铝电解槽系列对地漏电故障定位检测及预警装置的制作方法

1.本实用新型涉及铝电解槽对地漏电故障检测技术领域，特别涉及铝电解槽系列对地漏电故障定位检测及预警装置。


背景技术：

2.铝电解企业在电解铝生产时，电解铝厂铝电解槽的工作是通过一条直流高压母线(电压从几百伏到上千伏)，对串联在一起的多个铝电解槽供电，利用直流电来电解铝，生成铝水输出。每一个铝电解槽供电电压大约在4v左右，但是供电电流很大，从几万安培到几十万安培，所以整个直流高压母线通路相当于一条纯短路的导体，为保障铝电解槽安全运行，铝电解槽与大地之间用绝缘体部件支撑，随着电解铝的长期运行，支撑的绝缘体会渐渐性能恶化，导致铝电解槽对地绝缘变差，绝缘电阻会变小，严重时会造成铝电解槽对地漏电。铝电解槽任何一点对地漏电还会造成操作人员触电，或铝电解槽相关电气设备损毁，如不及时发现和清除这些故障，甚至会造成铝电解槽报废，同时铝电解槽对地漏电使得电能流入大地，造成能源浪费，给企业造成重大经济损失和严重的安全事故。
3.目前，国内外关于铝电解槽系列对地绝缘故障的判断多采用母线中点电压漂移检测法和单频信号注入检测法。但中点电压漂移检测法只能推断铝电解槽对地漏电事故发生的大致铝电解槽位置，难于精准定位于某一铝电解槽，而单频信号注入检测法只能检测出铝电解槽系列发生了对地漏电故障，也不能精确定位出具体的故障槽和故障点。这两种方法均不能在线实时检测铝电解槽系列各槽和每一电解槽的各点对地绝缘电阻的电阻值，同时由于不能在线实时检测各槽和各点对地绝缘电阻值的电阻值，就不能在线实时监测铝电解槽系列各槽和每一电解槽的各点对地绝缘电阻的电阻值变化，就不能实现铝电解槽系列各槽与每一电解槽各点对地漏电故障的准确定位，也不能实现铝电解槽系列各槽与每一电解槽各点对地漏电故障的预警检测。
4.例如2011年授权公布号为cn1948975b，名称为“一种电解槽系列的对地绝缘电阻检测装置及方法”的专利，2020年申请公布号为cn112034283a，名称为“检测和定位铝电解槽接地故障的装置及其系统和工艺”的专利申请。上述两项专利均属于单频信号注入检测法，只能检测出铝电解槽系列发生了对地漏电故障，但不能精确定位出具体的故障槽和故障点，也不能在线实时检测出各电解槽和每一电解槽各点对地绝缘电阻的电阻值，更不能实现铝电解槽系列各槽与每一电解槽各点对地漏电故障的预警检测。
5.综上所述，现有报道的技术和方法都不能测量铝电解槽对地绝缘电阻值，就不能知道电解槽绝缘性能和准确判定定位铝电解槽对地漏电故障点，更无法实现预测铝电解槽绝缘性能恶化的性能变化趋势。


技术实现要素：

6.针对现有技术中无法准确定位铝电解槽系列对地漏电故障点的问题，本实用新型提出铝电解槽系列对地漏电故障定位检测及预警装置，通过对铝电解槽进行编号，分别设
置对地漏电故障检测回路以测量铝电解槽对地绝缘电阻的电阻值，并根据电阻值判断对应铝电解槽是否发生对地漏电故障，从而准确定位铝电解槽对地漏电故障点。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
8.铝电解槽系列对地漏电故障定位检测及预警装置，包括电压源，直流母线，通过直流母线串联的铝电解槽系列，其特征在于，每个所述铝电解槽连接有对地漏电故障检测回路，所述对地漏电故障检测回路包括信号发送导线，电压接收导线，绝缘电阻和主控计算机处理单元；
9.所述信号发送导线的一端与主控计算机处理单元连接，每条信号发送导线的另一端与对应铝电解槽的接地点连接；接地点还通过绝缘电阻与对应铝电解槽连接；接地点还与电压接收导线的一端连接，电压接收导线的另一端与主控计算机处理单元连接，主控计算机处理单元计算绝缘电阻的电阻值，从而定位出现对地漏电故障的铝电解槽。
10.优选的，每个铝电解槽拥有唯一编号，且每个编号对应唯一的安装位置。
11.优选的，所述信号发送导线通过限流电阻与主控计算机处理单元连接。
12.优选的，主控计算机处理单元包括信号产生模块、发送模块、接收模块、计算模块、判断模块、预测报警模块和控制器，信号产生模块、发送模块、接收模块、计算模块、判断模块、预测报警模块分别和控制器连接；
