(西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

電力電子逆變設備作為當前主要的電力變換設施，已廣泛應用于能源、交通、冶金、化工、機械制造等各個行業(yè)，成為眾多工業(yè)生產中的關鍵設備[1-4]。因此，對電力電子逆變裝置故障進行智能檢測與診斷，對于及時排查故障，減少設備停滯時間及其相應的經濟損失，具有重要的實用價值與意義[5-7]。

本文所設計的逆變裝置故障檢測系統(tǒng)，下位機主要完成對被測信號數據的采集、存儲，與上位機進行通信、數據傳輸或變位故障檢測等。上位機采用LabVIEW軟件搭建虛擬儀器平臺，主要完成組態(tài)功能、故障診斷、報警列表功能、數據實時顯示、波形實時顯示及運算、測點數據的分析等功能。同時，將數據處理結果存儲到數據庫，通過調用歷史數據查詢功能，可進行回看歷史數據。該系統(tǒng)還具有一鍵還原保護系統(tǒng)功能，可對硬件電路進行保護，達到了預先設計的功能和要求。

1 故障檢測系統(tǒng)的硬件設計

故障檢測系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，輸入信號通過數據采集卡上傳至虛擬平臺，包括數據顯示模塊、數據存儲模塊、數據分析模塊和故障報警模塊。主要完成系統(tǒng)的故障信息數據采集、采樣參數的設置、面板的數據交換、故障的監(jiān)測顯示、故障報警、測試結果顯示以及數據存儲等功能。

圖1 故障檢測系統(tǒng)結構框圖

2 故障檢測系統(tǒng)的軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件設計流程圖

故障檢測系統(tǒng)采用模塊化的設計理念，利用LabVIEW編程實現設計的功能[8-10]。檢測系統(tǒng)分成數據采集分析模塊、故障檢測模塊、故障指示模塊和歷史數據查詢模塊。系統(tǒng)采用多通道的數據流模式實現信號的同時采集和分析[11-12]，如圖2所示為故障檢測系統(tǒng)軟件流程圖。

圖2 故障檢測系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 系統(tǒng)前面板設計

系統(tǒng)前面板根據功能劃分成4個子面板：數據采集、數據分析、故障檢測和歷史數據查詢。這4個子面板在運行開關和設置參數后自主啟用，同時開始運行，但是系統(tǒng)會根據各模塊完成的先后和數據的流通方向自動運行。

2.2.1 數據采集子面板

數據采集子面板如圖3所示，負責將數據采集卡采集的數據進行處理及顯示。

圖3 數據采集子面板

數據采集子面板包括兩個部分，分別是初始數據設置模塊和波形顯示模塊。

(1) 初始數據設置模塊。

數據采集程序開始運行前，進行數據采集的具體參數設置，包括通道選擇設置、相電壓峰值越限值設置、采樣點數設置、采樣速率設置、緩沖區(qū)大小設置、檢測個數設置、是否開始采集設置和數據分析模塊設置。

① 通道選擇設置：根據輸入電壓的范圍進行顯示通道選擇，見表1。

表1 通道選擇設置

② 相電壓峰值越限值設置：設置相電壓峰值的范圍，若超過設置值系統(tǒng)會報警并在故障監(jiān)測模塊進行故障指示和數據記錄。

③ 采樣點數設置：根據輸入數據的頻率設置采樣點數，采樣點數越多，采集到的逆變裝置的波形數據越準確，其結果誤差越小。

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

⑤ 緩沖區(qū)大小設置：根據系統(tǒng)數據容量合理設置緩沖區(qū)，以避免響應時間過長。

⑥ 檢測個數設置：檢測故障的個數設置可以選擇1～5個。

(2) 波形顯示模塊。

設置完初始數據參數后點擊開始采集并濾波選項，波形顯示面板會同時顯示出采集部分采集到的初始波形和經過濾波后的波形數據。

2.2.2 數據分析子面板

數據分析子面板如圖4所示，根據疊加信號的頻率自動進行頻譜分析，并將結果顯示在頻譜分析結果面板。具體工作過程為：首先將采集來的原始數據進行濾波和波形去噪等信號調理，接著將故障信號和采樣信號進行合成顯示在輸入波形面板，點擊開始分析選項即可對疊加信號進行頻譜分析。

