一种基于FFT算法和线上软件的电机保护系统

技术领域

本发明涉及电机控制与保护技术领域，具体涉及一种基于FFT算法和线上软件的电机保护系统。

背景技术

电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。

(1)对称故障：对称故障包括过载堵转和三相短路等这类故障。对电动机的损害主要是热效应使绕组发热甚至损坏。其主要特征是电流幅值发生显著变化。

(2)不对称故障：不对称故障包括断相、逆项、相间短路、匝间短路等。这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。规程规定电动机三相电压不对称度不得超过5％，一旦超过5％，甚至远超过规程要求。这种不对称的三相电压可分解出正序分量和负序分量，正序电压显然低于正常运行电压，在正序电压作用下的电动机与降压运行的后果相似，即定子电流增大，引起发热增加；负序电压分量加在电动机上，会产生阻碍转子转动的制动力矩，为克服此力矩，会使电动机发热更严重，同时产生振动和噪音，这就导致电动机绕组烧损。

现有的电机保护方式主要包括热继电器为主的组合保护方式、传统的电磁型保护方式、温度保护和电子式保护四种。

热继电器为主的组合保护方式采用熔断器、接触器和短路器及热继电器的组合，结构简单、安装方便，但有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点，容易导致长期轻微过载运行使电动机绕组产生热累计，使得绕组绝缘老化造成电东机损坏，并且热继电器在动作过程中需要消耗较多的电能，不能继续使用时，必须全套更换。

传统的电磁型保护以反映故障前后电流量的变化为判据，根据电动机的启动特性，保护定值一定要多过电机的启动电流，这样定值要比其本身额定电流大许多倍，这对于电动机匝间故障、堵转等故障动作的灵敏度降低，只能保护电源电缆和定子入口的一部分。这就加重了电动机的损坏程度，绝大多数电动机在故障切除后，烧毁的部分无法修复。

温度保护是将温度传感器预埋于A处，而在远离A处的B处发生故障，传感器就有可能监测不到B处的温度变化，因而延误保护动作的时间而使故障扩大。温度保护的监测功能是局部的，且由于传感器埋在电动机绕组里，对传感器的维护和检修极为不便。

电子式保护一般包括通过检测电流值来反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障和通过检测电动机的电流是否缺相来反映断相故障这两种方法。但电动机内部绕组故障(如匝间短路、单相、两相接地等)一般是由于环境较差、长期运行不当等原因引起的。起初这类故障往往是局部的，并不出现过流，但若不及时处理会导致事故扩大，等到故障严重到需要过流保护时，电动机已经损坏，保护就失去了意义。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明提供一种基于FFT算法和线上软件的电机保护系统，可以利用PC端和手机端软件实现对电机的高效管控和保护。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于FFT算法和线上软件的电机保护系统，包括：

基于嵌入式系统的电机控制模块，用于在电机的工作参数超出规定范围时，分析判断出故障类型，并及时对电机进行保护；

基于云服务器的线上监测模块，用于向所述基于嵌入式系统的电机控制模块传送新的保护定值和电机额定参数，同时接收基于嵌入式系统的电机控制模块传送来的保护动作参数；

基于FFT蝶形算法的数据采集模块，用于电机工作时电压、电流的数据采样。

进一步的，所述基于嵌入式系统的电机控制模块包括控制器模块、人机交互模块和无线通信模块。

进一步的，所述基于云服务器的线上监测模块包括PC客户端，所述PC客户端通过云服务器远程向保护装置传送新的保护定值和电机额定参数，同时接收保护装置传送来的保护动作参数。

进一步的，所述动作参数包括动作时间、动作值和动作名称。

进一步的，所述基于FFT蝶形算法的数据采集模块包括控制器模块、信号变换模块和数模转换模块，所述信号变换模块将三相电机的电流、电压信号变换成小电压信号送入所述数模转换模块进行数模转换，转换输出的数字信号进入所述控制器模块进行数据处理分析和故障判断。

