掘進(jìn)機(jī)電氣綜合保護(hù)數(shù)據(jù)采集方法的研究

張 博,喬忠良

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古包頭014010;2.太原理工大學(xué),太原030024)

隨著現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)安全要求越來越嚴(yán)格,煤礦對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣保護(hù)系統(tǒng)的要求也越來越高。原有的電氣保護(hù)的數(shù)據(jù)采集在整定精度和采樣精度上都不高,無法實(shí)現(xiàn)具有多功能的保護(hù),筆者提出了一種全新掘進(jìn)機(jī)電氣綜合保護(hù)數(shù)據(jù)采集的方法,即改進(jìn)的全波傅氏算法,在保證精度的基礎(chǔ)上使計(jì)算量大大減少。并介紹了各序分量算法的實(shí)現(xiàn),使得掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)性能得到了全面的提高。與其他的電氣保護(hù),其優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)更先進(jìn)、更快速和更全面。

1 數(shù)據(jù)采集及其算法

掘進(jìn)機(jī)綜合保護(hù)所需要采集的信號(hào)有數(shù)字量和模擬量信號(hào)兩大類。數(shù)字量信號(hào)有來自接觸器等設(shè)備的輔助接點(diǎn)或繼電器的開關(guān)量信號(hào),這些信號(hào)經(jīng)過耦合器和保護(hù)裝置相連。采集模擬信號(hào)時(shí),需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化,這樣才能保證原始數(shù)據(jù)不會(huì)失真。模擬量輸入電路又稱數(shù)據(jù)采集電路,主要作用是完成模數(shù)轉(zhuǎn)換,規(guī)范輸入電壓,完成與主CPU接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。模擬量通道是微機(jī)保護(hù)中極其重要的電路,通道中實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào),保護(hù)裝置的動(dòng)作速度和測(cè)量精度等性能與該電路密切相關(guān)。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路要從被保護(hù)的線路或設(shè)備上的電流、電壓互感器等變送設(shè)備上采集數(shù)據(jù),一般根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求,將互感器的二次側(cè)數(shù)值變換為相應(yīng)范圍的電流信號(hào)或電壓信號(hào)。當(dāng)涉及到移相、提取某一分量時(shí),在微機(jī)保護(hù)中,可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。采樣電路主要由傳感器、電壓調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)用電流、電壓變送器來采集,再進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛驼{(diào)理以后送給單片機(jī)或PLC內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入通道。例如：要檢測(cè)油泵電機(jī)的三相電流信號(hào),因油泵電機(jī)的額定電流比較大,選用時(shí)要考慮過流的影響,所以應(yīng)選用通過電流較大的電流互感器。再比如,要檢測(cè)系統(tǒng)電壓,因系統(tǒng)電壓額定為660 V,選用時(shí)考慮過電壓、低電壓等因素,所以一般采用交流電壓變送器檢測(cè)系統(tǒng)電壓。電壓調(diào)理電路通常包括電壓跟隨器、比例調(diào)整電路和硬件濾波電路三部分,他們的作用是為了保證電機(jī)在額定電流以及當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)和過載時(shí)出現(xiàn)過電流情況下的檢測(cè)精度,模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)的算法

由于掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)很大程度上是對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù),所以從電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)原理入手,分析電機(jī)的各種類型的故障,找出判斷各種故障的依據(jù),才能推導(dǎo)出相對(duì)應(yīng)的算法。這里介紹的算法是先檢測(cè)電流,經(jīng)電流電壓變換設(shè)備后把采集的信號(hào)送到鑒幅電路,鑒幅電路通過檢測(cè)電流幅值、零序和負(fù)序電流分量,以此作為故障判據(jù),從而形成各種保護(hù)的算法。

圖1 模擬信號(hào)處理硬件原理圖

1.2.1 過流、負(fù)序電流與零序電流的故障判據(jù)

對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱故障進(jìn)行判斷的常用方法是對(duì)稱分量法[1]。用對(duì)稱分量法分析三相異步電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱問題時(shí)能夠使計(jì)算大大簡(jiǎn)化。把三相電流經(jīng)過計(jì)算后分解成正序分量、負(fù)序分量和零序分量,然后根據(jù)所發(fā)生的故障類型進(jìn)行判斷,通過判斷得到的數(shù)據(jù)對(duì)所發(fā)生的故障進(jìn)行斷電保護(hù)。這種方法既靈敏又可靠,還能判斷出電機(jī)所有常見故障,同時(shí)能夠判別出相應(yīng)的故障類型,實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷。原理框圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)故障診斷及保護(hù)原理框圖

1.2.2 改進(jìn)后的全波傅里葉算法

電機(jī)保護(hù)裝置要實(shí)時(shí)獲取電壓和電流數(shù)據(jù),及時(shí)響應(yīng)各種故障狀態(tài),準(zhǔn)確地做出保護(hù)反應(yīng)。在故障發(fā)生以后的瞬間,信號(hào)里面含有直流分量和很多諧波分量,信號(hào)發(fā)生了畸變。很多保護(hù)裝置都是建立在整數(shù)次諧波之上,通過一定的算法處理得到的基波和諧波分量[4],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。算法是對(duì)交流采樣信號(hào)參數(shù)的一個(gè)估計(jì)運(yùn)算,所以算法性能的好壞還要看數(shù)據(jù)窗的長(zhǎng)短,從采樣值中提取出有用信號(hào)。為能讓保護(hù)快速的動(dòng)作,一定要選擇數(shù)據(jù)窗較短的算法。

