2024-04-11
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近年来，城镇高层建筑逐渐增多，为满足高层楼宇、高地势地区的供水需求，除了使用高质量制水工艺确保符合国家自来水水质标准外!，自来水厂及其二次加压供水泵房是必不可少的关键设施[2]。若泵房配电系统中的设备出现故障，必然会影响正常供水，甚至出现停止供水的情况。因此，实时检测泵房配电系统中设备运行状态并及时诊断出设备故障,对保障设备的正常运行具有重要的现实意义。
到目前为止，在工业过程及其系统中使用自动化监测技术与系统已成为趋势，泵房远程监控系统在国内外已得到应用[3-6。文献[3]采用振动加速度传感器获取振动数据,通过最小反褶积技术增强数据特征，利用小波包分解提取节点特征值，结合压力、温度等信息，实现了矿井水泵房中电机轴承故障、水泵汽蚀、吸水口堵塞等故障的诊断:文献[4研究了一种二次供水泵房远程监控系统,将现代化水质分析仪器纳入到系统中与供水设备一同管理以提升二次供水泵房监控的自动化程度,但在故障管理方面仅仅提到了监控系统组网时的设备无法连接或设备调用不成功故障检测与警报,没有研究设备本身的故障诊断问题:文献[5]提出了一种城市智慧二次供水管理平台的设计方案,该方案设计的平台系统通过传感器采集进出水压力、流量、水泵状态等信息，实现现场泵房设备的启停控制，具有简单的温度报警、水淹报警等功能。文献[6]研究了一种水厂机泵故障诊断系统,采用失效模式与效果分析技术，运用振动、流量、电压、电流、功率等参数，实现泵轴变形、水泵汽蚀等故障和电机输出功率增加的综合分析，并能提供相应的解决策贴,
但到目前为止,还没有相关文献研究泵房系统常见的空气开关或接触器开路、电机绕组开路、水泵堵转等配电设备和电机故障的实时监测与诊断技术。解决这些故障的方法主要是人工排查，这和方法实现故障定位较为困难，需要花费较大的人力，维修时间和停止供水时间较长，严重影响居民用水。
当泵房配电系统中的设备出现故障时,回路中的电气量--电压、电流值将发生变化，且存在相互影响，而且，电气量在准确性、完备性和容错性等方面有着开关量无法比拟的优势四7。因此，本文以现有的自来水厂和二次加压供水泵房配电系统为研究对象,基于三相电路平衡原理和三相异步电机等效电路,分析配电系统中设备六类常见故障的电压、电流变化特征及其相互影响机理，使用多个关键节点的电压、电流信息，提出了一种基于多点电压与电流信息融合分析的泵房配电系统设备故障在线诊断方法,克服了现有人工排查耗时耗力与离线分析不及时的不足。Simulink仿真实验验证了所提故障诊断方法的可行性,对自来水厂和二次加压供水泵房的正常运行和安全供水具有重要的意义和工程应用价值。
1 电路原理图
水泵房配电系统1.1
图1为现有自来水厂、二次加压泵站水泵房配电系统示意图，主要由异步电机G、变频器INV智能电量采集装置 AKW、空气开关 OF、接触器KM和热继电器FR等设备构成。图中的数字为对应设备编号:AKW;具有通信功能，实现三相电压线电压、三相电流/线电流、功率因数、率、有功功率、无功功率等电气参数的实时监测和计量，安装于主回路以及各回路电机的输入端。
1.2 三相异步电机等效电路图
三相异步电机的核心由三相绕组构成,采用异步电机单相T型等效电路]三角形连接表示的异步电机三相等效电路如图2虚线右侧所示。图2中R、X为电机定子绕组的等效内阻和感抗:R石为电机转子绕组及负载换算到定子侧的等效内阻和感抗:R、X为电机等效励磁内阻和励磁感抗;虚线左侧表示配电线路的等效电路。
图2中Rk(i=a,b,c)为每一相的空气开关等效电阻,R;(i=a,b,c)为每一相的接触器等效电阻,a、b、c为供电主回路接入点，忽略连接线缆的电阻。理想情况下，空气开关、触头闭合时的等效电阻为零:空气开关、触头断开时的等效电阻为无穷大。1、h、1.为电机输入线电流。
2 故障诊断原理
