本技術(shù)涉及用電，具體涉及一種非侵入式三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、三相電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)體系中占據(jù)著舉足輕重的地位，是眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效生產(chǎn)的核心動(dòng)力源。在制造業(yè)領(lǐng)域，從汽車制造的沖壓、焊接、涂裝等環(huán)節(jié)，到機(jī)械加工的車床、銑床、磨床等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，三相電機(jī)為各類精密機(jī)械提供穩(wěn)定且強(qiáng)勁的動(dòng)力支持，確保生產(chǎn)流程的連續(xù)性與精準(zhǔn)度。在能源開(kāi)采行業(yè)，無(wú)論是石油鉆井平臺(tái)的大型抽油機(jī)，還是煤礦井下的通風(fēng)、排水設(shè)備，三相電機(jī)的可靠運(yùn)行關(guān)乎整個(gè)開(kāi)采作業(yè)的安全與效率。在建筑施工場(chǎng)景中，塔吊、混凝土攪拌機(jī)、施工升降機(jī)等設(shè)備依靠三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2、傳統(tǒng)針對(duì)三相電機(jī)的監(jiān)測(cè)手段，主要采用侵入式檢測(cè)方案。這種方式要求專業(yè)維護(hù)人員在停機(jī)狀態(tài)下，打開(kāi)電機(jī)外殼，使用各類專業(yè)檢測(cè)儀表，如示波器、萬(wàn)用表等，接入電機(jī)內(nèi)部的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、電刷、換向器(針對(duì)直流電機(jī)或部分繞線式異步電機(jī))以及接線端子等關(guān)鍵部位。操作過(guò)程不僅復(fù)雜繁瑣，耗費(fèi)大量人力與時(shí)間成本，還存在諸多弊端。例如，頻繁拆卸電機(jī)外殼與接線端子，極易造成連接部位的機(jī)械損傷，使螺栓松動(dòng)、螺紋磨損，導(dǎo)致后續(xù)運(yùn)行時(shí)接觸電阻增大，進(jìn)而引發(fā)發(fā)熱、打火等安全隱患；在接入檢測(cè)儀表過(guò)程中，若操作不慎，極易劃破電機(jī)內(nèi)部的絕緣層，使繞組、鐵芯等關(guān)鍵部件暴露，大幅增加漏電風(fēng)險(xiǎn)，危及操作人員的人身安全。而且，由于侵入式檢測(cè)多為定期巡檢，無(wú)法實(shí)時(shí)、持續(xù)地獲取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，難以及時(shí)捕捉到一些瞬間發(fā)生或短暫存在的故障信號(hào)，使得電機(jī)在兩次巡檢間隔期間處于“監(jiān)測(cè)盲區(qū)”，為長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。

3、如今，隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能制造與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，企業(yè)急需對(duì)三相電機(jī)實(shí)現(xiàn)非侵入式、高精度、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)。本發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生，構(gòu)建全新監(jiān)測(cè)體系，包含數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、高頻與低頻特征分析、運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)以及事件上報(bào)等模塊。各模塊協(xié)同運(yùn)作，既能保障電機(jī)自身安全穩(wěn)定，又可為工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化運(yùn)維等提供數(shù)據(jù)支撐，助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展。其中，數(shù)據(jù)采集模塊用高精度傳感器在電機(jī)外部安全位置采樣電流、電壓信號(hào)；數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊借助環(huán)形緩沖區(qū)處理數(shù)據(jù)；高頻特征計(jì)算模塊提取諧波等特征；低頻事件檢測(cè)模塊計(jì)算功率、判斷事件；電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)?zāi)K綜合判斷電機(jī)開(kāi)啟、關(guān)閉、缺相等狀態(tài)；電機(jī)事件上報(bào)模塊及時(shí)與其他設(shè)備協(xié)作通報(bào)電機(jī)事件，促使系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整應(yīng)對(duì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種非侵入式三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法，以解決現(xiàn)有三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法對(duì)三相電機(jī)的監(jiān)測(cè)不夠全面精準(zhǔn)的問(wèn)題。

