掘进机电气综合保护数据采集方法的研究

2011-05-15乔忠良

太原理工大学学报 2011年4期

张博,乔忠良

(1.内蒙古科技大学,内蒙古包头014010;2.太原理工大学,太原030024)

随着现代化煤矿生产安全要求越来越严格,煤矿对掘进机电气保护系统的要求也越来越高。原有的电气保护的数据采集在整定精度和采样精度上都不高,无法实现具有多功能的保护,笔者提出了一种全新掘进机电气综合保护数据采集的方法,即改进的全波傅氏算法,在保证精度的基础上使计算量大大减少。并介绍了各序分量算法的实现,使得掘进机的综合保护性能得到了全面的提高。与其他的电气保护,其优点是保护更先进、更快速和更全面。

1 数据采集及其算法

掘进机综合保护所需要采集的信号有数字量和模拟量信号两大类。数字量信号有来自接触器等设备的辅助接点或继电器的开关量信号,这些信号经过耦合器和保护装置相连。采集模拟信号时,需要对模拟信号进行离散化,这样才能保证原始数据不会失真。模拟量输入电路又称数据采集电路,主要作用是完成模数转换,规范输入电压,完成与主CPU接口,实现数据采集。模拟量通道是微机保护中极其重要的电路,通道中实现运算的信号是二进制信号,保护装置的动作速度和测量精度等性能与该电路密切相关。

1.1 数据采集电路

数据采集电路要从被保护的线路或设备上的电流、电压互感器等变送设备上采集数据,一般根据模数转换器输入范围的要求,将互感器的二次侧数值变换为相应范围的电流信号或电压信号。当涉及到移相、提取某一分量时,在微机保护中,可以通过软件来实现。采样电路主要由传感器、电压调理电路和A/D转换部分组成。电动机的电流、电压信号用电流、电压变送器来采集,再进行适当的放大和调理以后送给单片机或PLC内部集成的A/D转换模块的模拟输入通道。例如：要检测油泵电机的三相电流信号,因油泵电机的额定电流比较大,选用时要考虑过流的影响,所以应选用通过电流较大的电流互感器。再比如,要检测系统电压,因系统电压额定为660 V,选用时考虑过电压、低电压等因素,所以一般采用交流电压变送器检测系统电压。电压调理电路通常包括电压跟随器、比例调整电路和硬件滤波电路三部分,他们的作用是为了保证电机在额定电流以及当电机启动和过载时出现过电流情况下的检测精度,模块硬件结构如图1所示。

1.2 数据的算法

由于掘进机的综合保护很大程度上是对电机进行保护,所以从电动机的故障保护原理入手,分析电机的各种类型的故障,找出判断各种故障的依据,才能推导出相对应的算法。这里介绍的算法是先检测电流,经电流电压变换设备后把采集的信号送到鉴幅电路,鉴幅电路通过检测电流幅值、零序和负序电流分量,以此作为故障判据,从而形成各种保护的算法。

图1 模拟信号处理硬件原理图

1.2.1 过流、负序电流与零序电流的故障判据

对三相异步电动机不对称故障进行判断的常用方法是对称分量法[1]。用对称分量法分析三相异步电动机的不对称问题时能够使计算大大简化。把三相电流经过计算后分解成正序分量、负序分量和零序分量,然后根据所发生的故障类型进行判断,通过判断得到的数据对所发生的故障进行断电保护。这种方法既灵敏又可靠,还能判断出电机所有常见故障,同时能够判别出相应的故障类型,实现对故障的诊断。原理框图如图2所示。

图2 电动机故障诊断及保护原理框图

1.2.2 改进后的全波傅里叶算法

电机保护装置要实时获取电压和电流数据,及时响应各种故障状态,准确地做出保护反应。在故障发生以后的瞬间,信号里面含有直流分量和很多谐波分量,信号发生了畸变。很多保护装置都是建立在整数次谐波之上,通过一定的算法处理得到的基波和谐波分量[4],进而实现故障检测。算法是对交流采样信号参数的一个估计运算,所以算法性能的好坏还要看数据窗的长短,从采样值中提取出有用信号。为能让保护快速的动作,一定要选择数据窗较短的算法。

输入量通常认为是由衰减后的非周期分量、基频与倍频分量所组成。最具有代表性的就是傅氏算法和它的推广算法。一般假设一个输入信号是周期信号,除基波外还有不衰减的直流分量和各次谐波,用公式可以表示为：

在进行故障分析时,只需要分析基波分量就行,基波分量为：

经采样后的连续变量分解成为离散变量,积分运算变成求离散和的形式。如果每周波采样设为 N次,在进行矩形积分时,则第k次采样的电流基波分量的傅里叶级数中余弦系数值和正弦系数值分别为：

这样就得到了离散系统的一般表达形式,这种算法几乎能完全地滤掉直流和各整次谐波分量,但是对衰减的直流分量和频率小于50 Hz的低频分量抑制效果不是很好。为了去除直流分量的影响,一般都是在其前面加差分环节,形成全波差分傅氏算法,计算公式如下：

还有一种是半波傅氏算法,其数据窗很短,仅有半个周波,所以在计算量上要小得多。不过,这种算法的缺点是只能滤掉奇次谐波,而且精度和速度不能同时达到最佳,所以就要在速度和精度两方面进行折中考虑。异步电动机保护对算法数据窗长度要求较低,于是用全波傅氏算法能够得到很好的精度。又因为采用C语言编程,所以运算量最好小一些。基于上述情况,特别地对全波傅氏算法进行了改进,即给计算方法进行瘦身处理,计算当前k点保护算法的实虚部时,用前k-1点的计算结果就可以了。改进的算法如下：

如果在式(3)之前在加上差分环节就构成了全波差分傅氏递推形式,公式为：

全波傅氏算法[2]的递推形式和全波差分傅氏算法相比,频率响应和时间响应差不多,但是算法经过瘦身处理,计算量减少了很多。

1.2.3 各序分量算法的实现

正序分量、负序分量和零序分量电流的保护,一般要从电流中计算出负序和零序分量,然后再根据序量和相量之间的关系,可以计算出序电流分量：

往后延了16点 -4/3π得来。同理α2I C也可看作IC对应的瞬时值延后采样得来,这样式(5)就可以写为一周波24点的序分量瞬时值的表达式：

式(6)中,k是当前采样点,于是得到当前采样时刻的序分量i1(k)、i2(k)、i0(k)后,再经傅里叶算法得到序分量的有效值I1,I2,I0,进而就可以进行相关保护的判断了。通过这样处理,避免了复数的运算,又简化了计算量,所以非常适合微机计算。

2 静态模拟实验结果与分析

本文通过静态模拟试验来检验掘进机电气综合保护各项指标是否满足设计要求,同时测试傅氏算法和数据采集系统的效果和精度。在模拟实验过程中,分别对装置的动作电流值和动作时间进行了检测。主要是给出不同的整定值,看各种保护在不同整定值下实际动作的数值。本文仍以截割电机三相电流保护为例,其静态模拟实验的具体数值如表1所示。经过分析,其相对误差和技术误差均在要求范围内。