一种预警型电机保护方法和装置与流程

本发明涉及电机保护领域，具体是一种预警型电机保护方法和装置。

背景技术：

随着电力应用和各类电机类泵、马达、电梯等动力设备的大规模普及，电机安全事故发生数量也显著增加。在电力系统及其它生产领域，大部分电机的损坏都是由于绝缘被击穿引起的。采用负序保护、零序保护是国内外通用的电机综保技术手段，特别是针对电机相间非对称性短路、接地等绝缘故障保护。

据不完全统计，全国运行的1kw-320kw低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70％以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿度，修理费高达数100亿元左右，造成停产损失竟达数100亿元。此外，电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影响企业正常生产。

电机运行过程中，经常出现欠流、过负荷、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心、绕组老化等故障。电机综保技术已是各类电机故障保护必备保障，但电机综保设备工作在电气故障发生后的最初瞬变过程中，此时电压、电流信号包含衰减直流分量和复杂的谐波成分而发生严重的畸变，大大弱化电机综保的功能。随着电气智能技术的快速发展，对电机频繁起动、制动、正反转以及变负荷等诸多要求，电机比过去更容易烧毁绕组，尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率最高。

事实上针对电机中早期隐患监测预警更加重要，防范于未然，不仅能够大量节省社会经济成本，也是工业生产安全重要保障。电机中早期绝缘隐患信号微弱，易受外界干扰，会形成误判误动，现有电气综保技术难以满足不拒动、不误动基本要求。

技术实现要素：

本发明的目的是基于负序、零序电气参数的数据聚合优化处理，提供一种电机安全监测预警方法和装置，以克服现有技术在电机电气安全监测手段单一、监测技术应用受限等方面的缺陷和不足，实现电机电气安全的全面高效监测。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明提出了一种预警型三相电机保护方法，其中，所述预警型三相电机保护方法包括以下步骤：

s1、采集并计算电机三相供电回路的各相电压和电流，并进行电机综合保护处理；

s2、根据各相电压和各相电流获取第一监测参数，所述第一监测参数包括：各相负序电流、零序电流、负序电压和零序电压；

将零序电压、零序电流分别与对应的保护阈值进行比较，并判断是否发生接地故障；

若判断没发生所述接地故障，将负序电压、负序电流分别与对应的保护阈值进行比较，并根据比较结果判断是否发生非对称性短路故障；

s3、将各所述第一监测参数对时间进行积分，获得各第一监测参数的各时间段的积分监测参数，统称为第二监测参数；

将各所述第二监测参数分别与对应时间积分阈值进行比较判断，实现电气安全隐患预警。

将负序功率、零序功率分别对时间进行积分，获得各时间段的负序电能、零序电能，作为第三监测参数，用于电机非对称性电气绝缘隐患分析处理。

可选地，步骤s2中，具体包括：

s021，分别将零序电流和零序电流分别与对应的保护阈值比较；

s022，判断零序电流和零序电压中是否存在至少一个参数大于对应的保护阈值；如果是，则发出接地故障警报；如果否则进入步骤s023，以判断是否发生非对称性短路故障：

s023，分别将负序电压、负序电流与对应的保护阈值进行比较；

s024，判断负序电压和负序电流中是否存在至少一个参数大于对应的保护阈值；如果是，则发出非对称性短路故障警报；如果否，则不存在非对称性短路故障。

可选地，在步骤s1中，所述电机综合保护处理：包括但不限于电机启动保护、堵转保护、过压保护、欠压保护、过流保护和过热保护。

可选地，还包括以下步骤：

s4、对第一监测参数中的负序电压和负序电流、零序电压和零序电流分别进行矢量乘积，获得负序功率和零序功率；

将负序功率、零序功率分别对时间进行积分，获得各时间段的负序电能、零序电能，作为第三监测参数，用于电机非对称性电气绝缘隐患分析处理。

可选地，在步骤s4中，所述电机非对称性电气绝缘隐患分析处理，包括如下步骤：

s041，将负序功率、零序功率与对应的保护阈值进行比较判断，若负序功率大于对应的保护阈值，且零序功率不大于对应的保护阈值，则进行电机非对称性短路隐患事件预警；

若只有零序功率大于对应的保护阈值，则进行电机接地隐患事件预警；

s042，将各时间段的第三监测参数沿时间轴进行趋势变化分析，若发生明显增大趋势，则进行电机绝缘隐患加重趋势预警。

可选地，在步骤s3中还包括，对异常时间段按照时间长度细化，获得异常时间段内各时间子段的子积分监测参数，根据各时间子段及各时间子段对应的子积分监测参数判断异常所在时间节点、各时间子段的异常程度和异常变化趋势三者之一或者其组合。