影响正常供水的泵房配电系统和设备主要故障有:配电主回路供电电压超限、配电线路中空气开关或接触器触头开路、水泵电机绕组开路、水泵电机绕组不平衡与匝间短路、水泵堵转、电机与水泵连接机构断开。其中电机绕组不平衡与匝间短路、水泵堵转等是一些文献关注的故障。
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当系统中的设备发生故障时，关键节点的电压、电流幅值将发生变化。表1是六类常见设备故障类型以及回路电压、电流特征。根据回路中电压、电流的幅值可以区分故障类型，实现故障诊断。
2.1供电电压偏差与超限
2.1.1供电电压偏差与平衡计算国家标准 GBT 15543-2008 定义三相电压不平衡为:三相电压在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之[3]。本文主要考虑三相电压幅值上的不同，可以使用电压偏差5进行评价。国家标准 GB/T 12325-2008定义为:测量时间窗口(10个周波)内相电压测量值的平均值与系统标称相电压之差与系统标称相电压的百分比。在实际应用中，电压偏差限值（δV_min、δV_max） 可以根据设备和电网实际进行合理设置，作为供电 电压超限故障判断的阈值。
3 故障诊断方法
3.1 方法执行条件
本方法对泵房配电系统配电主回路供电电压不平衡与超限，配电线路中空气开关和/或接触器电机、水泵及其与电机的连接等故障进行有效诊断，由泵房监控系统主计算机运行，需要满足4个执行条件:
1)泵房配电系统与设备故障标志FS为1时:不进行故障诊断。
首次启动故障诊断前，该标志被初始化为0。在诊断程序运行中，一旦诊断出发生了某一类故障，该标志就被置为1。
2)搭建数据采集通信系统，建立泵房监控系统主计算机和每一台 AKM,的网络连接,并保证它们处于正常运行状态，获取关键节点的电压、电流数据用于故障诊断。
3)主计算机应能记录各台电机配电回路空气开关、接触器触头的状态，标志为SW(闭合标记为1,断开标记为0)。断开状态表示对应电机供电回路未接通，不需进行故障诊断。
4)设备运行状态标志 WS:当泵房设备处于正常运行状态(标记为0)，当设备处于巡检或维修状态(标记为1)时，不进行故障诊断。
设备运行状态由泵房控制系统设置,主计算机记录。
3.2 执行步骤
基于上述故障诊断原理,故障诊断方法在程序初始化后，共1个步骤。诊断方法使用的各类标志符号取值和定义如表2所示。
步齉:1:终端设备组网
主计算机向各节点设备 AKW;发送组网指令:并等待应答。若在设定时间内收到应答，表明该节点设备成功入网，则标记其入网标志 NS=1:若某台节点设备连续"次(如3次)组网通信失败，表明该节点设备的入网失败，则 NSi=0，并报警处理。 若没有节点设备成功入网，则返回步骤 1 重新 进行组网；若有节点设备成功入网，则执行步骤 2。
步骤2:泵房配电系统与设备故障判断若泵房配电系统与设备故障标志FS-1，则返回步骤1重新执行。反之，执行步骤3。
步骤3:泵房设备状态检测从泵房控制系统获取泵房设备运行状态标志WS。若该标志为1，表明设备处于巡检或者维修状态，则返回步骤1重新执行:若该标志为0，表明设备处于正常运行状态，则执行步骤4，判断名台电机是否投入运行。
步骤4:电机供电回路连接判断顺序读取各台电机配电回路空气开关与接触器的运行状态标志SW。若SW0，表示该回路未投入运行，不需对该回路的设备进行故障诊断:若SW=l，表示该回路设备处于运行状态，需对该回路的设备进行故障诊断。
若所有回路的空气开关、接触器都为断开状态,则返回步骤1:若有一个以上回路的空气开关、接触器为闭合状态，则执行步骤5。
步骤5:电气数据获取
主计算机采用轮询方式，顺序获取主回路AKWo、回路空气开关和接触器均处于闭合状态(SW=1)和成功入网(NS=1)的 AKW(i=1.2.3.4)采集的电压、电流数据，并按顺序将成功读取的AKW数据保存到对应节点的专用数据库或者存储空间。
