基于LabVIEW的断路器振动信号监测系统.pdf
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1、4 8供用电第2 4 卷第3 期2 0 0 7 年6 月基于L a b V I E W 的断路器振动信号监测系统孙建伟1,陈垒2,王玉梅3,王俊美3(1 焦作供电公司,河南焦作,4 5 4 0 0 0;2 济源供电公司,河南济源4 5 4 0 0 0;3 河南理工大学电气学院,河南焦作4 5 4 0 0 3)摘要:随着供电系统智能化程度和可靠性要求的提高,迫切需要对断路器运行状态进行实时监测、预报,并为排除故障提供方法和决策。从监测系统的功能需求出发,介绍了基于D S P 和L a b V I E W 的断路器振动信号监测系统总体结构、数据采集单元硬件系统及软件系统。叙述了利用小波变换本身对信
2、号奇异点十分敏感的特点,对振动信号进行跟踪和提取信号特征量进行信号分析处理的方法。在虚拟仪器L a b V I E W 平台上,基于小波变换算法的V I 程序,对采集的信号进行实时分析和处理,从而对断路器的机械状态进行监测和诊断。关键词:断路器;振动信号;小波变换中图分类号:T M7 4文献标识码:B文章编号:1 0 0 6 6 3 5 7(2 0 0 7)0 3 0 0 4 8 0 3我国现行的“到期必修”的计划检修策略存在科学性、合理性不足的缺陷。建立在设备运行状态监测基础上的状态检修是当前先进的检修策略。我国电力设备由计划检修向状态检修的转变势在必行。国内断路器事故的统计分析均表明,6
3、0 事故皆源于断路器本体的机械故障,而断路器在合、分闸操作时所产生的振动信号中,包含了丰富的机械系统的状态信息。基于振动信号的断路器机械状态诊断方法作为一种间接的、不拆卸的诊断方法,目前已成为国内外的研究热点 1 。对断路器机械系统进行监测和诊断对保证断路器安全运行具有重要意义。断路器机械振动信号监测系统采用了基于D S P 和L a b V I E W 振动信号采集和处理的硬件、软件,利用小波变换对信号奇异点十分敏感的特点,对振动信号进行跟踪并提取信号的特征量。在L a b V I E W 平台上,用基于小波变换算法的V I程序,对采集的信号进行实时分析和处理,较精确地提取断路器振动事件发生
4、的时间点,从而对断路器的机械状态进行监测和诊断。1断路器振动信号监测系统总体结构设计监测系统主要由数据采集单元、通信总线(C A N 总线)和监控主机组成,如图1 所示。监测系统分为两层,数据采集单元层和变电层。数据采集单元层按断路器间隔划分,完成对断路器动作时的振动信号进行采集、存储及预处断路器监测系统监控主机C A N 总线数据采集单元ll 数据采集单元ll 数据采集单元断路器1断路器2l 断路器图1断路器振动信号监瓣系统总体结构框图理等功能。变电层包括站级监控主机、通信机等。监控主机与数据采集各单元层之间,通过C A N总线交换信息,监控主机对上传数据进行相应的处理,并将处理结果存储、显
5、示、故障诊断、打印,实现对断路器机械状态进行在线监测与管理。2 数据采集单元硬件系统设计数据采集模块主要由检测断路器振动信号的加速度传感器、电荷放大器、模拟滤波器、核心处理器T M S 3 2 0L F 2 4 0 7D S P、外置存储器、通信电路等组成的信号采集系统,其主要硬件结构示意如图2 所示。图2 数据采集单元硬件结构示意图断路器分合闸操作过程中的振动具有高加速度运动、高强度冲击的特点,其振动信号可以通过安装在断路器基座上的加速度传感器来获取。振动信号经加速度传感器转换成电荷信号,经过电叵田 万方数据2 0 0 7 年第3 期供用电4 9荷放大器放大,再转换成可以显示的电压信号,然后