可选地，在步骤s3中，当第一监测参数相对于保护阈值突变，从突变开始到突变结束，把突变的第一监测参数对时间积分，获得突变时间段的第二监测参数，将突变时间段的第二监测参数分别与对应的时间积分阈值进行预警逻辑比较，以实现电气安全隐患预警。

本发明还提出了一种应用如上任一项的方法的预警型三相电机保护装置，其中，所述预警型三相电机保护装置包括，

信号采集模块，获取电机三相回路的各相电压和各相电流；

三相对称分量计算模块，与所述信号采集模块连接，用于获取三相电机的第一监测参数，第一监测参数包括：负序电压、零序电压、负序电流和零序电流；

处理模块，连接所述信号采集模块和三相对称分量计算模块，用于将所述第一监测参数、第二监测参数、第三监测参数进行预警逻辑处理，以实现电气安全隐患预警。

可选地，所述信号采集模块还包括：

用于采集零序电压的电压采集单元和用于采集零序电流的电流采集单元，所述电压采集单元用于验证三相对称分量计算模块计算出的零序电压，所述电流采集单元用于验证三相对称分量计算模块计算出的零序电流。

可选地，所述信号采集模块，还用于采集获取各相谐波电流；

所述谐波电流，从电流的谐波部分得到，作为故障电弧的监测参数；判断所述谐波电流是否具有间歇式发生特征，如果是，则存在故障电弧隐患。

可选地，所述处理模块包括积分处理子模块、比较子模块和预警处理子模块；

积分处理子模块，连接所述获取模块的输出端，用于将所述第一监测参数对时间进行积分，用于获得第二监测参数和第三监测参数并冻结存储；

比较子模块，连接所述积分处理子模块的输出端，用于将所述第一监测参数与保护阈值或比较、将第二监测参数与时间积分阈值比较、第三监测参数与对应的设定阈值比较，并将结果输出给预警处理子模块；

预警处理子模块，连接所述比较子模块的输出端，用于根据比较子模块输出的结果对所述异常时间段的所述第一监测参数、第二监测参数和第三监测参数进行处理，并进行电气安全隐患预警。

本发明的有益效果

1、本发明针对绝缘破损为主的电机中早期隐患具有的信号微弱、变化缓慢、数据量大等特点，采用把零序、负序等相关微弱信号数据对时间进行积分的数据优化聚合，获得各时间段的相关时间积分参数，从而把大量微弱信号数据通过数据优化聚合形成新的大尺度、强信号数据，同时大幅减少数据总量，提高中早期隐患信号精度，针对中早期隐患监测预警具有显著效果。

2、本发明包含以突变起止为边界的各时间段的相关时间积分参数，把突变时间段积分参数作为单独指标参数，有利于跟踪电机中早期隐患包含的突变事件过程，精准地掌握有关电气突变事件的隐患程度和发展趋势。不区分渐变阶段和突变阶段的时间积分类参数，缺乏渐变阶段和突变阶段的各自特征信息，实用意义会大幅降低。

3、本发明对于大于阈值的异常时间积分参数，可以直接判断其存在安全隐患。对于小于阈值的异常时间积分参数，采用突变时间积分参数，在异常时间积分参数对应的时间段内，找到存在突变的突变时间段积分参数，可进一步定位安全隐患出现的时间，有助于发现电机隐患部件，提高判断精度及准确性。

