近年來，城鎮(zhèn)高層建筑逐漸增多，為滿足高層樓宇、高地勢地區(qū)的供水需求，除了使用高質(zhì)量制水工藝確保符合國家自來水水質(zhì)標準外!，自來水廠及其二次加壓供水泵房是必不可少的關(guān)鍵設(shè)施[2]。若泵房配電系統(tǒng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障，必然會影響正常供水，甚至出現(xiàn)停止供水的情況。因此，實時檢測泵房配電系統(tǒng)中設(shè)備運行狀態(tài)并及時診斷出設(shè)備故障,對保障設(shè)備的正常運行具有重要的現(xiàn)實意義。

到目前為止，在工業(yè)過程及其系統(tǒng)中使用自動化監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)已成為趨勢，泵房遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外已得到應(yīng)用[3-6。文獻[3]采用振動加速度傳感器獲取振動數(shù)據(jù),通過最小反褶積技術(shù)增強數(shù)據(jù)特征，利用小波包分解提取節(jié)點特征值，結(jié)合壓力、溫度等信息，實現(xiàn)了礦井水泵房中電機軸承故障、水泵汽蝕、吸水口堵塞等故障的診斷:文獻[4研究了一種二次供水泵房遠程監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)代化水質(zhì)分析儀器納入到系統(tǒng)中與供水設(shè)備一同管理以提升二次供水泵房監(jiān)控的自動化程度,但在故障管理方面僅僅提到了監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)時的設(shè)備無法連接或設(shè)備調(diào)用不成功故障檢測與警報,沒有研究設(shè)備本身的故障診斷問題:文獻[5]提出了一種城市智慧二次供水管理平臺的設(shè)計方案,該方案設(shè)計的平臺系統(tǒng)通過傳感器采集進出水壓力、流量、水泵狀態(tài)等信息，實現(xiàn)現(xiàn)場泵房設(shè)備的啟?？刂?，具有簡單的溫度報警、水淹報警等功能。文獻[6]研究了一種水廠機泵故障診斷系統(tǒng),采用失效模式與效果分析技術(shù)，運用振動、流量、電壓、電流、功率等參數(shù)，實現(xiàn)泵軸變形、水泵汽蝕等故障和電機輸出功率增加的綜合分析，并能提供相應(yīng)的解決策貼,

但到目前為止,還沒有相關(guān)文獻研究泵房系統(tǒng)常見的空氣開關(guān)或接觸器開路、電機繞組開路、水泵堵轉(zhuǎn)等配電設(shè)備和電機故障的實時監(jiān)測與診斷技術(shù)。解決這些故障的方法主要是人工排查，這和方法實現(xiàn)故障定位較為困難，需要花費較大的人力，維修時間和停止供水時間較長，嚴重影響居民用水。

當泵房配電系統(tǒng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障時,回路中的電氣量--電壓、電流值將發(fā)生變化，且存在相互影響，而且，電氣量在準確性、完備性和容錯性等方面有著開關(guān)量無法比擬的優(yōu)勢四7。因此，本文以現(xiàn)有的自來水廠和二次加壓供水泵房配電系統(tǒng)為研究對象,基于三相電路平衡原理和三相異步電機等效電路,分析配電系統(tǒng)中設(shè)備六類常見故障的電壓、電流變化特征及其相互影響機理，使用多個關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流信息，提出了一種基于多點電壓與電流信息融合分析的泵房配電系統(tǒng)設(shè)備故障在線診斷方法,克服了現(xiàn)有人工排查耗時耗力與離線分析不及時的不足。Simulink仿真實驗驗證了所提故障診斷方法的可行性,對自來水廠和二次加壓供水泵房的正常運行和安全供水具有重要的意義和工程應(yīng)用價值。

1 電路原理圖

水泵房配電系統(tǒng)1.1

圖1為現(xiàn)有自來水廠、二次加壓泵站水泵房配電系統(tǒng)示意圖，主要由異步電機G、變頻器INV智能電量采集裝置 AKW、空氣開關(guān) OF、接觸器KM和熱繼電器FR等設(shè)備構(gòu)成。圖中的數(shù)字為對應(yīng)設(shè)備編號:AKW;具有通信功能，實現(xiàn)三相電壓線電壓、三相電流/線電流、功率因數(shù)、率、有功功率、無功功率等電氣參數(shù)的實時監(jiān)測和計量，安裝于主回路以及各回路電機的輸入端。

