CN113281621A - 基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置及其使用方法。它包括微控制器模块、与微控制器模块的信号发生模块和信号接收模块，信号发生模块能够持续向监测设备线路与地之间注入方波信号，信号接收模块能够接收连接监测设备线路两项的信号并进行放大滤波处理，微控制器模块还连接有报警单元，微控制器模块能够对接收到的信号进行计算分析得出线路电阻值并发出警报信息。优点是：利用低频方波注入设备线路两相与地之间，并监测连接电路两相的采样电阻电压，使用傅里叶变换处理采样数据计算电路绝缘电阻，判断线路绝缘状态，在线路发生绝缘故障时发出报警，实现了对船舶设备电力系统的绝缘状态进行系统离线监测，提高安全性目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶设备故障诊断技术，具体的说是一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置及其使用方法。
背景技术
如今船舶电网普遍采取中性点不接地(NUS)方式以提高船舶供电安全性，该系统的特点是照明系统与动力系统之间通过变压器联系，无直接连接，系统间只有磁通的联系，彼此的影响较小。当船舶电网的对地电容不大时，即使船舶电网发生单相的接地短路故障，其短路电流仍然较小，电网的三相线电压仍可保持对称。这样系统短时间内无需跳闸断电，从而保证了船舶供电的连续性和可靠性。但此系统不可长时间的一相接地运行，尤其是发电机直接供电的电力系统，在发生单相接地故障时，其相对地电压会直接升高到线电压，最终可能会造成两相短路故障。所以在中性点不接地系统中，一般应装设绝缘监视或接地保护装置，当发生单相接地时能发出信号，使值班人员迅速采取措施，尽快消除故障。
同时，随着现代船舶向着大型化、自动化的方向发展，其电力系统需求容量不断增大，电力网络结构越来越复杂和密集，特别是防无线电干扰电容的广泛应用，使得船舶电力系统的对地电容大为增加，从而造成船舶电网相线和船体之间会产生电气联系；并且船舶设备，特别是船舶甲板机械设备所处的环境恶劣，极易受到盐雾、水汽、霉菌等因素影响，造成电力系统绝缘故障的发生；而且电网系统复杂的走线情况使得从设备或电网线路的高阻接地到直接金属接地问题都可能发生，接地电流的幅值变化范围较大。
如不及时处理发生的绝缘故障，则极易导致火灾、相间短路、人员触电等更为严重的事故，对船舶及其乘员的生命安全构成极大的威胁。但中性点不接地系统单相短路故障产生的故障接地残流小，故障选线比较困难。现阶段对各线路的绝缘状态进行实时监测多使用手动查询或使用电网在线结缘装置，手动查询方式费事费力，一旦出现船舶绝缘故障，对绝缘故障点的定位(查找)只能依靠人工方式对数百条负载支路逐条断电来实现；而电网在线绝缘监测装置虽然可较为方便的检测出通电状态下电网线路的绝缘状况，但甲板机械一般不长时间运行，非运行状态下不对其系统送电，无法通过在线检测方式发现绝缘故障问题，这时，一旦突然送电可能会出现较大的安全问题。
由此可见，对甲板机械电力系统的绝缘状态进行系统离线监测；在其电力系统未送电的情况下就发现发生的绝缘故障并诊断出故障线路，为操作人员保养设备、快速排除故障、保障甲板机械电力系统供电的使用安全性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够对船舶设备电力系统的绝缘状态进行系统离线监测，从而提高安全性的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置及其使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，包括微控制器模块、与微控制器模块的信号发生模块和信号接收模块，信号发生模块能够持续向监测设备线路与地之间注入方波信号，信号接收模块能够接收连接监测设备线路两项的信号并进行放大滤波处理，微控制器模块还连接有报警单元，微控制器模块能够对接收到的信号进行计算分析得出线路电阻值并通过报警单元发出警报信息。
所述信号发生模块电路包括光耦开关以及与光耦开关连接的多个三极管，通过所述微控制器模块的控制能够使信号发生模块电路产生2.5Hz的低频方波信号。
所述报警单元包括报警指示灯和LCD显示屏。
所述微控制器模块与地之间连接有持续监测设备运行状况的自检模块，所述自检模块电路通过两级运算放大电路放大接收信号，所述微控制器模块监测接收信号并判断模块运行情况。