圖4 數據分析子面板

2.2.3 故障檢測子面板

故障檢測子面板如圖5所示，用來完成數據處理及故障檢測功能，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)還原保護模塊。

圖5 故障檢測子面板

(1) 故障診斷樣本輸入模塊。

故障診斷樣本輸入采樣X1～X5分別對應數據采集通道1～5的數據。診斷樣本前，首先進行系統(tǒng)的自檢和調試，檢測下位機是否正常并采集數據給上位機。當樣本X1～X5輸入一個值時，信號發(fā)生器會生成一個峰值為該值的正弦波信號，頻率為系統(tǒng)的采樣頻率，其設置值應滿足各通道對應的電壓范圍。

(2) 故障原因顯示模塊。

若產生故障，則檢測系統(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分別對應樣本輸入采樣X1～X5。若實時信號正常，則指示燈顯示綠色并常亮。若發(fā)生故障，則指示燈熄滅，同時顯示故障原因。

(4) 系統(tǒng)還原保護模塊。

若發(fā)生故障，則可以點擊系統(tǒng)還原保護按鈕，即對逆變裝置進行斷電保護，保護系統(tǒng)的安全運行。

2.2.4 歷史數據查詢子面板

歷史數據查詢子面板如圖6所示，是系統(tǒng)經過后臺數據處理后，將關鍵信息進行存儲并顯示在該區(qū)域。顯示的項目為：系統(tǒng)運行開始時間、運行結束時間、通道號，設置的越限值、實測的電壓值、故障原因及處理結果。

圖6 歷史數據查詢子面板

3 系統(tǒng)測試及結果分析

3.1 系統(tǒng)功能測試

(1) 初始設置。

打開檢測系統(tǒng)的數據采集子面板，在初始數據設置模塊里進行初始設置，如圖7所示。設置通道為1，相電壓越限值為1 V，采樣點數為2500個，采樣速率為2500 ms/s，緩沖區(qū)大小為25000，檢測個數N=1。

(2) 波形顯示測試。

設置完初始數據參數并點擊開始采集并濾波選項，顯示波形如圖8所示。波形在通道1顯示，且實際信號電壓幅值比濾波信號較高。

圖8 數據采集系統(tǒng)顯示波形

(3) 數據分析功能測試。

先在數據采集子面板點擊開始數據分析選項，再打開數據分析子面板，如圖9所示，輸入波形為一個連續(xù)的正弦波。

圖9 輸入波形

點擊開始分析選項后，則輸出該正弦波的頻譜分析結果，如圖10所示。

圖10 頻譜分析結果

(4) 故障檢測功能測試。

數據分析子面板對輸入波形進行處理，當輸入電壓值為0.5 V，低于設置的越限值1 V時，系統(tǒng)正常運行，故障指示燈顯示正常。當輸入電壓值為1.5 V，高于設置的越限值1 V時，則越限次數為1，故障指示燈L1熄滅，如圖11所示。同時，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) 歷史數據查詢功能測試。

檢測系統(tǒng)的歷史數據查詢結果如圖13所示，檢測系統(tǒng)運行后保留的重要信息同時也存儲在計算機中。

3.2 系統(tǒng)測試結果分析

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

圖14 占空比為10%的測試結果

圖15 占空比為20%的測量結果

(2) 將所測得的數據與理論值進行擬合，測出擬合度，如表2所示。

表2 數據分析

當電壓值小于220 V時，測量準確度在99.5%以上，超過220 V后數據準確度下降。

4 結束語

所設計的逆變裝置故障檢測系統(tǒng)，根據逆變裝置的故障類型和故障特點，完成了逆變裝置故障的檢測和報警保護。根據測量范圍不同，選擇不同的通道，可以實現5通道采集數據。對輸入信號進行頻譜分析，并將故障信號和采樣信號合成后在波形面板顯示。

故障檢測功能通過故障指示燈和文字來顯示故障原因。將數據處理結果存儲到數據庫，同時可以查詢顯示歷史數據。該系統(tǒng)還具有一鍵還原保護系統(tǒng)，可對硬件電路進行保護，達到了預先設計的功能和要求。測試結果表明，該系統(tǒng)準確度可達99.5%，且虛擬平臺構建的檢測系統(tǒng)，可以實時檢測故障信號、記錄故障信號的特征，對解決實際問題具有重要的指導意義。