本文關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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分類呼：ＴＭ７６ 搟 級(jí)：

啦俯ｆ℃科：１ ０４２２ 學(xué)
呼：２００２１１３９０

⑧∥▲東歲，番
碩士學(xué)位論文
Ｓｈａｎｄｏｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍ ａ擎ｔｅｒ’ｓ Ｔｈｅｓ ＩＳ

論文題¨：

電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷

作斯姓名 譬
北

王鑫 電力系統(tǒng)及奠自動(dòng)化

指導(dǎo)數(shù)師蝌－名 擎！世技術(shù)職務(wù)
魏殿杰剮教授

２００５ ｆｌ－５

Ｊ Ｊ １０

原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研
究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。

論文作者簽?zāi)曳?br />
日期：

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關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明
本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本 人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文．

（保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）
一

論文作者簽名：芝盛導(dǎo)師簽名：。紐壘日期：ｄ：』』！

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中文摘要
本文在分析現(xiàn)代電力系統(tǒng)設(shè)備檢修體制的基礎(chǔ)上，論述了電氣設(shè)備實(shí)行狀態(tài) 監(jiān)測(cè)必要性和可能性，并以高壓斷路器為研究對(duì)象．高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重 要的電氣設(shè)備，在電網(wǎng)中起到控制和保護(hù)作用，因此確保斷路器的可靠性運(yùn)行極 為重要。目前實(shí)行的定期檢修制度盲目性大，并且容易引入新的故障隱患，降低 設(shè)備的可靠性。因此必須對(duì)高壓斷路器狀態(tài)實(shí)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器的運(yùn) 行狀態(tài)，并為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供依據(jù)． 高壓斷路器大部分故障源于機(jī)械方面，因此研究機(jī)械故障具有重要的意義。 高壓斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)豐富的信息載體，包含有大量的設(shè)備狀態(tài)信 息，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和 診斷高壓斷路器的機(jī)械狀態(tài)已經(jīng)可行，并且受到重視．本文提出利用小波分析技 術(shù)的模極大值分析法，將模極大值作為故障特征參數(shù)作為決策表的原始輸入，且 利用粗糙集理論提取高壓斷路器機(jī)械故障診斷的規(guī)則，提高了故障診斷的可靠 性． 模極大值分析法，也是利用小波分解來檢測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)，根據(jù)信號(hào)出現(xiàn)突變 時(shí)，小波變換后的系數(shù)具有模量極大值，來確定故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，并且將模值
作為故障診斷的特征參數(shù)。

將小波分析得到的故障特征參數(shù)作為決策表的原始輸入，利用粗糙集理論對(duì) 其進(jìn)行約簡(jiǎn)，在保持決策表分類能力不變的情況下，去掉診斷中的不重要因素， 保留重要的要素，簡(jiǎn)化進(jìn)行故障診斷時(shí)所需的信息，從而提高故障診斷的準(zhǔn)確率。 最后是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)部分，介紹了硬件與軟件的實(shí)現(xiàn)。硬件部分主要介紹了 ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板的特點(diǎn)和參數(shù)。軟件部分，系統(tǒng)主要采用Ｖｉｓｕａｌ
ｃ＋＋６．ｏ，

Ｍａｔｌａｂ ６，５進(jìn)行編程，以Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０位開發(fā)平臺(tái)．該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，

通信等功能，同時(shí)直接調(diào)用Ｍａｔｌａｂ６．５編程語言，直接利用Ｍａｔｌａｂ中豐富的數(shù)據(jù) 處理方法和數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析． 關(guān)鍵詞：高壓斷路器 ．租糙集 在線檢測(cè) 故障診斷 振動(dòng)信號(hào) 信號(hào)處理

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｂａｓｅｄ

Ｏｎ

ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ

ｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｓｔａｍｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｉｓ
ｏｎｅ

ｆａｕｌｔｄｉａｇｕｏｓｉｓ

ＨＶ（ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ）ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ罄ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ ＨＶ

ｏｆ ｔｈｅ

ｍａｊｏｒ

ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｓ

ｉｓ ｖｅｒｙ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｏ ｉｔｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ
ｂｒｅａｋｅｒｓ
ａｒｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ａｔ

ｈｏｍｅ，ｔｈｅ ＨＶ ｃｉｒｃｕｉｔ

ｏｖｅｒｈａｕｌｅｄ ｒｅｇｕｌａｒｌｙ ｂｙ ｒｏｕｔｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｎｏｗ．Ｔｈｉｓ ｗａｙ ｉｓ ｅｙｅｌｅｓｓ ｗｈｉｃｈ

ｕｓｕａｌｌｙ ｂｒｉｎｇｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｆａｕｌｔ ｔｏ

ｓｙｓｔｅｍ

ａｎｄ

ｒｅｄｕｃｅ

ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｒｅａｌ?ｔｉｍｅ ｓｔａｔｅ

ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｏｎ－?ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆｈｅ ＨＶ ｃｉｒｃｕｉｔ

ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｆｏｒ

ｂｒｅａｋｅＬ——
ｒｏｏｔ

Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒｓ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｔａｉｎｓ
ａｓ ａｎ

ｆｒｏｍ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ｉｆ ｏｆ ｆａｒ ｒｅａｃｈｉｎｇ

ｂｒｅａｋｅｒｓ

ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ．

ｐｌｅｎｔｉｆｕｌ

ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｏｆｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ｓｅｎｓｏｒ。

ａｂｕｎｄａｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｃａｒｒｉｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ

ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ

ｓｔｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｉｔ ｉｓ
ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ

ｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ

ｄｉａｇｎｏｓｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ｓｔａｔｅ ｏｆ

ｂｒｅａｋｅｒ

ｏｎ

ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ

ｏｆ ｔｈｅ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｈａｖｅ

ｂｅｅｎ

ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ：ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐ ｏｆｓｉｇｎａｌ
ｏｎ

ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ

ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ

ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ．
ｓ

Ｔｈｅ

ｆｉｒｓｔ ｍｅｔｈｏｄ：

Ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｗｈｉｃｈ
Ｃａｌｌ

ｌｏｗ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ

ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍ

ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ’ｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

ｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｎ

ｉｔ Ｃａｎ

ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＨＶ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ’ｓ

ｗａｖｅｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆａｕＲ ＣＯｎｄｉｔｉｏｎ＇ｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ．

Ｔｈｅ
ｗａｖｅｌｅｔ

ｓｅｃｏｎｄ ｍｅｔｈｏｄ：Ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｔｈｅ

Ｏｎ

ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ

ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．＇Ｗ］ｌｅｎ Ｃａｎ
ａｐｐｅａｒ．Ｉｔ
ｃａｌｌ

ｓｉｐ ｏｃｃｕｒ ｔｈｅ ｓｉｎｇｕｌａｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ’Ｓ
ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ
ＯＣＣＢＬ Ａｔ

ｍａｘｉｍｕｍ ｍｏｄｕｌｅ

Ｃａｎ

ｃｏｎｆｉｒｍ

ｔｈｅ

ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．

ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ
．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ

ｓｔａｔｕｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ

２

ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ， ＷＣ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｏｆ Ｖｉｓｕａｌ

ａｎｄ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆＢＨ５１１６．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔ＇ｗａｒｅ，ｔｈｅ
ｃａｌｌ

ｓｙｓｔｅｍ

Ｃ＊卜６．０，Ｍａｔｌａｂ６．５’ｗｈｉｃｈ

ｏｂｔａｉｎ

ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｄａｔａ
ｃａｎ

ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ，ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＶＣ Ｍａｔｌａｂ ｐｒｏｇｒａｍ
ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ．

ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃａｌｌ

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：

Ｉ－ＩＶ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ

ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
?

ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；

Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ

３

符號(hào)說明

Ａ＼Ｂ＝｛ｘｌｘ∈Ａ＾工萑Ｂ｝Ａ和Ｂ的差，記為Ａ＼Ｂ；
ｃａｒｄ（Ａ）：集合所包含元素的個(gè)數(shù)，稱為該集合的基數(shù)；
ＨＶ：高壓； ＲＳ：粗糙集。
。

４

第一章：緒論

１．１課題的提出
隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位日趨重要，因此對(duì)電 力系統(tǒng)安全可靠性提出了更高的要求，同時(shí)，電力系統(tǒng)的改革也促使各個(gè)電力運(yùn) 營(yíng)商在滿足質(zhì)量要求的情況下追求以最低的成本實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，而其中重要的 舉措之一就是采取科學(xué)的監(jiān)測(cè)和故障診斷手段對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢修，從而能夠提 早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，提高設(shè)備的可靠性，降低運(yùn)行和維修的成本。 設(shè)備的檢修體制大致經(jīng)歷了事后維修、預(yù)防性定期檢修、狀態(tài)檢修的方式， 而我國(guó)電力系統(tǒng)當(dāng)前對(duì)電氣設(shè)備所采取的維修方式為事后維修和預(yù)防性定期檢 修的方式Ⅲ啷． 早期所采用的事后維修方式（Ｂ．Ｍ．，Ｂｒｅａｋｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）是當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生 故障時(shí)才進(jìn)行的維修，此時(shí)事故已經(jīng)造成，所承受的經(jīng)濟(jì)損失也是最大的．在現(xiàn) 代設(shè)備管理要求下，事后維修僅用于對(duì)生產(chǎn)影響極小的非重點(diǎn)設(shè)備、有冗余配置 的設(shè)備或采用其他檢修方式不經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。
１

預(yù)防性定期檢修（Ｔｉｍｅ ｂａｓｅｄ ｍａｉｔｅｎａｎｃｅ）是以時(shí)問為基礎(chǔ)的預(yù)防檢修方式， 在電廠通常分為大修、小修，這種檢修方式不管被檢修的電氣設(shè)備狀態(tài)如何，一 律到期必修．長(zhǎng)期以來，ＴＢＭ對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起到了很大的作用，但 隨著電力系統(tǒng)向高電壓，大容量，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，以及用電部門要求的提高，這種 傳統(tǒng)的方法已越來越不適用，主要表現(xiàn)在：（１）需要停電進(jìn)行試驗(yàn)，而很多重要 電力設(shè)備輕易不能退出運(yùn)行；（２）停電后設(shè)備狀態(tài)（如Ｔ作電壓，溫度等）和運(yùn) 行中不一致，影響判斷準(zhǔn)確性；（３）受檢修周期的限制，檢修往往不能恰到好處， 對(duì)在兩次檢修期間發(fā)生的事故沒有好的解決方法． 在２０世紀(jì)７０年代美國(guó)杜邦公司首先提出了狀態(tài)檢修（ｃ．Ｂ．Ｍ，Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｂａｓｅｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）．這是從預(yù)防性檢修發(fā)展而來的更高層次的檢修體制，是一種以設(shè) 備狀態(tài)為基礎(chǔ)、以預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)為依據(jù)的檢修方式。這種檢修方式能及 時(shí)地有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，不僅可以提高設(shè)備地可用率，還能有效降低檢 修費(fèi)用，它與預(yù)防性檢修相比較，帶有強(qiáng)烈地主動(dòng)色彩．國(guó)務(wù)院于１９８７年頒發(fā)的

出丕太堂亟±堂焦途塞
《全民所有制工業(yè)交通設(shè)備管理?xiàng)l例》明確指出：“應(yīng)采用以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基 礎(chǔ)的方法，不斷提高設(shè)備管理和維修現(xiàn)代化水平．
一

狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)是狀態(tài)檢測(cè)，根據(jù)對(duì)設(shè)備的日常檢查、定期重點(diǎn)檢查、在線 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷所提供的信息，經(jīng)過分析處理，判斷設(shè)備的健康和性能劣化 狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，并在設(shè)備故障發(fā)生前及性能降低到不允許極限前有計(jì)劃地安 排檢修。ＣＢＭ的特點(diǎn)是：ａ．有一個(gè)能反映設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)；ｂ．有一個(gè)規(guī)定的閾值 或概念明確的判據(jù)。以判斷設(shè)備是否需要檢修；ｃ．ＣＢＭ Ｔ作本身不需要接替設(shè)
備．

本文就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究，進(jìn)行 狀態(tài)監(jiān)測(cè)就是盡早的發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行故障診斷就是盡快找出故障發(fā)生的原因，為 狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

１．２國(guó)內(nèi)外電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究狀況
‘國(guó)外對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究，始予６０年代，各個(gè)發(fā)達(dá) 國(guó)家都很重視。美國(guó)是開發(fā)設(shè)備診斷技術(shù)最早的國(guó)家．１９６７年４月，由美國(guó)宇 航局創(chuàng)導(dǎo)，美海軍研究室主持下，成立了美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組．１９７６年芙國(guó) 西屋公司即開發(fā)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)地發(fā)電廠設(shè)備診斷系統(tǒng)，８０年代向電力部門展 示了一套以微處理器為基礎(chǔ)地發(fā)電機(jī)診斷系統(tǒng)．歐洲一些工業(yè)國(guó)家的設(shè)備診斷技 術(shù)研究和開發(fā)都有了進(jìn)展，而且各具自己地專長(zhǎng)領(lǐng)域和特色．如丹麥Ｂ＆Ｄ公司 的聲學(xué)與振動(dòng)檢測(cè)和診斷技術(shù)，瑞典的ＡＧＥＭＡ公司紅外測(cè)溫技術(shù)，其紅外熱 像儀廣泛地用于電力部門帶電部件及輸電線測(cè)溫，瑞典ＳＡＰ儀表公司軸承監(jiān)測(cè) 技術(shù)等。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議于１９９０年發(fā)表了關(guān)于電氣設(shè)備絕緣診斷技術(shù)的綜述性 報(bào)告，對(duì)這一領(lǐng)域截止８０年代末的研究成果作了系統(tǒng)的總結(jié)． 我國(guó)設(shè)備診斷技術(shù)的研究開發(fā)是從７０年代末期開始，從８０年代開始，國(guó)內(nèi) 大專院校，科研所等開展了電力設(shè)備診斷技術(shù)的開發(fā)，研制并取得了一批成果。 北京電力科學(xué)研究所、清華大學(xué)、陡河電廠聯(lián)合開發(fā)了大型汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè) 和故障診斷系統(tǒng)，華中理工大學(xué)開發(fā)地２００ＭＷ汽輪發(fā)電機(jī)組地壽命管理和故障 診斷專家系統(tǒng)，可以診斷機(jī)組各類原因的振動(dòng)故障；華北電力科學(xué)院利用美國(guó) ＥＮＴＥＫ公司電動(dòng)機(jī)診斷軟件開發(fā)了電動(dòng)機(jī)診斷專家系統(tǒng)，在電廠實(shí)測(cè)５５臺(tái)電動(dòng)
６

出壅太堂亟±堂焦途塞
機(jī)，準(zhǔn)確度高：東北電力科學(xué)研究院研制成功ＢＺＳ變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置， 武漢高壓研究所研制成功變壓器局部放電診斷裝置，都獲得廣泛運(yùn)用；紅外線監(jiān) 測(cè)技術(shù)在全國(guó)電力系統(tǒng)獲得了廣泛運(yùn)用．另外，人工智能診斷技術(shù)也正逐步運(yùn)用
于電力設(shè)備的故障診斷哪Ⅲ．

國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐證明，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)能實(shí)時(shí)掌握電氣設(shè)備的運(yùn) 行狀況、電氣參數(shù)的特性，減少突發(fā)性故障的發(fā)生，提高設(shè)備的安全可靠性和運(yùn) 行效益，降低設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)率、維修成本和壽命周期費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，
從而增加電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益．但是由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的難度，不論

是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，除個(gè)別項(xiàng)目外，大都還不成熟，仍處于研究發(fā)展階段．

１．３電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的發(fā)展
隨著傳感器、計(jì)算機(jī)，光纖等高新技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論應(yīng)用，人工智能技術(shù)的 發(fā)展，為監(jiān)測(cè)和診斷提供了進(jìn)一步發(fā)展的空間。監(jiān)測(cè)與診斷過程分為信號(hào)檢測(cè)、 信號(hào)處理及其特征提取、狀態(tài)判別與分類、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等幾項(xiàng)基本內(nèi)容。在監(jiān)測(cè)過 程中，狀態(tài)判別主要關(guān)心的是設(shè)備系統(tǒng)的整體狀況；而在故障診斷中，狀態(tài)分類 則是在發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常后。對(duì)故障進(jìn)行深入的分析，已確定故障發(fā)生的部位、嚴(yán)重 程度及其原因，為診斷決策提供依據(jù)嘲． １．３．１現(xiàn)代傳感技術(shù)在電力設(shè)備監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)是以信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理為主干，，傳感是測(cè)量與檢 測(cè)的第一步．隨著科技的發(fā)展，新的測(cè)量傳感技術(shù)在電力設(shè)備監(jiān)測(cè)中有了更為廣 泛的應(yīng)用，由此發(fā)展的光纖傳感技術(shù)、噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)、聲發(fā)射技 術(shù)，無損探傷技術(shù)等拓寬了傳統(tǒng)的電力設(shè)備的測(cè)量范圍，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性， 使電力設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)得到了重要發(fā)展．文獻(xiàn)【６】介紹了一種基于單片機(jī) 的高壓斷路器綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．通過采用了絕緣泄漏電流傳感器準(zhǔn)確測(cè)量微安 級(jí)泄漏電流；直線位移傳感器來監(jiān)測(cè)斷路器動(dòng)觸頭速度和行程；跟蹤性霍爾電流 傳感器分合閘線圈回路電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流及短路電流；實(shí)現(xiàn)多參量的綜合監(jiān)測(cè) 來判斷斷路器的機(jī)械性能的系統(tǒng)，全面地了解斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)【７】介 紹了利用光纖溫度傳感器來測(cè)量真空斷路器觸頭溫度，不僅能夠直接診斷真空斷
７

路器的長(zhǎng)期穩(wěn)定溫升，還可以估計(jì)觸頭的接觸壓力．根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行“狀態(tài)維 修”，對(duì)提高設(shè)備的不停電率和節(jié)省檢修人力、物力有著重要的實(shí)際意義。文獻(xiàn) 【８】介紹了一種六氟化硫氣體密度的在線數(shù)字式監(jiān)測(cè)裝置，通過壓力、溫度變 送器采集斷路器中ＳＦ６氣體壓力值和溫度值，經(jīng)過ＡｒＤ變換送至單片機(jī)。通過數(shù) 字運(yùn)算獲得在線監(jiān)測(cè)的ＳＦ６氣體。 １．３．２信號(hào)處理技術(shù)在電力設(shè)備診斷中的應(yīng)用 通過信號(hào)處理，能夠抑止干擾、保留或增加有用的信號(hào)，提煉信號(hào)特征，從 中獲得與故障相關(guān)地征兆，利用征兆進(jìn)行故障診斷。時(shí)域分析、快速傅立葉變換 （ＦＦＴ）頻域分析、小波分析、小波包分析等信號(hào)處理提取技術(shù)的發(fā)展為進(jìn)行診 斷提供了前提條件。文獻(xiàn)［９１對(duì)小波分析在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用作了簡(jiǎn) 要的介紹，利用小波變換的多分辨率性質(zhì)，基于信號(hào)和隨機(jī)噪聲在小波變換域中 不同的模極大值系數(shù)特征，提取信號(hào)和噪聲在多尺度分辨空間中的波形特征，而 且根據(jù)表征該特征的小波系數(shù)模極大值傳播特性的不同，來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)波形的有 效檢測(cè)。小波分析能準(zhǔn)確的反映故障發(fā)生的時(shí)間、位置等信息，并能對(duì)電氣設(shè)備 進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷。文獻(xiàn)【１０】【１ｌ】介紹了基于小波包原理 的振動(dòng)信號(hào)處理方法，小波包變換能將已知信號(hào)按任意時(shí)頻分辨率分解到更加精 細(xì)頻帶，且提高了信號(hào)處理的頻率分辨率，小波包正交分解后的信號(hào)具有各頻帶 信號(hào)獨(dú)立、能量守衡的特點(diǎn)．小波包分析繼承了小波變換所有的時(shí)頻局部化優(yōu)點(diǎn)， 能夠?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)提供一種更精細(xì)的分析方法！它對(duì)多分辨分析沒有細(xì)分的高頻部 分進(jìn)一步分解，從而提高了信號(hào)的時(shí)頻分辨率，是提取振動(dòng)信號(hào)特征的一種很好 的方法。文獻(xiàn)【１２】基于小波變換的信號(hào)奇異性檢測(cè)理論，對(duì)斷路器合閘時(shí)的振 動(dòng)信號(hào)首先進(jìn)行小波去噪處理，提純有用信號(hào)。然后利用Ｈｉｌｂｅｒｔ變換提取信號(hào) 包絡(luò)，對(duì)包絡(luò)進(jìn)行小波變換取得各尺度上的信號(hào)波形．最后根據(jù)小波變換各尺度 上模極大值的傳遞性來計(jì)算信號(hào)包絡(luò)波峰的奇異性指數(shù)，以此作為斷路器故障診 斷的～種特征參數(shù)。取得了較好的效果．
１．３．３診斷方法的應(yīng)用

些』二叁』』墜蘭』墜垡』選

由于診斷過程很難用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法描述，而人工智能技術(shù)則由于其善于模

些東太學(xué)碩士學(xué)僮論文
擬人類處理問題的過程，容易計(jì)及人的經(jīng)驗(yàn)以及具有一定的學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)在這 一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．例如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、遺傳算法、 Ｐｅｔｒｉ網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)，當(dāng)然這些人工智能技術(shù)有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，它們 本身并不是孤立的，很多情況下可以相互結(jié)合以達(dá)到更好的診斷效果。文獻(xiàn)【１３１ 針對(duì)電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障的多樣性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型表示系統(tǒng)狀態(tài)和 斷路器分閘速度之間的關(guān)系，提出采用模糊控制建立斷路器開斷速度特性的運(yùn)動(dòng) 模型，并采用遺傳算法對(duì)模糊模型的隸屬函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得智能操作模糊控制 的隸屬函數(shù)在全局得到優(yōu)化，并得出了優(yōu)化后的隸屬函數(shù)，為斷路器智能控制的 理論深入提出一條新的思路．文獻(xiàn)【１４１基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（Ｒａｄｉａｌ
Ｂａｓｉｓ

ＦｕｎｃｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ，ＲＢＦ）理論，．提取斷路器操作過程中振動(dòng)事件發(fā)生的振動(dòng)信號(hào) 幅值和振動(dòng)事件發(fā)生的時(shí)間區(qū)段作為輸入，建立斷路器振動(dòng)信號(hào)的ＲＢＦ網(wǎng)絡(luò)預(yù) 測(cè)模型，構(gòu)成ＲＢＦ網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器。由于健康狀態(tài)下分合操作的振動(dòng)信號(hào)具有較強(qiáng) 的相似性，因此將ＲＢＦ網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器的輸出與預(yù)先給定的闡值進(jìn)行比較來判別斷 路器是否發(fā)生故障及故障類型．文獻(xiàn)【１５］針對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷問題 提出了多層次多分布式混合智能診斷方法，即用模糊邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，用模 糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行故障分類，用專家系統(tǒng)尋找故障原因和進(jìn)行故障驗(yàn)證。這種混 合技術(shù)及組合技術(shù)的應(yīng)用將是今后的發(fā)展方向

１．４狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷的發(fā)展方向
１．４．１基于多傳感器的信息融合技術(shù)的發(fā)展． 在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中引入多傳感器與信息融合技術(shù)，首先是可以拓寬信息來源 渠道，其次是可以改善信息處理的質(zhì)量，提高診斷的準(zhǔn)確性，以便對(duì)設(shè)備的運(yùn)行 狀態(tài)有整體的、全面的了解．這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高測(cè)量抗干擾的能力， 因?yàn)椴煌膫鞲衅鲗?duì)干擾的反映靈敏度不同，盡管在某些傳感器中可能存在比較 強(qiáng)的干擾信號(hào)，但是當(dāng)與其他對(duì)電磁干擾反映不靈敏的傳感器信息進(jìn)行融合之 后，就可以剔除其中所包含的干擾信號(hào)分量．

９

’

１．４．２基于虛擬技術(shù)的發(fā)展 虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測(cè)試與控制領(lǐng)域技術(shù)的研究熱點(diǎn)，它是以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò) 為基礎(chǔ)，以軟件為核心的自然科學(xué)信息測(cè)試、分析、存儲(chǔ)、傳輸與控制系統(tǒng)。通 過虛擬技術(shù)，系統(tǒng)的界面更加形象逼真。具有良好的可視性和交互性，可以明了 的表現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)？１。 １．４．３設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤“‘１ 隨著分布式計(jì)算技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)和寬帶數(shù)字通 信技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，基于因特網(wǎng)的設(shè)備故障監(jiān)測(cè)將成為現(xiàn)實(shí)，將設(shè)備診斷技術(shù)與 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的早期診斷和及時(shí) 維修。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷可實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的診斷知識(shí)與數(shù)據(jù)共享，遠(yuǎn)程協(xié)作診斷 以因特網(wǎng)為橋梁，必將在時(shí)間和空間上縮短電力設(shè)備和診斷專家的距離。 １．４．４基于人工智能診斷系統(tǒng)開發(fā) 所謂的人工智能是以模型化的計(jì)算機(jī)來代替人的思維方式解決『習(xí)題的一種 方法．專家系統(tǒng)實(shí)際上是人工智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，通過匯集和管理不同來源的 眾多專家知識(shí)，用仿人類專家推理過程的計(jì)算機(jī)模型來解決現(xiàn)實(shí)生活中某些復(fù)雜 的重要問題，而目前專家系統(tǒng)的問題是缺乏有效的診斷知識(shí)表達(dá)、不確定性的知 識(shí)推理及知識(shí)獲取困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起開辟了一條嶄新的途徑，它是由大量處 理單元互連而成的網(wǎng)絡(luò)，是在現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)和認(rèn)知科學(xué)對(duì)人類信息處理研究成 果的基礎(chǔ)上提出的，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力、并行能力、容錯(cuò)能力和 魯棒性，從而可以代替復(fù)雜耗時(shí)的傳統(tǒng)算法，使信號(hào)處理過程更接近人類思維活 動(dòng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中經(jīng)常用模糊的自然語言來說明狀態(tài)的特征，為了準(zhǔn)確 有效的判斷具有模糊征兆的狀態(tài)，必須用模糊集合的概念對(duì)其是否屬于某個(gè)狀態(tài) 的原因進(jìn)行描述，特別對(duì)于一些征兆與狀態(tài)之間無法確定的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜的機(jī) 械系統(tǒng)，只有在獲取系統(tǒng)狀態(tài)的綜合效應(yīng)、積累維修經(jīng)驗(yàn)和集中專家意見的前提 下，用模糊的方法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。

０

１．４．５開放式故障診斷系統(tǒng) 開放式故障診斷系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的故障診 斷系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)是封閉或半封閉的，其構(gòu) 造和輸入都需要設(shè)計(jì)人員來修改，而遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)必須是基于Ｗｅｂ 數(shù)據(jù)庫(kù)的開放式體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者只需完成一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)框架，知識(shí)庫(kù)的填充 是在系統(tǒng)的維護(hù)與使用過程中不斷充實(shí)的，從而使整個(gè)系統(tǒng)具有靈活性，可擴(kuò)展
性．

１．４．６基于壽命周期的成本管理 實(shí)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的最終且的就是為了提高經(jīng)濟(jì)效益和降低生產(chǎn)成本，當(dāng)設(shè)備運(yùn) 行到一定的年限，設(shè)備的檢修費(fèi)用可能會(huì)高于重新配置設(shè)備的費(fèi)用，這與狀態(tài)監(jiān) 測(cè)的初衷是相悖的。而基于設(shè)備壽命周期費(fèi)用管理就是以設(shè)備在整個(gè)壽命周期內(nèi) 所花費(fèi)的總費(fèi)用為評(píng)價(jià)指標(biāo)，比僅僅根據(jù)監(jiān)測(cè)診斷、壽命預(yù)測(cè)、可靠性分析進(jìn)行 狀態(tài)檢修更加合理，更符合所追求的目標(biāo)，基于這種方法的狀態(tài)檢修決策要同時(shí) 考慮本次檢修和本次檢修對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行效率和成本的影響，從而撂出更加切合
‘

實(shí)際的維修、更新措施．

１．５本文研究的主要內(nèi)容：
（１）以電氣設(shè)備中的高壓斷路器為例，分析它的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作機(jī)理，并歸納斷路 器的各種監(jiān)測(cè)方法： （２）運(yùn)用小波理論對(duì)高壓斷路器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行深入的分析，提取故障特征： （３）運(yùn)用粗糙集理論建立高壓斷路器故障診斷規(guī)則庫(kù)。

第二章電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

２．１概述
狀態(tài)監(jiān)測(cè)“１是通過各種測(cè)量、檢測(cè)和分析方法，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的歷史和現(xiàn)狀， 對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以便了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，并且對(duì)設(shè)備狀態(tài) 進(jìn)行顯示和記錄，對(duì)異常情況進(jìn)行處理，并為設(shè)備的故障分析，性能評(píng)估提供基
礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

狀態(tài)監(jiān)測(cè)基于這樣的事實(shí)：大量故障不會(huì)同時(shí)發(fā)生，設(shè)備的劣化大都經(jīng)過了

一個(gè)漸變的發(fā)展過程。通過對(duì)能夠反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的參量進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)
設(shè)備出現(xiàn)異常的跡象，且這種跡象仍然有發(fā)展的趨勢(shì)，我們就認(rèn)為該種設(shè)備有發(fā)
生故障的可能。

電氣設(shè)備的狀態(tài)通�？梢苑譃槿N情況：正常狀態(tài)，異常狀態(tài)、故障狀態(tài)。 正常狀態(tài)指設(shè)備的整體或其局部沒有缺陷，或雖有缺陷但不影響設(shè)備的正常運(yùn) 行。異常狀態(tài)是指缺陷已有一定程度的擴(kuò)展，使電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)發(fā)生一定的變． 化，電氣設(shè)各的性能已經(jīng)劣化。但仍能維持工作，此時(shí)應(yīng)該注意設(shè)備性能的發(fā)展 趨勢(shì)，開始制定相關(guān)檢修計(jì)劃。故障狀態(tài)則指設(shè)備的性能指標(biāo)已有明顯的下降， 設(shè)備已經(jīng)不能維持正常的工作，包括故障萌生并有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)的早期故障； 程度尚不嚴(yán)重，電氣設(shè)備仍可勉強(qiáng)“帶病”運(yùn)行的一般功能性故障；電氣設(shè)備不 能繼續(xù)運(yùn)行的嚴(yán)重故障以及已經(jīng)導(dǎo)致災(zāi)害事故的破壞性故障等． 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的原理就是通過傳感器將能夠反映設(shè)備狀態(tài)的參量送入計(jì)算機(jī)，經(jīng) 過信號(hào)處理獲得表征設(shè)備特征參數(shù)，在與根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)確定的閾值參數(shù)進(jìn) 行比較以判斷設(shè)備的狀態(tài)情況，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過程如圖所示：

圖２－１狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理圖

２．２高壓斷路器的基本介紹
在電力系統(tǒng)中使用的３ｋＶ及以上的斷路器稱為高壓斷路器“”，在電網(wǎng)中它 主要有控制和保護(hù)兩種作用，即能根據(jù)電網(wǎng)的需要進(jìn)行電力設(shè)備及線路的投切以 及當(dāng)電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，能將故障部分迅速?gòu)碾娋W(wǎng)中切除，保證電網(wǎng)無 故障部分可靠運(yùn)行，因此是一種重要的電氣設(shè)備． ２．２．１高壓斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和組成 電力系統(tǒng)中應(yīng)用的高壓斷路器根據(jù)滅弧原理可以分為油斷路器（多油和少 油）、壓縮空氣斷路器、ｓＦ６斷路器，真空斷路器、磁吹斷路器“”等。斷路器的典 型結(jié)構(gòu)如圖２一ｌ所示．圖中開斷元件啪１是斷路器用來進(jìn)行關(guān)合、承載和開斷正
常工作電流和故障電流的執(zhí)行元件，它包括觸頭、導(dǎo)電部分和滅弧室等．觸頭的

分合動(dòng)作是靠操動(dòng)機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)的，根據(jù)能量形式的不同，操動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為手動(dòng)操 動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＳ）、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＤ）、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＴ）、電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＪ）、 氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＱ）和液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)（ＣＹ）等，其中適應(yīng)于中小型斷路器的彈 簧操作機(jī)構(gòu)和適用于１２６ｋｖ及以上高壓斷路器的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是未來的發(fā)腥方 向。在操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器動(dòng)觸頭之間連接的傳動(dòng)部分稱為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)。

圖２－－１高壓斷路器典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

２．２．２高壓斷路器合分閘過程 操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的重要組成部分，斷路器的工作可靠性很大程度上依賴于 操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性，操動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是一個(gè)獨(dú)立的裝置Ⅲ１，一種型號(hào)的操動(dòng)機(jī) 構(gòu)可以配用于不同型號(hào)的斷路器，而同一種型號(hào)的斷路器也可配裝不同型號(hào)的操 動(dòng)機(jī)構(gòu)。下面我們以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，介紹一下斷路器的合閘與分閘過程。首 先我們應(yīng)該清楚這幾個(gè)概念“”： ●開距：高壓斷路器分閘到底時(shí)，動(dòng)觸頭與靜觸頭之間形成一定長(zhǎng)度的 絕緣間隙以保證線路能徹底斷開。斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，此時(shí)觸頭 之間的絕緣間隙被稱為開距。 ?行程：指高壓斷路器分閘過程中動(dòng)觸頭所走過的距離，形成包括了觸 頭之間的開距和觸頭接觸行程。 ●超行程：為保證足夠的接觸壓力，補(bǔ)償觸頭受電弧的燒損以及獲得必 要的分閘速度，動(dòng)端需要超行程來保證。 ?合閘時(shí)間：從發(fā)合閘命令到斷路器的主觸頭剛合時(shí)止的這段時(shí)間．
●

