CN218995546U - 一种飞轮储能装置监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种飞轮储能装置监测系统，包括：飞轮储能装置、环境数据检测模块、数据采集机箱和可编程逻辑控制器PLC设备；飞轮储能装置包括：飞轮驱动设备、飞轮和真空泵；其中，飞轮驱动设备、飞轮和真空泵分别设置对应的电参数检测装置；数据采集机箱通过多通道数据采集卡分别与飞轮驱动设备和飞轮的电参数检测装置连接；数据采集机箱内部安装有监测软件；监测软件包括：采集配置模块、数据采集模块、总线接口模块、数据存储模块、实时显示模块、数据回放模块、数据导出模块和调试模块；PLC设备分别与环境数据检测模块、数据采集机箱和真空泵的电参数检测装置连接。本实用新型实现对飞轮储能装置运行故障的精确判断，并及时实现故障保护。

Description

一种飞轮储能装置监测系统

技术领域

本实用新型涉及飞轮储能技术领域，尤其涉及一种飞轮储能装置监测系统。

背景技术

飞轮储能装置是一种在真空环境下，转子高速旋转存储机械能的一种能量存储装置；通过电机定子，将机械能转化成电能的一种可以实现电能存储与释放的设备。转子在高速旋转状态下，如果发生轴承失效，转子从悬浮状态中脱落，可能与底部或外壳结构发生剧烈接触摩擦，消耗转子动能，造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒，产生次级危害。不仅如此，飞轮转子也有可能会发生超速事故，使转子内部应力超过材料强度极限，导致转子部件内部产生裂纹损伤，极端情况下转子会发生爆裂进而导致人员的伤亡。因此，现有技术采用物联网技术构建了飞轮储能装置的远程控制系统，管理人员不需要在现场检测磁悬浮飞轮的状态，但仍需要人工进行故障判断。

在实现本实用新型实施例过程中发现现有技术至少存在如下问题：

现有飞轮储能装置的远程控制系统获取到运行数据量小，不利于精确进行故障判断。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种飞轮储能装置监测系统，以解决现有飞轮储能装置的远程控制系统获取到运行数据量小，不利于精确进行故障判断的问题。

本实用新型实施例提供了一种飞轮储能装置监测系统，包括：飞轮储能装置、环境数据检测模块、数据采集机箱和可编程逻辑控制器PLC设备；所述飞轮储能装置包括：飞轮驱动设备、飞轮和真空泵；

其中，所述飞轮驱动设备、所述飞轮和所述真空泵分别设置对应的电参数检测装置；

所述数据采集机箱通过多通道数据采集卡分别与所述飞轮驱动设备和所述飞轮的电参数检测装置连接；所述数据采集机箱内部安装有监测软件；所述监测软件包括：采集配置模块、数据采集模块、总线接口模块、数据存储模块、实时显示模块、数据回放模块、数据导出模块和调试模块；

所述PLC设备分别与所述环境数据检测模块、所述数据采集机箱和所述真空泵的电参数检测装置连接。

在一种可能的实现方式中，所述环境数据检测模块包括：温度传感器、湿度传感器和油液泄漏检测传感器。

在一种可能的实现方式中，所述PLC设备与所述数据采集机箱通过网口和IO端口通信连接。

在一种可能的实现方式中，所述数据采集机箱与所述PLC设备之间通信协议为Modbus TCP。

在一种可能的实现方式中，所述数据采集机箱包括：百纳秒级信号端口和毫秒级信号端口。

在一种可能的实现方式中，所述百纳秒级信号端口包括：

母线电压端口、直流电流端口、电机线电压端口、电机交流电流端口、光电信号端口和PWM调制信号端口。

在一种可能的实现方式中，所述百纳秒级信号端口还包括：预留AI端口和预留数字逻辑IO采集端口。

在一种可能的实现方式中，所述毫秒级信号端口包括：飞轮振动采集端口和飞轮噪声采集端口。

在一种可能的实现方式中，所述PLC设备包括百毫秒级端口。

在一种可能的实现方式中，所述百毫秒级端口包括：温度采集端口、真空泵振动采集端口、湿度采集端口和油液泄漏检测端口。

本实用新型实施例提供一种飞轮储能装置监测系统，通过对飞轮驱动设备、所述飞轮和所述真空泵分别设置对应的电参数检测装置，并设置环境数据检测模块，全面获取飞轮储能装置运行过程中的电参数和环境参数，以整体掌控飞轮储能装置运行情况。数据采集机箱通过多通道数据采集卡分别与所述飞轮驱动设备和所述飞轮的电参数检测装置连接，所述PLC设备分别与所述环境数据检测模块、所述数据采集机箱和所述真空泵的电参数检测装置连接。由数据采集机箱和PLC设备分别完成部分数据的采集工作。PLC设备和数据采集机箱相互连接，PXI机箱实现所有数据存储、显示和分析，PLC实现基于数据采集机箱中存储的大数据在线对飞轮储能装置进行连接测试，实现对飞轮储能装置运行故障的精确判断，并在发生故障时自动化远程管理实现故障保护。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的飞轮储能装置监测系统的结构示意图；

