鄔海軍

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)矸石發(fā)電公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各類電機(jī)設(shè)備當(dāng)中[1]。中、大型高壓電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修周期長(zhǎng)，對(duì)此類裝置的工作可靠性提出了更高的要求。對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和診斷，是預(yù)防和控制故障影響范圍的關(guān)鍵。經(jīng)過幾十年的研究，目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以全面監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀況，為維修人員提供更加可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，避免了長(zhǎng)期處于被動(dòng)維修和不定期維修的窘境[2]。但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的預(yù)測(cè)，因此也無法做到對(duì)電機(jī)故障的提前預(yù)警。而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)知，不但可以防止因裝置突發(fā)故障、停運(yùn)而造成的損失，同時(shí)還能夠充分發(fā)揮設(shè)備的作用。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

高壓電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諸多數(shù)據(jù)信息，例如電機(jī)溫度、電流、電壓、振動(dòng)、聲音、電壓等。針對(duì)這些數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行分析，可以為電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判定提供可靠的依據(jù)。為了保證采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。利用該技術(shù)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，其中包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和遙控[3]?，F(xiàn)場(chǎng)采集模塊包括普通節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和入口。其中，一般的結(jié)點(diǎn)是RFD 結(jié)點(diǎn)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)與FFD 結(jié)點(diǎn)相關(guān)。RFD 和FFD 的性能都有了很大的提高，包括一對(duì)多通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、處理控制命令等[4]。RFD 和FFD 是按照WSN 的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的，只是RFD 的功能是被強(qiáng)行關(guān)掉的，并且只能和FFD 通信，無法與其他的RFD 進(jìn)行通信，沒有路由和數(shù)據(jù)融合功能，無法將控制指令傳送給其他節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)獲取裝置中，都必須有一到多個(gè)FFD 作為單點(diǎn)。在本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)技術(shù)中，RFD 接收到的數(shù)據(jù)由無線連接傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，Sink 結(jié)點(diǎn)根據(jù)最佳路徑向網(wǎng)關(guān)傳送已處理的資料。該網(wǎng)關(guān)與遙控設(shè)備的路由器之間采用光纖網(wǎng)連接，并將所收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遙控設(shè)備。

監(jiān)測(cè)過程中需要多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，并且每個(gè)模塊都由傳感器和通信兩部分組成，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇了溫度、噪聲、振動(dòng)和化學(xué)等多種傳感器類型[5]。該傳感器接收到的信號(hào)，在A/D 變換之后，由通信模塊處理器進(jìn)行處理，進(jìn)行調(diào)制和編碼，然后由天線傳輸。

在此基礎(chǔ)上，假設(shè)在初始狀態(tài)下，所有節(jié)點(diǎn)的有效空隙中線都會(huì)指向一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。假設(shè)初始角度為qi，則在任意時(shí)刻，有向虛隙的位置可以表示為：

式（1）中，q 表示有向虛擬隙在任意時(shí)刻的位置；f 表示有向虛擬隙的大??；c 是系數(shù)。根據(jù)式（1）可以確定各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的位置，從而進(jìn)一步判定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)數(shù)據(jù)采集傳感器所在的位置。當(dāng)從周圍的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，首先要確定是不是在前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的有向虛隙區(qū)，判定標(biāo)準(zhǔn)為：

式（2）中，xc和yc表示該節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；xint和yint 表示前一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。在上述判定標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，若節(jié)點(diǎn)不在這一范圍內(nèi)，則將該數(shù)據(jù)包丟棄；若在，則將該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合并為一個(gè)數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)上述論述，在構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。

2 通信頻段選擇與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸

為確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，并能夠通過通信傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取，選取 WSN 所用的波段。因?yàn)樵趥鬏斁W(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，能量消耗大，因此節(jié)點(diǎn)需要采用小型、高性能的天線。因此，確定通信波段一定要選擇更高的波段。三種工作波段包括在IEEE802.15.4 中，分別為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。在通信傳輸?shù)倪^程中，使用同一物理層的分組，以區(qū)分工作頻率。根據(jù)上述論述，確定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中3 個(gè)通信頻段的主要參數(shù)（表1）。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中通信頻段主要參數(shù)設(shè)置