固分時(shí)間：指分閘過程中從操動(dòng)機(jī)構(gòu)接到分閘命令時(shí)起，到斷路器觸
頭側(cè)分離的一段時(shí)間。

２．２．２．１分閘操作 分閘操作時(shí)斷路器的基本功能，通過斷路器的分閘，可以開斷高壓回路，或 切斷負(fù)荷電源，或隔斷高壓電源，或切斷故障電源． 斷路器分閘動(dòng)作原理：斷路器呈合閘已儲(chǔ)能或合閘未儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，當(dāng)接到分 閘指令，機(jī)構(gòu)即解合閘狀態(tài)，迅速分閘。在負(fù)載力的分閘彈簧力的作用下，斷路 器端口打開。滅弧室切斷電流形成開路。拐臂、傳動(dòng)絕緣子大軸、分閘彈簧、合 分指示標(biāo)牌都回復(fù)到分閘位置，斷路器完成合閘操作。 ２．２．２．２合閘操作 線路的正常送電，負(fù)荷的倒換，電壓的引入等都必須由斷路器的和閘動(dòng)作來 完成。
．

１４

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斷路器合閘動(dòng)作原理：斷路器呈現(xiàn)分閘己儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，當(dāng)接到合閘指令，機(jī) 構(gòu)即迅速合閘．機(jī)構(gòu)輸出拐臂通過傳動(dòng)桿推動(dòng)大軸轉(zhuǎn)動(dòng)，大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大軸上的 三相拐臂分別推動(dòng)與之相連的傳動(dòng)連板．傳動(dòng)連板推動(dòng)傳動(dòng)絕緣子及滅弧室動(dòng)端 向合閘方向運(yùn)動(dòng)，并且在動(dòng)靜觸頭接觸后拉動(dòng)觸頭彈簧產(chǎn)生超行程。大軸上拐臂 推動(dòng)傳動(dòng)絕緣子的同時(shí)，兩邊相拐臂另一端壓縮分閘彈簧使之完成儲(chǔ)能，中問相 的拐臂壓動(dòng)斷路器合分指示牌，使指示牌指示合閘狀態(tài)，斷路器完成合閘操作．

２．３高壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)
２．３．１機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè) 高壓斷路器是依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作來完成其職能的，因而每個(gè)組成部 件的機(jī)械可靠性極為重要．根據(jù)能源部電力科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)的１９９０年全國(guó)６ｋｖ 以上高壓斷路器的故障中拒分、拒合和誤動(dòng)作三類共占４６％㈣．因此，加強(qiáng)機(jī) 械故障的監(jiān)測(cè)手段，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，對(duì)降低設(shè)備故障率，以提高電力系統(tǒng)的 安全性和高效性具有十分重要的意義．
一
．

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)豐富的信息載體，包含有大量的設(shè)備狀態(tài)信息，它由一 系列瞬態(tài)波形構(gòu)成，每一個(gè)瞬態(tài)波形都是斷路器操作期間內(nèi)部“事件”的反映。 振動(dòng)是對(duì)設(shè)備內(nèi)部多種激勵(lì)源的響應(yīng)，對(duì)高壓斷路器而言，激勵(lì)源包括分合閘電 磁鐵、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、脫扣機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)等內(nèi)部構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)．?dāng)嗦菲鳈C(jī)械狀態(tài)的 改變將導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的變化，這是利用振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷依據(jù)的理論基礎(chǔ)咖． 通過適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段和信號(hào)處理方法，可以識(shí)別振動(dòng)的激勵(lì)源，從而找出故障源． ２．３．１．１振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn) 高壓斷路器是一種瞬時(shí)動(dòng)作電器，正常運(yùn)行時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，只是在執(zhí)行分 合閘命令時(shí)才快速動(dòng)作，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，其振動(dòng)信號(hào)有以下特點(diǎn)嘲： ●振動(dòng)信號(hào)是瞬時(shí)非平穩(wěn)信號(hào)，不具有周期性。有效信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間非常 短，通常在數(shù)十到數(shù)百毫秒之間． ?振動(dòng)是由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件的受力沖擊和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變引起的， 。在斷路器的一次操作中，有一系列的構(gòu)件按照一定的邏輯順序啟動(dòng)、運(yùn)

出丕太堂亟±堂焦迨塞
動(dòng)、制動(dòng)，形成一個(gè)個(gè)振動(dòng)波，沿著一定的路徑傳播，最終到達(dá)傳感器 的是一系列衰減振動(dòng)波的疊加，不同的結(jié)構(gòu)合不同的運(yùn)動(dòng)特性將產(chǎn)生不
同的疊加波形。

?斷路器的機(jī)構(gòu)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的傳遞過程是復(fù)雜的，沖擊（振源）位置與測(cè) 量位置的變更都會(huì)顯著的改變實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)的特性。 高壓斷路器操作過程中的振動(dòng)具有高加速運(yùn)動(dòng)、高強(qiáng)度沖擊的特點(diǎn)，其振動(dòng) 信號(hào)可以通過加速度傳感器獲得。
２．３．１．２振動(dòng)信號(hào)合分閘的波形分析

ＳＮｌ０—１０型高壓斷路器在合分閘過程中的振動(dòng)信號(hào)波形如圖：

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圖２－－２合閘振動(dòng)信號(hào)波形 對(duì)于合閘過程所對(duì)應(yīng)的重要沖擊振動(dòng)如下： ｔ１：支架上合閘接觸器動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的微弱振動(dòng)；（接觸器關(guān)合時(shí)刻） ｔ２：合閘鐵芯帶動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿開始運(yùn)動(dòng)；（觸頭系統(tǒng)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻） ｔ３：動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)刻；（主觸頭接觸時(shí)刻） ｔ４：合閘緩沖器接入時(shí)刻： ｔ５：合閘鐵芯運(yùn)動(dòng)到頭，對(duì)應(yīng)著支架在合閘過程中最大的一次沖擊 ｔ６：機(jī)構(gòu)．的連桿運(yùn)動(dòng)到頭與維持合閘掣子接觸撞擊．， 在操作過程中各個(gè)沖擊子波與斷路器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這為斷路 器監(jiān)測(cè)提供了重要數(shù)據(jù)，通過選擇適當(dāng)?shù)牟课�，就有可能從支架或外殼上的振�?dòng)
信號(hào)來判斷內(nèi)部某一特定動(dòng)作．
一

圖２－－３分閘過程波形 對(duì)于分閘操作過程，幾個(gè)重要沖擊振動(dòng)如下： ｔｌ：分閘脫扣電磁鐵與連桿機(jī)構(gòu)撞擊，對(duì)應(yīng)著一個(gè)較微弱的振動(dòng)； ｔ２：機(jī)構(gòu)連桿解列，分閘彈簧開始驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)著分
閘過程中最大的沖擊振動(dòng)． ｔ３：主觸頭分離時(shí)刻

ｔ４：動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到頭，制動(dòng)緩沖所對(duì)應(yīng)的沖擊，也是一個(gè)比較強(qiáng)烈的振動(dòng)信
號(hào)。
?

２．３．２斷路器合、分闡線圈電流的監(jiān)測(cè) 高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級(jí)控制元件，操動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的 絕大部分是直流電磁鐵．當(dāng)線圈中通過電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵心受 磁力吸引，使斷路器分閘或合閘，從能量角度看，電磁鐵的作用是把來自電源的 電能轉(zhuǎn)化為磁能，并通過動(dòng)鐵心的動(dòng)作，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械功輸出。合、分閘線圈的
Ｉ

圖｝４離線測(cè)量原理圖 電流中含有可作為診斷機(jī)械故障用的豐富信息。可以選用補(bǔ)償式霍爾電流傳感器 監(jiān)測(cè)電流信號(hào)。對(duì)線圈電流的監(jiān)測(cè)主要是提取事件發(fā)生的相對(duì)時(shí)刻，根據(jù)時(shí)間間

ｆ７

隔來判斷故障征兆，對(duì)于診斷拒動(dòng)、誤動(dòng)故障有效。 ２．３．３斷路器行程、速度的監(jiān)測(cè)

‘

位移量采集是靠光電式行程傳感器來實(shí)現(xiàn)的。其工作原理如下：把旋轉(zhuǎn)光柵 安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換，將速度行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得斷路器操作過程中的行程 和速度隨時(shí)阿的變化關(guān)系。據(jù)此可計(jì)算出以下參數(shù)：動(dòng)觸頭行程，超行程，剛分 后及剛分｜ｉ｛『ｌＯｍｓ內(nèi)平均值等。通過觸頭的時(shí)間一行程信號(hào)可以提取觸頭運(yùn)動(dòng)過 程中各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻，根據(jù)事件時(shí)間來診斷故障，這種方法可以診斷斷路器 機(jī)械部分部分磨損、疲勞老化、變形、生銹、閥的緩慢動(dòng)作等故障。
２．３．４開斷電流累計(jì)監(jiān)測(cè)

在分閘過程中，由高壓電流互感器和二次電流傳感器測(cè)量高壓開關(guān)的主電流 波形，通過測(cè)量觸頭每次開斷電流，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到該次開斷電流的有效值，

然后根據(jù)下式計(jì)算：Ｑ＝∑咒，其中：萬為開斷的次數(shù)：Ｌ為該次開斷電流的
＾。Ｉ

ｔ

有效值：口為開斷電流指數(shù)；Ｑ為開斷電流的加權(quán)累計(jì)值。當(dāng)Ｑ值超過閩值時(shí)， 則表明應(yīng)該檢修、更換，從而間接的反映觸頭的磨損情況㈣。 ２．３．５合、分閘時(shí)問，同期測(cè)量 關(guān)于合分閘時(shí)間及同期的測(cè)量電路原理，如圖２－５所示。在斷路器斷口上下 接線端子接上測(cè)量信號(hào)線，當(dāng)斷路器合上時(shí)，信號(hào)線上有電流流過，經(jīng)光電隔離 器，電壓比較器，輸出高電平信號(hào)；當(dāng)斷路器分開時(shí)，信號(hào)線上無電流通過，輸 出信號(hào)是一低電平。測(cè)量系統(tǒng)以一定時(shí)間周期同時(shí)讀取所有斷口的信號(hào)，以操作 線圈電流信號(hào)為起點(diǎn)，計(jì)算出各個(gè)相的各斷口的分合閘時(shí)間和耜間與相內(nèi)的同期 差。這種技術(shù)只能用于臨時(shí)性監(jiān)測(cè)嘲．

圖２－５離線測(cè)量原理圖
２．３．６合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測(cè)