2、本技術(shù)提供一種非侵入式三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法，具體包括信號(hào)采樣步驟，預(yù)處理步驟，高頻特征計(jì)算步驟，低頻事件檢測(cè)步驟以及運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)步驟。

3、所述信號(hào)采樣步驟是通過(guò)高精度電流電壓傳感器對(duì)三相電機(jī)不同相線的電流變化與電壓變化進(jìn)行同步采樣，并將采集的電壓變化與所述電流變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)與電流信號(hào)；所述預(yù)處理步驟是基于環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)所述電流信號(hào)與所述電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到差分后的第一周波；所述高頻特征計(jì)算步驟用以提取所述三相電機(jī)的第一諧波幅值，第二諧波幅值以及第三諧波幅值，計(jì)算所述第一周波的特征零率，u-i軌跡包絡(luò)面積以及裕度，將所述特征零率，所述u-i軌跡包絡(luò)面積，所述裕度，所述第一諧波幅值，所述第二諧波幅，所述第三諧波幅值構(gòu)建為一高頻特征集，將高頻特征集滿足所述三相電機(jī)的高頻特征的第一周波進(jìn)行標(biāo)記，得到第二周波；所述低頻事件檢測(cè)步驟是通過(guò)創(chuàng)建一緩沖區(qū)，對(duì)所述環(huán)形緩沖區(qū)中的每個(gè)周波有功功率與無(wú)功功率進(jìn)行計(jì)算，若所述周波中存在第二周波，對(duì)所述第二周波的特定數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行高頻特征標(biāo)記，所述緩沖區(qū)中的每個(gè)位置用以存儲(chǔ)所述有功功率，所述無(wú)功功率以及所述高頻特征標(biāo)記，若存在一個(gè)位置存儲(chǔ)的有功功率與無(wú)功功率滿足預(yù)設(shè)條件，判定存在低頻事件；所述運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)步驟是對(duì)所述三相電機(jī)的每個(gè)分相檢測(cè)到的低頻事件進(jìn)行高頻特征檢驗(yàn)，若存在高頻特征，再對(duì)所述三相電機(jī)的每個(gè)分相檢測(cè)到的低頻事件進(jìn)行低頻特征檢驗(yàn)，根據(jù)低頻特征檢驗(yàn)的結(jié)果判斷每個(gè)分相的運(yùn)行狀態(tài)，再通過(guò)每個(gè)分相的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)啟的時(shí)間誤差，判定所述三相電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

4、進(jìn)一步地，所述預(yù)處理步驟具體包括緩沖區(qū)建立步驟，最大值對(duì)齊步驟，曼哈頓距離計(jì)算步驟，周波校正步驟以及差分運(yùn)算步驟。

5、所述緩沖區(qū)建立步驟是通過(guò)設(shè)置電壓環(huán)形緩沖區(qū)以及電流環(huán)形緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)位置存儲(chǔ)一個(gè)周波的數(shù)據(jù)；所述最大值對(duì)齊步驟是通過(guò)遍歷找到頭指針及尾指針的最大值索引，實(shí)現(xiàn)將所述尾指針電壓與所述頭指針電壓對(duì)齊，其計(jì)算公式為

6、

7、其中，表示對(duì)齊后的電壓環(huán)形緩沖區(qū)頭指針處周波電壓，k＝0,1,...,m-1，k表示周波的數(shù)據(jù)點(diǎn)，vh表示電壓環(huán)形緩沖區(qū)頭指針位置處的電壓，表示電壓環(huán)形緩沖區(qū)尾指針最大值索引，表示電壓環(huán)形緩沖區(qū)頭指針最大值索引，m＝32。

8、所述曼哈頓距離計(jì)算步驟通過(guò)固定所述電壓環(huán)形緩沖區(qū)尾指針處的周波，設(shè)置偏移量，遍歷所有偏移量計(jì)算所述電壓環(huán)形緩沖區(qū)頭指針處的周波與所述電壓環(huán)形緩沖區(qū)尾指針處的周波的曼哈頓距離，記錄最小距離dmin以及對(duì)應(yīng)的偏移量smin，其計(jì)算公式為