基于上述論述，根據(jù)實(shí)際條件，盡可能使用2.4 GHz 的標(biāo)準(zhǔn)ISM 頻段，應(yīng)用該頻段對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)序列擴(kuò)展技術(shù)的直接應(yīng)用，能有效提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，進(jìn)而促進(jìn)監(jiān)測(cè)精度的進(jìn)一步提升。在此基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)果進(jìn)行選擇，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀網(wǎng)路中，多跳路徑的尋址、路由維護(hù)與修理都很困難，而且要時(shí)刻“監(jiān)聽”，時(shí)刻監(jiān)控網(wǎng)路的狀況，以便更好地進(jìn)行網(wǎng)路的路由與傳輸，因此會(huì)造成網(wǎng)路的能源損失，縮短網(wǎng)路使用壽命。在WSN 中，F(xiàn)looding 路由協(xié)議、數(shù)據(jù)中心的協(xié)作和基于位置的路由協(xié)議都是采用的，因此，良好的、易于實(shí)現(xiàn)的路由協(xié)議和GPS 等其他技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用非常重要。

3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)判定

在得到所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)高壓電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定。采用模糊狀態(tài)判定的方法。在選擇狀態(tài)參數(shù)時(shí)，主要考慮高壓電機(jī)過熱、過載和負(fù)荷分配不均等方面的異常狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行判定。通常情況下，電機(jī)分布在多個(gè)機(jī)架上，每個(gè)機(jī)架都有對(duì)應(yīng)的冷卻體系，一個(gè)機(jī)架中的多臺(tái)電機(jī)為同軸拖動(dòng)，用負(fù)荷分配平衡上下輥電機(jī)的負(fù)荷。因此，基于高壓電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，一個(gè)機(jī)架中的電機(jī)負(fù)荷溫度不會(huì)相差太大。根據(jù)這一特點(diǎn)，通過溫度差值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)溫度是否異常的判定。結(jié)合模糊理論，假設(shè)由多個(gè)元素隸屬度組成的狀態(tài)模糊集可表示為A，相應(yīng)的狀態(tài)表現(xiàn)原因?yàn)锽，則A 和B 可分別表示為：

式中，m 表示隸屬度；n 表示狀態(tài)模糊集中的元素?cái)?shù)量；m表示狀態(tài)表現(xiàn)原因集中的元素?cái)?shù)量；所有x 構(gòu)成的集合為征兆論域；所有y 構(gòu)成的集合為異常狀態(tài)論域。根據(jù)上述內(nèi)容，構(gòu)建異常狀態(tài)原因與征兆之間的模糊關(guān)系矩陣：

式中，R 表示異常狀態(tài)原因與征兆之間的模糊關(guān)系矩陣。根據(jù)模糊矩陣得到的結(jié)果，對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)異常狀態(tài)進(jìn)行判定，并進(jìn)一步得出異常狀態(tài)出現(xiàn)的具體原因。以高壓電機(jī)溫度異常狀態(tài)為例，其對(duì)應(yīng)的征兆論域?yàn)椋篨={冷卻風(fēng)溫度過高、過流、單輥前后電機(jī)電流失衡、轉(zhuǎn)子繞組溫度過高}，在得到溫度異常狀態(tài)結(jié)果后，根據(jù)征兆論域中各個(gè)元素的取值，確定高壓電機(jī)溫度異常狀態(tài)的具體原因，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)該監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用可行性的檢驗(yàn)，針對(duì)該監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)進(jìn)行分析。選擇以某高壓電機(jī)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，針對(duì)該高壓電機(jī)運(yùn)行過程中的電機(jī)溫度、電壓、電流、聲音、振動(dòng)、電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程中，控制室內(nèi)溫度為20 ℃，電機(jī)每運(yùn)行30 min 停止一次運(yùn)行，將高壓電機(jī)機(jī)殼溫度和定子溫度作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過本文技術(shù)得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果與該高壓電機(jī)外殼、定子溫度實(shí)際變化情況進(jìn)行對(duì)比，得到如圖1、圖2 所示的測(cè)試結(jié)果。

圖1 高壓電機(jī)外殼溫度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2 高壓電機(jī)定子溫度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖1、圖2 兩組監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文監(jiān)測(cè)技術(shù)后，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線與高壓電子各結(jié)構(gòu)實(shí)際溫度變化曲線的整體趨勢(shì)一致。盡管在監(jiān)測(cè)過程中，測(cè)量信號(hào)是以鋸齒狀的形式波動(dòng)，這主要是由異步電機(jī)的電磁干擾和傳感器本身的作用引起的，但測(cè)量結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相差不超過2 ℃，具備極高的應(yīng)用適應(yīng)性。綜合整個(gè)實(shí)例應(yīng)用過程及結(jié)果得出：本文提出的監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)精度高，能夠滿足高壓電機(jī)運(yùn)維要求，為其維修檢查提供更可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)束語

高壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)包括諸多方面，一旦其運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，將會(huì)導(dǎo)致高壓電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給生產(chǎn)生活帶來不利影響。為此，需要提升高壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果?；诖?，本文對(duì)高壓電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種全新的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期為及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓電機(jī)運(yùn)行異常提供幫助。