1.2 三相異步電機等效電路圖

三相異步電機的核心由三相繞組構(gòu)成,采用異步電機單相T型等效電路]三角形連接表示的異步電機三相等效電路如圖2虛線右側(cè)所示。圖2中R、X為電機定子繞組的等效內(nèi)阻和感抗:R石為電機轉(zhuǎn)子繞組及負載換算到定子側(cè)的等效內(nèi)阻和感抗:R、X為電機等效勵磁內(nèi)阻和勵磁感抗;虛線左側(cè)表示配電線路的等效電路。

圖2中Rk(i=a,b,c)為每一相的空氣開關(guān)等效電阻,R;(i=a,b,c)為每一相的接觸器等效電阻,a、b、c為供電主回路接入點，忽略連接線纜的電阻。理想情況下，空氣開關(guān)、觸頭閉合時的等效電阻為零:空氣開關(guān)、觸頭斷開時的等效電阻為無窮大。1、h、1.為電機輸入線電流。

2 故障診斷原理

影響正常供水的泵房配電系統(tǒng)和設(shè)備主要故障有:配電主回路供電電壓超限、配電線路中空氣開關(guān)或接觸器觸頭開路、水泵電機繞組開路、水泵電機繞組不平衡與匝間短路、水泵堵轉(zhuǎn)、電機與水泵連接機構(gòu)斷開。其中電機繞組不平衡與匝間短路、水泵堵轉(zhuǎn)等是一些文獻關(guān)注的故障。

當系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生故障時，關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流幅值將發(fā)生變化。表1是六類常見設(shè)備故障類型以及回路電壓、電流特征。根據(jù)回路中電壓、電流的幅值可以區(qū)分故障類型，實現(xiàn)故障診斷。

2.1供電電壓偏差與超限

2.1.1供電電壓偏差與平衡計算國家標準 GBT 15543-2008 定義三相電壓不平衡為:三相電壓在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之[3]。本文主要考慮三相電壓幅值上的不同，可以使用電壓偏差5進行評價。國家標準 GB/T 12325-2008定義為:測量時間窗口(10個周波)內(nèi)相電壓測量值的平均值與系統(tǒng)標稱相電壓之差與系統(tǒng)標稱相電壓的百分比。在實際應(yīng)用中，電壓偏差限值（δV_min、δV_max） 可以根據(jù)設(shè)備和電網(wǎng)實際進行合理設(shè)置，作為供電 電壓超限故障判斷的閾值。

3 故障診斷方法

3.1 方法執(zhí)行條件

本方法對泵房配電系統(tǒng)配電主回路供電電壓不平衡與超限，配電線路中空氣開關(guān)和/或接觸器電機、水泵及其與電機的連接等故障進行有效診斷，由泵房監(jiān)控系統(tǒng)主計算機運行，需要滿足4個執(zhí)行條件:

1)泵房配電系統(tǒng)與設(shè)備故障標志FS為1時:不進行故障診斷。

首次啟動故障診斷前，該標志被初始化為0。在診斷程序運行中，一旦診斷出發(fā)生了某一類故障，該標志就被置為1。

2)搭建數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)，建立泵房監(jiān)控系統(tǒng)主計算機和每一臺 AKM,的網(wǎng)絡(luò)連接,并保證它們處于正常運行狀態(tài)，獲取關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流數(shù)據(jù)用于故障診斷。

3)主計算機應(yīng)能記錄各臺電機配電回路空氣開關(guān)、接觸器觸頭的狀態(tài)，標志為SW(閉合標記為1,斷開標記為0)。斷開狀態(tài)表示對應(yīng)電機供電回路未接通，不需進行故障診斷。

4)設(shè)備運行狀態(tài)標志 WS:當泵房設(shè)備處于正常運行狀態(tài)(標記為0)，當設(shè)備處于巡檢或維修狀態(tài)(標記為1)時，不進行故障診斷。

設(shè)備運行狀態(tài)由泵房控制系統(tǒng)設(shè)置,主計算機記錄。

3.2 執(zhí)行步驟

基于上述故障診斷原理,故障診斷方法在程序初始化后，共1個步驟。診斷方法使用的各類標志符號取值和定義如表2所示。

步齉:1:終端設(shè)備組網(wǎng)

