基于Labwindows/CVI的发电机励磁系统故障诊断

张俊良， 李晓波， 李志军

(1.河北工业大学电工厂，天津 300130;2.河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130)

0 引言

励磁系统是电厂发电机组重要组成部分，励磁系统运行的状态好坏直接或间接的影响发电机的运行状态，同时也影响电力系统的安全稳定。在发电机励磁系统功率单元中最常见的故障有晶闸管直通和晶闸管开路故障［1］。发生晶闸管直通故障时，瞬间将造成相电压短路，短路电流使保护电路动作;发生晶闸管开路故障时(如晶闸管器件门极损坏或触发脉冲丢失等故障)，功率单元仍然工作，但输出励磁电压的脉动增大，平均值降低，这种带病工作导致励磁电压波形产生畸变，从而导致发电机工作在不稳定状态，同时也加大了对电网的干扰［2］。因此，通过对励磁系统功率单元故障的分析和推理诊断，设计出一种基于Labwindows/CVI的发电机励磁系统的故障诊断系统将显得尤为重要。

1 励磁系统功率单元故障的仿真分析

1.1 故障的分类

河北工业大学电工厂设计和生产的WLZ型励磁系统采用的是双桥并联三相桥式全控整流电路。在这个整流电路中，如果A、B两组整流桥同时发生故障，这种故障会严重影响系统的正常工作，对系统的机端电压也会造成一定的影响，属于严重故障，需要停机检修。本文在不考虑同时发生故障的情况下，一组整流桥正常工作，而另一组发生故障时可以分为以下21种(主要讨论最多两个晶闸管故障):(1)仅一只晶闸管故障，分为6个故障单元:VT1故障，VT2故障，VT3故障，VT4故障，VT5故障，VT6故障;(2)接在同一半桥中的2只晶闸管故障，分为6个故障单元:VT1与VT3故障，VT1与VT5故障，VT3与VT5故障，VT4与VT2故障，VT4与VT6故障，VT2与VT6故障;(3)接到同一相电压的两个晶闸管故障，分为3个故障单元:VT1与VT4故障，VT3与VT6故障，VT5与VT2故障;(4)接在交叉2个晶闸管故障，分为6个故障单元:VT1与VT6故障，VTl与VT2故障，VT3与VT4故障，VT3与VT2故障，VT5与VT4故障，VT5与VT6故障。

1.2 故障仿真分析

图1是在MATLAB/Simulink下通过powerlib库建立的发电机励磁系统功率单元仿真图［3］。三相整流电路的电源分别为U(A)=30sin(wt)、U(B)=30sin(wt+120°)、U(C)=30sin(wt－120°)，频率为50 Hz;Synchronized 6-Pulse Generator单元为晶闸管触发单元，alpha_deg为触发角，通过它可以输入仿真时的触发角，而Block口通常设置为0，Pulses为 Synchronized 6-Pulse Generator的输出口，从Pulses口就可以得到相应触发角下的触发脉冲。Pulses的输出信号通过USY单元的索引输出就可以得到三相整流电路的各个晶闸管的脉冲［4］。因为负载中感性部分较大，仿真时间设置为10 s，仿真算法选用的是ode23。

图1 发电机励磁系统功率单元仿真

限于篇幅，本文只在断开A桥的VTA1管和B桥的VTB1管的脉冲状态下进行了仿真，这两个晶闸管在这12个晶闸管中具有代表性的作用。仿真结果如图2、图3所示。

图2 VTA1故障时A桥输入端IA1、IB1、IC1

图3 VTB1故障时A桥输入端IA1、IB1、IC1

通过仿真发现，A组输入三相电流中，IB1，IC1两相输入电流对比正常状态的波形均为正常。只有IA1输入电流不正常，在断开VTA1管脉冲条件下，IA1相波形由阶梯波变为方波，峰峰值从I到－I变为从0到－I;在断开VTB1管脉冲条件下，IA1相阶梯波峰峰值从－I到I变为从－I到2I(取正常情况下输入电流的峰值为2I)。

1.3 故障推理及诊断方法

通过对21种故障仿真可以得出A组的三相输入电流IA1、IB1、IC1的波形各有7种状态，A组整流桥的电流正负两端输出波形分别有3种状态。经过分析在A、B两个整流桥有一个正常工作而另外一个出现故障时，在A组的三相输入电流IA1、IB1、IC1对应的波形和峰峰值与21种故障存在着对应关系。可以采用三相输入电流IA1、IB1、IC1的峰峰值作为故障诊断的特征信号，如表1所示。为了叙述方便将连接在整流桥的输出直流正端的晶闸管记为+A、+B、+C(A、B、C 表晶闸管的连接的输入端)，同样连接在负端的记为－A、－B、－C。

表1 特征值对应的故障

2 基于虚拟仪器的故障诊断方法实现

2.1 虚拟仪器及其专用软件Labwindows/CVI的简介

虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)是计算机、仪器技术和通信技术相结合的产物。虚拟仪器的目的是利用计算机强大的资源使硬件技术软件化，分立元件模块化，降低程序开发的复杂程度，增强系统的功能和灵活性。

Labwindows/CVI是National Instruments公司(美国国家仪器公司，简称NI公司)推出的交互C语言开发平台。Labwindows/CVI以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集等程序，提供了一个理想的软件开发环境。利用这些库函数不仅可以实现常规的程序设计，还可以实现更加复杂的数据采集和仪器控制系统的开发［5］。

2.2 发电机励磁系统功率单元故障诊断系统的硬件组成

本系统由数据采集卡、信号调理电路和PC机组成，其硬件配置如图4所示。数据采集卡采用美国NI公司的PCI-6070E采集卡，PCI-6070E是一种基于计算机PCI总线的数据采集卡，它可直接插在计算机的PCI插槽上使用，它具有12位16路最大采集频率1.25 MS/s的A/D接口，同时还具有8位数字I/O接口。