輸入量通常認(rèn)為是由衰減后的非周期分量、基頻與倍頻分量所組成。最具有代表性的就是傅氏算法和它的推廣算法。一般假設(shè)一個(gè)輸入信號(hào)是周期信號(hào),除基波外還有不衰減的直流分量和各次諧波,用公式可以表示為：

在進(jìn)行故障分析時(shí),只需要分析基波分量就行,基波分量為：

經(jīng)采樣后的連續(xù)變量分解成為離散變量,積分運(yùn)算變成求離散和的形式。如果每周波采樣設(shè)為 N次,在進(jìn)行矩形積分時(shí),則第k次采樣的電流基波分量的傅里葉級(jí)數(shù)中余弦系數(shù)值和正弦系數(shù)值分別為：

這樣就得到了離散系統(tǒng)的一般表達(dá)形式,這種算法幾乎能完全地濾掉直流和各整次諧波分量,但是對(duì)衰減的直流分量和頻率小于50 Hz的低頻分量抑制效果不是很好。為了去除直流分量的影響,一般都是在其前面加差分環(huán)節(jié),形成全波差分傅氏算法,計(jì)算公式如下：

還有一種是半波傅氏算法,其數(shù)據(jù)窗很短,僅有半個(gè)周波,所以在計(jì)算量上要小得多。不過,這種算法的缺點(diǎn)是只能濾掉奇次諧波,而且精度和速度不能同時(shí)達(dá)到最佳,所以就要在速度和精度兩方面進(jìn)行折中考慮。異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)對(duì)算法數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度要求較低,于是用全波傅氏算法能夠得到很好的精度。又因?yàn)椴捎肅語(yǔ)言編程,所以運(yùn)算量最好小一些?；谏鲜銮闆r,特別地對(duì)全波傅氏算法進(jìn)行了改進(jìn),即給計(jì)算方法進(jìn)行瘦身處理,計(jì)算當(dāng)前k點(diǎn)保護(hù)算法的實(shí)虛部時(shí),用前k-1點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果就可以了。改進(jìn)的算法如下：

如果在式(3)之前在加上差分環(huán)節(jié)就構(gòu)成了全波差分傅氏遞推形式,公式為：

全波傅氏算法[2]的遞推形式和全波差分傅氏算法相比,頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)差不多,但是算法經(jīng)過瘦身處理,計(jì)算量減少了很多。

1.2.3 各序分量算法的實(shí)現(xiàn)

正序分量、負(fù)序分量和零序分量電流的保護(hù),一般要從電流中計(jì)算出負(fù)序和零序分量,然后再根據(jù)序量和相量之間的關(guān)系,可以計(jì)算出序電流分量：

往后延了16點(diǎn) -4/3π得來。同理α2I C也可看作IC對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)值延后采樣得來,這樣式(5)就可以寫為一周波24點(diǎn)的序分量瞬時(shí)值的表達(dá)式：

式(6)中,k是當(dāng)前采樣點(diǎn),于是得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的序分量i1(k)、i2(k)、i0(k)后,再經(jīng)傅里葉算法得到序分量的有效值I1,I2,I0,進(jìn)而就可以進(jìn)行相關(guān)保護(hù)的判斷了。通過這樣處理,避免了復(fù)數(shù)的運(yùn)算,又簡(jiǎn)化了計(jì)算量,所以非常適合微機(jī)計(jì)算。

2 靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文通過靜態(tài)模擬試驗(yàn)來檢驗(yàn)掘進(jìn)機(jī)電氣綜合保護(hù)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)測(cè)試傅氏算法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效果和精度。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中,分別對(duì)裝置的動(dòng)作電流值和動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了檢測(cè)。主要是給出不同的整定值,看各種保護(hù)在不同整定值下實(shí)際動(dòng)作的數(shù)值。本文仍以截割電機(jī)三相電流保護(hù)為例,其靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)值如表1所示。經(jīng)過分析,其相對(duì)誤差和技術(shù)誤差均在要求范圍內(nèi)。

表1 截割電機(jī)三相電流保護(hù)數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)電氣綜合保護(hù)不僅要求保護(hù)動(dòng)作的可靠性,還要保證測(cè)控的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。本文通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣保護(hù)數(shù)據(jù)采集方法的研究,并通過靜態(tài)模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析可以看出,電流和動(dòng)作時(shí)間的最大測(cè)量誤差在額定值時(shí)均不會(huì)超過±0.5%,可以滿足監(jiān)控的精度要求。參考文獻(xiàn)：

[1] 郭香云,邊冰.用對(duì)稱分量法分析三相異步電動(dòng)機(jī)的斷相運(yùn)行[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2004(2)：84-87.

[2] 諸佳云.傅氏算法在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用[J].電工電氣,2009(12)：28-30.

[3] 伍道明.基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J].化工職業(yè)技術(shù)教育,2006(3)：26-29.

[4] 程璋,李永堅(jiān),汪超.利用傅氏算法求取正確的基波及諧波分量初始角方法的研究[J].廣東輸電與變電技術(shù),2005(2)：13-17.