6、通过模拟滤波器,将噪声等一部分干扰信号去除,在核心处理器中,先把模拟信号转换成计算机可处理的数字信号,再根据预先设置的采集参数进行振动信号的采集,最后通过C A N 总线的通信网络上传至监控主机软件处理系统。数据采集单元目前通常采用的方法是在计算机上插人数据采集卡,用软件在屏幕上生成仪器面板,再对其进行信号分析处理。此类基于计算机的数据采集方法是完成实验室研究和工业控制测试任务的首选方法,但对于需要对现场设备进行长期实时监测的系统来说,这并不是最好的选择,尤其在变电站强干扰(电磁、噪音)的环境中,是不可能把计算机放到现场运行的。如果计算机放到主控室,那么现场信号到采集卡的距离就会比较远,传感器
7、提取的信号无法本地数字化,而需要模拟信号长线传输,会导致其抗干扰性能较差。基予以上分析和为方便日后系统功能的扩展,检测系统采用采样频率较高且自带A D 转换和C A N 控制器的嵌入式T M S 3 2 0L F 2 4 0 7D S P 作为核心单元来实现多通道数据采集和信息上传嘲。3 监控系统软件系统3 1软件系统的结构功能和编程工具监测系统的功能主要包括振动信号在线监测、数据分析和故障诊断或辅助诊断功能,实现振动信号的测量与显示、振动信号的变化趋势分析;确定或协助确定故障的原因和机理并提出处理措施的建议,实现对断路器关键部位的振动进行连续地测量,并根据振动信号存在环境的多样性和随机性,采
8、用先进的信息处理方法,保证在线分析测试结果的有效性。监测系统进行振动信号采集时,首先需要通过监控主机人机对话界面对数据采集单元进行参数设置,如采集对象(信号类型、工作通道)、放大倍数、采集频率、上传方式等;通信单元负责将监控主机设置的参数经由C A N 总线发送至每一个数据采集单元,并完成数据传输功能;参数确认无误之后,才进行数据实时采集、滤波与监测;监控主机将接收到的信号在虚拟的示波器上显示,通过调用数据处理函数,对振动信号进行数字滤波、降噪、频域分析等处理,提取特征值,为进一步的故障诊断提供依据,整个软件系统构成框图如图3 所示。图3 监测系统软件系统结构图监控主机的软件系统基于虚拟仪器设
9、计思想(“软件即仪器”),采用图形化的编程软件L a b V I E W 进行编制。此软件具有可视化人机交互界面、灵活的参数选择、清晰的波形、数据显示等特点,可实现多测点、远距离实时数据采集及信号分析与处理。虚拟仪器是模拟仪器、数字化仪器、智能仪器后出现的新一代仪器技术,具有传统仪器的各种性能,利用数据采集单元采集信号,用仪器控制面板可实现信号的分析和处理,完成各种监测功能。虚拟仪器的软件开发平台L a b V I E W 是美国国家仪器公司(N I)推出的一个通用高效的图形化程序设计开发工具,它结合了简单易用的图形化开发环境与灵活强大的G 编程语言,提供了一个直觉式的环境,与测量紧密结合。在
10、这个平台上,用户通过定义和连接代表各种功能模块的图标,便可方便迅速地建立高水平的应用程序。它不但能够完成一般的数学运算和输入、输出功能,它还带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具,尤其还带有专业的数学分析包,其高级编程模块还允许L a b V I E W 与C 语言进行数据交换,可以满足复杂的工程计算和分析要求。3 2 信号分析处理的方法编程软件L a b V I E w 通过函数库或控件的形式提供了用于大量信号处理的五个子函数库,即滤波器函数、窗函数、信号发生函数、时域函数和频域函数。可以调用上述子函数来实现各种信号处理功能。经过处理后的信号可进行时域分析和频域分析,最常用的分析方
