基於多點電壓電流信息融合的泵房設備故障診斷方法

近年來，城鎮高層建築逐漸增多，為(wei) 滿足高層樓宇、高地勢地區的供水需求，除了使用高質量製水工藝確保符合國家自來水水質標準外!，自來水廠及其二次加壓供水泵房是必不可少的關(guan) 鍵設施[2]。若泵房配電係統中的設備出現故障，必然會(hui) 影響正常供水，甚至出現停止供水的情況。因此，實時檢測泵房配電係統中設備運行狀態並及時診斷出設備故障,對保障設備的正常運行具有重要的現實意義(yi) 。

到目前為(wei) 止，在工業(ye) 過程及其係統中使用自動化監測技術與(yu) 係統已成為(wei) 趨勢，泵房遠程監控係統在國內(nei) 外已得到應用[3-6。文獻[3]采用振動加速度傳(chuan) 感器獲取振動數據,通過最小反褶積技術增強數據特征，利用小波包分解提取節點特征值，結合壓力、溫度等信息，實現了礦井水泵房中電機軸承故障、水泵汽蝕、吸水口堵塞等故障的診斷:文獻[4研究了一種二次供水泵房遠程監控係統,將現代化水質分析儀(yi) 器納入到係統中與(yu) 供水設備一同管理以提升二次供水泵房監控的自動化程度,但在故障管理方麵僅(jin) 僅(jin) 提到了監控係統組網時的設備無法連接或設備調用不成功故障檢測與(yu) 警報,沒有研究設備本身的故障診斷問題:文獻[5]提出了一種城市智慧二次供水管理平台的設計方案,該方案設計的平台係統通過傳(chuan) 感器采集進出水壓力、流量、水泵狀態等信息，實現現場泵房設備的啟停控製，具有簡單的溫度報警、水淹報警等功能。文獻[6]研究了一種水廠機泵故障診斷係統,采用失效模式與(yu) 效果分析技術，運用振動、流量、電壓、電流、功率等參數，實現泵軸變形、水泵汽蝕等故障和電機輸出功率增加的綜合分析，並能提供相應的解決(jue) 策貼,

但到目前為(wei) 止,還沒有相關(guan) 文獻研究泵房係統常見的空氣開關(guan) 或接觸器開路、電機繞組開路、水泵堵轉等配電設備和電機故障的實時監測與(yu) 診斷技術。解決(jue) 這些故障的方法主要是人工排查，這和方法實現故障定位較為(wei) 困難，需要花費較大的人力，維修時間和停止供水時間較長，嚴(yan) 重影響居民用水。

當泵房配電係統中的設備出現故障時,回路中的電氣量--電壓、電流值將發生變化，且存在相互影響，而且，電氣量在準確性、完備性和容錯性等方麵有著開關(guan) 量無法比擬的優(you) 勢四7。因此，本文以現有的自來水廠和二次加壓供水泵房配電係統為(wei) 研究對象,基於(yu) 三相電路平衡原理和三相異步電機等效電路,分析配電係統中設備六類常見故障的電壓、電流變化特征及其相互影響機理，使用多個(ge) 關(guan) 鍵節點的電壓、電流信息，提出了一種基於(yu) 多點電壓與(yu) 電流信息融合分析的泵房配電係統設備故障在線診斷方法,克服了現有人工排查耗時耗力與(yu) 離線分析不及時的不足。Simulink仿真實驗驗證了所提故障診斷方法的可行性,對自來水廠和二次加壓供水泵房的正常運行和安全供水具有重要的意義(yi) 和工程應用價(jia) 值。

1 電路原理圖

水泵房配電係統1.1

圖1為(wei) 現有自來水廠、二次加壓泵站水泵房配電係統示意圖，主要由異步電機G、變頻器INV智能電量采集裝置 AKW、空氣開關(guan) OF、接觸器KM和熱繼電器FR等設備構成。圖中的數字為(wei) 對應設備編號:AKW;具有通信功能，實現三相電壓線電壓、三相電流/線電流、功率因數、率、有功功率、無功功率等電氣參數的實時監測和計量，安裝於(yu) 主回路以及各回路電機的輸入端。