直接監(jiān)測(cè)：應(yīng)用壓力傳感器，通過測(cè)量合閘彈簧壓力值的大小，判斷彈簧壓 縮狀態(tài)。這種方法需要在機(jī)構(gòu)上安裝壓力傳感器． 間接監(jiān)測(cè)：應(yīng)用電流傳感器，通過測(cè)量?jī)?chǔ)能電動(dòng)機(jī)的工作電流變換及工作時(shí) 間，監(jiān)測(cè)合閘彈簧的狀態(tài)，通過分析電流波形得到電流特征參數(shù)的變化，從而反 映彈簧狀態(tài)的變化。
２．３．７動(dòng)態(tài)電阻的監(jiān)測(cè)

一般的ＳＦ６斷路器有主觸頭和弧觸頭Ｍ，滅弧主要靠弧觸頭，斷路器在閉合 狀態(tài)時(shí)，測(cè)得的回路電阻主要時(shí)主觸頭接觸電阻和弧觸頭接觸電阻的并聯(lián)值，一 般情況下，主觸頭接觸電阻比弧觸頭接觸電阻小的多，所以所測(cè)回路電阻無法反 映弧觸頭的燒損情況。 在分閘過程中，主觸頭先分離，開斷電流轉(zhuǎn)移到弧觸頭上，弧觸頭間先出 現(xiàn)電弧，借助滅弧裝置使電弧熄滅。如果弧觸頭嚴(yán)重?zé)龘p，在分?jǐn)噙^程中先于主 觸頭分離，則滅弧裝置不能發(fā)揮作用，這樣會(huì)導(dǎo)致斷路器燒損。從主觸頭分離到 弧觸頭分離這段時(shí)間稱為有效接觸時(shí)間，其行程稱為有效接觸行程。只有保證弧 觸頭有足夠有效接觸行程和時(shí)間才能使斷路器順利滅�。ㄟ^檢測(cè)斷路器動(dòng)作過 程中的回路電阻變化曲線可以不用拆開斷路器就能得到弧觸頭的有效接觸時(shí)間， 這種檢測(cè)方法稱為動(dòng)態(tài)回路檢測(cè)，測(cè)得的電阻稱為動(dòng)態(tài)回路電阻，用以區(qū)別通常 的在斷路器閉合時(shí)測(cè)得的回路電阻，后者稱為靜態(tài)回路電阻。

１９

２．３．８真空度的檢測(cè) 現(xiàn)有對(duì)真空度測(cè)定的方法主要有洶１：觀察法，僅僅用于對(duì)玻璃外殼的真空滅 弧室適應(yīng)。并且只能作為經(jīng)驗(yàn)判斷，參考使用；交流耐壓法，在分閘狀態(tài)下的真 空斷路器的觸頭間施加交流電壓，根據(jù)電壓施加過程中相關(guān)參數(shù)的變化來判定真 空度，但這種方法只能為真空滅弧室的真空狀況提供一個(gè)粗略的判定，不能判斷 真空度的變化趨勢(shì)，只是一個(gè)定性的判斷方法，有時(shí)和實(shí)際結(jié)果并不一致；火花 計(jì)法，這種方法也僅適用于玻璃管真空滅弧室，使用時(shí)，讓火花探漏儀在滅弧室 表面移動(dòng)，根據(jù)高頻電場(chǎng)作用下不同的發(fā)光情況來判斷真空度。綜上所述，真空 度的測(cè)量目Ｉ；ｉ『僅僅停留在原理的探討上，如果一定要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，尚無經(jīng)濟(jì)而 安全的方法。

２．４其他電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)
２．４．１變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)
●局部放電的監(jiān)測(cè)：

變壓器絕緣內(nèi)部若存在如氣泡或局部電場(chǎng)增強(qiáng)等缺陷，運(yùn)行中這些局部區(qū)域 內(nèi)可能發(fā)生放電，但導(dǎo)體間絕緣并未發(fā)生貫穿性擊穿，稱為局部放電。局部放電 本身是絕緣老化的原因．設(shè)備發(fā)生擊穿事故前，往往以局部放電為其先兆．如圖 ２—６所示，安裝在接地線與套管末屏引下線上的電流傳感器提取放電的脈沖電流 信號(hào)：安裝在外殼上的超聲傳感器提取局部放電的聲信號(hào)．聲、電信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù) 采集單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。為了抑制電磁干 擾，采用了包括數(shù)字濾波技術(shù)在內(nèi)的各種干擾． ●變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)： 油色譜在線監(jiān)測(cè)是靈敏度較高的測(cè)試方法，其在線監(jiān)測(cè)過程，是將變壓器本 體油經(jīng)循環(huán)管路循環(huán)并進(jìn)入脫氣裝置，經(jīng)脫氣裝置進(jìn)入分析儀，在經(jīng)數(shù)據(jù)處理打 印出可燃?xì)怏w等的譜圖及含量值，主要根據(jù)變壓器油中溶解氣體甲烷、乙烷、乙 炔等，反映出變壓器內(nèi)部是放電故障還是過熱故障。

２０

圖２－６變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)原理圖 ２．４．２金屬氧化物避雷器的狀態(tài)監(jiān)測(cè) 金屬氧化物避雷器的在線監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)其阻性電流，由于總電流中容性電 流分量比例很大，所以監(jiān)測(cè)阻性電流的關(guān)鍵是如何從總電流中分離出微弱的阻性
電流。

?補(bǔ)償法監(jiān)測(cè)陽(yáng)牲電流：基本原理是在測(cè)量電流的同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的電壓，利
用電壓信號(hào)消除泄漏電流中的容性電流分量． ?諧波分析法監(jiān)測(cè)阻性電流：原理是在正弦交流電壓下，由于避雷器閥片的非 線性特性，阻性電流分量中除基波外還含有高次諧波，而使閥片發(fā)熱的僅是 阻性電流中的基波分量，即正是基波分量才是避雷器劣化的關(guān)鍵指標(biāo)。通過 數(shù)字化測(cè)量和諧波分析技術(shù)可以從總泄漏電流中分離出基波電流。 ２．４．３電纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè) ●直流疊加法：
～

借助電抗器將直流電壓在線疊加于電纜絕緣，即直流電源經(jīng)電抗器連接于三 相導(dǎo)線，并由并聯(lián)電容來免除交流高壓對(duì)直流電源的影響，通過測(cè)量流過絕緣的 直流電流進(jìn)行診斷。由于電纜絕緣處于交流高壓的作用下，盡管所加直流電壓不 高，仍能真實(shí)反映絕緣的實(shí)際情況．有關(guān)資料規(guī)定，用直流疊加法測(cè)得的電纜絕 緣電阻大于１０００ＭＱ時(shí)絕緣良好，小于ｌＯ＾Ｉｎ時(shí)絕緣不良。這分別相應(yīng)于電流 為１０ｎＡ、１０００ｈＡ左右，可用微電流測(cè)量裝置測(cè)量．雜散電流的影響可以通過正、 反向疊加直流電壓消除。
２

?介質(zhì)損耗因數(shù)（ｒｇ萬）法： 將加于電纜的電壓（通過電壓互感器）及流過絕緣的工頻電流（通過電流 互感器）信號(hào)取出。再通過數(shù)字化測(cè)量裝置測(cè)出電纜絕緣的ｆｇ艿．根據(jù)資料分析， 當(dāng)，ｇ占＞１％時(shí)，絕緣可判為不良。由此法所得信息反映的是絕緣缺陷的平均程度。 ●復(fù)合判斷法：
一

由于絕緣狀態(tài)與其特性參數(shù)問的統(tǒng)計(jì)分散性，僅用一種方法來診斷絕緣，會(huì) 有漏判和虛警的可能。采用幾種方法，互相配合進(jìn)行復(fù)合診斷可提高診斷的正確 性。資料表明，采用包含直流疊加法以及ｔ９８的復(fù)合診斷，對(duì)不良電纜診斷準(zhǔn)確 率高達(dá)１００％。根據(jù)測(cè)量裝置的難易程度現(xiàn)場(chǎng)的干擾情況，采用包含直流疊加及
轡萬的復(fù)合診斷是較好的選擇。
一

２．５本章小結(jié)：
本章主要對(duì)電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了概述，并以高壓斷路器為研究對(duì)象， 分析了它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和組成和合分閘操作的過程，并提出以機(jī)械振動(dòng)為主的高壓 斷路器的在線監(jiān)測(cè)，著重分析了振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)和可行性。

第三章

振動(dòng)信號(hào)的處理

對(duì)于電氣設(shè)備來說，它的診斷過程基本上分為三個(gè)方面：首先是診斷信息的 獲��；其次是故障特征的提��；最后是狀態(tài)的識(shí)別和故障診斷，找出故障的位置 和產(chǎn)生的原因。利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷是一種常用的，有效的方法。通過 設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的變化，可以反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和變化規(guī)律。然而如何從振動(dòng)信 號(hào)中提取有用的信號(hào)成為故障分析診斷的關(guān)鍵，信號(hào)處理是特征提取最常用的方
法。

３．１信號(hào)處理的方法泓卜嘧１
３．１．１傅立葉變換 頻域分析是設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的信號(hào)分析方法之一。故障的發(fā) 生、發(fā)展通常將ｇＩ起設(shè)備振動(dòng)信號(hào)所包含頻率成分的發(fā)生交化，頻域分析的基礎(chǔ) 是頻譜分析，而使用最普遍的方法是傅立葉變換，它將復(fù)雜信號(hào)分解為有限或無 限個(gè)頻譜的分量之和．傅立葉變換的定義如下． 如果ｆ（ｔ）∈ｒ（Ｒ） ｒ（Ｒ）表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的信號(hào)空間，
。

，（ｆ）＝去ｃ，＠）ｅ扣＂ｄｏｊ

（３．１）

式中，Ｆ（∞）＝ｅ廠（ｆ）Ｐ—似出稱為／（ｆ）的傅立葉變換?
傳統(tǒng)的傅立葉變換分析方法曾經(jīng)為信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)， 傅立葉分析是一種全局的變換，雖然能夠?qū)⑿盘?hào)的時(shí)域和頻域的特征聯(lián)系起來， 但僅僅是分別從時(shí)域和頻域觀察，而不能將兩者有機(jī)的結(jié)合起來，使得傅立葉分 析方法僅適用于分析平穩(wěn)信號(hào)，而對(duì)時(shí)變的非平穩(wěn)信號(hào)則不能進(jìn)行充分描述，同 時(shí)傅立葉分析只能獲取信號(hào)／（ｆ）的整體頻譜，而不能獲得信號(hào)的局部特征，即它 不適合于信號(hào)的局部分析．這些缺陷限制了它在機(jī)械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用。

３．１．２短時(shí)傅立葉交換 短時(shí)傅立葉分析即為一種時(shí)頻分析方法，通常它也被稱為加窗傅立葉分析， 它的基本思想是在采用傅立葉變換的同時(shí)，在傅立葉變換的基函數(shù)Ｐ‘朋之前乘上 一個(gè)時(shí)間上有限的函數(shù)ｇ（ｔ），Ｐ’塒起頻限的作用，ｇ（ｆ）起時(shí)限的作用，通過時(shí)頻 雙限制．進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域局部化分析。短時(shí)傅立葉變換的定義為：

