虛擬逆變裝置電壓故障檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

電力電子逆變?cè)O(shè)備作為當(dāng)前主要的電力變換設(shè)施，已廣泛應(yīng)用于能源、交通、冶金、化工、機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)，成為眾多工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備[1-4]。因此，對(duì)電力電子逆變裝置故障進(jìn)行智能檢測(cè)與診斷，對(duì)于及時(shí)排查故障，減少設(shè)備停滯時(shí)間及其相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失，具有重要的實(shí)用價(jià)值與意義[5-7]。

本文所設(shè)計(jì)的逆變裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)，下位機(jī)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，與上位機(jī)進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸或變位故障檢測(cè)等。上位機(jī)采用LabVIEW軟件搭建虛擬儀器平臺(tái)，主要完成組態(tài)功能、故障診斷、報(bào)警列表功能、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、波形實(shí)時(shí)顯示及運(yùn)算、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析等功能。同時(shí)，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，通過調(diào)用歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可進(jìn)行回看歷史數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還具有一鍵還原保護(hù)系統(tǒng)功能，可對(duì)硬件電路進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的功能和要求。

1 故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

故障檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，輸入信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡上傳至虛擬平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和故障報(bào)警模塊。主要完成系統(tǒng)的故障信息數(shù)據(jù)采集、采樣參數(shù)的設(shè)置、面板的數(shù)據(jù)交換、故障的監(jiān)測(cè)顯示、故障報(bào)警、測(cè)試結(jié)果顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖1 故障檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 故障檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

故障檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能[8-10]。檢測(cè)系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)采集分析模塊、故障檢測(cè)模塊、故障指示模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。系統(tǒng)采用多通道的數(shù)據(jù)流模式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同時(shí)采集和分析[11-12]，如圖2所示為故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖。

圖2 故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板根據(jù)功能劃分成4個(gè)子面板：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障檢測(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢。這4個(gè)子面板在運(yùn)行開關(guān)和設(shè)置參數(shù)后自主啟用，同時(shí)開始運(yùn)行，但是系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各模塊完成的先后和數(shù)據(jù)的流通方向自動(dòng)運(yùn)行。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集子面板

數(shù)據(jù)采集子面板如圖3所示，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示。

圖3 數(shù)據(jù)采集子面板

數(shù)據(jù)采集子面板包括兩個(gè)部分，分別是初始數(shù)據(jù)設(shè)置模塊和波形顯示模塊。

(1) 初始數(shù)據(jù)設(shè)置模塊。

數(shù)據(jù)采集程序開始運(yùn)行前，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的具體參數(shù)設(shè)置，包括通道選擇設(shè)置、相電壓峰值越限值設(shè)置、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置、采樣速率設(shè)置、緩沖區(qū)大小設(shè)置、檢測(cè)個(gè)數(shù)設(shè)置、是否開始采集設(shè)置和數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)置。

① 通道選擇設(shè)置：根據(jù)輸入電壓的范圍進(jìn)行顯示通道選擇，見表1。

表1 通道選擇設(shè)置

② 相電壓峰值越限值設(shè)置：設(shè)置相電壓峰值的范圍，若超過設(shè)置值系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并在故障監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行故障指示和數(shù)據(jù)記錄。

③ 采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置：根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的頻率設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)越多，采集到的逆變裝置的波形數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，其結(jié)果誤差越小。

④ 采樣速率設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)精度要求設(shè)置采樣速率，采樣速率越高，其波形擬合度越高。

⑤ 緩沖區(qū)大小設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量合理設(shè)置緩沖區(qū)，以避免響應(yīng)時(shí)間過長。

⑥ 檢測(cè)個(gè)數(shù)設(shè)置：檢測(cè)故障的個(gè)數(shù)設(shè)置可以選擇1～5個(gè)。

(2) 波形顯示模塊。

設(shè)置完初始數(shù)據(jù)參數(shù)后點(diǎn)擊開始采集并濾波選項(xiàng)，波形顯示面板會(huì)同時(shí)顯示出采集部分采集到的初始波形和經(jīng)過濾波后的波形數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析子面板

數(shù)據(jù)分析子面板如圖4所示，根據(jù)疊加信號(hào)的頻率自動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，并將結(jié)果顯示在頻譜分析結(jié)果面板。具體工作過程為：首先將采集來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和波形去噪等信號(hào)調(diào)理，接著將故障信號(hào)和采樣信號(hào)進(jìn)行合成顯示在輸入波形面板，點(diǎn)擊開始分析選項(xiàng)即可對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

圖4 數(shù)據(jù)分析子面板

2.2.3 故障檢測(cè)子面板

故障檢測(cè)子面板如圖5所示，用來完成數(shù)據(jù)處理及故障檢測(cè)功能，包含故障診斷樣本輸入模塊、故障原因顯示模塊、故障指示模塊與系統(tǒng)還原保護(hù)模塊。