主計算機向各節(jié)點設(shè)備 AKW;發(fā)送組網(wǎng)指令:并等待應(yīng)答。若在設(shè)定時間內(nèi)收到應(yīng)答，表明該節(jié)點設(shè)備成功入網(wǎng)，則標記其入網(wǎng)標志 NS=1:若某臺節(jié)點設(shè)備連續(xù)"次(如3次)組網(wǎng)通信失敗，表明該節(jié)點設(shè)備的入網(wǎng)失敗，則 NSi=0，并報警處理。 若沒有節(jié)點設(shè)備成功入網(wǎng)，則返回步驟 1 重新 進行組網(wǎng)；若有節(jié)點設(shè)備成功入網(wǎng)，則執(zhí)行步驟 2。

步驟2:泵房配電系統(tǒng)與設(shè)備故障判斷若泵房配電系統(tǒng)與設(shè)備故障標志FS-1，則返回步驟1重新執(zhí)行。反之，執(zhí)行步驟3。

步驟3:泵房設(shè)備狀態(tài)檢測從泵房控制系統(tǒng)獲取泵房設(shè)備運行狀態(tài)標志WS。若該標志為1，表明設(shè)備處于巡檢或者維修狀態(tài)，則返回步驟1重新執(zhí)行:若該標志為0，表明設(shè)備處于正常運行狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4，判斷名臺電機是否投入運行。

步驟4:電機供電回路連接判斷順序讀取各臺電機配電回路空氣開關(guān)與接觸器的運行狀態(tài)標志SW。若SW0，表示該回路未投入運行，不需對該回路的設(shè)備進行故障診斷:若SW=l，表示該回路設(shè)備處于運行狀態(tài)，需對該回路的設(shè)備進行故障診斷。

若所有回路的空氣開關(guān)、接觸器都為斷開狀態(tài),則返回步驟1:若有一個以上回路的空氣開關(guān)、接觸器為閉合狀態(tài)，則執(zhí)行步驟5。

步驟5:電氣數(shù)據(jù)獲取

主計算機采用輪詢方式，順序獲取主回路AKWo、回路空氣開關(guān)和接觸器均處于閉合狀態(tài)(SW=1)和成功入網(wǎng)(NS=1)的 AKW(i=1.2.3.4)采集的電壓、電流數(shù)據(jù)，并按順序?qū)⒊晒ψx取的AKW數(shù)據(jù)保存到對應(yīng)節(jié)點的專用數(shù)據(jù)庫或者存儲空間。

AKW 數(shù)據(jù)獲取采用連續(xù)多次通信方式。在規(guī)定時間內(nèi)，若連續(xù)多次通信都不能獲得某臺AKW的正確返回數(shù)據(jù)，則表明該AKW斷網(wǎng)，將其標記為入網(wǎng)失敗，并進行報警處理。若 AKWo斷網(wǎng)，或者所有 AKW:(i-1.2.3.4)都斷網(wǎng)，則返回步驟1:否則，在輪詢讀取完所有 AKW,的數(shù)據(jù)后執(zhí)行步驟 6。

步幕6:主回路供電電壓超限與平衡判斷從數(shù)據(jù)庫讀取AKWo的三相電壓，按式(1)計算主回路供電電壓偏差&

6..若滿足式(2)，則配電主回路電壓是不超限的，UF=0:滿足式(3)，則電機主回路電壓是平衡的，UF-0:滿足式(4)，則配電主回路供電電壓超過上限，UF1:滿足式(5)，則配電主回路電壓低于下限，UF.-2。

若電機主回路電壓不平衡，則標記UF1。對于超限與不平衡，在標記標志并報警后執(zhí)行步驟7，否則，只進行標志標記，然后執(zhí)行步驟7

步驟7:回路空氣開關(guān)、接觸器開路診斷

從數(shù)據(jù)庫按順序談取所有回路空氣開關(guān)和接觸器均處于閉合狀態(tài)，即SWl的電機端電壓和電流數(shù)據(jù)，并順序完成所有回路的判斷。

若某一臺電機的電流滿足式(10)、端電壓滿足式(9)，則該回路空氣開關(guān)和/或接觸器發(fā)生三相觸頭開路:若電流滿足式(10)，端電壓滿足。

滿足式(11)，則該回路空氣開關(guān)和/或接觸器的i相觸頭發(fā)生開路。

若沒有發(fā)生觸頭開路故障，就標記SF -0后進行下一回路判斷:若判斷出發(fā)生觸頭開路故障，就進行故障記錄、標記 SF,-1并報警，然后進行下一回路判斷。