13.信号产生模块，用于产生测量信号；发送模块，用于将测量信号发送到待测铝电解槽的接地点；接收模块，用于接收接地点的电压；计算模块，用于根据接地点的电压计算待测铝电解槽对应绝缘电阻的电阻值；判断模块，用于将计算模块计算的电阻值进行比对；预测报警模块，用于根据比对模块的结果发出报警提示。
14.优选的，所述信号产生模块产生的测量信号为正弦多载波fsk信号，测量信号的频率范围为500hz～5khz。
15.优选的，所述主控计算机处理单元还包括预警模块，用于根据lstm神经网络和历史绝缘电阻值以预测绝缘电阻的变化，实现铝电解槽对地漏电故障预警。
16.优选的，所述对地漏电故障检测回路中，所述接地点还通过接地电阻接地。
17.综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
18.本实用新型可以实时在线监测铝电解槽系列的对地绝缘电阻值，并能根据绝缘电阻值大小判断铝电解槽绝缘性能好坏，是否会发生绝缘失效故障以及准确定位发生对地漏电故障的铝电解槽，从而告知检修人员及时排除故障，避免事故发生，确保操作人员的安全和铝电解槽的高效正常运行。同时利用定位检测到的电阻值，通过lstm神经网络预测铝电解槽和铝电解槽各点对地绝缘电阻变化，实现对地漏电故障预警。本实用新型能够及时、准确地检测、定位和预警铝电解槽系列中单个铝电解槽或多个铝电解槽以及铝电解槽各点的对地漏电故障；提高电流效率、维修效率和能源利用率，降低生产和维修成本。
附图说明：
19.图1为根据本实用新型示例性实施例的一种铝电解槽系列对地漏电故障定位检测及预警装置示意图。
20.图2为根据本实用新型示例性实施例的一种铝电解槽系列对地漏电故障定位检测
方法示意图。
21.图3为根据本实用新型示例性实施例的绝缘电阻等效电路示意图。
22.图4为根据本实用新型示例性实施例的一种铝电解槽系列对地漏电故障预警方法示意图。
23.图5为根据本实用新型示例性实施例的基于lstm的铝电解槽系列对地绝缘电阻预测网络示意图。
具体实施方式
24.下面结合实施例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本

技术实现要素：
所实现的技术均属于本实用新型的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.如图1所示，本实用新型提供一种铝电解槽系列对地漏电故障定位检测系统，包括电压源，一条直流母线，m个铝电解槽通过直流母线串联形成铝电解槽系列(铝电解槽编号为c1,c2,...,c
i
,c
i 1
,...,c
m
‑2,c
m
‑1,c
m
)，每个铝电解槽分别连接有对地漏电故障检测回路。
27.对地漏电故障检测回路包括信号发送导线，电压接收导线，绝缘电阻，接地电阻，限流电阻和主控计算机处理单元u1(简称为主控机)。所述信号发送导线的一端与主控计算机处理单元连接，每条信号发送导线的另一端与对应铝电解槽的接地点连接；接地点还通过绝缘电阻与对应铝电解槽连接；接地点还与电压接收导线的一端连接，电压接收导线的另一端与主控计算机处理单元连接，主控计算机处理单元计算绝缘电阻的电阻值，从而定位出现对地漏电故障的铝电解槽；接地点还通过接地电阻接地。
28.即本系统中包括m条信号发送导线(t1,t2,...,t
i
,t
i 1
,...,t
m
‑2,t
m
‑1,t
m
),m条电压接收导线(r1,r2,...,r
i
,r
i 1
,...,r
m
‑2,r
m
‑1,r
m
)，m个绝缘电阻(z1,z2,...,z
i
,z
i 1
,...,z
m
‑2,z
m
‑1,z
m
)，m个接地电阻(rg1,rg2,...,rg
i
,rg
i 1
,...,rg
m
‑2,rg
m
‑1,rg
m
)，m个限流电阻(ro1,ro2,...,ro
m
)和主控计算机处理单元u1。
29.本实施例中，每个铝电解槽均拥有唯一编号，且每个编号对应唯一的位置。信号发送导线和电压接收导线均为高温防氟双绞导线。