1.2 三相異步電機等效電路圖

三相異步電機的核心由三相繞組構成,采用異步電機單相T型等效電路]三角形連接表示的異步電機三相等效電路如圖2虛線右側(ce) 所示。圖2中R、X為(wei) 電機定子繞組的等效內(nei) 阻和感抗:R石為(wei) 電機轉子繞組及負載換算到定子側(ce) 的等效內(nei) 阻和感抗:R、X為(wei) 電機等效勵磁內(nei) 阻和勵磁感抗;虛線左側(ce) 表示配電線路的等效電路。

圖2中Rk(i=a,b,c)為(wei) 每一相的空氣開關(guan) 等效電阻,R;(i=a,b,c)為(wei) 每一相的接觸器等效電阻,a、b、c為(wei) 供電主回路接入點，忽略連接線纜的電阻。理想情況下，空氣開關(guan) 、觸頭閉合時的等效電阻為(wei) 零:空氣開關(guan) 、觸頭斷開時的等效電阻為(wei) 無窮大。1、h、1.為(wei) 電機輸入線電流。

2 故障診斷原理

影響正常供水的泵房配電係統和設備主要故障有:配電主回路供電電壓超限、配電線路中空氣開關(guan) 或接觸器觸頭開路、水泵電機繞組開路、水泵電機繞組不平衡與(yu) 匝間短路、水泵堵轉、電機與(yu) 水泵連接機構斷開。其中電機繞組不平衡與(yu) 匝間短路、水泵堵轉等是一些文獻關(guan) 注的故障。

當係統中的設備發生故障時，關(guan) 鍵節點的電壓、電流幅值將發生變化。表1是六類常見設備故障類型以及回路電壓、電流特征。根據回路中電壓、電流的幅值可以區分故障類型，實現故障診斷。

2.1供電電壓偏差與(yu) 超限

2.1.1供電電壓偏差與(yu) 平衡計算國家標準 GBT 15543-2008 定義(yi) 三相電壓不平衡為(wei) :三相電壓在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之[3]。本文主要考慮三相電壓幅值上的不同，可以使用電壓偏差5進行評價(jia) 。國家標準 GB/T 12325-2008定義(yi) 為(wei) :測量時間窗口(10個(ge) 周波)內(nei) 相電壓測量值的平均值與(yu) 係統標稱相電壓之差與(yu) 係統標稱相電壓的百分比。在實際應用中，電壓偏差限值（δV_min、δV_max） 可以根據設備和電網實際進行合理設置，作為(wei) 供電 電壓超限故障判斷的閾值。

3 故障診斷方法

3.1 方法執行條件

本方法對泵房配電係統配電主回路供電電壓不平衡與(yu) 超限，配電線路中空氣開關(guan) 和/或接觸器電機、水泵及其與(yu) 電機的連接等故障進行有效診斷，由泵房監控係統主計算機運行，需要滿足4個(ge) 執行條件:

1)泵房配電係統與(yu) 設備故障標誌FS為(wei) 1時:不進行故障診斷。

首次啟動故障診斷前，該標誌被初始化為(wei) 0。在診斷程序運行中，一旦診斷出發生了某一類故障，該標誌就被置為(wei) 1。

2)搭建數據采集通信係統，建立泵房監控係統主計算機和每一台 AKM,的網絡連接,並保證它們(men) 處於(yu) 正常運行狀態，獲取關(guan) 鍵節點的電壓、電流數據用於(yu) 故障診斷。

3)主計算機應能記錄各台電機配電回路空氣開關(guan) 、接觸器觸頭的狀態，標誌為(wei) SW(閉合標記為(wei) 1,斷開標記為(wei) 0)。斷開狀態表示對應電機供電回路未接通，不需進行故障診斷。

4)設備運行狀態標誌 WS:當泵房設備處於(yu) 正常運行狀態(標記為(wei) 0)，當設備處於(yu) 巡檢或維修狀態(標記為(wei) 1)時，不進行故障診斷。

