态参数、测试数据、检修记录、监测历史数据和预警历史信息进行查询。

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