11、法是快速傅里叶变换(F F T)和小波变换(W a v e l e t)。近年来,小波分析已应用于机械故障诊断、电气设备故障诊断、自动化测量等领域。原则上,传统使用傅里叶分析的地方,现在都可以使用小波 万方数据5 0供用电2 0 0 7 年第3 期分析来取代。由于小波变换本身对信号的奇异点十分敏感,可以用来跟踪非平稳、非线性随机信号。它能将不同频率组成的混合信号分解成不同频率的块信号,可有效地进行信噪分离、信号特征提取和故障诊断等。基于小波变换的信号奇异性检测理论,监测系统首先对振动信号进行去噪声处理,提取有用信号;然后利用H i l b e r t 变换提取信号包络,对包络进行小波变换取得各
12、尺度上的信号波形;再根据小波变换各尺度上的模极大值的传递性来计算信号包络峰值的奇异性指数,以此作为断路器故障诊断的特征参数。在实际应用中,将断路器正常工作时的动静触头分、合时产生的振动信号包络波峰奇异性指数作以记录,计算出它的统计性正常指标(均值)存入系统中。在每次作诊断时,把计算得到的奇异性指数直接与正常指标进行比较,实现故障的自动诊断。整个软件分析处理流程图如图4 所示。图4 软件分析处理流程幽本监测系统是在虚拟仪器平台上,利用小波变换分析技术,设计V I 程序,用计算机自动分离出含有噪声的断路器振动信号,再对其进行小波变换提取振动信号的奇异性指数作为断路器故障诊断的特征参数,来实现对断路
13、器的振动信号的实时监测和分析处理。3 3 断路器振动信号分析处理L a b V I E w 软件平台有两个开发窗口,第一个是前面板的开发窗口,虚拟仪器前面板的设计在这个窗口进行并完成,它等效于传统测试仪器的操作与显示的前面板。第二个窗口是流程编程窗口,流程图是图形化的源代码,L a b V I E W 采用图形化编程方式实现虚拟仪器的测试功能,它等效于传统仪器中与前面板相联系的软件和硬件电路。在L a b V I E W 开发环境下自行设计开发了断路器振动信号采集、分析处理系统。可将振动模拟信号转换为计算机可处理的数字信号,采集到的信号在虚拟的示波器上时域实时显示,通过调用数据处理函数,可对振
14、动信号进行滤波、降噪、频域分析等处理,提取信号特征值。利用H i l b e r t 变换对由加速度传感器测得某一高压断路器的合闸振动加速度信号的原始仿真波形,提取断路器振动信号去噪声后得到包络仿真波形。信号包络波峰出现的时刻对应了振动事件发生的时刻,从信号包络波形可以较精确地提取断路器振动事件发生的时间点。将提取的此刻的信号特征作为故障诊断的依据是可行的。4结论1)本文建立的基于L a b V I E w 的断路器振动信号监测系统,能够实时采集、分析断路器分合闸时产生的振动信号,并提取信号特征值,实现对断路器操动机构进行监测和诊断,大大提高供电系统的安全可靠性。2)本文基于小波变换算法的V
15、I 程序,实现了对断路器振动信号的实时监测和分析处理。提取信号的特征量,为故障诊断提供了量化依据。由于小波变换具有良好的信噪分离能力,测量结果可信度高,测量精度和测量重复性好,证实了小波分析对于非平稳振动信号检测的优势。3)此监测系统可根据需要扩展其他功能,诸如采集电压、电流、动触头位移、分闸与合闸线圈电流以及泄漏电流和温度等信号并对其进行分析,以及多台断路器的各种参数的监测,以完善变电站综合自动化的功能。参考文献 1 徐国政,张节容,钱家骊,黄瑜珑高压断路器原理和应用E M 北京:清华大学出版社,2 0 0 0 年1 月 2 王芳高压断路器故障诊断中信号处理方法的研究 D 哈尔滨工业大学,2
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