設備運行狀態由泵房控製係統設置,主計算機記錄。

3.2 執行步驟

基於(yu) 上述故障診斷原理,故障診斷方法在程序初始化後，共1個(ge) 步驟。診斷方法使用的各類標誌符號取值和定義(yi) 如表2所示。

步齉:1:終端設備組網

主計算機向各節點設備 AKW;發送組網指令:並等待應答。若在設定時間內(nei) 收到應答，表明該節點設備成功入網，則標記其入網標誌 NS=1:若某台節點設備連續"次(如3次)組網通信失敗，表明該節點設備的入網失敗，則 NSi=0，並報警處理。 若沒有節點設備成功入網，則返回步驟 1 重新 進行組網；若有節點設備成功入網，則執行步驟 2。

步驟2:泵房配電係統與(yu) 設備故障判斷若泵房配電係統與(yu) 設備故障標誌FS-1，則返回步驟1重新執行。反之，執行步驟3。

步驟3:泵房設備狀態檢測從(cong) 泵房控製係統獲取泵房設備運行狀態標誌WS。若該標誌為(wei) 1，表明設備處於(yu) 巡檢或者維修狀態，則返回步驟1重新執行:若該標誌為(wei) 0，表明設備處於(yu) 正常運行狀態，則執行步驟4，判斷名台電機是否投入運行。

步驟4:電機供電回路連接判斷順序讀取各台電機配電回路空氣開關(guan) 與(yu) 接觸器的運行狀態標誌SW。若SW0，表示該回路未投入運行，不需對該回路的設備進行故障診斷:若SW=l，表示該回路設備處於(yu) 運行狀態，需對該回路的設備進行故障診斷。

若所有回路的空氣開關(guan) 、接觸器都為(wei) 斷開狀態,則返回步驟1:若有一個(ge) 以上回路的空氣開關(guan) 、接觸器為(wei) 閉合狀態，則執行步驟5。

步驟5:電氣數據獲取

主計算機采用輪詢方式，順序獲取主回路AKWo、回路空氣開關(guan) 和接觸器均處於(yu) 閉合狀態(SW=1)和成功入網(NS=1)的 AKW(i=1.2.3.4)采集的電壓、電流數據，並按順序將成功讀取的AKW數據保存到對應節點的專(zhuan) 用數據庫或者存儲(chu) 空間。

AKW 數據獲取采用連續多次通信方式。在規定時間內(nei) ，若連續多次通信都不能獲得某台AKW的正確返回數據，則表明該AKW斷網，將其標記為(wei) 入網失敗，並進行報警處理。若 AKWo斷網，或者所有 AKW:(i-1.2.3.4)都斷網，則返回步驟1:否則，在輪詢讀取完所有 AKW,的數據後執行步驟 6。

步幕6:主回路供電電壓超限與(yu) 平衡判斷從(cong) 數據庫讀取AKWo的三相電壓，按式(1)計算主回路供電電壓偏差&

6..若滿足式(2)，則配電主回路電壓是不超限的，UF=0:滿足式(3)，則電機主回路電壓是平衡的，UF-0:滿足式(4)，則配電主回路供電電壓超過上限，UF1:滿足式(5)，則配電主回路電壓低於(yu) 下限，UF.-2。

若電機主回路電壓不平衡，則標記UF1。對於(yu) 超限與(yu) 不平衡，在標記標誌並報警後執行步驟7，否則，隻進行標誌標記，然後執行步驟7

步驟7:回路空氣開關(guan) 、接觸器開路診斷

從(cong) 數據庫按順序談取所有回路空氣開關(guan) 和接觸器均處於(yu) 閉合狀態，即SWl的電機端電壓和電流數據，並順序完成所有回路的判斷。

若某一台電機的電流滿足式(10)、端電壓滿足式(9)，則該回路空氣開關(guan) 和/或接觸器發生三相觸頭開路:若電流滿足式(10)，端電壓滿足。

滿足式(11)，則該回路空氣開關(guan) 和/或接觸器的i相觸頭發生開路。

若沒有發生觸頭開路故障，就標記SF -0後進行下一回路判斷:若判斷出發生觸頭開路故障，就進行故障記錄、標記 SF,-1並報警，然後進行下一回路判斷。

所有無故障閉合回路判斷完後執行步驟8。步募8:電機繞組開路診斷

從(cong) 數據庫按順序讀取所有回路空氣開關(guan) 和接觸器均處於(yu) 閉會(hui) 狀態，且沒有發生觸頭開路故障的電機電流數據，並順序完成所有電機的判斷。