所有無故障閉合回路判斷完后執(zhí)行步驟8。步募8:電機繞組開路診斷

從數(shù)據(jù)庫按順序讀取所有回路空氣開關(guān)和接觸器均處于閉會狀態(tài)，且沒有發(fā)生觸頭開路故障的電機電流數(shù)據(jù)，并順序完成所有電機的判斷。

若某臺電機的三相電流均不滿足式(10)，則標記 GF-0，繼續(xù)下一臺電機電流判斷:若某一相電流1滿足式(10)，則電機對應(yīng)相定子繞組開路，記錄該故障、標記GF-l并報警，然后繼續(xù)下一臺電機電流判斷。

所有電機判斷完后執(zhí)行步驟9。

步9:電機繞組不平衡與匝間短路診斷

從數(shù)據(jù)庫按順序讀取所有空氣開關(guān)和接觸器均處于閉合狀態(tài),且沒有發(fā)生觸頭與電機繞組開路故障的電機電壓與電流數(shù)據(jù)，并順序完成所有電機的判斷。

分別按式(1)、式(6)計算所有電機端電偏差&和電流不平衡率&。

若某一臺電機的《…不滿足式(12)、(13),即該電機的端電壓是不平衡的,或在電機端電壓平衡條件下的8.不滿足式(14)，則標記GF-0，GF:0，進行下一臺電機判斷:反之，在電機端電壓平衡條件下，若&滿足式(14)，則該電機發(fā)生繞組不平衡故障，標記GF1，按式(15)計算最大8，對應(yīng)相電機繞組發(fā)生匝間短路，標記 GF1，記錄該故障后報警，然后繼續(xù)下一臺電機判斷。

所有電機判斷完后執(zhí)行步驟10。

步募10:水泵堵轉(zhuǎn)診斷

按式(1)、式(7)順序計算步驟8讀取的所有電機端電壓偏差5和電流平均值了。若某臺電機的&.,不滿足式(12)、(13)，或者了不滿足式(16)，則標記WP1-0，繼續(xù)后續(xù)電機判斷:反之，在的品滿足式(12)、(13)，即電機端電壓平衡條件下，若了滿足式(16)，則該電機所驅(qū)動的水泵發(fā)生了堵轉(zhuǎn),記錄該故障、標記 WPI-I并報勢，然后繼續(xù)后續(xù)電機判斷。

所有電機判斷完后執(zhí)行步驟11。

步幕11:電機與水泵連接機構(gòu)斷開診斷

按式(1)、式(7)順序計算步驟8讀取的所有電機端電壓偏差&和電流平均值了。若某臺電機的8，不滿足式(12)、(13)，或者了不滿足式(17)，則標記 WP0，繼續(xù)后續(xù)電機判斷:反之，在的8滿足式(12)、(13)，即電機端電壓平衡條件下，若i滿足式(17)，則該電機與水泵的連接機構(gòu)斷開，記錄該故障、標記 WP11,并報警，然后繼續(xù)后續(xù)電機判斷。

所有電機判斷完后返回執(zhí)行步驟1。

所有故障診斷結(jié)果均通過數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)，實時上報到泵房監(jiān)控系統(tǒng)進行相應(yīng)的處置。

4 實驗驗證

為驗證本文提出的故障診斷方法的正確性與有效性，使用 MATLAB/Simulink平臺的相應(yīng)設(shè)備模型，自建故障診斷模塊和模擬故障控制模塊，搭建了單電機泵房配電系統(tǒng)仿真模型。

三相電源輸出相電壓U=220V(i=a,b,c);三相異步電機 G的額定電壓為 380V，額定功率為4kW;AKW(i-0,1)使用平臺中的測量模塊代替，可測量三相電壓、電流并保存數(shù)據(jù)。

故障模擬模塊使用斷路器模塊代替圖1中OF和 KM1;在電機模塊 G 的輸入端和 AKW1之間增加對稱三相 LR 串聯(lián)支路，使用斷路器的通斷模擬電機定子繞組的匝間短路與不平衡;使用不同幅值的階躍函數(shù)模擬電機G的負載轉(zhuǎn)矩T變化來模擬水泵正常運行、堵轉(zhuǎn)、水泵與電機連接軸斷開。在仿真開始時，斷路器導(dǎo)通模擬正常狀態(tài)的 QF1、KM 和 G;在 1.5s 時，斷開某一相斷路器觸頭模擬 OF、KM對應(yīng)相的開路，閉合某一相斷路器觸。

