CN111398810A - 滑环电火花检测诊断***及检测诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑环电火花检测诊断***及检测诊断方法，包括电流互感器模块、电流采样模块、信号调理模块、AD转换模块、MCU模块和通信模块；通过电流采样模块对流过滑环的电流进行采样，通过AD转换模块转成数字信号传给MCU模块处理，MCU模块通过对电流信号的特征进行提取，并结合根据双馈发电机组的运行参数计算处理的电火花特征阈值进行判断，得出滑环是否产生了电火花，将数据分析的结果进行保存和上传。本发明具有如下有益效果：本发明能够实时检测诊断滑环产生了电火花并进行预警，提醒维护人员及时进行处理，能有效减轻滑环因电火花引起的故障，减少滑环的磨损，为滑环以及整机的运行提供保障；可扩展性强，应用前景广阔。

Description

滑环电火花检测诊断***及检测诊断方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是涉及一种成本低，可靠性高，能够实时快速检测滑环与电刷之间电火花的滑环电火花检测诊断***及检测诊断方法。

背景技术

滑环作为动静转换器件，因电刷和滑环***故障，可导致发电机运行不稳定甚至停机。对于应用于高山、海洋等恶劣条件的机组，电刷和滑环***的维护和维修要消耗大量的人力物力，维护和修理困难。滑环容易发生故障的一个因素就是滑环电火花的影响，电火花可导致滑环和电刷损伤，这些损伤的积累会导致滑环出现磨损甚至整个***故障。如果能够在电火花发生时及时检测到，并在频繁出现电火花时进行预警并及时处理，将有效预防和减缓电火花对滑环的影响，预防事故的发生，节省维护和维修成本。

电刷与滑环间电火花的监测方法有主极磁场的高频扰动监测法、无线电波监测法、电气谱监测法、光电管监测法、光电管阵列与光纤传光束耦合监测法、励磁电压监测法、图像监测法等。目前已有的对电刷与滑环间电火花的监测***及方法普遍需要增加额外的传感器设备，分析计算复杂，成本高，可靠性及适应性较差。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的需要增加额外的传感器设备，分析计算复杂，成本高，可靠性及适应性较差的不足，提供了一种成本低，可靠性高，能够实时快速检测滑环与电刷之间电火花的滑环电火花检测诊断***及检测诊断方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种滑环电火花检测诊断***，包括电流互感器模块、电流采样模块、信号调理模块、AD转换模块、MCU模块和通信模块；MCU模块分别与通信模块和AD转换模块电连接；信号调理模块分别与AD转换模块和电流采样模块电连接，电流互感器模块与电流采样模块电连接。

本发明通过电流采样模块对流过滑环的电流进行采样，通过AD转换模块转成数字信号传给MCU模块处理，MCU模块通过对电流信号的特征进行提取，并结合根据双馈发电机组的运行参数计算处理的电火花特征阈值进行判断，得出滑环是否产生了电火花，将数据分析的结果进行保存和上传。

作为优选，所述通信模块包括GPIO模块、RS-485模块、CAN模块和网口模块；GPIO模块、RS-485模块、CAN模块和网口模块均与MCU模块电连接；实现了多种通信接口，便于***扩展。

一种滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，包括如下步骤：

(3-1)通过所述的电流采样模块对流过滑环的电流进行采样获得特征数据；

(3-2)获得的特征数据经过所述的信号调理模块和所述的AD转换模块的处理转换为电流数据传给所述的MCU模块处理；

(3-3)所述的MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，对电流数据进行计算和特征提取，并给出是否发生电火花的判断结果；如果检测到滑环发生了电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过所述的通信模块上传。

作为优选，步骤(3-3)的具体步骤如下：

(4-1)MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，设定一个移动窗口，该移动窗口中包括m个电流数据，表示为{i_a}＝[i_1a,i_2a,i_3a,...,i_ma]；

(4-2)对m个电流数据进行小波分解，获得模极大值点d_max，其中，d_max＝max(|d_j,k|),j＝1,2,3,...,k；

(4-3)根据双馈发电机组的有功功率P、无功功率Q计算出特征阈值T；

(4-4)将特征阈值T与获得的模极大值点d_max进行比较，如果d_max≤T，表示没有发生电火花，转至步骤(4-5)，如果d_max＞T，表示发生电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过通信模块上传，转至步骤(4-5)；

(4-5)向后滑动移动窗口，转至步骤(4-2)。

作为优选，特征阈值T的计算公式为：

T＝Kp*sqrt(P)+Kq*sqrt(Q)+Kc

其中，Kp、Kq和Kc为经验系数，根据多次运行时的数据计算得出。

作为优选，步骤(4-2)的具体步骤如下：

(6-1)对m个电流数据使用Mallat算法进行小波分解，分解层次j＝k，获得各个分解层次的高频细节部分的小波系数[d_1,k,d_2,k,d_3,k,...,d_j,k]；