9、

10、其中，d(s)表示曼哈頓距離，s表示偏移量，s＝-5,-4,...,4,5，vt表示電壓環(huán)形緩沖區(qū)尾指針位置處的電壓。

11、所述周波校正步驟是根據(jù)電壓環(huán)形緩沖區(qū)中計(jì)算得到的偏移量smin，對(duì)電流環(huán)形緩沖區(qū)中頭指針的周波進(jìn)行校正，其公式為

12、

13、其中，表示校正后的所述電流環(huán)形緩沖區(qū)頭指針處周波電流，ih表示電流環(huán)形緩沖區(qū)中頭指針處的電流。

14、所述差分運(yùn)算步驟是對(duì)所述電流環(huán)形緩沖區(qū)頭指針處校正后的電流周波與所述電流環(huán)形緩沖區(qū)尾指針處的電周波進(jìn)行差分運(yùn)算，得到差分后的電流周波，所述電流周波即為所述第一周波，其公式為

15、

16、其中，idiff表示差分后的電流周波，it表示所述電流環(huán)形緩沖區(qū)尾指針處的電流。

17、進(jìn)一步地，所述高頻特征計(jì)算步驟具體包括諧波幅值提取步驟，零率自定義步驟，包絡(luò)面積計(jì)算步驟以及裕度計(jì)算步驟。

18、所述諧波幅值提取步驟是通過(guò)離散傅里葉變換公式提取所述三相電機(jī)的第一諧波幅值，第二諧波幅值以及第三諧波幅值，所述離散傅里葉變換公式為

19、

20、其中，f＝0,1,2.....n-1，f表示電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的特定頻率，n表示周波的長(zhǎng)度，w表示復(fù)數(shù)矩陣，n表示周波長(zhǎng)度的索引，代表周波中第幾個(gè)位置。

21、所述零率自定義步驟是通過(guò)自定義零率刻畫周波電流中零點(diǎn)附近的值所占的比例，其公式為

22、

23、其中，countlow表示零點(diǎn)附近的值的個(gè)數(shù)，n表示周波個(gè)數(shù)，n＝32，ii表示周波電流，lowbound表示滿足“零點(diǎn)附近的值”定義的閾值上界，minorrate表示零率。

24、所述包絡(luò)面積計(jì)算步驟用以計(jì)算所述三相電機(jī)每個(gè)分相的電壓和電流之間的關(guān)系曲線的包絡(luò)面積，其公式為

25、

26、其中，su-i表示包絡(luò)面積，n表示周波個(gè)數(shù)，n＝32，ii表示周波電流，ui表示周波電壓。

27、所述裕度計(jì)算步驟用以計(jì)算電流峰值在波形中的尖銳程度，其公式為

28、

29、其中，xr表示電流方根幅值，n表示周波個(gè)數(shù)，n＝32，ii表示周波電流，xpeak表示電流幅值，ce表示計(jì)算得到的裕度。

30、進(jìn)一步地，所述高頻特征集是否滿足所述三相電機(jī)的高頻特征的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：所述第一諧波幅值大于第一幅值閾值，所述第二諧波幅值大于第二幅值閾值，所述第三諧波幅值大于第三幅值閾值；所述零率小于一零率閾值；所述u-i軌跡包絡(luò)面積在一預(yù)設(shè)面積閾值范圍內(nèi)；所述裕度在一預(yù)設(shè)裕度閾值范圍內(nèi)。

31、進(jìn)一步地，所述低頻事件檢測(cè)步驟具體包括有功功率計(jì)算步驟，無(wú)功功率計(jì)算步驟，有功功率累計(jì)和計(jì)算步驟以及無(wú)功功率累計(jì)和計(jì)算步驟。

