一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统及方法技术方案

一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统及方法，该系统包括电源模块、处理器、与处理器连接的传感器单元、数据转换模块、数据存储模块、LORA通讯模块、与数据转换模块连接的显示模块；传感器单元用于采集调相机旋转状态下的电流信号、电压信号以及转速信号；处理器根据电流信号和电压信号求出电压和电流的相位差，将相位差代入有功功率和无功功率的计算公式求得调相机转子绕组的有功功率和无功功率；LORA通讯模块将处理器计算所得有功功率和无功功率以及处理器采集的转速信号传输至远程终端机。本发明专利技术能够实现超远距离状态监测，在超短时间发现调相机，且功耗低，安全性高，不需要检测人员实地检查，大量节约了人工和时间成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统及方法
本专利技术涉及调相机状态监测领域，具体是一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统及方法。
技术介绍
大容量调相机转子长期处于高速旋转、强电磁场的恶劣环境下，常常承受各种应力和热负荷的综合作用，容易出现故障，特别是转子绕组匝间短路故障。轻微的转子绕组匝间短路通常不会对发电机造成严重影响，但是如果任由其发展，励磁电流将显著增加，转子N、S极绕组不对称性加剧，转子两侧发热量差距进一步拉大，导致转子热弯曲程度明显，机组振幅增大，甚至可能进一步演化为转子一点、两点接地故障，触发保护动作，给机组运行构成严重威胁。为了确保同步调相机并网后安全运行，从而满足特高压直流输电系统无功支撑的需要，对同步调相机的正常运行特性与故障特性进行分析，并对其运行状态进行实时监测，诊断出其运行状态，具有重要意义。对于大容量调相机转子绕组匝间短路故障的诊断方法研究，国内外学者做了大量的工作，取得了较大成果。目前现场应用的离线检测方法主要包括：空载及短路特性试验法、直流电阻测量法、交流阻抗和功率损耗法、两极电压平衡试验、转子绕组电压分布法以及开口变压器法等方法。这些方法都耗时较长，有的甚至需要将转子抽出，有着很大的局限性。此外现有较为成熟的机械设备状态监测系统，大多数采用有线监测技术，将信号采集模块、信息处理模块、信息存储模块、供电模块连接在一起。菲利普公司开发出了一种状态监测系统PR3000；ENTEK-IRD公司研究了在线离线诊断系统。然而这种有线连接的监测系统，安装和后期维护成本较高，一旦布线成功后，就不能随便更改监测点和改变布局，因此使得系统的灵活性以及可维护性降低了许多，而且在实际操作中，软件缺少汉化，使用习惯也大有差异。为了解决有线监测系统存在的问题，无线监测系统的研发得到了大多数学者的青睐。美国I.D.Systems联合国家钢铁和造船公司、宾夕法尼亚州立大学开展了无线设备监测和控制系统的研究；西安交通大学和兰州石化炼油厂共同开发的高速旋转机械的状态监测及故障诊断系统RB-20。这些设备使用了常用的WiFi、蓝牙和ZigBee，它们的优点在于传输速度快，但大都使用2.4GHz频段，大量使用同一频段将会造成传输通道拥挤，且有效传输距离均在200m以内；其中WiFi的安全性较差，成本高，而蓝牙传输距离非常近，ZigBee传输速率远不如前两者。本申请的专利技术人在实现本专利技术的过程中经过研究发现：通过DSP微处理器直接构造的基于霍尔原理的电压电流采样电路十分简便，通过在转子端外加交流工作电压便可以得到调相机的电压电流值，计算出转子绕组的交流阻抗，再用Blackman-Harris窗加窗方法减小非周期采样的带来的泄露和栅栏效应得到准确的电压电流基波相位差，从而计算出调相机转子绕组的有功功率和无功功率；对于需要实时监测的调相机转速和频率，使用新近发布的一种面向无线传感网络与控制应用的通信技术LORA技术，其接收灵敏度可达-148dBm，其通信频率为433MHz、470MHz、868MHz、4915MHz等，确保了网络连接的可靠性和安全性。LORA技术采用线性Chirp扩频调制技术(CSS)，此种调制方式可保持与FSK调制有相同的低功耗性，又使得通信距离得到了很大的拓展，还提高了无线通讯的效率并在一定程度上消除了干扰。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的设计目的是提供一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统及方法，能够实现超远距离状态监测，在超短时间发现调相机，且功耗低，安全性高，不需要检测人员实地检查，大量节约了人工和时间成本。