30.m条信号发送导线中的第m条信号发送导线t
m
的一端与第m限流电阻ro
m
的一端连接，第m限流电阻ro
m
的另一端与主控计算机处理单元的发送模块连接；第m条信号发送导线t
m
的另一端与对应的第m个铝电解槽c
m
的接地点m连接，接地点m还与第m条电压接收导线r
m
的一端连接，第m条电压接收导线r
m
的另一端与主控计算机处理单元的接收模块连接。接地点m还分别与第m绝缘电阻z
m
的一端和第m接地电阻rg
m
的一端连接，第m接地电阻rg
m
的另一端接地，第m绝缘电阻z
m
的另一端与第m个铝电解槽c
m
连接。
31.例如第1条信号发送导线t1的一端与第一限流电阻ro1的一端连接，第一限流电阻ro1的另一端与主控计算机处理单元的发送模块连接；第1条信号发送导线t1的另一端与对
应的第1个铝电解槽c1的接地点1连接，接地点1还与第1条电压接收导线r1的一端连接，第1条电压接收导线r1的另一端与主控计算机处理单元的接收模块连接。接地点1还分别与第1绝缘电阻z1的一端和第1接地电阻rg1的一端连接，第1接地电阻rg1的另一端接地，第1绝缘电阻z1的另一端与第1个铝电解槽c1连接。
32.主控计算机处理单元的信号产生模块产生测量信号，信号发送模块通过信号发送导线将测量信号发送到对应铝电解槽的接地点，测量信号通过绝缘电阻后，经过待测的铝电解槽和直流母线后经s
‑
bus返回到主控计算机处理单元的vs端。且测量信号在对应铝电解槽的接地点会产生电压(v1,v2,...,v
i
,v
i 1
,...,v
m
‑2,v
m
‑1,v
m
)，电压将通过电压接收导线返回主控计算机处理单元，主控计算机处理单元根据电压计算绝缘电阻值，并与电解铝行业对电解槽对地绝缘电阻要求的门限值进行比对以判定是否铝电解槽有绝缘不良或绝缘破损发生，若绝缘电阻值小于门限值则说明铝电解槽将出现对地漏电故障应立即报警，同时显示铝电解槽的编号，从而实现对地漏电故障的铝电解槽定位；若绝缘电阻值大于或等于门限值则说明铝电解槽没有出现对地漏电故障。
33.铝电解现场母线电流很大，可达几十万安培，因而其产生的电磁干扰很严重，为抗干扰，发送的测量信号采用正弦多载波fsk信号格式，一般采用四种载波频率(例如500hz、2.4khz、4khz、5khz)，四种频率可测得四个电阻值，从电阻值随频率的变化可确定绝缘电阻的特性是容性还是感性，根据其特性，可确定哪一频率测量的电阻值更适合作最终绝缘电阻值。同时，多频率点对现场测量抗干扰也有好处，可以选择那些在干扰频带范围外的频率作为测量信号频率，频率范围从500hz到5khz，具体频率根据现场干扰频谱图来确定。测量信号的载波变化按固定周期频率(4hz)频率切换，各载波初始相位相同，信号幅度不大于15v，驱动电流小于1a。
34.以对第1个铝电解槽为例进行说明：
35.主控计算机处理单元的信号产生模块产生测量信号，信号发送模块通过信号发送导线t1将测量信号发送到铝电解槽c1的接地点1，测量信号通过绝缘电阻z1后经过铝电解槽c1和直流母线后返回到主控计算机处理单元。同时测量信号在铝电解槽c1的接地点1会产生电压v1，电压v1将通过电压接收导线返回主控计算机处理单元，主控计算机处理单元根据电压v1计算绝缘电阻z1的阻值，并与门限值(每个铝电解槽有门限值要求)进行比对。若绝缘电阻z1的阻值小于门限值则说明铝电解槽出现故障应立即报警，同时显示铝电解槽的编号，从而实现对地漏电故障的铝电解槽定位。
36.主控计算机处理单元包括信号产生模块、发送模块、接收模块、计算模块、判断模块、预测报警模块和控制器，信号产生模块、发送模块、接收模块、计算模块、判断模块和预测报警模块分别和控制器连接。
37.信号产生模块，用于产生测量信号；发送模块，用于将测量信号发送到待测铝电解槽的接地点；接收模块，用于接收接地点的电压；计算模块，用于根据接地点的电压计算待测铝电解槽对应绝缘电阻的电阻值；判断模块，用于将计算模块计算的电阻值进行比对；预测报警模块，用于根据比对模块的结果发出报警提示，若绝缘电阻值小于标准值则说明铝电解槽出现故障应立即报警，同时显示铝电解槽的编号，从而实现对出现对地漏电故障的铝电解槽定位。