頭模擬G的對應(yīng)相定子繞組匝間短路，使用不同幅值的階躍函數(shù)跳變模擬水泵的堵轉(zhuǎn)、水泵和電機連接軸的斷開。

故障診斷模塊是根據(jù)診斷方法搭建的故障診斷電路，輸入是測量模塊 AKW;(i=0,1)測量的電壓、電流信號，輸出為故障診斷結(jié)果。

因供電電壓超限與空氣開關(guān)或接觸器的多相開路是顯而易見的。故本節(jié)僅驗證電機回路空氣開關(guān)或接觸器觸頭開路、電機繞組開路、電機繞組不平衡與匝間短路、水泵堵轉(zhuǎn)、電機與水泵連接機構(gòu)斷開五類故障。

由故障診斷原理可知，上述五類故障診斷的條件是主回路供電電壓，即 AKWo測量的電壓平衡。因此，模擬仿真實驗只需要驗證由 AKW測量的電機端電壓與電流波形的變化，然后得到診斷結(jié)果。故每類故障診斷的波形均有3個子圖:子圖a)、b)分別為電機端電壓、電流波形，子圖c)為故障診斷結(jié)果，0表示正常，1表示故障。

4.1 配電線路中空氣開關(guān)或接觸器開路實驗

在電機 G 平穩(wěn)運行后的 t=1.5s 時，控制圖 3中 QF和 KM¡斷路器模擬電機回路 QF 和 KMi的A 相開路故障，其波形與診斷結(jié)果如圖4所示。

從圖 4 中可以看出，在 1-1.5s，電機端電壓均 維持在 220V 左右，回路電流為 8.2A，電機平穩(wěn)運行，回路空氣開關(guān)或接觸器正常;t-1.5s時，空氣開關(guān)或接觸器A相觸頭發(fā)生開路故障,。下降其偏差滿足式(11)，下降且滿足式(10)，h和上升，使得電機三相電壓不平衡、三相電流不平衡，得到故障診斷結(jié)果為A相為1，其它相為0.

水泵電機繞組開路實驗4.2

在電機 G 平穩(wěn)運行后的 1.5s 時，模擬電機的A相繞組出現(xiàn)開路故障，其波形與診斷結(jié)果如圖5 所示。

從圖 5 中可以看出，在 1-1.5s，電機端電壓均 維持在 220V 左右，回路電流為 8.2A，電機平穩(wěn)運 行。t=1.5s 時，電機 A 相繞組開路，Ia 下降，Ib、 Ic 上升。與空氣開關(guān)或接觸器開路故障不同的是， A 相繞組開路后，回路電壓仍為 220V，電機輸入 端三相電壓是平衡的且不超限，滿足式（12）、（13）； 回路 A 相電流降為零，滿足式（10）。因此，得 到的故障診斷結(jié)果為 A 相出現(xiàn)電機繞組開路故障。 4.3 水泵電機繞組不平衡與匝間短路實驗 在電機平穩(wěn)運行后的 t=1.5s 時，模擬電機的 A 相繞組出現(xiàn)匝間短路故障，其波形與診斷結(jié)果如圖 6 所示。 電機在 t=1.5s 時出現(xiàn) A 相匝間短路，導(dǎo)致三相繞組不平衡。出現(xiàn)故障后，電機端電壓均保持正 常，滿足式（12）、（13），回路 A 相電流上升， B、C 相電流下降，三相電流不平衡率滿足式（14），故障診斷結(jié)果為 1，且根據(jù)式（15）可得到電機 A 相出現(xiàn)匝間短路。

本文提出的基于多點電壓與電流信息融合分 析泵房設(shè)備故障診斷方法可用于實現(xiàn)自來水廠及 其二次加壓泵站配電系統(tǒng)設(shè)備與電機故障的實時 診斷與定位，對泵房的安全供水具有重要的現(xiàn)實意 義和工程應(yīng)用價值，同時，該故障診斷方法具有通 用性，可以應(yīng)用于其他機電系統(tǒng)。