在线监测系统的设计

3.4　在线监测系统的设计

1）电气设备的在线监测与诊断系统

系统应包含信息检测及传输、数据处理、状态识别、预报决策等多个单元。

（1）信息检测及传输：按照不同的监测对象和诊断目的。选择相应的传感器监测出反映设备运行状态的特征量信号，并将其转换成模拟或数字电信号。

（2）数据处理：从监测单元传输来的数据需要在前台机预处理和后台机进行综合处理及分析。其中包括抑制电磁场干扰、维数压缩等。最终提取出能真实反映设备故障的特征量，为诊断提供有效的数据。

（3）状态识别（即诊断）：经数据处理单元处理后的有效数据，与规程（导则）、历史数据、运行经验及专家知识等进行分析比较，对设备故障分类，对故障部位定位，对故障严重程度判定。

（4）预报决策（或在线评估）：对状态识别诊断出的故障，由决策支持系统根据预置的阀值进行报警或由预测分析软件对故障的发展趋势和设备绝缘安全运行时间（或称剩余寿命）等进行评估推测，为状态维修决策提供依据。

2）系统硬件设计

系统由数据采集卡、信号调理模块、程序主界面组成。系统框图如图3－3所示。

图3－3　电气设备在线监测与诊断系统结构图

（1）传感器选择：

霍尔电流/电压传感器频带范围从直流到100kHz，克服了目前普遍采用的钳形电流互感器频率特性差从而淹没故障信号的缺点，保证了动态测试信号采样不失真。霍尔传感器的优点正是对测量回路与测量对象进行隔离，提高了抗干扰能力。转速的测量通过对接近开关脉冲信号定时计数可得。可用于电机等旋转设备的转速测量。

（2）接近开关：

电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这两种状态，转换为电信号通过整形放大器转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。

（3）数据采集卡：

系统采用NI公司的数据采集卡PCI6220，16位、16路模拟输入，高达24路数字I/O，32位计数器，可采集三相电压、三相电流和转速等7路信号，三相定子电压、电流采用高精度的霍尔元件进行检测，当磁场恒定时，则霍尔电动势E与电流I成正比。当电动势E取自被测电流时，则为霍尔电流传感器；当电动势E取自被测电压时，则为霍尔电压传感器。经过传感器将定子电压变换为有效值为0～5V的电压信号；检测的三相定子电流信号，经电流/电压变换器转换为有效值为0～5V的电压信号。从霍尔元件检出的电压、电流信号经过滤波，送到PCI6220进行处理，通过检测三相阻抗是否平衡判断定子是否存在故障。通过监测电流的频率成分判断是否存在转子故障。

（4）信号调理模块。

信号调理模块主要完成传感器信号到数据采集卡信号的转换，把传感器输出的信号经过光电隔离，放大器等转换为适合采集卡的信号。

3）系统软件设计

（1）开发平台的选择。

整个系统用LabVIEW进行开发，LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。通过提供的驱动程序，可以直接与数据采集卡进行通信。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境中，缩短了开发周期。

（2）软件功能设计。

在线监测系统具有信号采集、波形显示、信号处理和故障诊断功能。软件界面中具有相应的功能模块，系统开始工作后，通过数据采集卡获得的数据对三相电压、三相电流进行监测，如果需要对故障进行分析时，通过对接近开关的计数确定电机转速，从而确定转差率和故障频率，进而通过信号处理技术对故障类型进行判断。系统工作过程如下：首先对电压、电流进行监测，并显示电机转速；然后进入故障诊断模块，对转子、定子故障进行判断。程序框图如图3－4所示。

4）在线监测装置的稳定性

主要表现在：

（1）元器件的老化。在线监测装置所用的元器件种类多。特别是电子元器件在现场恶劣环境下运行，在电力系统过电压、短路故障等冲击作用下易于损坏。

（2）电磁兼容性。由于目前的技术水平有限，就在线监测本体而言，采用硬件与软件结合、以软件为主的主导思想对解决从强电磁场干扰信号完全淹没中提取微弱在线监测信号已有诸多的措施，在实验室已经可以做到非常高的精度。但问题在于对不同变电站的干扰源及其传播路径需要作出对应的分析，并采取相应的措施。

（3）现场维护。由于在线监测的传感器及前置放大器等辅助器件，在长时间复杂而恶劣环境中运行后，电子器件因老化而使相应特性及灵敏度发生变化，光敏、气敏等传感器件敏感性降低，机构部件不灵活等。都会使检测的数据发生偏差，需要定期重新设置标定、检修或更新。

图3－4　监测系统程序流程图