38.主控计算机处理单元还包括预警模块，用于根据lstm神经网络和历史对地绝缘电
阻值以预测绝缘电阻的变化，实现铝电解槽和铝电解槽各点对地漏电故障预警。
39.基于上述系统，如图2所示，本实用新型还提供一种铝电解槽系列对地漏电故障定位检测方法，包括铝电解槽系列对地漏电故障定位、预警检测系统，具体包括以下步骤：
40.s1：对待测铝电解槽ci
‑
1进行检测时，主控计算机处理单元产生测量信号并通过第i
‑
1条信号发送导线发送到接地点i
‑
1，并在接地点i
‑
1产生电压vi
‑
1；
41.s2：测量信号经第i
‑
1绝缘电阻和待测铝电解槽ci
‑
1后回到主控计算机处理单元；第i
‑
1条电压接收导线将电压vi
‑
1反馈到主控计算机处理单元，主控计算机处理单元同时接收其它铝电解槽的接地点的电压值。
42.本实施例中，每个铝电解槽的接地点是通过接地网进行连接的，因此在待测铝电解槽的接地点i
‑
1产生电压vi
‑
1时，其它铝电解槽的接地点也会对应产生电压并分别通过对应的电压接收导线传输到主控计算机处理单元进行存储。
43.s3：主控计算机处理单元根据接收的电压计算第i
‑
1绝缘电阻的电阻值，并与门限值进行比对，若绝缘电阻值小于门限值则说明铝电解槽出现对地漏电故障应立即报警，同时显示铝电解槽的编号，从而实现对出现对地漏电故障的铝电解槽定位。
44.本实施例中，第i
‑
1绝缘电阻的电阻值计算如图3所示，为绝缘电阻的电阻值等效电路图：
45.主控计算机处理单元发出一个频率点fsk信号，并通过限流电阻roi
‑
1和信号发送导线在接地点i
‑
1产生电压vi
‑
1，同时其它接地点通过接地网也会产生相应电压，为便于计算只考虑相邻前后两个铝电解槽对待测铝电解槽的影响，其它铝电解槽相距较远，对待测铝电解槽影响可忽略。
46.s3
‑
1：即分别计算第i
‑
1绝缘电阻的接地点i
‑
1与相邻接地点i
‑
2之间的电阻rg
a
以及接地点i
‑
1与相邻接地点i之间的电阻rg
b
：
[0047][0048]
公式(1)中，rg
a
表示接地点i
‑
1与接地点i
‑
2之间的电阻；rg
b
表示接地点i
‑
1与接地点i之间的电阻；v
i
‑1表示接地点i
‑
1的电压；v
i
‑2表示接地点i
‑
2的电压；v
in
表示测量信号电压；v
i
表示接地点i的电压；r0表示限流电阻roi
‑
1的电阻值。
[0049]
s3
‑
2：分别计算第i
‑
1绝缘电阻相邻绝缘电阻zi
‑
2和zi的电阻值z
i
‑2、z
i
：
[0050][0051]
公式(2)中，z
i
‑2表示第i
‑
1绝缘电阻相邻的第i
‑
2绝缘电阻zi
‑
2的电阻值，z
i
表示第i
‑
1绝缘电阻相邻的第i绝缘电阻zi的电阻值；
[0052]
s3
‑
3：计算第i
‑
1绝缘电阻zi
‑
1的电阻值z
i
‑1:
[0053]
先计算ra＝rg
a
z
i
‑2，rb＝rg
b
z
i
，
[0054]
再令r
ab
＝r
a
//r
b
，因r
z
＝r
ab
//z
i
‑1[0055]
则可得到：
[0056]
解得第i
‑
1绝缘电阻zi
‑
1的电阻值z
i
‑1：
[0057]
公式(3)中，//表示电阻并联运算符，r
z
表示第i
‑
1接地点的总等效电阻，ra和rb为便于计算引入的中间变量。
[0058]
本实施例中，当对第一个铝电解槽进行测量即计算第一绝缘电阻时，则把它的前一个的值认为无穷大，对应公式(3)中ra为无穷大，r
ab
＝r
b
；当对最后一个铝电解槽进行测量即计算第i绝缘电阻时，把它的后一个值认为无穷大，对应对应公式(3)中r
b
为无穷大，r
ab
＝ra。
[0059]