Ｇ（腳，ｆ）＝ｒｇ（ｆ—ｒ）ｅ－Ｊｏ”ｄｔ（３－２）
隨著ｒ的不斷變化，ｇ所確定的窗口在時(shí)間軸上移動(dòng)，逐步完成對(duì)信ｆ（ｔ） 的分析，Ｇ（ｃｏ，ｆ）大致反映了信號(hào)，（ｆ）在時(shí)刻ｆ，頻率為西的相對(duì)含量，這樣便 可以同時(shí)提供時(shí)域和頻域局部化的信息． 雖然短時(shí)傅立葉變換在一定程度上克服了傅立葉變換不具有局部分析能力 的缺陷，但是短時(shí)傅立葉變換所確定的時(shí)頻窗口的大小和形狀是固定不變的，而 振動(dòng)信號(hào)的頻率與時(shí)間周期成反比，對(duì)于高頻信號(hào)，時(shí)間分辨率相對(duì)高，時(shí)頻窗 口應(yīng)該相對(duì)窄；對(duì)于低頻信號(hào)，時(shí)間分辨率相對(duì)低，時(shí)域窗口應(yīng)該相對(duì)寬。顯然 具有固定形狀和大小的窗函數(shù)的短時(shí)傅立葉變換，不能很好的滿足信號(hào)分析的這 一要求。對(duì)于高頻信號(hào)，固然可以通過縮小時(shí)域窗口寬度改進(jìn)時(shí)域分辨率，但卻 降低了頻域分辨率，對(duì)低頻信號(hào)則不適合，同時(shí)縮小時(shí)域窗口寬度會(huì)使計(jì)算變得
相當(dāng)復(fù)雜．
一

３．１．３小波分析 小波變換從基函數(shù)角度出發(fā)，吸取傅立葉變換中的三角基（進(jìn)行頻率分析） 和短時(shí)傅立葉變換中的時(shí)移窗函數(shù)的特點(diǎn)，形成振蕩、衰減的基函數(shù)．它的定義 域有限，故稱為小波．小波分析方法是一種窗口大小固定但其形狀可改變，時(shí)間 窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。小波變換以不同的尺度（分辨率） 來觀察信號(hào)，將信號(hào)分解到不同的頻帶中，既看到了信號(hào)的全貌，又看到信號(hào)的 細(xì)節(jié)，具有多分辯能力，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨 率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率。

出丕太堂亟±堂魚迨塞
３．１．３．１小波及小波變換

由基本小波或母小波∥（ｆ）通過伸縮口和６產(chǎn)生一個(gè)函數(shù)族杪。。（，）｝，
％。（ｆ）：口’％ｊｃ，（ｔ－ｂ） 口
（３—３）

稱為小波，這里口彤可保證在伸縮過程中能量歸一。 信號(hào)ｘ（ｔ）的小波交換為

，

呢㈤＝口彤Ｄ（ｆ曠（ｔ－口ｂ）疵（３－４）
式中口稱為尺度參數(shù)，ｂ稱為平移參數(shù)．尺度參數(shù)口改變連續(xù)小波的形狀，
’

平移參數(shù)６改變連續(xù)小波的位移。

一對(duì)照（３—１）和（３—２）式，可見小波變換是用小波基函數(shù)∥（三二壘）代替傅
立葉變換中的基函數(shù)Ｐ—塒和短時(shí)傅立葉變換中的基函數(shù)ｇ（ｆ—ｆ）ｅ一塒。而妒（三二壘） 有著豐富的連續(xù)和離散形式，小波變換的實(shí)質(zhì)就是以基函數(shù)∥（三二壘）的形式將
Ｊ（ｆ）分解為不同頻帶的子信號(hào)．
萬

在實(shí)際運(yùn)用中，尤其是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，連續(xù)小波必須加以離散化，這一 離散化是針對(duì)連續(xù)的尺度函數(shù)口和連續(xù)平移參數(shù)６的，而不是針對(duì)時(shí)間變量ｆ的。一 通常，把連續(xù)小波變換中尺度函數(shù)口和連續(xù)平移參數(shù)ｂ的離散化公式分別取作

口＝４：，ｂ＝婦：６０，這里＿，∈ｚ，擴(kuò)展步Ｅａ�！伲焓枪潭ㄖ�，為方便起見，總是假
定口。＞１，所以對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù)蚧』（ｆ）即可寫作：

憎ｍ∥∥（三筍）．口∥加扎勛ｏ）＿（３－５）
３．１．３．２．多分辨分析理論和ｇａｌｌａｔ算法 ●多分辨率分析 是建立在函數(shù)空間概念上的理論，將正交小波基的構(gòu)造納入統(tǒng)一的框架之 中．對(duì)分辨分析的思想就是先在能量有限函數(shù)空間ｒ（Ｒ）的某個(gè)子空間建立基 底，然后利用簡(jiǎn)單的伸縮與平移變換，把子空間的基底擴(kuò)充到ｒ（Ｒ）中。

?ＭａｌＩａｔ分解與重構(gòu)算法 ①分解算法：

《＝Ｅｃ／“五Ⅲ
／ａＺ

（３－６）

②重構(gòu)算法：

其中，紙｝�！剩妫玻ǎ�，看成低通濾波器系數(shù)：信。｝。ｔｚ∈ｆ２（ｚ）看成高通濾
波器系數(shù)�！妒牵�，＋１的近似信號(hào)，ｄｆ是一“的細(xì)節(jié)信號(hào)．

事實(shí)上，Ｍａｌｌａｔ分解算法相當(dāng)于先把輸入信號(hào)通過濾波器蔽ｋ。：或｛磊ｋ。，
再對(duì)濾波器輸出進(jìn)行抽樣，取其偶數(shù)部分．此時(shí)，或的信號(hào)的分辨率是原始信號(hào) 的ｔ／２。Ｍａｌｌａｔ重構(gòu)算法相當(dāng)于先對(duì)近似信號(hào)與細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行插值，相鄰兩個(gè)數(shù)

ｆｆＺｆＢＩ插－－Ａ＇Ｏ，在分別通過濾波器瓴｝帕或ｋ。）垃，最后把兩個(gè)濾波器的輸出
相加。根據(jù)Ｍａｌｌａｔ算法，一維信號(hào)的小波分解與重構(gòu)過程可由兩組濾波器的級(jí)聯(lián)

濾波而產(chǎn)生，設(shè)ｋ｝為輸入序列，芒∥）為經(jīng)ｊ次低通濾波器而得到的輸出，
Ｗ１ｊ為第ｆ次高通濾波器得到的輸出，一維信號(hào)的小波分解與重構(gòu)過程如圖所
示。這種分解方式稱為塔式分解。其中，每次都是對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行分解．
分解過程為：

‘—＋ｃＰ—＋ｆｆ２—’…—＋ｃ：
重構(gòu)過程為：

聲《，盯嚴(yán)…，蔗

０＿＋吐＿◆…－＋一＿＋ｃ？
《７ ７ ｔ／ｆ＝ｏ

ｄＰ７

圖３．１一維信號(hào)的小波分解與重構(gòu)過程

３．１．４信號(hào)奇異性檢測(cè)： 信號(hào)中的奇異點(diǎn)及不規(guī)則的突變部分經(jīng)常帶有比較重要的信息，它是信號(hào)重 要的特征之一，利用小波變換來分析信號(hào)的奇異性及奇異性位置和奇異度大小是
比較有效的。

一般情況下，信號(hào)奇異性分兩種情況：一種是信號(hào)在某一時(shí)刻內(nèi)，其幅值發(fā) 生突變，引起信號(hào)的非連續(xù)，幅值的突變處是第一種類型的間斷點(diǎn)；另一種是信 號(hào)外觀上很光滑，幅值沒有突變，但是，信號(hào)的一階微分有突變產(chǎn)生，且一階微 分是不連續(xù)的，稱為第二種類型的間斷點(diǎn)．本論文研究的是第一種類型的間斷點(diǎn)。

３．２高壓斷路器的振動(dòng)信號(hào)處理
高壓斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是由一系列子振動(dòng)事件組成，可用一組時(shí)域中指 數(shù)衰減的振蕩子波描述‘…：
■

ｙＧ）＝ｙＡ，ｅ一電‘”‘’【ｓｉｎ（珊ｌ（ｆ—ｔ，））ｋ（ｆ—ｔ，）
“Ｉ

其中：第ｆ?zhèn)�振蕩子波的主振蕩角頻率：振蕩幅度、衰減系數(shù)合起始時(shí)刻分 別為∞，，４，ｑ，ｔ１．本論文分別對(duì)斷路器正常狀態(tài)，基座螺絲松動(dòng)故障，止 位墊片松動(dòng)故障進(jìn)行了仿真，如圖３－１，３－２，３－４所示。
２００
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圖３．１
２００

故障信號(hào)ｌ：斷路器止位墊片松動(dòng)仿真波形

Ｏ

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３５０

圖３—２

故障信號(hào)２：斷路器基座螺絲松動(dòng)仿真波形

出丕太堂亟±堂魚途塞
斷路器每次的合閘或者分閘操作。都會(huì)引起若干次振動(dòng)事件，每個(gè)振動(dòng)事件 都對(duì)應(yīng)著特定的幅值、頻率及衰減指數(shù)。當(dāng)斷路器發(fā)生故障時(shí)，在斷路器的故障 信號(hào)中，必然會(huì)引起意外的振動(dòng)事件，這使得整個(gè)振動(dòng)信號(hào)在特定頻段內(nèi)振動(dòng)頻 率，幅值及衰減指數(shù)都可能發(fā)生變化，這些就可以作為判斷的依據(jù)。 如果斷路器運(yùn)行正常，變化應(yīng)在有限的幅度和范圍之內(nèi)，并且應(yīng)在平均值的 上下隨機(jī)的波動(dòng)。在操作中，如果在某些點(diǎn)上的變化大大超出平均值或者在某一 方向上有規(guī)律的遷移，就可能檢測(cè)處問題的倪端。 ３．２．１消噪處理 在斷路器的振動(dòng)信號(hào)中，包含許多尖峰和突變部分，而且噪聲也不是平穩(wěn)的’ 臼噪聲，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將信號(hào)的噪聲部分去除，提取有用信號(hào)． 由于小波分析能同時(shí)在時(shí)頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析（且在頻率域內(nèi)分辨率高時(shí)，時(shí) 『日Ｊ域內(nèi)分辨率則低，在頻率域內(nèi)分辨率低時(shí)，時(shí)間域內(nèi)分辨率則高）所以能有效 的區(qū)分信號(hào)中的突變部分和噪聲。從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的消噪．從下面的仿真我們可以
看到小波消噪后的結(jié)果。

小波分折用于降噪的過程，可以細(xì)分為如下幾個(gè)階段： ?分解過程：選定一種小波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行Ｎ層小波分解； ?作用閾值過程：對(duì)分解得到的各層系數(shù)選擇一個(gè)閾值，并對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)作
用軟閾值處理；

●重建過程：降噪處理后的系數(shù)通過小波重建恢復(fù)原始信號(hào)； 圖３－３是斷路器合閘過程中的振動(dòng)加速度信號(hào)的原始仿真波形，包括原始振 動(dòng)波形和噪聲干擾波形。利用小波變換進(jìn)行消噪處理，得到去噪后重構(gòu)的振動(dòng)信 號(hào)仿真波形如圖３－４所示，可以看到消噪結(jié)果明顯．
２００
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圖３—３去噪前的振動(dòng)信號(hào)仿真波形

