CN1329253A - 一种高压电机故障放电在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种高压电机故障放电在线监测系统,基于中性点耦合的检测方法,采用高频宽带电流传感器、宽带前置放大电路、窄带信号检波和报警单元、包括DSP信号高速采集模块的工控机和服务器等,组成宽带加窄带的系统硬件配置方式,软件采用模块化结构,包括数据传送、特征提取、特征数据库、专家系统等模块。本发明大幅度提高系统可靠性和抗干扰性,漏报率为零,并大大降低误报率,并可通过光纤局域网络构成多台电机的分布式监测系统。

Description

一种高压电机故障放电在线监测系统

本发明涉及一种高压电机故障放电在线监测系统，尤其涉及利用窄带和宽带局放信号检测和信号处理技术的高压电机故障放电在线监测系统，属于电力系统高压设备故障放电检测技术领域。

大型发电机安全、可靠的运行对电力系统至关重要，准确有效地在线监测高压电机局部放电是生产实际中需要迫切解决的问题。现有技术中，大型发电机绝缘在线监测技术的实施技术主要可以分为窄带监测法和宽带监测法。

文献“发电机局部放电射频在线监测”(郭维芹等，《上海第二工业大学学报》1995.2pp：9-20)是目前典型的窄带电机局部放电在线监测方面的文献资料。该仪器完全仿制了80年代初西屋公司的产品，其放大器中心频率为1MHz，带宽为5KHz。这种装置选择性好，抗干扰性强，但由于通带过窄，系统灵敏度较低。发电机绝缘在线检测的窄带法忽视了电机内部放电能量是分布在数百K到数十兆赫兹的宽频率带中的特性。也就是说只有放电能量积累到相当大的程度(并经传输衰减)，并落入该窄带检测范围检测装置才能有反应。这种反应往往表明电机内部已有严重的绝缘故障或绝缘系统问题，从报警到电机内部绝缘损伤性故障的周期较短，即预警周期短。这种检测对于电机内部绝缘缺陷的早期和中前期诊断缺乏指导意义，主要用来监测系统的火花放电。同时系统的漏报率和误报率也较高。

文献“大型发电机定子绕组局部放电在线监测系统的研究”(苏鹏声等，《电工电能新技术》2000.2.pp：49-52)是目前宽带电机局部放电在线监测方面较先进的文献资料，提出了一种用于现场的发电机局部放电在线监测系统的实现方案。这个方案采用客户机/服务器形式的局域网结构，以光纤传输作为局域网的连接，在系统设计中从局部放电监测点的选择、硬件结构和软件编程等多方面考虑了抑制噪声干扰的问题。发电机绝缘在线检测的宽带法从理论上来说，是采集了电机内部放电能量的总体特征，特别是绝缘材料内部放电形成的宽频域、低能量的局部放电特征，对于电机内部绝缘缺陷的早期和中期诊断有指导意义。但是，目前局放检测的理论和实践技术仍是发展中的前沿科学，对不同类型电机、不同运行环境，经过多年研究和实践摸索，电业界也仅积累了有关放电幅值、相位、重复率与故障类型之间关系的大量经验数据，而难以定量地建立关于大型电机局部放电故障与电机绝缘状况的统一标准。其次，带宽的增大自然带来抗干扰性差的问题。关于宽带系统抗干扰的手段，现有检测装置往往因具体实施电机的特点和开发者的分析侧重点而采用某一种特定的技术手段，造成不同的检测系统在相同运行环境下的同一发电机上得出结果差异很大的问题。此外，以往的宽带系统只强调采样系统指标，而对局放数据的特征积累和历史趋势分析没有引起足够的重视。也难以克服漏报和误报。以上的问题使得以往的宽带系统投入实际运行后给电站用户故障判断、分析决策带来困难。