若某台電機的三相電流均不滿足式(10)，則標記 GF-0，繼續下一台電機電流判斷:若某一相電流1滿足式(10)，則電機對應相定子繞組開路，記錄該故障、標記GF-l並報警，然後繼續下一台電機電流判斷。

所有電機判斷完後執行步驟9。

步9:電機繞組不平衡與(yu) 匝間短路診斷

從(cong) 數據庫按順序讀取所有空氣開關(guan) 和接觸器均處於(yu) 閉合狀態,且沒有發生觸頭與(yu) 電機繞組開路故障的電機電壓與(yu) 電流數據，並順序完成所有電機的判斷。

分別按式(1)、式(6)計算所有電機端電偏差&和電流不平衡率&。

若某一台電機的《…不滿足式(12)、(13),即該電機的端電壓是不平衡的,或在電機端電壓平衡條件下的8.不滿足式(14)，則標記GF-0，GF:0，進行下一台電機判斷:反之，在電機端電壓平衡條件下，若&滿足式(14)，則該電機發生繞組不平衡故障，標記GF1，按式(15)計算最大8，對應相電機繞組發生匝間短路，標記 GF1，記錄該故障後報警，然後繼續下一台電機判斷。

所有電機判斷完後執行步驟10。

步募10:水泵堵轉診斷

按式(1)、式(7)順序計算步驟8讀取的所有電機端電壓偏差5和電流平均值了。若某台電機的&.,不滿足式(12)、(13)，或者了不滿足式(16)，則標記WP1-0，繼續後續電機判斷:反之，在的品滿足式(12)、(13)，即電機端電壓平衡條件下，若了滿足式(16)，則該電機所驅動的水泵發生了堵轉,記錄該故障、標記 WPI-I並報勢，然後繼續後續電機判斷。

所有電機判斷完後執行步驟11。

步幕11:電機與(yu) 水泵連接機構斷開診斷

按式(1)、式(7)順序計算步驟8讀取的所有電機端電壓偏差&和電流平均值了。若某台電機的8，不滿足式(12)、(13)，或者了不滿足式(17)，則標記 WP0，繼續後續電機判斷:反之，在的8滿足式(12)、(13)，即電機端電壓平衡條件下，若i滿足式(17)，則該電機與(yu) 水泵的連接機構斷開，記錄該故障、標記 WP11,並報警，然後繼續後續電機判斷。

所有電機判斷完後返回執行步驟1。

所有故障診斷結果均通過數據采集通信係統，實時上報到泵房監控係統進行相應的處置。

4 實驗驗證

為(wei) 驗證本文提出的故障診斷方法的正確性與(yu) 有效性，使用 MATLAB/Simulink平台的相應設備模型，自建故障診斷模塊和模擬故障控製模塊，搭建了單電機泵房配電係統仿真模型。

三相電源輸出相電壓U=220V(i=a,b,c);三相異步電機 G的額定電壓為(wei) 380V，額定功率為(wei) 4kW;AKW(i-0,1)使用平台中的測量模塊代替，可測量三相電壓、電流並保存數據。

故障模擬模塊使用斷路器模塊代替圖1中OF和 KM1;在電機模塊 G 的輸入端和 AKW1之間增加對稱三相 LR 串聯支路，使用斷路器的通斷模擬電機定子繞組的匝間短路與(yu) 不平衡;使用不同幅值的階躍函數模擬電機G的負載轉矩T變化來模擬水泵正常運行、堵轉、水泵與(yu) 電機連接軸斷開。在仿真開始時，斷路器導通模擬正常狀態的 QF1、KM 和 G;在 1.5s 時，斷開某一相斷路器觸頭模擬 OF、KM對應相的開路，閉合某一相斷路器觸。