(6-2)对获得的各个分解层次的高频细节部分的小波系数进行比较，获得模极大值点d_max，其中，d_max＝max(|d_j,k|),j＝1,2,3,...,k。

作为优选，所述信号调理模块包括信号放大电路和滤波电路；步骤(3-2)的具体步骤为：

(7-1)获得的特征数据经过信号放大电路进行信号放大，再经过滤波电路进行滤波；

(7-2)经过放大和滤波的特征数据通过AD转换模块转换为数字信号；

(7-3)将获得数字信号经过比例变换转换成电流数据传给MCU模块处理。

因此，本发明具有如下有益效果：本发明的检测方法成本低，可靠性高，同时可以实时检测诊断滑环产生了电火花并进行预警，提醒维护人员及时进行处理，可以有效的减轻滑环因电火花引起的故障，减少滑环的磨损，为滑环以及整机的运行提供保障；本发明的方法充分利用双馈风力发电***中已具有的硬件设备，实现方便，无需更改现有的运行线路，升级改造成本低；本发明可扩展性强，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的一种***框图；

图2是本发明的一种流程图；

图3是本发明的一种分析结果图。

图中：电流互感器模块1、电流采样模块2、信号调理模块3、AD转换模块4、MCU模块5、通信模块6、信号放大电路31、滤波电路32、GPIO模块61、RS-485模块62、CAN模块63、网口模块64。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种滑环电火花检测诊断***，包括电流互感器模块1、电流采样模块2、信号调理模块3、AD转换模块4、MCU模块5和通信模块6；MCU模块分别与通信模块和AD转换模块电连接；信号调理模块分别与AD转换模块和电流采样模块电连接，电流互感器模块与电流采样模块电连接。

通信模块包括GPIO模块61、RS-485模块62、CAN模块63和网口模块64；GPIO模块、RS-485模块、CAN模块和网口模块均与MCU模块电连接。

电流互感器模块：通过电流互感器来实现对流过滑环的电流的耦合，同时又将检测***与被检测***进行了电的隔离，保证了检测***及人员的安全；电流互感器的一次侧为与滑环连接的导线，电流互感器的二次侧与电流采样模块连接；电流互感器的一次侧容量根据流过滑环的最大电流的80％来选择，二次侧输出为1A。

电流采样模块：电流采样模块通过2个功率为2W，阻值为0.075Ω的高精度金属合金电阻串联进行采样，将电流信号转换成电压信号；在进行电流采样时，可以对三相电流进行同时采样，通过三相电流在滑环出现电火花时的电流波形，进行比对和相互印证，来提高对滑环产生电火花判断的准确性；同时，采样模块具有过流及过压保护功能。

信号调理模块：信号调理模块对电流采样模块获得的电压信号进行放大，放大60倍，达到±9V的范围，然后再进行滤波调理。

AD转换模块：AD转换模块选用16bit以上的高速AD转换芯片，将调理后的电压模拟信号转换成数字信号，再通过比例变换为电流数据。

MCU模块：MCU模块负责对各个******进行初始化，对业务流程进行控制，MCU模块在接收到AD转换数据后，对数据进行计算和特征提取，在滑环打火时，流过滑环的电流会发生跳变。滑环电流突变体现在两方面：一是电流的幅值发生变化；二是其频域量在该段时间内发生有规律的变化。根据小波变换理论，将信号各频率范围作为时间的函数，通过计算信号特征频率的时变特性，并结合时域范围内信号幅值的变化规律，根据双馈发电机组的运行参数计算处理电火花特征阈值，通过特征提取和计算，可以诊断出滑环和电刷之间是否出现火花；如果检测到发生了电火花，可以将采集到的数据进行保存，同时可以通过CAN、RS-485、网口、GPIO等接口发出告警信息给主控或上位机。

通信模块：与其他***交互的GPIO模块、RS-485模块、CAN模块、网口模块可在对滑环产生电火花进行了检测诊断后，将产生电火花的事件报告给上位机或主控***。

一种滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤100，通过电流采样模块对流过滑环的电流进行采样获得特征数据；

步骤200，获得的特征数据经过信号调理模块和AD转换模块的处理转换为电流数据传给MCU模块处理；

步骤201，获得的特征数据经过信号放大电路进行信号放大，再经过滤波电路进行滤波；

步骤202，经过放大和滤波的特征数据通过AD转换模块转换为数字信号；

步骤203，将获得数字信号经过比例变换转换成电流数据传给MCU模块处理；

步骤300，MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，对电流数据进行计算和特征提取，并给出是否发生电火花的判断结果；如果检测到滑环发生了电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过通信模块上传；

步骤301，MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，设定一个移动窗口，该移动窗口中包括m个电流数据，表示为{i_a}＝[i_1a,i_2a,i_3a,...,i_ma]；