为实现上述设计，本专利技术采用如下技术方案：一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，包括电源模块、处理器、与处理器连接的传感器单元、数据转换模块、数据存储模块、LORA通讯模块、以及与数据转换模块连接的显示模块；所述传感器单元，用于采集调相机旋转状态下的电流信号、电压信号以及调相机的转速信号；所述处理器，用于根据传感器单元采集的电流信号和电压信号求出电压和电流的相位差，将相位差代入有功功率和无功功率的计算公式中求得调相机转子绕组的有功功率和无功功率，将有功功率、无功功率和转速信号传输至LORA通讯模块和数据存储模块；所述LORA通讯模块，用于将处理器计算所得有功功率和无功功率以及处理器采集的转速信号传输至远程终端机；所述数据转换模块，用于将处理器发送的有功功率、无功功率和转速信号经过4-20mA变换后输出，传送至显示模块进行实时显示。进一步的，所述传感器单元包括电流采样模块、电压采样模块以及转速采样模块，电流采样模块用于采集调相机旋转状态下的电流信号，电压采样模块用于采集调相机旋转状态下的电压信号，转速采样模块用于采集调相机的转速信号。进一步的，所述传感器单元采用基于霍尔原理的霍尔电压、电流、转速传感器。进一步的，所述处理器通过Blackman-Harris窗的插值算法对电流信号和电压信号进行频域计算，实时分析调相机电压与电流的相位得到相位差，然后基于相位差和有功功率和无功功率的计算公式计算得出调相机转子绕组的有功功率和无功功率。进一步的，调相机的无功和无功功率计算公式为：式中，Q、P分别为调相机无功、有功功率，URMS、IRMS分别为调相机电压、电流有效值，为调相机交流电压电流相位差；基于Blackman-Harris窗的插值算法具体过程如下：对单一频率信号进行分析，并假设采样间隔Δt＝1，则DFT的频率分辨率为：信号表达式为：式中，N为采样点数，xm(n)为原采样序列；对于离散频谱，θ仅能取0—(N-1)之间的整数值，设fm在频率lΔf和(l+1)Δf之间，即fm＝(l+λ)Δf,0≤λ≤1(4)选取加窗信号的频谱Xmw在整数采样点的数值，并为设定如下系数：对于Blackman-Harris窗，K＝3，将各值代入并化简，可得出一个关于a、λ的7次方程，对方程的各项系数降幂排列组成一个行矩阵，然后借助MATLAB软件，用Roots函数可求出λ的7个根，其中最多只有一个实根位于[0,1]区间，该根即为正解；在得出准确的λ值后，由式(4)求出准确的频率fm，由此求出复振幅Xmw，则相位计算采用式中，W(n)为信号加窗后FFT频谱；由式(6)分别求出电压和电流基波的相位，从而求出电压和电流的相位差，将相位差带入有功功率和无功功率的计算公式中，即可求得调相机转子绕组的有功功率和无功功率。进一步的，所述转速采样模块包括霍尔元件、差分放大器、稳压电路、集电极开路输出门、施密特触发器，通过将单片机设置为双沿触发捕捉中断，同时将捕捉口CAP1～CAP3设置为I/O口、并检测该口的电平状态，以获取调相机换相时间间隔，计算得到调相机转速。一种基于LORA技术的调相机无线状态监测方法，包括如下步骤：步骤一、采集调相机旋转状态下的电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：包括电源模块、处理器、与处理器连接的传感器单元、数据转换模块、数据存储模块、LORA通讯模块、以及与数据转换模块连接的显示模块；/n所述传感器单元，用于采集调相机旋转状态下的电流信号、电压信号以及调相机的转速信号；/n所述处理器，用于根据传感器单元采集的电流信号和电压信号求出电压和电流的相位差，将相位差代入有功功率和无功功率的计算公式中求得调相机转子绕组的有功功率和无功功率，将有功功率、无功功率和转速信号传输至LORA通讯模块和数据存储模块；/n所述LORA通讯模块，用于将处理器计算所得有功功率和无功功率以及处理器采集的转速信号传输至远程终端机；/n所述数据转换模块，用于将处理器发送的有功功率、无功功率和转速信号经过4-20mA变换后输出，传送至显示模块进行实时显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：包括电源模块、处理器、与处理器连接的传感器单元、数据转换模块、数据存储模块、LORA通讯模块、以及与数据转换模块连接的显示模块；
所述传感器单元，用于采集调相机旋转状态下的电流信号、电压信号以及调相机的转速信号；
所述处理器，用于根据传感器单元采集的电流信号和电压信号求出电压和电流的相位差，将相位差代入有功功率和无功功率的计算公式中求得调相机转子绕组的有功功率和无功功率，将有功功率、无功功率和转速信号传输至LORA通讯模块和数据存储模块；
所述LORA通讯模块，用于将处理器计算所得有功功率和无功功率以及处理器采集的转速信号传输至远程终端机；
所述数据转换模块，用于将处理器发送的有功功率、无功功率和转速信号经过4-20mA变换后输出，传送至显示模块进行实时显示。