圖5 故障檢測(cè)子面板

(1) 故障診斷樣本輸入模塊。

故障診斷樣本輸入采樣X1～X5分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集通道1～5的數(shù)據(jù)。診斷樣本前，首先進(jìn)行系統(tǒng)的自檢和調(diào)試，檢測(cè)下位機(jī)是否正常并采集數(shù)據(jù)給上位機(jī)。當(dāng)樣本X1～X5輸入一個(gè)值時(shí)，信號(hào)發(fā)生器會(huì)生成一個(gè)峰值為該值的正弦波信號(hào)，頻率為系統(tǒng)的采樣頻率，其設(shè)置值應(yīng)滿足各通道對(duì)應(yīng)的電壓范圍。

(2) 故障原因顯示模塊。

若產(chǎn)生故障，則檢測(cè)系統(tǒng)分析故障原因并以文字形式輸出顯示。

(3) 故障指示模塊。

故障指示燈L1～L5分別對(duì)應(yīng)樣本輸入采樣X1～X5。若實(shí)時(shí)信號(hào)正常，則指示燈顯示綠色并常亮。若發(fā)生故障，則指示燈熄滅，同時(shí)顯示故障原因。

(4) 系統(tǒng)還原保護(hù)模塊。

若發(fā)生故障，則可以點(diǎn)擊系統(tǒng)還原保護(hù)按鈕，即對(duì)逆變裝置進(jìn)行斷電保護(hù)，保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)查詢子面板

歷史數(shù)據(jù)查詢子面板如圖6所示，是系統(tǒng)經(jīng)過后臺(tái)數(shù)據(jù)處理后，將關(guān)鍵信息進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示在該區(qū)域。顯示的項(xiàng)目為：系統(tǒng)運(yùn)行開始時(shí)間、運(yùn)行結(jié)束時(shí)間、通道號(hào)，設(shè)置的越限值、實(shí)測(cè)的電壓值、故障原因及處理結(jié)果。

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢子面板

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)功能測(cè)試

(1) 初始設(shè)置。

打開檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子面板，在初始數(shù)據(jù)設(shè)置模塊里進(jìn)行初始設(shè)置，如圖7所示。設(shè)置通道為1，相電壓越限值為1 V，采樣點(diǎn)數(shù)為2500個(gè)，采樣速率為2500 ms/s，緩沖區(qū)大小為25000，檢測(cè)個(gè)數(shù)N=1。

(2) 波形顯示測(cè)試。

設(shè)置完初始數(shù)據(jù)參數(shù)并點(diǎn)擊開始采集并濾波選項(xiàng)，顯示波形如圖8所示。波形在通道1顯示，且實(shí)際信號(hào)電壓幅值比濾波信號(hào)較高。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示波形

(3) 數(shù)據(jù)分析功能測(cè)試。

先在數(shù)據(jù)采集子面板點(diǎn)擊開始數(shù)據(jù)分析選項(xiàng)，再打開數(shù)據(jù)分析子面板，如圖9所示，輸入波形為一個(gè)連續(xù)的正弦波。

圖9 輸入波形

點(diǎn)擊開始分析選項(xiàng)后，則輸出該正弦波的頻譜分析結(jié)果，如圖10所示。

圖10 頻譜分析結(jié)果

(4) 故障檢測(cè)功能測(cè)試。

數(shù)據(jù)分析子面板對(duì)輸入波形進(jìn)行處理，當(dāng)輸入電壓值為0.5 V，低于設(shè)置的越限值1 V時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行，故障指示燈顯示正常。當(dāng)輸入電壓值為1.5 V，高于設(shè)置的越限值1 V時(shí)，則越限次數(shù)為1，故障指示燈L1熄滅，如圖11所示。同時(shí)，顯示故障原因，如圖12所示。

圖11 輸入1.5 V電壓的故障指示燈

圖12 輸入1.5 V電壓的故障原因

(5) 歷史數(shù)據(jù)查詢功能測(cè)試。

檢測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果如圖13所示，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行后保留的重要信息同時(shí)也存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

(1) 占空比分別為10%和20%時(shí)，系統(tǒng)輸入波形與頻譜分析結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 占空比為10%的測(cè)試結(jié)果

圖15 占空比為20%的測(cè)量結(jié)果

(2) 將所測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行擬合，測(cè)出擬合度，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)電壓值小于220 V時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度在99.5%以上，超過220 V后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度下降。

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的逆變裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)逆變裝置的故障類型和故障特點(diǎn)，完成了逆變裝置故障的檢測(cè)和報(bào)警保護(hù)。根據(jù)測(cè)量范圍不同，選擇不同的通道，可以實(shí)現(xiàn)5通道采集數(shù)據(jù)。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并將故障信號(hào)和采樣信號(hào)合成后在波形面板顯示。

故障檢測(cè)功能通過故障指示燈和文字來顯示故障原因。將數(shù)據(jù)處理結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以查詢顯示歷史數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還具有一鍵還原保護(hù)系統(tǒng)，可對(duì)硬件電路進(jìn)行保護(hù)，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的功能和要求。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)準(zhǔn)確度可達(dá)99.5%，且虛擬平臺(tái)構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)故障信號(hào)、記錄故障信號(hào)的特征，對(duì)解決實(shí)際問題具有重要的指導(dǎo)意義。