图2是本实用新型一具体实施例提供的飞轮储能装置监测系统的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的飞轮储能装置监测系统监控平台的电气拓扑结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本实用新型实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。本实用新型实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细的描述：

图1为本实用新型一实施例提供的一种飞轮12储能装置1监测系统的结构示意图。参照图1，该飞轮12储能装置1监测系统包括：飞轮12储能装置1、环境数据检测模块2、PLC设备3和数据采集机箱4。

其中，飞轮12储能装置1包括：飞轮12驱动设备11、飞轮12和真空泵13。飞轮12驱动设备11、飞轮12和真空泵13分别设置对应的电参数检测装置。

数据采集机箱4通过多通道数据采集卡分别与飞轮12驱动设备11和飞轮12的电参数检测装置连接。数据采集机箱4内部安装有监测软件。监测软件包括：采集配置模块、数据采集模块、总线接口模块、数据存储模块、实时显示模块、数据回放模块、数据导出模块和调试模块。

PLC设备3分别与环境数据检测模块2、数据采集机箱4和真空泵13的电参数检测装置连接。

可选的，数据采集机箱4连接一个或多个飞轮12储能装置1。在连接多个飞轮12储能装置1时，能够实现针对多个飞轮12储能装置1的综合管理。可选的，PLC设备3连接一个或多个飞轮12储能装置1。在连接多个飞轮12储能装置1时，能够集中采集多个飞轮12储能装置1的真空泵13的数据。

在不同实施例中，数据采集机箱4和PLC设备3的具体工作流程不同。数据采集机箱4实现部分数据采集，所有数据存储、显示、分析。PLC实现部分数据采集和故障保护以及自动化运行逻辑。

其中，数据采集机箱4工作过程主要由监测软件执行。监测软件实现数据显示时，包括数据实时显示和数据回放显示。具体的：①实时显示数据波形，可以选择显示信号通道。②对于显示的信号名称和正常阈值范围可编辑。③滚动显示可暂停，不影响数据存储。④可以设置显示数据顺序。⑤数据采集变比可调。⑥信号通道颜色可配置。

监测软件实现数据存储时，可配置存储参数，比如：存储大小。具体的：①数据根据时基对齐统一存储。②数据分段存储，每段时长10分钟。③数据可以单独存储和读取某一项或几项。④可以选择覆盖式存储或者累积式存储。⑤异常数据存储标识，容易识别异常数据。

监测软件实现数据存储时，可以设定数据安全阈值，分析判断数据是否超过阈值。

PLC设备3主要与数据采集机箱4进行数据交互，用于在线分析异常数据，一旦出现数据异常，根据预设监控保护策略执行相应动作。比如：切断负载，投入电阻柜(能量吸收系统)等。

其中，PLC设备3用于实现保护功能时，根据数据采集机箱4得到的数据异常信息，执行对应的保护功能。具体的：①数据异常保护具有滤波功能，可以设定滤波深度，滤除干扰成分。②数据异常保护动作可编辑，执行顺序和执行延时可设置。③数据异常保护条目可自行添加删除。④数据异常时，能够发出报警信息。

PLC设备3用于实现自动化运行控制时，飞轮12实现一键式启动和关闭，中间环节由PLC程序化控制，编程可参见前期开发的自动化运行软件。PLC实现的自动化运行功能为加速飞轮12产品化进程。PLC设备3内自动化运行控制软件可独立运行，验证产品化功能。

在本实施例中，通过对飞轮12驱动设备11、飞轮12和真空泵13分别设置对应的电参数检测装置，并设置环境数据检测模块2，全面获取飞轮12储能装置1运行过程中的电参数和环境参数，以整体掌控飞轮12储能装置1运行情况。数据采集机箱4通过多通道数据采集卡分别与飞轮12驱动设备11和飞轮12的电参数检测装置连接，PLC设备3分别与环境数据检测模块2、数据采集机箱4和真空泵13的电参数检测装置连接。由数据采集机箱4和PLC设备3分别完成部分数据的采集工作。PLC设备3和数据采集机箱4相互连接，PXI机箱实现所有数据存储、显示和分析，PLC实现基于数据采集机箱4中存储的大数据在线对飞轮12储能装置1进行连接测试，实现对飞轮12储能装置1运行故障的精确判断，并在发生故障时自动化远程管理实现故障保护。

