电动机故障录波监测装置通讯及通道校正方案的研究与开发
>白树忠　　梁　军　　车仁飞（山东大学电气工程学院　济南市　250061）
1　引言　　
　　随着电子技术的发展，电力故障录波监测装置正朝着通道路数更多、采样速度更快、精度更高、功能更强的方向发展。电力故障录波测距装置为提高我国电力行业的安全运行水平和事故分析能力提供了条件，已成为电力系统记录动态过程必不可少的精密设备。发电厂线路、发变组录波装置的日趋完善，在厂用重要电动机上安装电动机故障录波监测装置已成为必然。
　　由于电动机的分布是按照工矿企业的要求而散布在整个厂区内，且故障录波监测装置也是单台独立运行。如何将实时数据信息、故障录波信息及时可靠的传送给运行人员，在电动机的数量不多的情况下尚好解决。如果数量较大，采用传统星型拓扑结构，安装成本和通讯介质费用很大。采用流行的LAN组件及环型或总线型拓扑结构，相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。如果采用其它串行网如RS422，由于是主从式网络，主站、从站是系统固定分配的，不能动态地加以改变，不利于系统的扩展，它采用主站轮询式，大大加重了主站负担，同时通信的可靠性及快速性也难于满足大量录波信息传输的要求。因此，合理的设计通讯方案将是一个值得研究的问题。
　　虽然目前有些电动机都配备有保护装置，但对于某些电动机内部绕组故障，如匝间短路，单相或两相接地等，可能是由于环境较差，长期运行不当等原因引起的，这类故障的表现往往是局部的，小电流的，保护装置不易监测和发现。如果故障录波监测装置能在故障初期发现故障，那么运行人员就能采取必要的措施去避免故障的进一步发展，从而减少不必要的损失。为了实现这些功能，保证录波装置的正确启动和录波，要求装置应具有很高的测量精度，为此，除了选择线性度较好的PT、CT和正确设计采样电路外，录波器的模拟量通道校正也是必不可少的关键环节
2　CAN总线通讯网络
2．1　CAN总线的特点和通信协议^［1］
　　CAN（ControllerAreaNetwork）总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN直接通讯距离最远可达10km（波特率为5　　kbps），通迅速率最高可达1Mbps（传输距离为40m），节点数可达110个。它以其卓越的特性，低廉的价格，极高的可靠性和灵活的结构被公认为最有前途的现场总线之一。特别适合工业监控设备的互联。具有以下3个突出的特点：
　　（1）载波监测、多主掌控／冲突检测
　　载波监测是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上有一段时间的空闲状态。一旦此一空闲状态被监测到，那么每个节点都有均等的机会来发送报文，被称作多主掌控。冲突检测是指在两个节点同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决这一冲突情况。此时优先级高的报文先发送，低优先级的报文会暂停发送。在CAN总线协议中是通过一种非破坏性的位仲裁方式来实现冲突检测。这也就意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后原发送信息不会受到任何影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文内容，也不会对其发送产生任何的时延。
　　（2）多种通讯方式
　　CAN总线可实现全分布式多机系统，无主、从机之分；可以以点对点、一点对多点及全局广播几种方式来传送和接收数据。在CAN通信协议中定义了四种不同的报文或帧用于总线通讯。第一种是最常用的是数据帧，用于从一个节点传送信息到网络上任一或所有节点。第二种是远端帧，用于一个节点主动要求其它节点发送信息。另两种用于差错处理，分别叫做错误帧和过载帧。如果节点在接收过程中检测到任一在CAN总线协议中定义了的错
误信息，它就会发送一个错误帧，当一个节点正忙于处理接收的信息，需要额外的等待时间接收下一报文时，可以发送过载帧，通知其它节点暂缓发送新报文。同时新的节点可以随时加入现有的网络中，而不需对所有的节点进行重新编程以便它们能识别着一新节点。一旦新节点加入网络中，它就可以收发信息。
　　（3）快速、可靠的网络通讯
　　CAN总线上的各个节点具有检测多种通讯差错信息的能力并采取相关的应对措施。每个CAN总线上的节点都有一个出错计数器用以记录各种错误发生的次数。取决于出错的严重性，通过这些计数器就可以确认这些节点是否应工作到降级模式；总线上的节点可以从正常工作模式（正常收发数据和出错信息）降级到消极工作模式（只有在总线空闲时才能取得控制权），或者到关断模式（和总线隔离）。CAN总线上各节点还有能力监测是短期的干扰还是永久性的故障，并采取相关的应对措施，这种特性被叫做＂故障界定隔离＂。采取了这种故障界定隔离措施后，故障节点将会被及时关断，不会永久占用总线。这一点对关键信息能在总线上畅通无阻地传送是非常重要的。
2．2　系统网络通讯结构
　　录波监测分析、管理后台PC机与电动机故障录波监测装置采用总线式结构连接，信息的传输采用CAN通信协议，通信介质仅采用两条双绞线即可。依此通讯方案设计开发的电动机故障录波监测装置后台监视、分析系统如图1所示。由于CAN总线灵活的通讯方式，后台监视、分析程序在录波装置无故障的情况下，循环查询各个录波装置采集到的电动机的实时数据，显示各个电动机的工作状态。录波装置有故障记录时，采用主动上报的方式将故障信息及波形记录数据发送到后台管理计算机台，各个电动机节点可根据要求设置不同的优先级，保证重要信息及时上传到管理机。
3模拟通道校正
3.1　线性最小二乘法［2］
　　设理论函数y＝f（x；b₁，b₂，...b_n）是各参数的bi(i=1,2,...,n)的线性函数，即线性数学模型：
其中φ₁（x），φ₂（x），…，φ_n（x）为已知n个线性无关的连续函数。
　　最小二乘法通过取残差向量r的欧氏范数‖r‖₂最小，来求取参数b，即使
　　矛盾方程（3）一般不存在通常意义下的解。现在，我们应用最小二乘准则来求出参数b₁，b₂，…，b_n，由数学分析求极值的方法，求出Q对b_k的偏导数，令其等于0，得

求解方程组（6），即可得到参数b在最小二乘意义下的最佳估计值。
3．2　基于最小二乘原理的录波装置通道校正方法
3．2．1　通道变比校正
　　故障录波器装置的模拟量采样电路主要由PT、CT、运算放大器、电阻、电容等线性元件组成，可以近似按照线性数学模型来确定采样通道的输入与输出特性。为简单起见，采用如下线性函数：y＝kx＋y₀（7）
其中y代表实际输入量；x代表实际采集量；k代表通道变比；y₀代表截距。
　　为了准确地估计出（7）式中的参数k和y₀，可利用上面所述的最小二乘法进行参数估计。由（1）式可知，b₁＝y₀，b₂＝k，并注意φ₁（x）＝1，φ₂（x）＝x，设有观测数据（x_i，y_i），i＝1，2，…，m。于是由（5）式得
由（8）式可计算出参数b₁和b₂，即y₀和k。
　　在实用中，为了更精确地表示通道变比特性，对通道的输入与输出特性分段线性化，如图2所示，在电压或电流输入值较小的区段用函数y＝k₁x＋y₀₁来表示，在电压或电流输入值较大的区段则用函数y＝k₂x＋y₀₂来表示。3．2．2　通道相位校正
　　在很多情况下，造成故障录波装置判断不准的一个主要原因是各个通道之间存在相位误差特别是电压通道和电流通道的相移不同，相位误差的存在也同样影响着有功功率、无功功率以及功率[1][2]下一页