AKW 数据获取采用连续多次通信方式。在规定时间内，若连续多次通信都不能获得某台AKW的正确返回数据，则表明该AKW断网，将其标记为入网失败，并进行报警处理。若 AKWo断网，或者所有 AKW:(i-1.2.3.4)都断网，则返回步骤1:否则，在轮询读取完所有 AKW,的数据后执行步骤 6。
步幕6:主回路供电电压超限与平衡判断从数据库读取AKWo的三相电压，按式(1)计算主回路供电电压偏差&
6..若满足式(2)，则配电主回路电压是不超限的，UF=0:满足式(3)，则电机主回路电压是平衡的，UF-0:满足式(4)，则配电主回路供电电压超过上限，UF1:满足式(5)，则配电主回路电压低于下限，UF.-2。
若电机主回路电压不平衡，则标记UF1。对于超限与不平衡，在标记标志并报警后执行步骤7，否则，只进行标志标记，然后执行步骤7
步骤7:回路空气开关、接触器开路诊断
从数据库按顺序谈取所有回路空气开关和接触器均处于闭合状态，即SWl的电机端电压和电流数据，并顺序完成所有回路的判断。
若某一台电机的电流满足式(10)、端电压满足式(9)，则该回路空气开关和/或接触器发生三相触头开路:若电流满足式(10)，端电压满足。
满足式(11)，则该回路空气开关和/或接触器的i相触头发生开路。
若没有发生触头开路故障，就标记SF -0后进行下一回路判断:若判断出发生触头开路故障，就进行故障记录、标记 SF,-1并报警，然后进行下一回路判断。
所有无故障闭合回路判断完后执行步骤8。步募8:电机绕组开路诊断
从数据库按顺序读取所有回路空气开关和接触器均处于闭会状态，且没有发生触头开路故障的电机电流数据，并顺序完成所有电机的判断。
若某台电机的三相电流均不满足式(10)，则标记 GF-0，继续下一台电机电流判断:若某一相电流1满足式(10)，则电机对应相定子绕组开路，记录该故障、标记GF-l并报警，然后继续下一台电机电流判断。
所有电机判断完后执行步骤9。
步9:电机绕组不平衡与匝间短路诊断
从数据库按顺序读取所有空气开关和接触器均处于闭合状态,且没有发生触头与电机绕组开路故障的电机电压与电流数据，并顺序完成所有电机的判断。
分别按式(1)、式(6)计算所有电机端电偏差&和电流不平衡率&。
若某一台电机的《…不满足式(12)、(13),即该电机的端电压是不平衡的,或在电机端电压平衡条件下的8.不满足式(14)，则标记GF-0，GF:0，进行下一台电机判断:反之，在电机端电压平衡条件下，若&满足式(14)，则该电机发生绕组不平衡故障，标记GF1，按式(15)计算最大8，对应相电机绕组发生匝间短路，标记 GF1，记录该故障后报警，然后继续下一台电机判断。
所有电机判断完后执行步骤10。
步募10:水泵堵转诊断
按式(1)、式(7)顺序计算步骤8读取的所有电机端电压偏差5和电流平均值了。若某台电机的&.,不满足式(12)、(13)，或者了不满足式(16)，则标记WP1-0，继续后续电机判断:反之，在的品满足式(12)、(13)，即电机端电压平衡条件下，若了满足式(16)，则该电机所驱动的水泵发生了堵转,记录该故障、标记 WPI-I并报势，然后继续后续电机判断。
所有电机判断完后执行步骤11。
步幕11:电机与水泵连接机构断开诊断
按式(1)、式(7)顺序计算步骤8读取的所有电机端电压偏差&和电流平均值了。若某台电机的8，不满足式(12)、(13)，或者了不满足式(17)，则标记 WP0，继续后续电机判断:反之，在的8满足式(12)、(13)，即电机端电压平衡条件下，若i满足式(17)，则该电机与水泵的连接机构断开，记录该故障、标记 WP11,并报警，然后继续后续电机判断。
所有电机判断完后返回执行步骤1。
所有故障诊断结果均通过数据采集通信系统，实时上报到泵房监控系统进行相应的处置。
4 实验验证