所述微控制器模块上还连接有用于报警确认与调整报警值设定值的按键开关。
所述微控制器模块上还连接有用于将报警信号传输至上位机设备的通讯模块。
所述微控制器模块还连接有电源模块。
所述微控制器模块采用STM32F407ZGT6芯片。
所述通讯模块采用ADM2587E与ADM3053隔离通讯器件。
一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的使用方法，包括以下步骤：
A、由电源模块对船舶设备故障诊断装置进行供电，船舶设备故障诊断装置检测电网线路开关闭合状态，当开关断开电网进入离线状态时，离线监测开始运行，当开关闭合，退出离线监测；
B、当离线监测运行时信号发生模块持续向被监测设备线路任意两相与地之间注入低频方波信号；
C、自检模块接地，持续监测船舶设备故障诊断装置运行状况；
D、信号接收模块接收线路两项的信号，并将采集到的信号经放大滤波后传输至微控制器模块；
E、微控制器模块通过A/D转换对信号采样分析，通过欧姆定律计算得到当前线路的绝缘电阻值；如果线路发生绝缘故障，信号发生器注入的信号经故障接地处进入信号接收模块，形成闭合回路，接入线路的采样电阻电压上升，线路相线的绝缘电阻值下降，当得到的绝缘电阻值低于设定电阻值时认为装置所在线路发生绝缘故障，报警指示灯报警，LCD显示屏显示故障信息提醒船员检修线路；
F、通讯模块使用CAN或485通讯向上位机系统传输报警信息。本发明的优点在于：
其巧妙地利用低频方波注入设备线路两相与地之间，并监测连接电路两相的采样电阻电压，使用傅里叶变换处理采样数据计算电路绝缘电阻，判断线路绝缘状态，在线路发生绝缘故障时发出报警，实现了对船舶设备电力系统的绝缘状态进行系统离线监测，提高安全性的目的。
附图说明
图1为本发明基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的原理框图；
图2为本发明中信号发生模块电路图；
图3为本发明中自检模块电路图；
图4为本发明基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的工作原理图；
图5为本发明基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的电路发生绝缘时的等效电路；
图6为本发明中自检模块的单独Ke接线及自检时的信号走向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置及其使用方法作进一步详细说明。
实施例一：
如图所示，本实施例的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，包括STM32微控制器模块、与STM32微控制器模块连接的信号发生模块和信号接收模块，信号发生模块能够持续向监测设备线路与地之间注入方波信号，信号接收模块能够接收连接监测设备线路两项的信号并进行放大滤波处理，STM32微控制器模块还连接有报警单元，STM32微控制器模块控制整个模块系统，能够对接收到的信号进行计算分析得出线路电阻值，当计算得到的绝缘电阻值小于设定值时通过报警单元发出报警信息，当报警单元为报警指示灯和LCD显示屏时，报警指示灯亮、LCD显示屏显示报警信息，STM32 微控制器模块上还连接有按键开关、通讯模块以及电源模块，按键开关用于报警确认与调整报警值设定值，通讯模块用于将报警信号传输至上位机设备，电源模块负责为整套装置供电，由此可对离线状态下设备电路的绝缘电阻进行测量，绝缘监测的测量显示范围为：2kΩ-5MΩ预报警，报警设定范围为：20kΩ-5MΩ，该装置使用的电源模块包括220V转±24V、5V电源模块与5V转±12V、3.3V电源模块，其中±24V电压用于信号注入电压、5V用于给CAN等芯片供电、±12V用于给运放电路供电、3.3V用于给CPU处理器等元器件供电。
进一步地，对于具体电路设计来说，信号发生模块电路包括光耦开关以及与光耦开关连接的多个三极管，通过使用AQW214EH光耦开关、SS8050三极管驱动，轮流接入±24v，由STM32微控制器模块控制产生2.5Hz的低频方波信号注入被监测线路任意两相与地Pe之间，信号接收模块可采用常规的信号接收电路，本实施例不对其进行限定，按国家规范要求IEC61557-8，STM32微控制器模块与地之间连接有持续监测设备运行状况的自检模块，自检模块电路使用单独接地线Ke接地，自检模块电路通过两级运算放大电路放大接收信号，STM32微控制器模块监测接收信号并判断模块运行情况，由此可以通过自检模块持续监测设备运行状况。