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３５０

．圖３－４去噪后的振動(dòng)仿真波形 ３．２．２信號(hào)趨勢(shì)的檢測(cè) 在組成信號(hào)的所有成分中，信號(hào)的總體趨勢(shì)是構(gòu)成信號(hào)的最慢的一個(gè)部分， 也是頻率最低的部分，在多尺度分析的概念里，對(duì)應(yīng)著最大尺度的小波分解部分，． 隨著尺度的增加，分辨率隨著降低，也就提供了對(duì)信號(hào)緩慢變化成分的越來越好 的近似結(jié)果。從頻率的角度分析，隨著分解層數(shù)的增加，分解結(jié)果中的近似系數(shù) 也就包含越來越少的高頻成分信息，隨著高頻成分逐層被濾掉，剩下的成分就越 來越接近信號(hào)的整體發(fā)展趨勢(shì)． 斷路器合閘信號(hào)本身包含有很陡的變化，在多尺度小波變換的低頻部分中， 顯示的信號(hào)和原始信號(hào)相差較遠(yuǎn)，因?yàn)樾盘?hào)本身的陡峭變化被當(dāng)作高頻濾掉了。 本文對(duì)斷路器正常合閘信號(hào)和兩種故障信號(hào)進(jìn)行了變換，如下圖所示，我們可以 看出故障信號(hào)和正常信號(hào)的不同．
哇

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２５０ ３００ ３５０

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圖３．５止位墊片松動(dòng)故障發(fā)展趨勢(shì)
１０ ５

０ －５ ０

一、。ｆ｛．
５０ １００

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１

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圖３－６基座螺絲松動(dòng)故障發(fā)展趨勢(shì)

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一Ａ』一Ｌ一．

…一Ｖ一
０

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２５０ ３００ ３５０

－２ ５０ １００ １５０ ２００

圖３．７斷路器正常狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)

３．２．３奇異點(diǎn)和模極大值的檢測(cè) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，本論文選用Ｄａｕｂｃｃｈｉｃｓ小波函數(shù)進(jìn)行小波分解， 尺度分別是ｌ～６，在信號(hào)出現(xiàn)突變時(shí)，’其小波變換后的系數(shù)具有模量極大值， 可以通過對(duì)模量極大值點(diǎn)的監(jiān)鍘來確定故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)．小波分解的波形如圖
３－８所示：

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０

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５０ １００ １５０ ２００ ２５０

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’圖３．８不同尺度下小波分解信號(hào)仿真波形

從上面的仿真波形可以看出第一層和第二層的高頻部分將信號(hào)的不連續(xù)點(diǎn) 明顯的顯示出來，并且對(duì)信號(hào)不連續(xù)點(diǎn)的時(shí)域定位也比較準(zhǔn)確。和上一章圖２－２ 斷路器的合閘波形的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)．而以往的傅里葉變換在頻域是無法檢測(cè) 出信號(hào)在時(shí)域中的突變點(diǎn)的。附錄ｌ和附錄２分別提供了對(duì)另外兩種故障不同尺 度下小波分解信號(hào)的仿真波形 對(duì)模量最大值點(diǎn)的檢測(cè)來確定故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。本論文選擇整個(gè)事件中模 最大值的奇異點(diǎn)作為初始點(diǎn)，第二個(gè)奇異點(diǎn)作為終點(diǎn)，時(shí)間、模值記錄如表３—１
所示：

結(jié)論分析：從表中我們可以看出，在斷路器合閘過程振動(dòng)波形中，模最大值 發(fā)生的時(shí)刻是不同的，可以作出如下的解釋，在實(shí)際情況中，當(dāng)基座螺絲松動(dòng)時(shí)， 振動(dòng)傳感器得到的振動(dòng)信號(hào)包括操作引起的振動(dòng)和操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)架撞擊引起的 振動(dòng)，這兩種振動(dòng)疊加起來，使振動(dòng)信號(hào)同正常操作的表現(xiàn)不同，故障振動(dòng)明 顯延后，小波變換將這種不同比較明顯的表現(xiàn)出來。止位墊片對(duì)觸頭有緩沖作用，

山東大學(xué)碩士學(xué)僮論文
當(dāng)斷路器合閘時(shí)，由于墊片的松動(dòng)使得動(dòng)觸頭較快的運(yùn)動(dòng)到頭而產(chǎn)生振動(dòng)，表現(xiàn) 為出現(xiàn)模極大值的時(shí)間比正常狀態(tài)超前的狀態(tài)． 通過以上的分析，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將振動(dòng)信號(hào)的幅值和振動(dòng)事件發(fā) 生的時(shí)間段作為特征參量進(jìn)行故障診斷．

狀態(tài)： Ｊ下常狀態(tài)

發(fā)生時(shí)間
１６８ｍｓ １７２ｍｓ

模最大值
ｌｌ

截止時(shí)間
１８８ｍｓ ２００ｍｓ

模極大值
１．８ ４

持續(xù)時(shí)間
１２ｍｓ ２８ｍｓ

基座螺絲松
動(dòng)故障 止位墊片松 動(dòng)故障

３３

１６５ｍｓ

３０

?

１８５Ｍｓ

２
——

２０ｍｓ

表３－１斷路器奇異點(diǎn)發(fā)生時(shí)刻、模值記錄表

３．３本章小結(jié)
本章首先介紹了信號(hào)處理的發(fā)展過程，‘引入了小波的概念，并利用小波的 特性對(duì)斷路器合閘信號(hào)波形進(jìn)行消噪處理，提取有用的信號(hào)；其次，將斷路器正 常狀態(tài)和故障狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)做出了比較；最后，根據(jù)奇異性檢測(cè)的方法，提出 將整個(gè)事件中模最大值作為初始點(diǎn)，第二個(gè)奇異點(diǎn)作為終點(diǎn)的時(shí)間、模值作為故 障診斷的特征參量，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析．

第四章粗糙集在高壓斷路器故障診斷的應(yīng)用
故障診斷的任務(wù)就是要確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類別和部位，明確故障、 征兆、原因和系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，并指明故障發(fā)展趨勢(shì)，提出合理、有效的維 修策略，從而保證設(shè)備在一定的工作環(huán)境和工作期限可靠有效的運(yùn)行．然而，障 的征兆和和產(chǎn)生的原因往往不是一一對(duì)應(yīng)的，通常一種故障可能對(duì)應(yīng)著多種征 兆，而一種征兆多種故障都可能產(chǎn)生。近年來，隨著專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊 理論等技術(shù)的發(fā)展，人們致力于研究基于人工智能的故障診斷方法，這些方法在 信息準(zhǔn)確、完整的情況下，大多能得到比較滿意的結(jié)果，并且各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)． 專家系統(tǒng)可使用知識(shí)進(jìn)行邏輯推理和判斷，’有效的模擬專家的決策過程，但是， 獲取完備的知識(shí)庫(kù)是形成故障診斷專家系統(tǒng)的瓶頸，如果建立的知識(shí)庫(kù)不完備， 可能導(dǎo)致專家系統(tǒng)推理混亂并得出錯(cuò)誤的結(jié)論。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)∞１能夠在樣本中學(xué) 習(xí)，與專家系統(tǒng)結(jié)合可望解決知識(shí)獲取瓶頸問題，但當(dāng)樣本數(shù)量眾多、樣本空問 分布復(fù)雜時(shí)，訓(xùn)練難以收斂，限制了該方法的實(shí)用性。模糊技術(shù)對(duì)狀態(tài)的描述并 不是簡(jiǎn)單的加以肯定或否定，而是用歸屬的程度“隸屬度”予以描述．然而確定 隸屬度并沒有達(dá)到像確定概率分布那樣成熟的階段，目前還停留在靠經(jīng)驗(yàn)水平、 從實(shí)踐效果中進(jìn)行反饋，不斷校正自己的認(rèn)識(shí)以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)這樣一種階段，成 為模糊技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難題。 在實(shí)際中人們得到的信息往往不完備、不準(zhǔn)確，而粗糙集正是一個(gè)處理不確 定性的數(shù)學(xué)工具，本論文將粗糙集引入高壓斷路器的振動(dòng)故障診斷中．使用粗糙

集理論的優(yōu)點(diǎn)在予：①知識(shí)直接從歷史數(shù)據(jù)中提��；②知識(shí)的獲取階段不需要人
類專家的參與；③當(dāng)知識(shí)和數(shù)據(jù)隨時(shí)問動(dòng)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，更新知識(shí)比較容易嘲１； ④能夠自動(dòng)的從數(shù)據(jù)中獲取其潛在的依賴規(guī)律和可用的規(guī)則；

４．１粗糙集理論
粗糙集（Ｒｏｕｇｈ Ｓｅｔｓ）理論是由波蘭華沙理工大學(xué)Ｐａｗｌａｋ教授于２０世紀(jì)８０

年代初提出的一種研究不完整、不確定知識(shí)和數(shù)據(jù)的表達(dá)、學(xué)習(xí)、歸納的理論方 法。它的最大特點(diǎn)是不需要提供求解問題時(shí)所需處理的數(shù)據(jù)集合之外的任何先驗(yàn) 信息（如統(tǒng)計(jì)中要求的先驗(yàn)概率和模糊集中要求的隸屬度），就能有效的分析和

的分析和處理不精確、不一致、不完整等各種不完備數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)隱含的知 識(shí)，揭示其潛在的規(guī)律。 ４．１．１基本概念 ●等價(jià)性 當(dāng)兩個(gè)不同的對(duì)象具有相同的描述時(shí)，稱它們是不可分的，所有具有相同 描述的元素構(gòu)成一個(gè)等價(jià)類，所有等價(jià)類構(gòu)成論域中的一個(gè)劃分． ?租糙集，上近似集，下近似集 設(shè)【，為一非空有限集合，稱為論域，Ｒ為【，上的一個(gè)等價(jià)關(guān)系族，則二元

些壘二叁』』墜』』墜魚』選

隊(duì)Ｋ＝ｐ，足）構(gòu)成一個(gè)近似空間。Ｒ將論域【，分成一族等價(jià)類易（ｆ＝ｌ，…，Ⅳ），Ｅｉ

和空集妒稱為基本集，記ＹＯＵ／Ｒ＝溉，Ｅ：。…，Ｂ｝．由基本集Ｅ的并集所組成的
集合稱為等效類或可定義集。設(shè)ｘ是Ｕ中的一個(gè)子集，如果ｘ不能用基本集的 并集準(zhǔn)確的表示，則稱Ｘ為租糙集。通常用上近似集和下近似集兩個(gè)精確集來 描述粗糙集。所有包含在Ｘ中的基本集的并集組成Ｘ的下近似，一記為足一（Ｘ）， 所有與ｘ的交為非空的Ｒ的基本集的并集組成ｘ的上近似，記為Ｒ一（。Ｄ．其數(shù)
學(xué)定義如下：

