基于多點電壓電流信息融合的泵房設備故障診斷方法

摘要：為了實現自來水廠泵房及其二次加壓泵房中配電設備與水泵故障的快速在線診斷與報警，保障泵房設備的安全運行，提出一種基于多點電壓與電流信息融合技術的泵房設備故障在線診斷方法.基于泵房設備配電系統(tǒng)與設備構成，從理論上系統(tǒng)地分析了泵房配電設備與水泵常見故障所具有的電壓與電流特征及其相互影響機理，使用配電線路中多個關鍵節(jié)點的實時電壓、電流測量值進行融合處理，提取泵房配電主回路供電電壓超限、配電線路中空氣開關或接觸器觸頭開路、水泵電機繞組開路、水泵電機繞組不平衡與匝間短路、水泵堵轉、電機與水泵連接機構斷開6類故障的故障特征，實現這些故障的在線診斷.闡述了故障診斷方法的執(zhí)行條件、實現原理及具體實現步驟.使用MATLAB/Simulink搭建仿真模型進行實驗驗證，仿真結果表明，本文方法能有效地診斷泵房設備故障，克服了現有人工排查耗時耗力與離線分析不及時的不足，為自來水廠及其二次加壓泵房配電設備與水泵的安全運行提供有效保障.

關鍵詞：配電設備；水泵電機；故障診斷；信息融合

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

近年來，城鎮(zhèn)高層建筑逐漸增多，為滿足高層樓宇、高地勢地區(qū)的供水需求，除了使用高質量制水工藝確保水質符合國家自來水水質標準外［1］，還需保障自來水廠及其二次加壓供水泵房安全運行［2］.若泵房配電系統(tǒng)中的設備出現故障，必然會影響正常供水，甚至出現停止供水的情況.因此，實時檢測泵房配電系統(tǒng)中設備運行狀態(tài)并及時診斷設備故障，對保障設備的正常運行具有重要的現實意義.

在工業(yè)過程及其系統(tǒng)中使用自動化監(jiān)測技術與系統(tǒng)已成為趨勢，泵房遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內外已得到應用.林述科［3］采用振動加速度傳感器獲取振動數據，通過最小反褶積技術增強數據特征，利用小波包分解提取節(jié)點特征值，結合壓力、溫度等信息，實現了礦井水泵房中電機軸承故障、水泵汽蝕、吸水口堵塞等故障的診斷.李奕辰［4］研究了一種二次供水泵房遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將現代化水質分析儀器納入系統(tǒng)中與供水設備一同管理，以提升二次供水泵房監(jiān)控的自動化程度，但在故障管理方面僅僅提到了監(jiān)控系統(tǒng)組網時的設備無法連接或設備調用不成功故障檢測與警報，沒有研究設備本身的故障診斷問題.劉陽［5］提出了一種城市智慧二次供水管理平臺的設計方案，該方案設計的平臺系統(tǒng)通過傳感器采集進出水壓力、流量、水泵狀態(tài)等信息，實現現場泵房設備的啟?？刂?，具有簡單的溫度報警、水淹報警等功能.顧士平［6］研究了一種水廠機泵故障診斷系統(tǒng)，采用失效模式與效果分析技術，運用振動、流量、電壓、電流、功率等參數，實現泵軸變形、水泵汽蝕等故障和電機輸出功率增加的綜合分析，并能提供相應的解決策略.

到目前為止，沒有相關文獻研究泵房系統(tǒng)常見的空氣開關或接觸器開路、電機繞組開路、水泵堵轉等配電設備和電機故障的實時監(jiān)測與診斷技術.解決這些故障的方法主要是人工排查，這種方法實現故障定位較為困難，需要花費較大的人力，維修時間和停止供水時間較長，嚴重影響居民用水.

當泵房配電系統(tǒng)中的設備出現故障時，回路中的電氣量——電壓、電流值發(fā)生變化，且存在相互影響，而且，電氣量在準確性、完備性和容錯性等方面有著開關量無法比擬的優(yōu)勢［7］.因此，本文以現有的自來水廠和二次加壓供水泵房配電系統(tǒng)為研究對象，基于三相電路平衡原理和三相異步電機等效電路，分析配電系統(tǒng)中設備6類常見故障的電壓、電流變化特征及其相互影響機理，使用多個關鍵節(jié)點的電壓、電流信息，提出一種基于多點電壓與電流信息融合分析的泵房配電系統(tǒng)設備故障在線診斷方法，克服了現有人工排查耗時耗力與離線分析不及時的不足.Simulink仿真實驗驗證了所提故障診斷方法的可行性，該方法對保障自來水廠和二次加壓供水泵房的正常運行和安全供水具有重要的意義和工程應用價值.

1 電路原理圖

1.1 水泵房配電系統(tǒng)

圖1為現有自來水廠、二次加壓泵站水泵房配電系統(tǒng)示意圖，主要由異步電機G、變頻器INV、智能電量采集裝置AKW、空氣開關QF、接觸器KM和熱繼電器FR等設備構成，圖1中所有下標數字為對應設備編號.AKWi具有通信功能，實現三相電壓/線電壓、三相電流/線電流、功率因數、頻率、有功功率、無功功率等電氣參數的實時監(jiān)測和計量，安裝于主回路以及各回路電機的輸入端.

1.2 三相異步電機等效電路圖

異步電機及配電線路三相等效電路如圖2所示.