在本实用新型一具体实施例中，PLC设备3选用西门子PLC，数据采集机箱4采用美国NI公司的PXI数据采集机箱4。

其中，PXI数据采集机箱4进行多路\多种信号的采集，包括环境温度、湿度及油液泄漏，设备振动以及直流\交流电压、电流等，并通过上位机软件的编程计算实现电能质量等的换算。使用西门子PLC与飞轮12储能装置1直接通讯，读取其自身的各项参数与状态，最后以通讯的方式与NI的PXI机箱实现数据交互。最后，PXI机箱与PLC互相配合，最终实现监测平台的监测与保护功能。

图2为本实用新型一实施例提供的一种飞轮12储能装置1监测系统的结构示意图。

其中，飞轮12储能装置1包括三个。另外，飞轮12储能装置1监测系统还包括斩波器、电阻柜和水冷机，且PLC设备3与斩波器、电阻柜和水冷机连接。PLC设备3与数据采集机箱4综合进行数据采集，实现在线监控存储各项过程数据，包括但不限于：环境参数、变流器本体、飞轮12本体、辅机、电源、斩波器、电阻柜、供电系统等。

在一种可能的实现方式中，如图2所示，环境数据检测模块2包括：温度传感器、湿度传感器和油液泄漏检测传感器。

在一种可能的实现方式中，PLC设备3与数据采集机箱4通过网口和IO端口通信连接。

在一种可能的实现方式中，数据采集机箱4与PLC设备3之间通信协议为ModbusTCP。

在一种可能的实现方式中，数据采集机箱4包括：百纳秒级信号端口和毫秒级信号端口。

其中，数据采集机箱4主要基于信号的采集速率和信号同步要求进行板卡资源分配，即端口的配置。

在本实施例中，基于数据采集机箱4采集数据的类型设置不同类型信号端口，保证数据采集和传输的有效性，实现数据的稳定传输，避免重要数据或数据量较大数据在传输时发生延迟。

在一种可能的实现方式中，百纳秒级信号端口包括：母线电压端口、直流电流端口、电机线电压端口、电机交流电流端口、光电信号端口和PWM调制信号端口。

在一种可能的实现方式中，百纳秒级信号端口还包括：预留AI端口和预留数字逻辑IO采集端口。

在本申请实施例中，百纳秒级信号端口包括AI端口和IO采集端口。电流、电压和光电信号通过AI端口输入，PWM调制信号端口通过IO采集端口输入。电流、电压和光电信号等模拟信号，具有连续变化的物理量信息，信息量较大的特点，选用AI端口实现电流、电压和光电信号的稳定输入。

其中，预留AI端口用于UPS测试中采集380V进线和出线，对应采样率为≥10KS/s。另外，可作为开放性端口选择测量信号。

在一种可能的实现方式中，为实现不同信号类型的采集和稳定传输采用不同探头类型或传输线路。

结合图2所示的实施例，数据采集机箱4为NI公司的PXI箱时，百纳秒级信号端口的配置信息如下表1：

表1

其中，鉴于连接三个飞轮12储能装置1，因此，相应的电机线电压、电机交流电流和光电信号均包括3路，随着连接飞轮12储能装置1的数量增加，通过预留AI端口进行相应飞轮12储能装置1电机线电压、电机交流电流和光电信号的采集。对应电压信号采用RP1050D探头，对应直流电流信号采用PAC22探头，对应电机交流电流信号采用C160探头，对应光电信号和PWM调制信号则采用PVP2150探头。

在一种可能的实现方式中，毫秒级信号端口包括：飞轮12振动采集端口和飞轮12噪声采集端口。

在本实施例中，飞轮12振动信号和飞轮12噪声信号能够反映出飞轮12的运行情况，综合检测飞轮12振动信号和飞轮12噪声信号及具体运行过程中电参数提高飞轮12故障判断精确度。