目前应用的局放检测系统各有自己的长短优缺。但都有几个共同的不足，一是对放电信号的分析、判断和决策均需由专业技术人员完成，不便于工厂一般工作人员使用和故障判断；二是目前所谓的宽带系统带宽均不超过几百KHz，与真正的宽带相差甚远；三是设计中未考虑电机放电的历史趋势评判，也没有特征数据库的配置；四是缺乏有效的抗干扰和噪声的技术手段，信号检测灵敏度只靠提升电路的动态指标来实现；五是针对整套装置的信号回路标定困难，缺乏可靠的标定依据；六是系统难以克服漏报和误报。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的可靠的高压电机故障放电在线监测系统，综合现有窄带和宽带两种系统的优势，结合现代信号分析和数据库等数字处理技术，给电站用户进行电机放电故障类型判断、检修维护决策提供故障放电监测结果，使得艰深的局放理论和信号分析技术能够为一般技术人员所轻松利用。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用基于中性点耦合的检测方法，系统采用窄带＋宽带＋数字抗干扰和识别算法＋局放信号历史数据特征库＋专家系统的设计框架，体现了与以往的单一原理的检测装置的在设计思想上的不同。

系统采用高频宽带电流传感器、宽带前置放大电路、窄带信号检波和报警单元、包括DSP信号高速采集模块的工控机和高性能服务器等，组成宽带加窄带的系统硬件配置方式。

系统的信号源为发电机中性点，在发电机中性线上安装高频宽带电流传感器(CT)，在传感器附近配置宽带前置放大电路，传感器的输出信号经宽带前置放大电路进行宽带放大和阻抗匹配后，再利用50Ω同轴电缆将信号送往距现场较远的后级窄带处理单元和宽带处理单元分别处理。

窄带处理单元采用了传统的用晶振带通滤波器对信号检波的方法，但比起以前的系统增加了完整的窄带报警参数整定功能，而且还将检波后的窄带信号送往信号高速采集模块，在信号高速采集模块数字化后的窄带信号送到服务器上的局放信号特征数据库供专家系统分析用。

宽带处理单元将宽带前置放大器送过来的宽带信号和窄带检波后送过来的窄带信号经隔离后送到DSP高速采样系统。由工控机和服务器对信号进行抗干扰处理和提取特征参数后存入局放信号特征数据库，专家系统根据特征数据库中的宽带和窄带历史数据作出电机绝缘状态的诊断。窄带系统和宽带系统是两套独立的系统，除共享传感器和信号前置放大器外，可独立工作。同时两套系统又作为一个整体，协同工作，增加了系统的可靠性，保证做到系统的漏报率为零，同时也降低了系统的误报率。

发电机工频电压的相位有助于区分局放信号的来源，将厂内发电机的AC供电电源信号也引入采样系统进行同步采样，这样以工频电源电压为同步参考信号，用来区分局放信号来源的A、B、C相线。

服务器采用双CPU的高性能服务器，服务器内的大容量SQL数据库中可以永久保存的电机局放特征数据，为系统的长期监测提供依据。数据采集卡上内嵌DSP处理器、工控机内的高速CPU和服务器内的高速双CPU协同工作，分担运算任务，为系统提供强大的数据处理能力。

系统采用Client/Server结构，工控机和服务器之间通过光纤局域网络相连接，一方面提高了系统的抗干扰能力，同时通过该网络可以组成对多台电机同时进行局放在线监测的分布式监控系统。

系统软件采用模块化结构，包括DSP应用模块、信号预处理模块、数据传输控制模块、特征提取模块、局部放电特征分析和绝缘评估专家系统模块、查询和显示模块。DSP应用模块主要是控制宽带、窄带和工频相位参考信号的采集，同时实现幅度变换、周期校正等功能。信号预处理模块主要是抑制各种干扰，其步骤如下：a)利用自适应滤波抑制窄带周期干扰；b)利用小波分析抑制白噪声干扰；c)利用模式识别抑制随机干扰。数据传送模块主要是通过光缆实现数据和控制信息的双向传递。特征提取模块主要是提取局放信号的NQN值、最大放电量、局放电流平均值等特征参数，同时也将数字化的窄带信号存储在数据库中。局部放电特征分析和绝缘评估专家系统模块主要是从相关数据库中提取当日采样统计数据，结合数据库中的历史数据，进行处理分析，得出当日的局部放电趋势和状况，综合判定电机系统的绝缘状态，提出诊断意见。查询和显示模块主要是供用户查询数据库中的特征数据和历史记录。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

图1为本发明的系统结构示意图。

如图所示，高频宽带电流传感器(CT)安装在发电机中性线上，高频宽带电流传感器的输出通过同轴电缆连接宽带前置放大电路1，宽带前置放大电路1的输出端通过同轴电缆分别与窄带检测单元和工控机连接。宽带前置放大电路1采用电子电路实现，输入输出阻抗为50欧姆，放大电路带宽为250KHz至20MHz，放大倍数为2至10倍可调。