2.如权利要求1所述的基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：所述传感器单元包括电流采样模块、电压采样模块以及转速采样模块，电流采样模块用于采集调相机旋转状态下的电流信号，电压采样模块用于采集调相机旋转状态下的电压信号，转速采样模块用于采集调相机的转速信号。


3.如权利要求1或2所述的基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：所述传感器单元采用基于霍尔原理的霍尔电压、电流、转速传感器。


4.如权利要求1所述的基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：所述处理器通过Blackman-Harris窗的插值算法对电流信号和电压信号进行频域计算，实时分析调相机电压与电流的相位得到相位差，然后基于相位差和有功功率和无功功率的计算公式计算得出调相机转子绕组的有功功率和无功功率。


5.如权利要求4所述的基于LORA技术的调相机无线状态监测系统，其特征在于：调相机的无功和无功功率计算公式为：






式中，Q、P分别为调相机无功、有功功率，URMS、IRMS分别为调相机电压、电流有效值，为调相机交流电压电流相位差；
基于Blackman-Harris窗的插值算法具体过程如下：
对单一频率信号进行分析，并假设采样间隔Δt＝1，则DFT的频率分辨率为：



信号表达式为：



式中，N为采样点数，xm(n)为原采样序列；
对于离散频谱，θ仅能取0—(N-1)之间的整数值，设fm在频率lΔf和(l+1)Δf之间，即
fm＝(l+λ)Δf,0≤λ≤1(4)
选取加窗信号的频谱Xmw在整数采样点的数值，并为设定如下系数：



对于Blackman-Harris窗，K＝3，将各值代入并化简，可得出一个关于a、λ的7次方程，对方程的各项系数降幂排列组成一个行矩阵，然后借助MATLAB软件，用Roots函数可求出λ的7个根，其中最多只有一个实根位于[0,1]区间，该根即为正解；
在得出准确的λ值后，由式(4)求出准确的频率fm，由此求出复振幅Xmw，则相位计算采用



式中，W(n)为信号加窗后FFT频谱；
由式(6)分别求出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔一铂，凌在汛，蔡万里，陶骞，陈文，游力，陈念斌，郑景文，熊平，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42