结合图2所示的实施例，数据采集机箱4为NI公司的PXI箱时，毫秒级信号端口的配置信息如下表2所示：

表2

在一种可能的实现方式中，PLC设备3包括百毫秒级端口。

在一种可能的实现方式中，百毫秒级端口包括：温度采集端口、真空泵13振动采集端口、湿度采集端口和油液泄漏检测端口。

结合图2所示的实施例，数据采集机箱4为NI公司的PXI箱时，百毫秒级端口的配置信息如下表3所示：

表3

参见上述表1、表2和表3可知，针对不同检测信号的类型会设有对应型号的探头。除预留端口外，对于上述未示出探头型号的信号类型可以通过无线信号或通信协议进行传输。

在具体实施过程中，系统具体运行状态满足如下条件以保证系统稳定运行。

1)在线监控平台安装前要保证其余设备处于断电状态，避免操作过程中发生危险；

2)将振动传感器安装于飞轮12本体顶部，保证Z轴向上，并将传感器输出的3路信号(X轴、Y轴、Z轴)连接至数据采集机箱4的对应通道上；

3)直流母线电压1路使用高压隔离探头进行采集，直流电流1路使用电流钳进行采集，将探头连接至数据采集机箱4对应通道上；

4)交流电压3路使用高压隔离探头进行采集，交流电流3路使用电流钳进行采集，将探头连接至数据采集机箱4对应的通道上；

5)变流器光电信号3路、PWM信号12路，使用常规X10比例探头连接至数据采集机箱4对应的通道上；

6)根据测试需求，连接温度采集信号、真空泵13振动信号、环境温湿度信号、油液泄漏检测信号等连接至PLC采集部分对应通道上。

7)将PLC采集部分的通讯信号线(CAN、RS 485、网线等信号)连接至飞轮12储能装置1通讯接口上，可根据需求进行多台连接也可只进行1台装置的连接测试；

8)打开数据采集机箱4所带系统上的基于LabVIEW编写的上位机软件，启动运行。

9)按照所需要测试的内容和功能，根据软件操作手册，进行相应参数设置，软件会根据设定的参数自动运行，满足使用需求。

在一具体实施例中，针对异常保护动作前数据监测类别和对应的正常范围值如下表所示：

其中，对应飞轮启动和飞轮升速过程两种运行状态下飞轮频率检测值不同。具体的，对应飞轮启动前、飞轮加速前、预加速状态下和加速后运次过程中频率设定值不同，分别为：在飞轮启动前，对应的设定频率值为0Hz；在飞轮预加速之前，对应的设定频率值为0Hz～30Hz；飞轮预加速状态下，对应的设定频率值为0Hz～600Hz；飞轮加速后，对应的设定频率值为500Hz～600Hz。

软件会根据以上设定的参数自动运行，在上述表中各检查项目满足设定检测范围，则禁止发出报警信号，在任一项不满足时，根据对应项进行关键故障检查和故障处理，并进行报警。具体的，故障原因、故障条件、故障处理和报警方式如下表所示：

在具体实施过程中，关于以上各项可以进行增删改。

图3是本实用新型一具体实施例提供的飞轮12储能装置1监测系统监控平台的电气拓扑结构。

其中，数据采集机箱4选用NI公司的PXI测量设备，各路模拟和数字信号及各路振动信号通过多通道数据采集卡输入PXI测量设备。具体的，各路模拟和数字信号通过BNC探头检测输入，振动传感器信号则可以由无线通信的方式发送至PXI测量设备。

PXI测量设备与PLC测量设备之间通过网口和IO端口连接，分别实现通信连接和数据传输。PLC测量设备包括支持CAN总线协议、485总线协议等协议的接口和网线接口。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置监测系统，其特征在于，包括：飞轮储能装置、环境数据检测模块、数据采集机箱和可编程逻辑控制器PLC设备；所述飞轮储能装置包括：飞轮驱动设备、飞轮和真空泵；

其中，所述飞轮驱动设备、所述飞轮和所述真空泵分别设置对应的电参数检测装置；

所述数据采集机箱通过多通道数据采集卡分别与所述飞轮驱动设备和所述飞轮的电参数检测装置连接；所述数据采集机箱内部安装有监测软件；所述监测软件包括：采集配置模块、数据采集模块、总线接口模块、数据存储模块、实时显示模块、数据回放模块、数据导出模块和调试模块；

所述PLC设备分别与所述环境数据检测模块、所述数据采集机箱和所述真空泵的电参数检测装置连接。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述环境数据检测模块包括：温度传感器、湿度传感器和油液泄漏检测传感器。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述PLC设备与所述数据采集机箱通过网口和IO端口通信连接。

4.根据权利要求2所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述数据采集机箱与所述PLC设备之间通信协议为Modbus TCP。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述数据采集机箱包括：百纳秒级信号端口和毫秒级信号端口。

6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述百纳秒级信号端口包括：

母线电压端口、直流电流端口、电机线电压端口、电机交流电流端口、光电信号端口和PWM调制信号端口。

7.根据权利要求6所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述百纳秒级信号端口还包括：预留AI端口和预留数字逻辑IO采集端口。

8.根据权利要求5所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述毫秒级信号端口包括：飞轮振动采集端口和飞轮噪声采集端口。

9.根据权利要求1所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述PLC设备包括百毫秒级端口。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能装置监测系统，其特征在于，所述百毫秒级端口包括：温度采集端口、真空泵振动采集端口、湿度采集端口和油液泄漏检测端口。

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