窄带检测单元包括窄带检波单元2和本地报警电路3。窄带检波单元2采用了传统的用晶振带通滤波器对信号检波的方法，中心频率为1MHz，带宽为5KHz。本地报警电路3利用逻辑电路实现了完整的窄带报警参数整定功能和报警功能，可以根据检测到的窄带信号实现本地报警功能。此外，检波后的窄带信号送往工控机上的信号高速采集模块4，将窄带信号数字化并通过光纤网络送往服务器上的特征数据库，供专家系统综合分析用。

宽带前置放大电路1、窄带检波2和本地报警电路3都可以通过普通的电子电路实现。

宽带检测单元由：包括DSP信号高速采集模块4的信号检测下位机(工控机)、网络通讯设备(光缆等)以及包括特征提取8、大型特征数据库9和专家系统10的信号分析上位机(服务器)等构成。工控机主要功能是通过信号高速采集模块4、信号预处理模块5和数据传送模块6，完成包括宽带信号、窄带信号和工频相位参考信号的采集、预处理和传送。信号高速采集模块4由硬件系统实现，其输入端与工频相位参考信号、宽带前置放大电路1的输出端及窄带检波单元2的输出端相连，其输出经信号预处理模块5、数据传送模块6由光纤网络连接到服务器。信号预处理模块5和数据传送模块6由软件系统实现。

信号预处理模块5主要功能是抑制各种干扰，先利用自适应滤波抑制窄带周期干扰，然后再利用小波分析抑制白噪声干扰，最后利用模式识别抑制随机干扰。由于采用了高速长时间数据采集电路，可以捕捉每个局放信号和干扰信号的细节，根据每个信号的细节来区分是局放信号还是干扰信号，所以大大提高了系统的抗干扰性能。数据传送模块6利用TCP/IP协议完成工控机与服务器间的数据交换。

服务器上的软件模块由数据传送模块7、特征提取模块8、特征数据库9、专家系统模块10和查询显示模块11组成。在工控机上完成宽带信号的高速采集，经过抗干扰等信号预处理后，将信号送往服务器，数据传送模块7利用TCP/IP协议完成服务器与工控机间的数据交换。特征提取模块8提取局放信号的特征参数NQN值、最大放电量、平均放电电流和放电量二次分配率等，并将特征参数储存在特征数据库9中，供专家系统10处理分析用，特征数据库9采用了SQL Server大型数据库。查询和显示模块11提供用户电机状态和查询历史数据功能。

与以往分析方法不同，将模式识别技术实际应用于本发明的系统中，NQN、最大放电量、平均放电电流、和放电量二次分配率及窄带放电电流峰值等特征值的统计分析和发展趋势比较体现了当今世界范围内关于局放判据的最新的理论研究成果。与以往专家人工经验分析信号特征的方式不同，本单元设计了基于电机的大型历史特征数据库，设计了智能感应的专家诊断功能，将局部放电按照轻度、中度、严重三种诊断意见报告给电站用户，并自动提供客观的进一步分析手段和检修维护决策。为达到无人值班监视要求，通过软、硬件结合的微机接口通讯技术实现了向电站集中控制室的远方报警功能(12)和本地事件记录功能。

图2为本发明信号高速采集模块4的结构示意图。

如图所示，本发明的信号高速采集模块由模拟输入端口13、抗混叠滤波器14、200KHzA/D转换器15、多路开关16、高速A/D17、高速FIF018、PC机接口19、DSP处理器20、SRAM21和高速数据总线22组成。其中模拟输入端口13接受来自窄带检波2的信号、来自宽带前置放大电路1的信号以及工频参考相位信号，抗混叠滤波器14用于防止信号混叠，200KHzA/D转换器15实现窄带信号的数字化，多路开关16用于控制那一路信号送往高速A/D，高速A/D17用于信号的高速数字化，高速FIFO18用于保存高速A/D的输出，PC机接口19用于完成DSP主板和工控机间的数据交换，DSP处理器20用于系统控制和处理，SRAM21为DSP处理器20提供内存空间，高速数据总线22是数据采集系统间的数据交换通道。与其它数据采集卡不同的是我们采用了大容量的高速FIFO18，所以可以实现信号的长时间高速采集，为捕捉每个局放信号和干扰信号的细节提供了可能。从13至22这些模块都能由现有普通电子电路构成，集成在一块电路板上，很容易实现。