32、所述有功功率計(jì)算步驟用以計(jì)算所述環(huán)形緩沖區(qū)中的每個(gè)周波的有功功率，其公式為

33、p＝ui?cosφ

34、其中，p表示有功功率，u表示周波電壓，i表示周波電流。

35、所述無(wú)功功率計(jì)算步驟用以計(jì)算所述環(huán)形緩沖區(qū)中的每個(gè)周波的無(wú)功功率，其公式為

36、q＝uisinφ

37、其中，q表示無(wú)功功率。

38、所述有功功率累計(jì)和計(jì)算步驟用以計(jì)算所述環(huán)形緩沖區(qū)中的每個(gè)周波的有功功率的累計(jì)和，其公式為

39、

40、其中，i表示時(shí)刻，pk表示k時(shí)刻的有功功率，p0表示有功功率的初始值，sp(i)表示有功功率累計(jì)和。

41、所述無(wú)功功率累計(jì)和計(jì)算步驟用以計(jì)算所述環(huán)形緩沖區(qū)中的每個(gè)周波的無(wú)功功率的累計(jì)和，其公式為

42、

43、其中，qk表示k時(shí)刻的無(wú)功功率，q0表示無(wú)功功率的初始值，sq(i)表示無(wú)功功率累計(jì)和。

44、進(jìn)一步地，所述預(yù)設(shè)條件為，若存在一個(gè)位置m，滿足以下兩個(gè)預(yù)設(shè)條件，則判定第m個(gè)位置及第0個(gè)位置構(gòu)成一個(gè)低頻事件：

45、

46、其中，1≤m≤n，abs(sp(m))表示累計(jì)和數(shù)據(jù)點(diǎn)有功功率，abs(sq(m))表示累計(jì)和數(shù)據(jù)點(diǎn)無(wú)功功率。

47、進(jìn)一步地，所述運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)步驟具體包括高頻特征檢驗(yàn)步驟，低頻特征檢驗(yàn)步驟以及綜合判定步驟。

48、所述高頻特征檢驗(yàn)步驟是針對(duì)每個(gè)分相檢測(cè)到的低頻事件，檢測(cè)所述低頻事件是否存在高頻特征，所述低頻事件包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合為e＝{e1,e2,...,en}，其中，n表示該事件包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，ei表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，i＝1,2,...,n；定義標(biāo)記函數(shù)m(ei)，用于判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)ei是否被標(biāo)記；當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)ei被標(biāo)記時(shí)，m(ei)＝1，并執(zhí)行下一步驟；當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)ei未被標(biāo)記時(shí)，m(ei)＝0，并檢測(cè)下一個(gè)低頻事件；所述低頻特征檢驗(yàn)步驟是通過(guò)定義通過(guò)所述高頻特征檢驗(yàn)步驟的低頻事件為標(biāo)記低頻事件，判斷所述標(biāo)記低頻事件是否存在電機(jī)啟動(dòng)暫態(tài)低頻特征，若存在，且所述標(biāo)記低頻事件的無(wú)功功率在功率閾值范圍內(nèi)，判定分相檢測(cè)到一個(gè)電機(jī)事件；所述綜合判定步驟是基于每個(gè)分相檢測(cè)到的電機(jī)事件，判定所述三相電機(jī)是否為三相電機(jī)開(kāi)啟，三相電機(jī)缺相以及三相電機(jī)關(guān)閉三種狀態(tài)中的一種。

49、進(jìn)一步地，所述低頻特征檢驗(yàn)步驟具體包括尖峰檢測(cè)步驟，尖峰變比檢測(cè)步驟以及功率跳變檢測(cè)步驟。

50、所述尖峰檢測(cè)步驟是通過(guò)檢測(cè)第一標(biāo)記低頻事件e1＝{e11,e12,...,e1n}與其相鄰的下一個(gè)第二標(biāo)記低頻事件e2＝{e21,e22,...,e2n}是否滿足以下檢測(cè)條件，若滿足，則執(zhí)行下一步驟，若不滿足，則檢測(cè)下一個(gè)標(biāo)記低頻事件對(duì)，所述檢測(cè)條件為