进一步的，所述云服务器为阿里云服务器。

(三)有益效果

本发明运用FFT算法首先对采集到的电机信号进行处理，再通过STM32的 DA模块输出，以滤除电机信号的噪声，提高信号的稳定性和可靠性。输出部分分为两路，一路输出至继电器，用于终端直接控制电机的运转，当终端检测到输出的电流或电压超过预定的电流或电压值时，继电器直接中断，电机停止工作。另外一路将输出的电流或电压信号通过ESP8266模块上传到云服务器，并将信号存储到自建的数据库中，数据库直接部署在云服务器上。存储完成之后可通过配套开发的WEB端进行访问，在WEB端同时也配备直接控制电机运转的按钮，以方便管控机器的工作人员可借此系统实现远程监测，另外在电机发生故障时且继电器失灵时可由WEB端进行断电处理，这样就达到了软硬件双重保护的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明硬件系统结构示意图；

图2为本发明MQTT协议工作模式图；

图3为本发明时间抽取FFT算法流图；

图4为本发明软件系统结构示意图；

图5为本发明电动机故障响应系统结构框图；

图6为本发明过电流保护逻辑流程图；

图7为本发明负序电流保护逻辑流程图；

图8为本发明零序电流保护逻辑流程图；

图9为本发明MQTT正确发送消息工作图；

图10为本发明服务质量等级模式图；

图11为本发明服务质量等级模式图；

图12为本发明服务质量等级模式图。

图13为本发明服务质量等级模式图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-12，作为本发明的一个实施例，一种基于FFT算法和线上软件的电机保护系统，主要包括：

1、基于阿里云服务器的线上监测系统

通过基于Python语言编写设计的PC客户端经由阿里云服务器远程向保护装置传送新的保护定值和电机额定参数，同时接收保护装置传送来的保护动作参数(动作时间、动作值、动作名称等)。界面顶部需要安装对阿里云进行静态 IP地址的配置，其下方是数据接收显示窗口，控制器上传到云端的数据都将显示在此窗口上；还需要安装命令发送的插件和数据发送显示窗口，主要显示客户端发送给微处理器的命令字符。

实现WiFi远程控制，我们选择阿里云作为数据中转平台。阿里云物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端API，指令数据通过API调用下发至设备端，实现远程控制。阿里云提供MQTT、CoAP、HTTP/S等多种协议的设备端SDK，既满足长连接的实时性需求，也满足短连接的低功耗需求。由于我们的微处理器传输数据量较小且WiFi模块的传输能力有限，所以我们选择MQTT协议来传输数据。

2、基于嵌入式系统的电机控制系统

电机控制系统主要是在电机的工作电流和电压等参数超出规定范围时，分析判断出故障类型，并及时对电机进行保护。本发明电机控制系统的硬件整体结构主要包括控制器、信号变换、数模转换、人机交互和无线通信等模块。信号变换模块将三相电机的电流、电压信号变换成小电压信号送入AD7606进行数模转换，转换输出的数字信号进入STM32进行数据处理分析和故障判断，当诊断出电机发生故障且已到保护时间，控制器控制保护出口跳闸与报警电路进行保护和报警；同时，电机的工作参数、状态等会实时显示在液晶显示屏上，按键也可设定不同型号电机的额定参数和故障保护动作时间。此外，WiFi通信模块经由阿里云服务器把开发的手机APP、电脑客户端与电机保护装置连接成一个网络系统，进行实时监控与数据传输。

3、基于FFT蝶形算法的数据采集系统

数据采集系统对采样数据进行数学运算、逻辑运算，并快速无误地判断出故障类型，以及实现各种故障保护功能，所以采样数据的精度将直接影响故障判断的准确性；那么选用一个精度高、速度快的交流采样的算法对提高故障判断的准确性、及时性具有重要的意义。在诸多的交流采样算法中，傅里叶级数递推式算法在电机保护中最具有代表性。利用STM32单片机的高速AD采样模块配合FFT进行电机工作时电压、电流的精准采样。

其中基于FFT蝶形算法的数据采集系统非正弦周期函数主要包含的两种算法：

①均方根法

设u＝U

离散化得到

其中N为每周期等间隔采样次数，u

由采样定理知，这种算法可计及

同理

S＝UI

其中P为有功功率，Q为无功功率，s为视在功率，T为采样周期值，Φ为当前时刻的电压、电流之间的相位差。

②FFT蝶形算法

在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换(DFT)，以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征，但是算法计算量大，耗时长，不利于计算机实时对信号进行处理。因此至DFT被发现以来，在很长的一段时间内都不能被应用到实际的工程项目中，直到一种快速的离散傅立叶计算方法——FFT，被发现，离散傅立叶变换才在实际的工程中得到广泛应用。需要强调的是，FFT并不是一种新的频域特征获取方式，而是DFT的一种快速实现算法。