頭模擬G的對應相定子繞組匝間短路，使用不同幅值的階躍函數跳變模擬水泵的堵轉、水泵和電機連接軸的斷開。

故障診斷模塊是根據診斷方法搭建的故障診斷電路，輸入是測量模塊 AKW;(i=0,1)測量的電壓、電流信號，輸出為(wei) 故障診斷結果。

因供電電壓超限與(yu) 空氣開關(guan) 或接觸器的多相開路是顯而易見的。故本節僅(jin) 驗證電機回路空氣開關(guan) 或接觸器觸頭開路、電機繞組開路、電機繞組不平衡與(yu) 匝間短路、水泵堵轉、電機與(yu) 水泵連接機構斷開五類故障。

由故障診斷原理可知，上述五類故障診斷的條件是主回路供電電壓，即 AKWo測量的電壓平衡。因此，模擬仿真實驗隻需要驗證由 AKW測量的電機端電壓與(yu) 電流波形的變化，然後得到診斷結果。故每類故障診斷的波形均有3個(ge) 子圖:子圖a)、b)分別為(wei) 電機端電壓、電流波形，子圖c)為(wei) 故障診斷結果，0表示正常，1表示故障。

4.1 配電線路中空氣開關(guan) 或接觸器開路實驗

在電機 G 平穩運行後的 t=1.5s 時，控製圖 3中 QF和 KM¡斷路器模擬電機回路 QF 和 KMi的A 相開路故障，其波形與(yu) 診斷結果如圖4所示。

從(cong) 圖 4 中可以看出，在 1-1.5s，電機端電壓均 維持在 220V 左右，回路電流為(wei) 8.2A，電機平穩運行，回路空氣開關(guan) 或接觸器正常;t-1.5s時，空氣開關(guan) 或接觸器A相觸頭發生開路故障,。下降其偏差滿足式(11)，下降且滿足式(10)，h和上升，使得電機三相電壓不平衡、三相電流不平衡，得到故障診斷結果為(wei) A相為(wei) 1，其它相為(wei) 0.

水泵電機繞組開路實驗4.2

在電機 G 平穩運行後的 1.5s 時，模擬電機的A相繞組出現開路故障，其波形與(yu) 診斷結果如圖5 所示。

從(cong) 圖 5 中可以看出，在 1-1.5s，電機端電壓均 維持在 220V 左右，回路電流為(wei) 8.2A，電機平穩運 行。t=1.5s 時，電機 A 相繞組開路，Ia 下降，Ib、 Ic 上升。與(yu) 空氣開關(guan) 或接觸器開路故障不同的是， A 相繞組開路後，回路電壓仍為(wei) 220V，電機輸入 端三相電壓是平衡的且不超限，滿足式（12）、（13）； 回路 A 相電流降為(wei) 零，滿足式（10）。因此，得 到的故障診斷結果為(wei) A 相出現電機繞組開路故障。 4.3 水泵電機繞組不平衡與(yu) 匝間短路實驗 在電機平穩運行後的 t=1.5s 時，模擬電機的 A 相繞組出現匝間短路故障，其波形與(yu) 診斷結果如圖 6 所示。 電機在 t=1.5s 時出現 A 相匝間短路，導致三相繞組不平衡。出現故障後，電機端電壓均保持正 常，滿足式（12）、（13），回路 A 相電流上升， B、C 相電流下降，三相電流不平衡率滿足式（14），故障診斷結果為(wei) 1，且根據式（15）可得到電機 A 相出現匝間短路。

本文提出的基於(yu) 多點電壓與(yu) 電流信息融合分 析泵房設備故障診斷方法可用於(yu) 實現自來水廠及 其二次加壓泵站配電係統設備與(yu) 電機故障的實時 診斷與(yu) 定位，對泵房的安全供水具有重要的現實意 義(yi) 和工程應用價(jia) 值，同時，該故障診斷方法具有通 用性，可以應用於(yu) 其他機電係統。