51、

52、其中，p表示有功功率，q表示無(wú)功功率。

53、所述尖峰變比檢測(cè)步驟用以判斷尖峰變比是否滿足判定條件，若滿足，則執(zhí)行下一步驟，若不滿足，則檢測(cè)下一個(gè)尖峰變比，所述判定條件為

54、

55、1.2<g<2.1

56、其中，g表示尖峰變比。

57、所述功率跳變檢測(cè)步驟是通過(guò)合并所述第一標(biāo)記低頻事件e1＝{e11,e12,...,e1n}與所述第二標(biāo)記低頻事件e2＝{e21,e22,...,e2n}無(wú)功功率變化，判斷所述低頻事件的無(wú)功功率是否在功率閾值范圍，所述低頻事件的無(wú)功功率計(jì)算公式為

58、qdiff＝q[e2n]-q[e11]

59、其中，qdiff表示所述低頻事件的無(wú)功功率，當(dāng)50<qdiff<300時(shí)，判定所述低頻事件的無(wú)功功率在功率閾值范圍內(nèi)，存在電機(jī)開(kāi)啟事件。

60、進(jìn)一步地，所述綜合判定步驟具體包括三相電機(jī)開(kāi)啟判定步驟，三相電機(jī)缺相判定步驟以及三相電機(jī)關(guān)閉判定步驟。

61、所述三相電機(jī)開(kāi)啟判定步驟是當(dāng)每個(gè)分相檢測(cè)到電機(jī)開(kāi)啟事件時(shí)，需對(duì)三個(gè)分相電機(jī)開(kāi)啟事件發(fā)生時(shí)間求取最大時(shí)間偏差，其公式為

62、δtmax(t1,t2,t3)＝max(|t1-t2|,|t2-t3|,|t1-t3|)

63、其中，δtmax表示最大時(shí)間偏差，t1，t2，t3分別表示一個(gè)分相電機(jī)開(kāi)啟事件發(fā)生時(shí)間，當(dāng)δtmax<1時(shí)，判定所述三相電機(jī)為開(kāi)啟狀態(tài)。

64、所述三相電機(jī)缺相判定步驟是在檢驗(yàn)到三相電機(jī)開(kāi)啟事件的前提下，當(dāng)存在分相在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到電機(jī)關(guān)閉事件，同時(shí)其他分相還有電機(jī)在運(yùn)行，判定所述三相電機(jī)為缺相狀態(tài)。

65、所述三相電機(jī)關(guān)閉判定步驟是當(dāng)每個(gè)分相均沒(méi)有檢測(cè)到電機(jī)開(kāi)啟事件時(shí)，判定所述三相電機(jī)為關(guān)閉狀態(tài)。

66、進(jìn)一步地，在所述運(yùn)行狀態(tài)檢驗(yàn)步驟之后還包括實(shí)時(shí)記錄步驟，針對(duì)檢測(cè)到的三相電機(jī)，均通過(guò)唯一編號(hào)進(jìn)行匹配，并對(duì)編號(hào)對(duì)應(yīng)的三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

67、本技術(shù)提供一種非侵入式三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法，采用高精度電流電壓傳感器以不低于1600hz采樣頻率對(duì)三相電機(jī)不同相線的電流、電壓信號(hào)同步采樣，基于環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)高精度電流電壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到差分后的電流周波，基于快速傅里葉變換算法提取電流周波的特定諧波，并結(jié)合其他統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建高頻特征集，通過(guò)計(jì)算環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)周波有功功率、無(wú)功功率及進(jìn)行極值點(diǎn)判斷檢測(cè)到的事件，所述事件對(duì)三相電機(jī)數(shù)據(jù)源分別處理，判斷三相電機(jī)所處狀態(tài)并實(shí)施記錄，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)，解決了現(xiàn)有三相電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別方法對(duì)三相電機(jī)的監(jiān)測(cè)不夠全面精準(zhǔn)的問(wèn)題。