二、基于FFT蝶形算法的交流采样

电机保护根据由数据采集系统提供的反映被保护电机的电气量得到的离散的、量化的采样数据进行数学运算、逻辑运算，并快速无误地判断出故障类型，以及实现各种故障保护功能，所以采样数据的精度将直接影响故障判断的准确性；那么选用一个精度高、速度快的交流采样的算法对提高故障判断的准确性、及时性具有重要的意义。在诸多的交流采样算法中，傅里叶级数递推式算法在电机保护中最具有代表性。

傅氏算法的基本思想来自傅里叶级数，假定周期信号f(t)是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，这个函数可以分解为

f(t)＝f

式中，f

f

式中，Ω为角频率；a

将(3)、(4)式离散化，写成如下形式

式中，N为采样点数，f(k)为第k次采样值。将式(2)代入式(1)，则

上式表明，一个周期函数f(t)的各次谐波可以看出振幅分别为a

在电机保护系统中，由公式(5)、公式(6)可求得电机的工作电流、电压基波的正弦分量

三、电机保护软硬件系统设计

(1)硬件系统总体结构

电机保护器主要是在电机的工作电流和电压等参数超出规定范围时，分析判断出故障类型，并及时对电机进行保护。本发明设计的电机保护器的硬件整体结构如图1所示，主要包括控制器、信号变换、数模转换、人机交互和无线通信等模块。信号变换模块将三相电机的电流、电压信号变换成小电压信号送入AD7606进行数模转换，转换输出的数字信号进入STM32进行数据处理分析和故障判断，当诊断出电机发生故障且已到保护时间，控制器控制保护出口跳闸与报警电路进行保护和报警；同时，电机的工作参数、状态等会实时显示在液晶显示屏上，按键也可设定不同型号电机的额定参数和故障保护动作时间。此外，WiFi通信模块经由阿里云服务器把开发的手机APP、电脑客户端与电机保护装置连接成一个网络系统，进行实时监控与数据传输。

(1)硬件系统总体结构

电机保护器主要是在电机的工作电流和电压等参数超出规定范围时，分析判断出故障类型，并及时对电机进行保护。本发明电机保护器的硬件整体结构如图1所示，主要包括控制器、信号变换、数模转换、人机交互和无线通信等模块。信号变换模块将三相电机的电流、电压信号变换成小电压信号送入 AD7606进行数模转换，转换输出的数字信号进入STM32进行数据处理分析和故障判断，当诊断出电机发生故障且已到保护时间，控制器控制保护出口跳闸与报警电路进行保护和报警；同时，电机的工作参数、状态等会实时显示在液晶显示屏上，按键也可设定不同型号电机的额定参数和故障保护动作时间。此外， WiFi通信模块经由阿里云服务器把开发的手机APP、电脑客户端与电机保护装置连接成一个网络系统，进行实时监控与数据传输。

(2)软件系统总体设计

本电机保护系统的软件部分主要包括基于微处理器IAP15F2K61S2的故障保护程序和用于通信的电脑客户端开发程序。其中，故障保护程序主要包含8个子模块，包括AD转换控制模块、傅里叶有效值计算模块、相位检测模块、零/ 负序电流分量计算模块、故障判断模块、串口数据收发模块、按键参数设置模块、液晶显示控制模块。

①AD转换控制：对AD7606进行控制，将三相电机的电压、电流由模拟信号转换为数字信号；

②傅里叶有效值计算：采用FFT蝶形算法对离散的、量化的采样数据进行软件滤波和计算电机工作电气量的有效值；

③相位检测：根据离散的、量化的采样数据计算电机的三相电流每两相之间的相位差；

④零/负序电流分量计算：根据对称分量分析法计算电流的零、负序分量；

⑤故障判断/保护：根据是否有过电流或零、负电流分量判断电机是否发生了故障；其中，对称故障以过电流为判断依据，非对称故障中的非接地故障以负序电流为判断依据，非对称故障中的接地故障以零序电流为判断依据；