附图说明

图1为本发明提出的预警型三相电机保护方法的步骤流程图；

图2为本发明提出的预警型三相电机保护方法的步骤s2的具体步骤流程图；

图3为本发明提出的预警型三相电机保护方法的步骤s4的具体步骤流程图；

图4为本发明提出的预警型三相电机保护装置的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

请参照图1到图3，本实施例提供了一种预警型三相电机保护方法，其中，所述预警型三相电机保护方法包括以下步骤：

s1、采集并计算三相电机供电回路的各相电压和各相电流，并进行电机综合保护计算处理。具体地，根据各相电压和各相电流进行常规电机保护功能的判断。如此，通过各相电压和各相电流，能够实现常规的电机保护功能。可选地，在本步骤中，所述电机综合保护处理：包括但不限于电机启动保护、堵转保护、过压保护、欠压保护、过流保护和过热保护。

s2、根据各相电压和各相电流通过对称分量法获取第一监测参数，所述第一监测参数包括：各相负序电流、零序电流、负序电压和零序电压。

s021将零序电压、零序电流分别与对应的保护阈值进行比较，

s022，判断零序电流和零序电压中是否存在至少一个参数大于对应的保护阈值；如果是，则发出接地故障警报；如果否则进入步骤s023，以判断是否发生非对称性短路故障：

s023，分别将负序电压、负序电流与对应的保护阈值进行比较；

s024，判断负序电压和负序电流中是否存在至少一个参数大于对应的保护阈值；如果是，则发出非对称性短路故障警报；如果否，则不存在非对称性短路故障。

s3、将各所述第一监测参数对时间进行积分，获得各第一监测参数的各时间段的时间积分监测参数，统称为第二监测参数。

将各所述第二监测参数分别与对应时间积分阈值进行比较判断，实现电气安全隐患预警。其中，当电路存在隐患时，对应的时间段记为异常时间段。

进一步地，在步骤s3中，当第一监测参数相对于保护阈值突变，从突变开始到突变结束，把突变的第一监测参数对时间积分，获得突变时间段的第二监测参数，将突变时间段的第二监测参数分别与对应的时间积分阈值进行预警比较，以实现电气安全隐患预警。

可选地，在步骤s3中对积分时间段按照时间长度细化，获得异常时间段内各时间子段的子积分监测参数，根据各时间子段及各时间子段对应的子积分监测参数判断异常所在时间节点、各时间子段的异常程度和异常变化趋势三者之一或者其组合。

具体实施时，还包括步骤s4：

s4、对第一监测参数中的负序电压和负序电流、零序电压和零序电流分别进行矢量乘积，获得负序功率和零序功率。

将负序功率、零序功率分别对时间进行积分，获得各时间段的负序电能和零序电能，作为第三监测参数，用于电机非对称性电气绝缘隐患分析处理。

所述第三监测参数包括各时间段的负序电能、零序电能参数，将获得的所述第三监测参数进行纵向对比，特别是在电机非故障运行状态下的各时间段的零序电能参数发生明显增大则判断电机绝缘下降，并进行相应的中早期绝缘隐患发展趋势预警。

具体实施时，在步骤s3、s4中，各所述时间段的积分特征为，积分基础时间和积分最小持续时间可根据需要自行设定，积分时间段分为一或数秒、分钟、小时、日、月。在步骤s3、s4中，所述比较判断包括但不限于秒、分钟、小时时间积分参数大于对应阈值时报高危隐患、严重隐患，日积分参数、月积分参大于对应阈值时报一般中早期隐患。如此，能够准确地判断电机故障的类型及严重程度以及隐患的类型及严重程度。

本发明方案中，单位小时时间段的时间积分阈值，并非单位分钟时间段的时间积分阈值的简单60倍数值，同样，单位日时间段的时间积分阈值，并非单位小时时间段的时间积分阈值的简单24倍数值。本发明方案中，越小单位时间尺度的时间积分阈值，对应比较严重的隐患状况，越大单位时间尺度的时间积分阈值，对应比较轻微的隐患状况。单位小时时间尺度的时间积分阈值明显小于60倍单位分钟时间尺度的时间积分阈值，单位日时间尺度的时间积分阈值明显小于24倍单位小时时间尺度的时间积分阈值。