再进一步地，所说的STM32微控制器模块使用STM32F407ZGT6 芯片，该芯片处理速度快，芯片处理主频达168MHz，具有丰富的片内外围资源，内部具有192KB的片内SRAM和1024KB的Flash 闪存，带有多通道的12位A-D转化模块,以及多个SPI、IIC和CAN 等通信接口，大大简化了外围电路的设计，通讯模块使用ADM2587E 与ADM3053隔离通讯器件，同时支持CAN与485通讯，可迅速将绝缘故障信息传输至上位机系统。
该离线电路绝缘监测装置的工作原理如图5所示：
该基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置与船舶设备线路开关呈电器连锁关系，平时船舶设备在通电使用时该基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置处于待机状态，当线路开关断开船舶设备断电，该基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置则开始监测线路绝缘状态，此时信号发生模块持续向线路三相电路的其中两相与地Pe之间注入低频方波信号，当线路出现绝缘故障时，注入信号经过绝缘低处支路通过接地回到绝缘监测装置，从而构成电路回路，对此可以得出如图6所示的等效电路。
其中Ef为信号注入源，R0为采样电阻，R1为限流电阻。C为对地电容，Rf为绝缘电阻。由于电网的中性点不直接接地，线路阻抗一般远小于对地绝缘电阻及对地电容的容抗值，可忽略其对电路的影响，通过欧姆定律计算可得故障处绝缘电阻值Rf:
因为Ef、R0、R1数值已知因此只需测量出采样电阻R0的电压U 就可计算得出绝缘电阻值Rf。
采集信号经过信号采集模块的滤波放大处理后由STM32微控制器模块的A/D转换通道进行采样分析。由于信号发生模块向电路系统中注入的为低频信号，A/D转换器对信号进行采样时会将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，系统无法直接利用采集信号的数值信息进行分析计算。因此利用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)对采样得到的信号数值进行频谱分析，将离散化的原始数据值从时域转换到频域，使数字信号的提取处理在频域采用数值运算的方法进行。假设接收到的低频信号的波形函数为x(t)，首先对x(t)进行时域采样，得到x(n)＝x(nT)，再对x(n)进行DFT，得到：
在STM32芯片编程计算的过程可以用欧拉公式对此进行表示。对处理信号在复数域里进行DFT，只要确定注入方波的频率，便可得到复数的结果，再根据复数的性质，计算得出较为准确的信号幅值、相位。此方法大大增加了数字信号处理的灵活性与准确性。
将计算得到的Rf与系统设定的电阻值进行比较，确认监测设备所在船舶线路的绝缘状态，当绝缘电阻的测量值低于设定时触发预报警或报警功能，预报警(报警)指示灯亮起，LCD显示屏显示线路故障信息。同时预报警与报警信息会通过通讯模块使用CAN或 485通讯传输至上位机系统，提醒船员及时检修该线路的绝缘故障。
根据IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备》第8部分：IT系统中绝缘监控装置第4.2规定，绝缘监视装置应包括一个测试装置或装有测试装置连接器，以测试该绝缘监控装置是否能完成其功能。针对这个要求，本装置中设计有自检模块，模块单独接地，通过两级运算放大电路放大接收信号，并将信号传输至STM32微控制器模块，由A/D转换通道进行采样分析。当离线监测装置正常工作时，系统将通过独立接地线Ke接收到信号发生模块向地Pe中注入的方波信号。如果无法检测出信号发生模块产生的注入信号则判断模块运行发生故障并通过LCD屏幕与报警指示灯显示模块故障报警。
实施例二：
一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的使用方法，包括以下步骤：
A、由电源模块对整个船舶设备故障诊断装置进行供电，船舶设备故障诊断装置检测电网线路开关闭合状态，当电网线路开关断开电网进入离线状态时，离线监测开始运行，当电网线路开关闭合，退出离线监测；
B、当离线监测运行时，信号发生模块持续向被监测设备线路任意两相与地之间注入低频方波信号；