⑥按键参数设置：检测是否有按键按下，并对电机的参数(例如额定电流、电压等)和故障保护动作时间进行设置；

⑦液晶显示控制：控制液晶显示屏的显示，主要显示电机的额定参数、工作电压、工作电流；并在电机出现故障时，显示故障信息和保护动作时间；

⑧串口收发数据：完成数据的接收和发送，使保护装置与手机APP、电脑客户端可以通过阿里云服务器实现远程数据传输。

⑨客户端应用程序：主要实现两个功能，功能一是监控，查看电机的额定参数和当前工作下的电流、电压、功率、状态等；功能二是系统参数设置，主要设置被保护电机的额定参数和故障保护动作时间。

四、电机故障判断及保护系统

电机的故障判断及保护系统响应是根据输出的三相电流的有效值、零序电量、负序电量和每两相的相位差值进行分析和判断，以实现故障保护。系统根据零、负序电流分量和三相电流有效值

所发生故障的大体归属类型在判断完之后需要进行细分，根据所测的电压、电流参量，确定其具体的故障类型来匹配相应的保护措施。

①过电流保护

过电流保护主要针对对称故障(主要包括：短路、堵转、过载)进行数据分析与判断；设定拉高过电流保护模块的启动标志位为over_st，模块开始工作。故障延时时间为t,短路、堵转的保护动作设置值分别为I

②负序电流保护

负序电流保护主要针对非对称故障中的非接地故障(主要包括：断相、相间短路、三相不平衡)进行数据分析和保护。当拉高负序电流保护模块的启动标志位neg_st，模块开始工作。逆相、断相、三相不平衡、相间短路的延时时间设置值分别为T

③零序电流保护

零序电流保护系统主要针对非对称故障中的接地故障(主要包括：单相接地、两相接地)进行数据分析和处理。当拉高零序电流保护模块的启动标志位 zero_st，模块开始工作。单相接地和两相接地的延时时间设置值分别为T

服务端应用设计

本发明以Android手机和PC客户端作为上位机，通过基于Python语言编写设计的PC客户端经由阿里云服务器远程向保护装置传送新的保护定值和电机额定参数，同时接收保护装置传送来的保护动作参数(动作时间、动作值、动作名称等)。界面顶部需要安装对阿里云进行静态IP地址的配置，其下方是数据接收显示窗口，控制器上传到云端的数据都将显示在此窗口上；还需要安装命令发送的插件和数据发送显示窗口，主要显示客户端发送给微处理器的命令字符。

实现WiFi远程控制，选择阿里云作为数据中转平台。阿里云物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端API，指令数据通过API调用下发至设备端，实现远程控制。阿里云提供MQTT、CoAP、HTTP/S等多种协议的设备端SDK，既满足长连接的实时性需求，也满足短连接的低功耗需求。由于我们的微处理器传输数据量较小且WiFi模块的传输能力有限，所以选择MQTT协议来传输数据。

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。在MQTT协议中有三种角色：代理服务器、发布者客户端，以及订阅者客户端，其中发布者和订阅者互不干扰，也就是说发布者和订阅者互不知道对方的存在，它们只知道代理服务器，代理服务器负责将来自发布者的消息进行存储处理并将这些消息发送到正确的订阅者中去。MQTT协议工作模式如图2所示。

MQTT通过“主题”实现将消息从发布者客户端送达至接收者客户端。“主题”是附加在应用消息上的一个标签，发布者客户端将“主题”和“消息”发送至代理服务器，代理服务器将该消息转发至每一个订阅了该“主题”的订阅者客户端，如图9所示。

在使用MQTT协议后，发布者客户端通过设置Publish报文中的QoS标志位，对于客户端发布的消息提供三种服务质量等级：

(1)QoS＝0，协议对此等级应用信息不要求回应确认，也没有重发机制，这类信息可能会发生消息丢失或重复，取决于TCP/IP提供的尽最大努力交互的数据包服务。服务质量等级模式图如图10所示。

(2)最少一次(At least once delivery)：QoS＝1，确保信息到达，但消息重复可能发生，发送者如果在指定时间内没有收到PUBACK控制报文，应用信息会被重新发送。服务质量等级模式图如图11所示。

(3)仅仅一次(Exactlyonce delivery)：QoS＝2，最高级别的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。服务质量等级模式图如图12所示。

由于对WiFi遥控的设计调试需要经常检查上传到云端的数据，虽然用网页可以观察订阅/发布的数据，但是电脑承担串口通信、程序编写等工作负荷较大并且网页的功能较多数据不够直观，所以还将借用安卓软件MyMqtt进行调试和使用。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。