中山景明智慧能源技術(shù)有限公司 李 朋 覃遠云

20世紀80年代，國外學(xué)者結(jié)合多起電纜故障，通過低壓脈沖法、沖閃法及二次脈沖法分析波形數(shù)據(jù)、進行故障點位初步測距，再通過聲磁同步法精確定位故障點。最后將電纜故障部分進行解剖，分析具體故障原因，為中壓電纜終端在電力系統(tǒng)中安全、穩(wěn)定運行提供依據(jù)。雖在電力電纜檢測的技術(shù)和應(yīng)用方面取得了一些進展，但當前常規(guī)檢測手段難以對帶電運行中的電纜進行絕緣劣化分析及壽命預(yù)測，大多數(shù)絕緣劣化分析及壽命預(yù)測是在實驗室中完成[1]。

本文主要研究內(nèi)容包括：電纜諧波診斷終端的研究和開發(fā)；研究用兩大模塊來設(shè)計電纜諧波診斷的硬件系統(tǒng)；通過電流經(jīng)過電諧波監(jiān)測系統(tǒng)信號對比系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)測信號對比完成采集。

1 諧波診斷系統(tǒng)

是一種可提取、存儲、分析、對比并上傳信息的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)能測量電氣電纜和電氣設(shè)備的諧波并分析其中的高次諧波的含有率，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思維與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，處理后的數(shù)據(jù)與已有專家數(shù)據(jù)庫進行對比分析就可得到電纜老化的基本情況，從而給出檢修建議。從該系統(tǒng)得到的結(jié)果不需斷電，且在帶電工作下測量且操作簡單、安全、便捷；為減少不必要的安全隱患及能源損耗，以及針對性的檢修維護、大幅度降低各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的非正常停電及停機時間，可從給出的檢修方案可實現(xiàn)。

諧波診斷系統(tǒng)在線診斷技術(shù)核心，是利用非接觸式的傳感器，在不影響設(shè)備正常運行的情況下采集電氣設(shè)備產(chǎn)生的電流高次諧波信號，并經(jīng)過快速傅里葉變換變換及小波變換后，與諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)專家數(shù)據(jù)庫進行比對分析，來判斷設(shè)備目前存在的異常和缺陷，再采用先進的劣化趨勢分析技術(shù)對當前設(shè)備存在的異常和缺陷進行劣化趨勢分析，從而實現(xiàn)對設(shè)備的帶電狀態(tài)診斷及故障預(yù)測。諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)具有以下技術(shù)特點和優(yōu)勢。

預(yù)知預(yù)判，準確性高：諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的風(fēng)險，為故障排除贏得準備時間；帶電檢測，效率性高：實現(xiàn)設(shè)備帶電運行狀態(tài)下的動態(tài)監(jiān)測，不影響正常生產(chǎn)；分析簡單，智能性高：無需專業(yè)人員頻譜分析，設(shè)備狀態(tài)的分析過程由智能化管理軟自動完成；非接觸式，安全性高：采用電磁感應(yīng)技術(shù)，進行非接觸式狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)人機安全；單點檢測，系統(tǒng)性高：選取一點數(shù)據(jù)采集，可同時分析電氣故障和機械故障并自動生成診斷結(jié)果。

趨勢管理，指導(dǎo)性高：諧波診斷系統(tǒng)診斷技術(shù)先進的劣化趨勢分析技術(shù)能實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測和壽命周期分析；范圍全面，適用性高：可對常見的各類電動機進行在線狀態(tài)監(jiān)測，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域；提升管理，精細性高：使用戶在企業(yè)效益、投入成本、庫存管理、減員增效、部門協(xié)調(diào)等方面得到極大提升。

諧波診斷系統(tǒng)電氣設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括諧波傳感器、電流互感器、諧波數(shù)據(jù)采集器、上位機、顯示終端，軟件部分包括諧波數(shù)據(jù)采集器嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件、上位機數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)診斷軟件、諧波診斷系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫軟件和Web服務(wù)平臺。

2 數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計和研發(fā)

2.1 電纜諧波診斷終端概述

電纜諧波診斷終端硬件系統(tǒng)分為電源、信號采集處理模塊和通信模塊。該系統(tǒng)電源部分采用220V/50Hz交流市電供電，交流電經(jīng)過電源硬件部分的降壓、整流處理后輸出12V的直流電。電源部分輸出的直流電給系統(tǒng)中信號采集處理模塊和通信模塊供電，充當系統(tǒng)的直流電源。