C、自检模块接地，持续监测船舶设备故障诊断装置运行状况；
D、信号接收模块接收线路两项的信号，并将采集到的信号经放大滤波后传输至STM32微控制器模块；
E、STM32微控制器模块通过A/D转换对信号采样分析，通过欧姆定律计算可得到当前线路的绝缘电阻值；如果线路发生绝缘故障，信号发生器注入的信号经故障接地处进入信号接收模块，整个系统将因此成一个闭合回路，接入线路的采样电阻电压上升，线路相线的绝缘电阻值下降，当得到的绝缘电阻值低于设定电阻值时可认为装置所在线路发生绝缘故障，报警指示灯报警，LCD显示屏显示故障信息提醒船员检修线路；
F、通讯模块使用CAN或485通讯向上位机系统传输报警信息。
Claims (10)
1.一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：包括微控制器模块、与微控制器模块的信号发生模块和信号接收模块，所述信号发生模块能够持续向监测设备线路与地之间注入方波信号，所述信号接收模块能够接收连接监测设备线路两项的信号并进行放大滤波处理，所述微控制器模块还连接有报警单元，微控制器模块能够对接收到的信号进行计算分析得出线路电阻值并通过报警单元发出警报信息。
2.按照权利要求1所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述信号发生模块电路包括光耦开关以及与光耦开关连接的多个三极管，通过所述微控制器模块的控制能够使信号发生模块电路产生2.5Hz的低频方波信号。
3.按照权利要求1或2所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述报警单元包括报警指示灯和LCD显示屏。
4.按照权利要求3所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述微控制器模块与地之间连接有持续监测设备运行状况的自检模块，所述自检模块电路通过两级运算放大电路放大接收信号，所述微控制器模块监测接收信号并判断模块运行情况。
5.按照权利要求1、2或4所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述微控制器模块上还连接有用于报警确认与调整报警值设定值的按键开关。
6.按照权利要求5所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述微控制器模块上还连接有用于将报警信号传输至上位机设备的通讯模块。
7.按照权利要求1、2、4或6所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述微控制器模块还连接有电源模块。
8.按照权利要求7所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述微控制器模块采用STM32F407ZGT6芯片。
9.按照权利要求8所述的基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置，其特征在于：所述通讯模块采用ADM2587E与ADM3053隔离通讯器件。
10.一种基于离线绝缘监测的船舶设备故障诊断装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、由电源模块对船舶设备故障诊断装置进行供电，船舶设备故障诊断装置检测电网线路开关闭合状态，当开关断开电网进入离线状态时，离线监测开始运行，当开关闭合，退出离线监测；
B、当离线监测运行时信号发生模块持续向被监测设备线路任意两相与地之间注入低频方波信号；
C、自检模块接地，持续监测船舶设备故障诊断装置运行状况；
D、信号接收模块接收线路两项的信号，并将采集到的信号经放大滤波后传输至微控制器模块；
E、微控制器模块通过A/D 转换对信号采样分析，通过欧姆定律计算得到当前线路的绝缘电阻值；如果线路发生绝缘故障，信号发生器注入的信号经故障接地处进入信号接收模块，形成闭合回路，接入线路的采样电阻电压上升，线路相线的绝缘电阻值下降，当得到的绝缘电阻值低于设定电阻值时认为装置所在线路发生绝缘故障，报警指示灯报警，LCD显示屏显示故障信息提醒船员检修线路；
F、通讯模块使用CAN或485通讯向上位机系统传输报警信息。
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