电流数据可用公式i_a＝s_n+e_n+δ_n表示，其中，s_n为平稳信号，e_n为噪声信号，δ_n为发生电火花的电流突变信号，本发明对δ_n进行检测；

步骤302，对m个电流数据使用Mallat算法进行小波分解，选取小波函数DB4小波，分解层次j＝4，获得各个分解层次的高频细节部分的小波系数[d_1,4,d_2,4,d_3,4,d_4,4]；

步骤303，对获得的各个分解层次的高频细节部分的小波系数进行比较，获得模极大值点d_max，其中，d_max＝max(|d_j,k|),j＝1,2,3,...,k；

步骤304，根据双馈发电机组的有功功率P、无功功率Q，利用公式T＝Kp*sqrt(P)+Kq*sqrt(Q)+Kc计算出特征阈值T；其中，Kp、Kq和Kc为经验系数，根据多次运行时的数据计算得出；

步骤305，将特征阈值T与获得的模极大值点d_max进行比较，如果d_max≤T，表示没有发生电火花，转至步骤306，如果d_max＞T，表示发生电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过通信模块上传，转至步骤306；

步骤306，向后滑动移动窗口，转至步骤302。

如图3所示，为进行滑环电流采集及进行计算分析的结果；图中A、B、C表示三相电流的电流波形，由上述检测诊断方法得到椭圆形圈圈出的地方发生了滑环电火花，三个椭圆形圈圈出的地方一致，表明该电流处发生了滑环电火花，通过三相电流在滑环出现电火花时的电流波形，进行比对和相互印证，来提高对滑环产生电火花判断的准确性。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种滑环电火花检测诊断***，其特征在于，包括电流互感器模块(1)、电流采样模块(2)、信号调理模块(3)、AD转换模块(4)、MCU模块(5)和通信模块(6)；MCU模块分别与通信模块和AD转换模块电连接；信号调理模块分别与AD转换模块和电流采样模块电连接，电流互感器模块与电流采样模块电连接。

2.根据权利要求1所述的滑环电火花检测诊断***，其特征在于，所述通信模块包括GPIO模块(61)、RS-485模块(62)、CAN模块(63)和网口模块(64)；GPIO模块、RS-485模块、CAN模块和网口模块均与MCU模块电连接。

3.一种基于权利要求1所述的滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(3-1)通过所述的电流采样模块对流过滑环的电流进行采样获得特征数据；

(3-2)获得的特征数据经过所述的信号调理模块和所述的AD转换模块的处理转换为电流数据传给所述的MCU模块处理；

(3-3)所述的MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，对电流数据进行计算和特征提取，并给出是否发生电火花的判断结果；如果检测到滑环发生了电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过所述的通信模块上传。

4.根据权利要求3所述的滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，其特征在于，步骤(3-3)的具体步骤如下：

(4-1)MCU模块在接收到经过处理的电流数据后，设定一个移动窗口，该移动窗口中包括m个电流数据，表示为{i_a}＝[i_1a,i_2a,i_3a,...,i_ma]；

(4-2)对m个电流数据进行小波分解，获得模极大值点d_max，其中，d_max＝max(|d_j,k|)),j＝1,2,3,...,k；

(4-3)根据双馈发电机组的有功功率P、无功功率Q计算出特征阈值T；

(4-4)将特征阈值T与获得的模极大值点d_max进行比较，如果d_max≤T，表示没有发生电火花，转至步骤(4-5)，如果d_max＞T，表示发生电火花，将发生电火花的数据结果进行保存，并通过通信模块上传，转至步骤(4-5)；

(4-5)向后滑动移动窗口，转至步骤(4-2)。

5.根据权利要求4所述的滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，其特征在于，特征阈值T的计算公式为：

T＝Kp*sqrt(P)+Kq*sqrt(Q)+Kc

其中，Kp、Kq和Kc为经验系数，根据多次运行时的数据计算得出。

6.根据权利要求4所述的滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，其特征在于，步骤(4-2)的具体步骤如下：

(6-1)对m个电流数据使用Mallat算法进行小波分解，分解层次j＝k，获得各个分解层次的高频细节部分的小波系数[d_1,k,d_2,k,d_3,k,...,d_j,k]；

(6-2)对获得的各个分解层次的高频细节部分的小波系数进行比较，获得模极大值点d_max，其中，d_max＝max(|d_j,k|)),j＝1,2,3,...,k。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的滑环电火花检测诊断***的检测诊断方法，其特征在于，所述信号调理模块包括信号放大电路(31)和滤波电路(32)；步骤(3-2)的具体步骤为：

(7-1)获得的特征数据经过信号放大电路进行信号放大，再经过滤波电路进行滤波；

(7-2)经过放大和滤波的特征数据通过AD转换模块转换为数字信号；

(7-3)将获得数字信号经过比例变换转换成电流数据传给MCU模块处理。

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