系統(tǒng)中信號采集處理模塊部分是整個終端的核心部分，完成諧波診斷的主要電路包括電纜諧波檢測電路、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和電纜諧波診斷主控微控制單元。FLASH存儲電路存儲系統(tǒng)運行的參數(shù)和日志信息，其中微控制單元的程序燒錄接口可與電腦連接完成主控芯片的調(diào)試和程序燒錄。信號采集處理模塊與通信模塊間通信的信號總線協(xié)議是工業(yè)485總線，485總線通信電路通過串口信號線與主控芯片微控制單元通信，完成信號采集與處理模塊與通信模塊的交互數(shù)據(jù)。

鑒于信號采集處理模塊部分在運行時有多種信號存在和不同電壓標準的需要，本系統(tǒng)對不同功能的電路采用獨立的供電電源芯片，滿足不同電路的供電要求的同時也有效預(yù)防電纜諧波檢測信號中浪涌電流的沖擊。單片機、存儲芯片和485通信芯片采用單獨的電源芯片供電，電纜諧波檢測電路部分采用分開的電源芯片以供該部分電路工作。此外信號放大電路需要+15V和-15V電源供電，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片需要5.0V的電壓供電。

2.2 電纜諧波診斷硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)電源、通信模塊：該硬件系統(tǒng)的電源電路設(shè)計為后續(xù)整流電路提供低壓交流電，降壓部分由220V/50Hz交流電經(jīng)變壓器T1后輸出10.5V交流電。電源中整流電路是由電路通過MB14S整流IC芯片將10.5V交流電整流為10.5V的直流，整流后直流信號的穩(wěn)壓電路采用LT3045線性穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓電路輸出12.0V的直流電以供其他模塊工作；通信模塊采用NB通信模組，是通信模組的供電電路，采用同步降壓芯片TPS62148，輸出5.0V直流電。485串行總線與信號采集處理模塊通信，而生存時間值轉(zhuǎn)485通信模塊的電源采用線性穩(wěn)壓芯片TPS73633，輸出3.3V直流電。

信號采集處理模塊：電纜諧波檢測電路的供電電源是電纜諧波檢測電路，采用的是線性穩(wěn)壓芯片TPS73633，輸出3.3V穩(wěn)壓直流。電纜工作流過交流電時會產(chǎn)生交變磁場，傳感器通過其內(nèi)部的線圈感應(yīng)該磁場然后輸出感應(yīng)電流。諧波傳感器的輸出連接電纜諧波檢測電路的采集口J4、J5、J6。諧波信號放大電路采用E0515S電源模塊作為諧波信號放大電路電源，該電源電路輸出+15V和-15V兩路直流電源給信號放大電路供電。輸入是電纜諧波檢測電路的輸出，采用OPA4277UA高精度運算放大器芯片，將電纜諧波檢測電路的信號運算方法后輸出。

該硬件系統(tǒng)的485總線通信電路采用MAX3485 RS-485收發(fā)芯片完成485通信，而其中的瞬態(tài)阻斷單元浪涌保護器能很好的保護電路不被外部不正常信號的沖擊，氣體放電管起到防雷保護的作用。該通信電路與微控制單元共用電源。

3 研究總結(jié)

本項目通過分析被監(jiān)測電纜的諧波信號，從而實現(xiàn)電纜的劣化情況追蹤，因此該系統(tǒng)除需分析數(shù)據(jù)的后臺診斷系統(tǒng)，還需電纜運行時現(xiàn)場的真實數(shù)據(jù)才能完成。

為進一步將理論應(yīng)用到實際復(fù)雜環(huán)境的電纜監(jiān)測上，本文結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家數(shù)據(jù)庫建立了電纜診斷系統(tǒng)。當前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取得很大發(fā)展，通過結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，有效的將復(fù)雜的理論和專家數(shù)據(jù)庫結(jié)合到整個診斷系統(tǒng)中，不僅有更準確的診斷結(jié)果，且不依賴操作人極強的專業(yè)知識，有較為高效的人機交互過程。本文結(jié)合已有的電纜壽命研究和諧波診斷系統(tǒng)，建立了多老化應(yīng)力的電纜的剩余使用壽命的預(yù)測系統(tǒng)，通過貝葉斯推斷將專家經(jīng)驗相結(jié)合，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)即可對運行的電纜做出個體性的電纜剩余使用壽命的預(yù)測。

在建立了完整的理論基礎(chǔ)和具體的電纜診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了云端的診斷系統(tǒng)和現(xiàn)場的電纜在線數(shù)據(jù)采集終端。電纜數(shù)據(jù)采集終端可采集電纜的特征量，可定時上傳數(shù)據(jù)至云端，云端的診斷系統(tǒng)通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)對電纜監(jiān)控和診斷，及時發(fā)現(xiàn)電纜的故障，對電纜的劣化程度進行監(jiān)控。