为验证本文提出的故障诊断方法的正确性与有效性，使用 MATLAB/Simulink平台的相应设备模型，自建故障诊断模块和模拟故障控制模块，搭建了单电机泵房配电系统仿真模型。
三相电源输出相电压U=220V(i=a,b,c);三相异步电机 G的额定电压为 380V，额定功率为4kW;AKW(i-0,1)使用平台中的测量模块代替，可测量三相电压、电流并保存数据。
故障模拟模块使用断路器模块代替图1中OF和 KM1;在电机模块 G 的输入端和 AKW1之间增加对称三相 LR 串联支路，使用断路器的通断模拟电机定子绕组的匝间短路与不平衡;使用不同幅值的阶跃函数模拟电机G的负载转矩T变化来模拟水泵正常运行、堵转、水泵与电机连接轴断开。在仿真开始时，断路器导通模拟正常状态的 QF1、KM 和 G;在 1.5s 时，断开某一相断路器触头模拟 OF、KM对应相的开路，闭合某一相断路器触。
头模拟G的对应相定子绕组匝间短路，使用不同幅值的阶跃函数跳变模拟水泵的堵转、水泵和电机连接轴的断开。
故障诊断模块是根据诊断方法搭建的故障诊断电路，输入是测量模块 AKW;(i=0,1)测量的电压、电流信号，输出为故障诊断结果。
因供电电压超限与空气开关或接触器的多相开路是显而易见的。故本节仅验证电机回路空气开关或接触器触头开路、电机绕组开路、电机绕组不平衡与匝间短路、水泵堵转、电机与水泵连接机构断开五类故障。
由故障诊断原理可知，上述五类故障诊断的条件是主回路供电电压，即 AKWo测量的电压平衡。因此，模拟仿真实验只需要验证由 AKW测量的电机端电压与电流波形的变化，然后得到诊断结果。故每类故障诊断的波形均有3个子图:子图a)、b)分别为电机端电压、电流波形，子图c)为故障诊断结果，0表示正常，1表示故障。
4.1 配电线路中空气开关或接触器开路实验
在电机 G 平稳运行后的 t=1.5s 时，控制图 3中 QF和 KM¡断路器模拟电机回路 QF 和 KMi的A 相开路故障，其波形与诊断结果如图4所示。
从图 4 中可以看出，在 1-1.5s，电机端电压均 维持在 220V 左右，回路电流为 8.2A，电机平稳运行，回路空气开关或接触器正常;t-1.5s时，空气开关或接触器A相触头发生开路故障,。下降其偏差满足式(11)，下降且满足式(10)，h和上升，使得电机三相电压不平衡、三相电流不平衡，得到故障诊断结果为A相为1，其它相为0.
水泵电机绕组开路实验4.2
在电机 G 平稳运行后的 1.5s 时，模拟电机的A相绕组出现开路故障，其波形与诊断结果如图5 所示。
从图 5 中可以看出，在 1-1.5s，电机端电压均 维持在 220V 左右，回路电流为 8.2A，电机平稳运 行。t=1.5s 时，电机 A 相绕组开路，Ia 下降，Ib、 Ic 上升。与空气开关或接触器开路故障不同的是， A 相绕组开路后，回路电压仍为 220V，电机输入 端三相电压是平衡的且不超限，满足式（12）、（13）； 回路 A 相电流降为零，满足式（10）。因此，得 到的故障诊断结果为 A 相出现电机绕组开路故障。 4.3 水泵电机绕组不平衡与匝间短路实验 在电机平稳运行后的 t=1.5s 时，模拟电机的 A 相绕组出现匝间短路故障，其波形与诊断结果如图 6 所示。 电机在 t=1.5s 时出现 A 相匝间短路，导致三相绕组不平衡。出现故障后，电机端电压均保持正 常，满足式（12）、（13），回路 A 相电流上升， B、C 相电流下降，三相电流不平衡率满足式（14），故障诊断结果为 1，且根据式（15）可得到电机 A 相出现匝间短路。
本文提出的基于多点电压与电流信息融合分 析泵房设备故障诊断方法可用于实现自来水厂及 其二次加压泵站配电系统设备与电机故障的实时 诊断与定位，对泵房的安全供水具有重要的现实意 义和工程应用价值，同时，该故障诊断方法具有通 用性，可以应用于其他机电系统。
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