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矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统的研究

作　者: 丁伟民
导　师: 许春雨
学　校: 太原理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 单片机 FPGA 矿用高压电缆状态监测故障诊断和预警
分类号: TM247
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本课题是国家“十一五”科技支撑计划重点项目“矿井通风及供电系统安全状态监测及故障诊断预警系统”(No：2007BAK29B05)的重要组成部分,主要是针对目前矿用高压电缆缺乏状态监测及故障诊断预警系统这一问题而提出的。电缆是煤矿电力传输、安全生产的关键设备之一,担负着安全生产的重任。据不完全统计煤矿供电设备事故中,电缆故障占2／3左右,它是造成煤矿瓦斯爆炸事故的主要原因之一。因此开发矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统,及时检测电缆在运行过程中的绝缘缺陷,提取预警信息可以预防电缆故障发生,对提高煤矿供电系统的安全可靠性、减少停电次数和时间,保证井下长期安全、稳定用电具有重要的现实意义。论文通过对矿用高压电缆常见故障、故障机理、在线监测手段的分析,开发了基于双CPU结构、多传感器信息融合技术的矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统,通过信号检测、特征量提取和信息融合实现故障诊断和预警,为电缆的可靠运行提供了技术保障。主要研究内容如下：在查阅大量国内外技术文献、进行多次现场调研、参加高压电器在线监测技术培训的基础上,深入分析了目前高压电缆状态监测及故障诊断预警技术的发展趋势,阐述了矿用高压电缆常见故障类型以及导致故障的原因,研究了高压电缆绝缘下降的机理,建立了电缆绝缘的数学模型,综合了人工神经网络技术、专家系统、虚拟仪器及智能化数据库在故障诊断预警中的应用,探讨了特征量在线检测的各种方法和手段,总结了特征量与故障之间的内在关系。结合井下电缆的实际网络,确定了分布式在线监测系统结构。整个系统由各个监测分站和井下中央变电所的工控机构成,形成电缆状态监测局域网络。各个监测分站实现对特征量的数据采集和简单处理,工控机完成复杂数字信号的处理、综合和判断,并将最终结果传输到地面。根据电缆运行状态监测的需要,设计并制作了微电流传感器和局部放电高频信号传感器,对传感器取样电阻和线圈匝数等进行了选择和优化,通过实验研究,取得了良好的效果。从系统的要求出发,提出了双CPU检测模式,选用51系列单片机STC89C51和Altera公司CycloneⅡ系列FPGA EP2C20F484C8作为系统的CPU。采用高速AD9283并扩展大容量存储器SDRAM、SRAM和FLASH,可以满足系统对高速信号采集和存储的要求。设计了数据采集单元、各种特征量信号调理电路。单片机与FPGA串口通讯电路以及与工控机的CAN总线通讯电路,并完成了电路板的制作和调试,搭建了系统实验平台,进行了各种故障实验。实现了数据的实时采集、综合和处理。结果表明硬件满足系统的实时性要求,并将处理的数据及时发送到工控机。采用模块化程序设计方法,编写了监测分站应用程序和工控机监测程序。包括各种特征模拟量采集处理子程序、单片机通信子程序、FPGA测试子程序、人机界面控制子程序、工控机滤波子程序,利用小波方法提出白噪声和窄带干扰滤出技术。将程序下载到单片机和FPGA中,进行了系统的调试,采样得到了各种特征量的数字信号,结果表明了该系统能够准确、实时地对特征量进行采集和转换,为下一步的工作打下了基础。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-16
  1.1 矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警的背景与意义  11-12
  1.2 国内外电缆状态监测及故障诊断预警的研究现状和发展趋势  12-15
    1.2.1 国内外电缆状态监测研究现状和发展趋势  12-14
    1.2.2 国内外故障诊断预警技术研究现状和发展趋势  14-15
  1.3 本课题完成的主要工作  15-16
第二章矿用高压电缆常见故障及故障诊断预警方案设计  16-28
  2.1 矿用高压电缆结构以及连接方式  16-17
  2.2 矿用高压电缆故障原因  17-18
  2.3 矿用高压电缆常见故障类型  18-19
  2.4 矿用高压电缆状态监测及故障诊断预警系统总体设计方案  19-22
  2.5 矿用高压电缆在线故障诊断预警中的几项重要技术  22-27
    2.5.1 基于人工神经网络的故障诊断预警技术  22-24
    2.5.2 基于专家系统方法的故障诊断预警中技术  24
    2.5.3 基于虚拟仪器的故障诊断预警技术  24-26
    2.5.4 基于智能化数据存储的故障诊断预警技术  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第三章矿用高压电缆状态监测特征量的分析与选取  28-41
  3.1 矿用高压电缆在线监测特征量概述  28
  3.2 接地线电流  28-29
  3.3 绝缘电阻  29-31
  3.4 介质损耗  31-34
  3.5 温度  34-35
  3.6 局部放电  35-39
  3.7 特征量与故障之间的关系  39-40
  3.8 本章小结  40-41
第四章矿用高压电缆在线监测系统硬件设计  41-67
  4.1 监测传感器设计  41-44
    4.1.1 微电流传感器设计  41-44
    4.1.2 高频局部放电传感器设计  44
  4.2 接地线电流信号调理电路设计  44-45
  4.3 绝缘电阻信号调理电路设计  45-48
  4.4 温度信号调理电路设计  48-49
  4.5 局部放电信号调理电路设计  49-50
  4.6 绝缘电阻、接地线电流和温度在线监测CPU硬件设计  50-56
    4.6.1 电源电路设计  50-52
    4.6.2 AD电路设计  52-53
    4.6.3 扩展RAM6116  53-54
    4.6.4 时钟电路和复位电路  54-55
    4.6.5 MAX232通讯电路  55-56
  4.7 局部放电在线监测系统CPU硬件设计  56-66
    4.7.1 FPGA选型  56-57
    4.7.2 高速AD电路  57-58
    4.7.3 FPGA配置方式  58-60
    4.7.4 FPGA复位电路  60
    4.7.5 FPGA时钟电路  60-61
    4.7.6 FPGA扩展SRAM、SDRAM和FLASH电路  61-63
    4.7.7 FPGA电源电路  63-64
    4.7.8 FPGA通讯电路  64-66
  4.8 本章小结  66-67
第五章矿用高压电缆在线监测分站软件系统设计  67-74
  5.1 单片机软件总体结构  67
  5.2 单片机主程序和子程序的设计  67-72
    5.2.1 main程序  68
    5.2.2 AD转换子程序  68-70
    5.2.3 串行口子程序  70-72
  5.3 FPGA开发平台Quartus Ⅱ软件  72-73
  5.4 本章小结  73-74
第六章实验与调试  74-90
  6.1 传感器及硬件电路实验  74-80
    6.1.1 传感器实验  74-78
    6.1.2 高频信号调理电路实验  78-80
    6.1.3 温度信号调理电路实验  80
  6.2 单片机程序调试  80-83
    6.2.1 程序调试环境  80-81
    6.2.2 程序下载  81-82
    6.2.3 串行口调试  82-83
  6.3 FPGA编译、功能仿真及程序下载  83-87
  6.4 滤波程序调试  87-89
  6.5 本章小结  89-90
第七章结论与展望  90-92
  7.1 结论  90-91
  7.2 工作展望  91-92
参考文献  92-97
致谢  97-98
作者在攻读硕士学位期间的研究成果  98
参与的科研项目  98

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