作为一种优选方式，在步骤s4中，所述电机非对称性电气绝缘隐患分析处理，包括如下步骤：

s041，将负序功率、零序功率与对应的时间积分阈值进行比较判断，若负序功率大于对应的时间积分阈值，且零序功率小于对应的时间积分阈值，则判断发生非对称性短路隐患，并进行电机非对称性短路隐患事件预警；若零序功率大于对应的时间积分阈值，不论负序功率是否大于对应的时间积分阈值，均判断发生接地隐患，并进行电机接地隐患预警。

s042，将各时间段第三监测参数沿时间轴进行趋势变化分析，若发生明显增大趋势，则进行电机绝缘隐患趋势预警。

本领域技术人员能够理解的是，第一积分监测参数是第一监测参数在各时间段的积分，不同种类的第一监测参数对于同一长度的时间段的积分结果不同，其对应的时间积分阈值不同。同一个第一监测参数对于不同时间段积分的时间积分阈值也不同，即，不同长度的时间段对应的第一积分监测参数不同，因此，同一个第一监测参数对于不同时间段的时间积分对应的时间积分阈值也不应相同。所以，在实际实施的过程中，一般预设置单位时间尺度的时间积分阈值，如一分钟、小时、日等，可以将时间积分阈值设置为时间段对应的时长与单位时间尺度的时间积分阈值的乘积。

实施例2

请参照图4，本实施例提出了一种预警型三相电机保护装置，其中，所述预警型三相电机保护装置包括：信号采集模块、三相对称分量计算模块和处理模块。

信号采集模块用于获取电机三相回路的各相电压和各相电流。

三相对称分量计算模块用于获取三相电机的第一监测参数，第一监测参数包括：正序电压、负序电压、零序电压、正序电流、负序电流和零序电流。在交流电气技术领域，正序、负序、零序的出现是为了分析在系统电压、电流出现不对称现象时，把三相的不对称分量分解成对称分量(正序、负序及同向的零序分量)。所述对称分量法，是指把不对称三相转换为对称的正序、负序和同向的零序。交流电力系统一般都是a、b、c三相的，而电力系统的正序、负序、零序三序分量便是根据a、b、c三相的顺序来确定的。具体如下，

正序：a相领先b相120度，b相领先c相120度，c相领先a相120度；

负序：a相落后b相120度，b相落后c相120度，c相落后a相120度；

零序：abc三相相位相同。

各相正序幅值绝对值相等、负序幅值绝对值相等、零序幅值绝对值也相等。本公开文件中，除特殊说明，正序电流、负序电流、零序电流、正序电压、负序电压和零序电压一般均指其相应参数幅值的绝对值。

处理模块连接所述信号采集模块，用于将所述第一监测参数、第二监测参数、第三监测参数进行预警逻辑处理，以实现电气安全隐患预警。

可选地，所述信号采集模块还包括：

用于采集零序电压的电压采集单元和用于采集零序电流的电流采集单元，通过互感器实现零序电压和电流的采集，作为对称分量法的补充。所述电压采集单元用于验证三相对称分量计算模块计算出的零序电压，所述电流采集单元用于验证三相对称分量计算模块计算出的零序电流。

具体地，所述电压采集单元为电压互感器pt、所述电流采集单元为电流互感器ct，处理模块集成于微控制器芯片dspic33fj256上。

在连接时，各电压互感器pt、电流互感器ct经过相应采集处理电路连接到微控制器芯片dspic33fj256的adc管脚管脚，通过微控制器的获取模块1获得a相电压ua、b相电压ub、c相电压uc、a相电流ia、b相电流ib和c相电流ic。

可选地，所述信号采集模块，还用于采集获取各相谐波电流，获取间歇式谐波电流。

所述谐波电流，从电流的谐波部分得到，作为故障电弧的监测参数；判断所述谐波电流是否具有间歇式发生特征，如果是，则存在故障电弧隐患。

可选地，所述处理模块包括积分处理子模块、比较子模块和预警处理子模块。

积分处理子模块，连接所述获取模块的输出端，用于将所述第一监测参数对时间进行积分，用于获得第二监测参数和第三监测参数并冻结存储。

比较子模块，连接所述积分处理子模块的输出端，用于将所述第一监测参数与保护阈值或比较、将第二监测参数与时间积分阈值比较、第三监测参数与对应的设定阈值比较，并将结果输出给预警处理子模块。

预警处理子模块，连接所述比较子模块的输出端，用于根据比较子模块输出的结果对所述异常时间段的所述第一监测参数、第二监测参数和第三监测参数进行处理，并进行电气安全隐患预警。

具体实施时，所述预警型三相电机保护装置还包括实时时钟模块，所述实时时钟模块与积分处理子模块连接，所述实时时钟模块用于产生采集、积分时间基准。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中的功能模块/子模块可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。

在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/子模块之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。