本实施例中，对于那些还没出现对地漏电故障的铝电解槽，主控计算机处理单元可根据历史绝缘电阻值，采用神经网络方法预测绝缘电阻值变化趋势。神经网络方法采用“长短周期记忆神经网络”lstm来实现。lstm神经网络适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟非常长的重要事件。因为铝电解槽对地绝缘电阻的变化是一个长期逐渐恶化的过程，与lstm法适用的对象相吻合，所以采用lstm方法能很好的预测铝电解槽对应绝缘电阻变化趋势，预警成功率高。
[0060]
还包括s4：采用lstm神经网络分别对主控计算机处理单元采集的每个铝电解槽的历史绝缘电阻值进行计算，输出绝缘电阻值的预测值。如图4所示，s4
‑
1：构造基于lstm的铝电解槽对地绝缘电阻预测网络；
[0061]
本实施例中，由于lstm网络对数据具有长期记忆性，充分考虑了数据的时间相关性，可以根据当前状态自动调整历史信息对当前预测的贡献，因此构建基于lstm铝电解槽对地绝缘电阻预测网络，如图5所示。
[0062]
s4
‑
2：获取主控计算机处理单元存储的铝电解槽的历史绝缘电阻值，并划分为训练集、验证集和测试集；
[0063]
本实施例中，从主控计算机处理单元的存储模块中获取铝电解槽的历史绝缘电阻值，对历史绝缘电阻值进行归一化处理，并按照8：1：1的比例划分为训练集、验证集和测试集。
[0064]
本实施例中，将任一铝电解槽的历史绝缘电阻值每隔时间段t采集一次电阻，共采集n次，作为模型输入，其对应的时间t的电阻值作为标签，根据预测值与设定阈值的大小关系判断铝电解槽是否出现对地漏电。
[0065]
s4
‑
3：初始化基于lstm的铝电解槽对地绝缘电阻预测网络模型参数：
[0066]
将网络的输出y和初始值c
<t
‑
1>
初始化为0；将网络隐藏层的权重矩阵w
c
和偏置b
c
、输入门的权重矩阵w
i
和偏置b
i
、更新门的权重矩阵w
u
和偏置b
u
、输出门的权重矩阵w
o
和偏置b
o
以及遗忘门的权重矩阵w
f
和偏置b
f
初始化为0～1之间的随机数；设置网络输入层神经元的个数为i 1，网络隐藏层、输入门、遗忘门和输出门的神经元的个数均为i；c
<t>
表示t时刻的的记忆信息；a
<t>
表示模型t时刻的输出；x
<t>
表示模型t时刻的输入。
[0067]
s4
‑
4：对基于lstm的铝电解槽对地绝缘电阻预测网络模型进行训练：
[0068]
设置隐含层神经元激活函数a、输出单元激活函数b、模型损失函数l、反向调优算法j以及目标误差值e；利用划分好的样本训练集对模型进行训练，根据预测值与真实值之间的差值，用反向调优算法j对模型权值、偏置进行优化。
[0069]
在单个lstm单元结构中，用遗忘门γ
f<t>
根据t
‑
1时刻的输出a
<t
‑
1>
和t时刻的输入x
<t>
计算继承上个时间步的信息量：
[0070]
γ
f<t>
＝σ(w
f
[a
<t
‑
1>
,x
<t>
] b
f
)；
[0071]
同时根据a
<t
‑
1>
和x
<t>
计算出需要更新的记忆信息用更新门γ
u<t>
计算在节点记忆信息中所占比例，最终节点记忆信息c
<t>
由遗忘门和更新门共同决定:
[0072][0073]
γ
u<t>
＝σ(w
u
[a
<t
‑
1>
,x
<t>
] b
u
)，
[0074][0075]
则模型输出由输出门γ
o<t>
和节点记忆信息计算得出
[0076]
γ
o<t>
＝σ(w
o
[a
<t
‑
1>
,x
<t>
] b
o
)
[0077]
a
<t>
＝γ
o<t>
·
tanh(c
<t>
)；σ表示sigmoid函数；
[0078]
s4
‑
5：对基于lstm的铝电解槽对地绝缘电阻预测网络模型进行优化：
[0079]
将验证集带入训练好的模型进行性能验证，根据模型偏差和方差对模型超参数进行微调；利用测试集对模型性能进行最终评价，采用平均绝对误差评估法作为lstm性能评价指标。
[0080]
s4
‑
6：将采集的铝电解槽绝缘电阻值输入训练完成的模型，得到绝缘电阻预测结果。
[0081]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。