图4 Labwindows/CVI的数据采集系统

信号调理电路的功能主要有:将被测装置中的电压、电流信号，经隔离转化为标准的电压、电流信号;波形转换;滤波;对数字信号进行必要的整形或电平调整等。图5为信号调理电路原理图。

这里主要介绍励磁电流适配、调理电路的设计，如图6所示。晶闸管整流桥的输出电流(IE)通过取压电阻R1，经跟随器U3D、匹配电阻R69、R70、跟随器U4A生成励磁电流匹配信号的电压信号(Uie)。电流电压变换系数Kie=0.136，空载额定时励磁电流实测值IE为8.7 A，适配后Uie为1.18 V。

2.3 发电机功率单元的故障诊断系统的软件开发

2.3.1 软件的总体设计

软件部分主要由数据采集块、数据显示模块、数据存储模块及数据分析模块(故障分析模块)等四部分组成。数据采集模块主要负责励磁系统(主要是功率单元)的各种模拟和数字量的采集主要有A1、B1、C1三相交流电输入、晶闸管输出电压(整流电压/励磁电压)、励磁电流和相关的数字量等相关信号。数据显示模块主要负责根据不同的需要接收数据采集模块传送的数据并实时显示数据的波形。数据存储模块将数据采集模块采集到的数据按照NI公司的TDMS文件格式存入计算机硬盘。数据分析处理模块主要负责对采集上来的信号进行分析，同时按照逻辑推理的原理来进行相关的故障诊断，并将系统的运行情况快速反馈给显示模块，达到一个很好的人机交互。具体各模块之间的关联如图7所示。

2.3.2 DAQmx 数据采集程序设计

图7 各模块之间的关联

在进行连续数据采集过程中，数据采集是无间断地返回数据，整个过程循环使用缓存。在采集之前应指定一个循环使用的缓冲区，缓存大小与采样频率以及采样时取走的采样点有关。连续数据采集开始之后，将采集卡采集到的数据存入这块缓存内，如果要进行数据保存或存储时，使用这种循环缓冲区技术，循环交替取走缓存内的数据，可以实现连续数据的采集和存储，在本设计中这些数据都被送入了线程安全队列，供给多线程使用。Labwindows/CVI中连续数据采集流程图如图8所示。使用Labwindows/CVI编写连续数据采集子线程程序时，主要调用了NI-DAQmx中的 DAQmxReadAnalogF64()函数［6］。

图8 数据采集流程

2.3.3 故障诊断程序设计

在程序中判断晶闸管断路故障时，首先要从安全队列TSQ中读取相关的特征量，A1、B1、C1的输入通道的电流值IA1、IB1、IC1，并分别对其在一时间段中求最大值和最小值。由于数据采集卡每次采集数据都是采用数组写入的办法，所以在求最大值和最小值时基本每次都是从送入安全队列中读取的个数来进行。在取得这六个最值后按着前面叙述的方法进行判断。同时将判断的结果在面板的文本框中输出。其程序流程图如图9所示。

图9 故障诊断程序流程图

3 试验结果分析

本文利用三相输入电流IA1、IB1、IC1波形和峰峰值变化判断故障的诊断方法，在虚拟仪器的软件平台Labwindows/CVI上开发了发电机励磁系统功率单元的故障诊断系统，并在现场对WLZ型励磁装置进行了测试。在测试时，试验台由一台发电机和一台WLZ型励磁系统组成。首先该系统必须处于稳态的情况，只要检测输出励磁电流在某个数值的±5%波动，就可以认为系统处于稳态，这时就可以起动故障诊断线程。在起动故障诊断线程后首先要读取数据采集的I/O口判断系统的触发脉冲是否正常，如果触发脉冲的输入有异常会将面板上的与I/O口对应的LED控件熄灭，并在文本框内输出哪个脉冲故障，提示检修。当排除触发脉冲引起故障的干扰以后就能判断晶闸管断路的情况。当人为断开VTA4时，从实时检测的数据可以看出，IA1的波形从阶梯波变成了方波，峰峰值从－I到I变为0到I，确实是VTA4发生了故障。验证了仿真分析所得到故障诊断方法是正确的，试验也表明该诊断系统能较准确地诊断出哪一个晶闸管出现故障。

4 结语

本文先对发电机励磁系统功率单元的故障进行了分类，并应用MATLAB/Simulink软件进行了故障仿真和分析，在此基础上得出了利用三相输入电流的变化判断故障的方法。根据此诊断方法开发出了基于虚拟仪器的发电机励磁系统功率单元的故障诊断系统。试验表明该诊断系统能够比较准确地判断出具体的哪个晶闸管发生故障，从而可以极早的排除故障根源，减少故障损失。

［1］张志学，马皓，毛兴云.基于混杂系统模型和事件辨识的电力电子电路故障诊断［J］.中国电机工程学报，2005(3):49-53.

［2］徐德鸿，马浩.电力电子装置故障自动诊断［M］.北京:科学出版社，2001.

［3］张亮，郭仕剑，王宝顺，等.MATLAB7.x系统建模与仿真［M］.北京:人民邮电出版社，2006.

［4］贾周，王金梅，封俊宝.三相桥式可控整流电路的仿真及实验装置开发［J］.淮阴工学院学报，2009，18(3):62-67.

［5］王建新，杨世凤，隋美丽.Labwindows/cvi测试技术及工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［6］张毅刚.虚拟仪器软件开发环境LabWindows/CVI 6.0编程指南［M］.北京:机械工业出版社，2002.