本发明具有显著的效果，采用宽带＋窄带模式，专家系统将二者处理结果结合起来综合分析，大幅度提高系统可靠性，从软件分析和检测电路两方面可以做到漏报率为零，采用了长时间(最多可达几十个工频周期)高速(20M/S)数据采集电路，捕捉局放信号和干扰信号的所有细节，利用两者的细节来区分局放信号和干扰信号，提高了系统的抗干扰性能，并大大降低了误报率。能根据监测的数据判别电机定子放电的相序。光缆网络联结高性能工控机和服务器，构成上/下位机联机系统，可以构成多台电机的分布式监测系统，将多台电机的信号存放于同一历史数据库中作比较，进一步提高了局放信号分析的置信度。系统提供小波分析、FIR滤波和自适应滤波等多种抗噪手段，构筑在WINDOWSNT操作系统和SQL数据库平台上的大型故障特征值数据库系统，保存原始放电时域信号和局放特征信息。综合历史数据智能分析系统(专家系统)，不需要标定即可提供高置信度的故障判断能力。智能感应的故障诊断专家系统，提供超文本连接的、可在线修订的专家诊断能力。软、硬件结合的故障远方报警功能，使运行人员及时发现故障。

在本发明的一个实施例中，宽频电流传感器采用了频响为250KHz至30MHz的高频电流互感器，宽带信号前置放大电路的带宽为250KHz至20MHz。

窄带系统参考了美国西屋公司射频监测装置的工作原理，采用一个1MHz±2.5kHz(-3dB)的晶振带通滤波器对检测信号滤波，然后对滤波信号进行对数放大和准峰值检波，最后通过逻辑处理单元输出报警信号。宽带系统由DSP高速采样卡、工控机、高性能服务器和光缆网络组成。AC供电电源(来源于发电机电源)信号也引入采样系统进行同步采样，这样以工频电源电压为同步参考信号，用来区分局放信号来源的A、B、C相线。

高速DSP采样卡，其性能指标为：采样速率20MHz/S，量化位数为12bit，在DSP处理器的控制下可连续高速采集长达几十个工频周期的局放信号。

服务器采用了双CPU的高性能HP服务器，服务器内的大容量SQL数据库可以保存永久的电机局放特征数据，为系统的长期监测提供依据。系统采用Client/Server结构，用光缆组成局域网络。工控机和服务器间通过100M的光纤局域网络相连接，一方面提高了系统的抗干扰能力，同时通过该网络可以组成对多台电机同时进行局放在线监测的分布式监控系统。

Claims (4)

1、一种高压电机故障放电在线监测系统，其特征在于采用高频宽带电流传感器(CT)、宽带前置放大电路(1)、包括窄带检波(2)和本地报警电路(3)的窄带检测单元、包括DSP信号高速采集模块(4)的工控机和服务器等，组成宽带加窄带的系统硬件配置方式，安装在发电机中性线上的高频宽带电流传感器(CT)的输出连接宽带前置放大电路(1)，宽带前置放大电路(1)的输出连接窄带检波(2)，并与工频相位参考信号和窄带检波(2)的输出一起接入信号高速采集模块(4)，信号高速采集模块(4)的输出经信号预处理模块(5)、数据传送模块(6)由光纤网络连接到服务器，服务器上的软件由数据传送(7)、特征提取(8)、特征数据库(9)、专家系统(10)和查询显示(11)组成模块化结构。

2、如权利要求1所说的高压电机故障放电在线监测系统，其特征在于窄带检测单元中的窄带检波单元(2)采用晶振带通滤波器，中心频率为1MHz，带宽为5KHz，本地报警电路(3)利用逻辑电路实现窄带报警参数整定和报警功能。

3、如权利要求1所说的高压电机故障放电在线监测系统，其特征在于工控机和服务器之间通过光纤局域网络相连接，组成对多台电机同时进行局放在线监测的分布式监控系统。

4、如权利要求1所说的高压电机故障放电在线监测系统，其特征在于信号高速采集模块(4)中采用了大容量的高速FIFO(18)。

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