集合ｘ關(guān)于Ｒ的下近似：

疋（．Ｄ＝扛ＥＵ：瞳】ＪＩ ｇｘ｝

集合ｘ關(guān)于尺的上近似：Ｒ－（ｘ）＝扛∈Ｕ：防Ｌ ｎｘ≠刃 其中ｘ為【，中的一個(gè)對(duì)象，防ｋ表示所有與不可分辨的對(duì)象組成的集合，即
由ｘ決定的等價(jià)類。實(shí)際上疋（柳是【，中包含在Ｘ中的最大可定義集，Ｒ一（柳是
【，中包含在Ｘ中的最小可定義集 ?信息表’

一個(gè)信息知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)ｓ可以表示為ｓ＝緲，Ａ，礦，，）Ａ是對(duì)象屬性的非空
有限集合，稱為屬性集合； Ｖ＝Ｕ匕是屬性值的集合，吒表示屬性口ＥＡ的屬

性值范圍，即屬性口的值域：，：ＵｘＡ寸ｙ是一個(gè)信息函數(shù)，它指定【，中每一個(gè)

出丕太堂亟±堂焦途塞
對(duì)象ｘ的屬性值。由這樣的。屬性—值”就構(gòu)成一張二維表，稱之為信息表．
●決策表： 如果信息表滿足Ａ＝ＣＵＤ，ＣｎＤ＝≯，子集Ｃ和Ｄ分別稱為條件屬性集和

結(jié)果屬性集，則稱張信息表為決策表，此時(shí)Ｓ稱為決策系統(tǒng)。粗糙集理論中應(yīng)用 決策表來描述論域中的對(duì)象。它是一張二維表格，每一行描述一個(gè)對(duì)象，每一列 描述對(duì)象的一種屬性，屬性分為條件屬性和決策屬性。論域中的對(duì)象根據(jù)條件屬
性的不同，被劃分到具有不同決策屬性的決策集．

?知識(shí)約簡(jiǎn) 原始的決策表信息系統(tǒng)中的知識(shí)（條件屬性）并不是同等重要的，甚至其中 某些條件屬性是冗余的。冗余屬性的存在，一方面是對(duì)資源的浪費(fèi)（需要存儲(chǔ)空 間和處理時(shí)間）；另一方面也干擾了作出正確而簡(jiǎn)潔的判斷�；诖植诩碚摰� 知識(shí)獲取，主要是通過對(duì)原始決策表的約簡(jiǎn)，在保持決策表屬性和條件屬性之問 的依賴關(guān)系不發(fā)生變化的前提下對(duì)決策表進(jìn)行約簡(jiǎn)，包括屬性約簡(jiǎn)和值約筒． 定義１：設(shè)【，是一個(gè)論域，Ｒ是定義在（，上的一個(gè)等價(jià)關(guān)系族，，∈Ｒ，如 果ＩＮＤ（Ｒ、｛ｒ｝）＝ＩＮＤ（Ｒ），則稱關(guān)系，在Ｒ中是多余的。
巷。

定義２：設(shè)ｕ是一個(gè)論域，Ｒ和Ｑ是定義在（，上的兩個(gè)等價(jià)關(guān)系族，如果Ｑ 是獨(dú)立的，Ｋ１ＮＤ（Ｑ）＝ＩＮＤ（Ｒ），則稱Ｑ是Ｒ的一個(gè)絕對(duì)簡(jiǎn)約。如果知識(shí)Ｑ時(shí)知 識(shí)足的絕對(duì)簡(jiǎn)約，那么【，中通過知識(shí)胄可區(qū)分的對(duì)象，可以通過知識(shí)Ｑ來區(qū)分。 定義３：設(shè)ｕ是一個(gè)論域，月和Ｑ是定義在【，上的兩個(gè)等價(jià)關(guān)系族，若Ｒ的 Ｑ獨(dú)立子集ＳｃＲ有ＰＯＳ，（Ｑ）＝ＰＯＳ，（Ｑ），則稱Ｓ為月的Ｑ約簡(jiǎn)． 定義４：對(duì)相容知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)Ｓ－－－－．＜Ｕ，Ｃ，Ｄ，礦，ｆ＞，則以屬性ａ為核值屬性的 決策規(guī)則集合為 ｃｏｒｅ（ａ）＝｛以Ｉ ｘ∈（Ｕ＼ＰＯＳｃ＿、ｌ，ｊ（Ｄ）），

４．１．２知識(shí)簡(jiǎn)約過程： ?屬性簡(jiǎn)約：所謂決策表的屬性簡(jiǎn)約，就是要在保持條件屬性相對(duì)于決策

屬性的分類能力不變的條件下。刪除其中不必要的或不重要的屬性．

Ｕ Ｃｌ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ０ ０ １ ２ ２

條件屬性
Ｃ２ Ｏ ０ Ｏ ｌ ２ ２ ２ １ Ｃ３ Ｏ ｌ Ｏ ０ Ｏ ｌ —１ Ｏ

決策屬性
Ｄ Ｎ Ｎ Ｐ Ｐ Ｐ Ｎ Ｐ Ｎ

Ｚ
ｌ Ｏ

表禾ｌ

原始決策表

由定義ｌ，２，３，我們開始對(duì)原始決策表進(jìn)行屬性簡(jiǎn)約。 令Ｑ＝?jīng)Q策屬性集＝｛ｄ｝，Ｒ＝條件屬性集＝（ｃｌ，Ｃ：，ｃ３），則 ＩＮＤ（Ｒ）＝“ｌ｝，｛２），｛３｝，｛４｝，｛５），｛６），｛７），｛８｝｝，

優(yōu)Ｄ（Ｑ）＝“１，２，６，８），｛３，４，５，７）｝，
ｎ，Ｄ（Ｒ、｛ｃ。））＝“ｌ，３｝，｛２），｛４，８），｛５，，｛６，７｝｝， Ｊ＾，Ｄ（尺、ｐ：））＝“ｌ，８），｛２），｛３｝，｛４，５），｛６｝ｔ｛７｝）， ｊⅣＤ（Ｒ、｛ｃ３｝）＝“ｌ，２）－｛３），｛４’，｛５，６），｛７｝，｛８）），

從而，Ｐｏ盈帥”（Ｑ）＝｛２，５＇，
Ｐｏ嘎州枷（Ｑ）２Ｕ２ＰＯＳＰ（Ｑ）， ＰＤ＆ＪＩ、ｌｃ｜１）（Ｑ）２｛ｌ，２，３，４，７，８｝
由此可知，屬性ｃ２是相對(duì)于決策屬性ｄ可省略的，而屬性ｃ．和島是不可以省略的

因此：ｃｏｃｏ（Ｒ）＝｛ｃ。，ｃ３｝，我們得到表４—２
’－ｔ．．．．．．：．．．．．．。．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．—．．．－．．—－．，一，．，一
３６

Ｕ

條件屬性
Ｃ１

決策屬性
Ｃ３
０ ｌ Ｏ Ｏ Ｏ ｌ ｌ ０ Ｄ Ｎ Ｎ Ｐ Ｐ Ｐ Ｎ Ｐ Ｎ

ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８

Ｏ Ｏ ｌ ２ ２ ２ ｌ Ｏ

表４－２消除屬性冗余后的決策表 ●值約簡(jiǎn)：值簡(jiǎn)約是在屬性約簡(jiǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)決策表的進(jìn)一步簡(jiǎn)化．對(duì)于規(guī) 則集合中的每條規(guī)則，對(duì)于該規(guī)則中的任意條件屬性，如果去掉該條件 屬性，ｉ毿規(guī)則不和規(guī)則集合的其他規(guī)則沖突，則可去掉該條件屬性．
錯(cuò)’

根據(jù)定義４，可以得到ｃｏｒｅ（ｃ，產(chǎn)｛１，２，３，４，５…６
如下表的核值表
Ｕ
Ｃｌ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ Ｏ Ｏ ｌ ２ ２ ２ １ ０

７

８｝，ｃｏｒｅ（ｃ３產(chǎn)（４，５，６）；從而得到

條件屬性
Ｃ３
●

決策屬性
Ｄ Ｎ Ｎ Ｐ
—

●

●

Ｏ ０ １
●

Ｐ Ｐ

Ｎ
Ｐ

●

Ｎ

表４－３核值表 注：宰表示不能確定的條件屬性值

通過將相同的規(guī)則簡(jiǎn)化，得到最小決策表，如表４－４

Ｕ Ｃｌ ｌ ３ ４ ６ ０ ｌ ２ ２

條件屬性
Ｃ３ ０ Ｏ Ｏ ｌ

決策屬性
Ｄ Ｎ Ｐ Ｐ Ｎ

表４—４最小決策表

４．２基于小波粗糙集理論的斷路器振動(dòng)故障診斷模型
４．２．１診斷模型的建立 １．首先將已搜集到的斷路器歷次振動(dòng)故障數(shù)據(jù)作為論域（，，對(duì)斷路器的振動(dòng)故 障進(jìn)行分類，以考慮多種可能的故障情況和多種故障征兆，從而確定條件屬性Ｃ 和決策屬性Ｄ，并且建立決策表。 ２．保持決策表決策屬性和條件屬性之問依賴關(guān)系不變的前提下，對(duì)決策表進(jìn)行 約簡(jiǎn)。 ３．根據(jù)最小決策表導(dǎo)出高壓斷路器振動(dòng)故障診斷規(guī)則，形成故障診斷庫(kù)． 上一章中我們通過小波分析得到了斷路器合閘振動(dòng)信號(hào)的一些參數(shù)，可以作 為診斷的特征參數(shù)，通過應(yīng)用粗糙集形成故障診斷規(guī)則． 條件屬性：ｃｌ～ｃ‘分別對(duì)應(yīng)合閘振動(dòng)信號(hào)波形經(jīng)過小波分析后得到的模極大 值，當(dāng)振幅發(fā)生變化時(shí)，模極大值也發(fā)生變化，可以與圖２．２相對(duì)應(yīng)的６個(gè)事件 點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，ｃ，表示模最大值發(fā)生的時(shí)間。 由于粗糙集理論無法直接處理連續(xù)數(shù)據(jù)，因此首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化．由于 斷路器振動(dòng)的幅值變化較大，因此對(duì)每一屬性進(jìn)行單獨(dú)考慮。對(duì)ｑ～ｃ６，分別按 照幅值比例的大小進(jìn)行離散化．島根據(jù)發(fā)生的時(shí)間范圍進(jìn)行離散化。

Ｃｌ Ｃ２

Ｏ～Ｏ．５ ３～５ ｌ～１．５ ０．５～ｌ ０．５～１ １０～２０

０．５～１ ５～７ １．５～２ ｌ～１．５ ｌ～１．５ ２０～３０ １．５～２ １．５～２

分別對(duì)應(yīng)ｌ、２ ７～９ ９～１ｌ 分別對(duì)應(yīng)ｌ、２、３、４ 分別對(duì)應(yīng)ｌ、２、３

Ｃ３ １２４
Ｃ５

分別對(duì)應(yīng)１、２、３
２～２．５

分別對(duì)應(yīng)ｌ、２、３、４
分別對(duì)應(yīng)ｌ、２、３ １７５～１８０ 分別對(duì)應(yīng)ｌ、２、３、

Ｃ６
Ｃ７

３０～４０
１７０～１７５

１６０～１６５

１６５～１７０

決策屬性：ｄＯ－－－－－正常：

ｄ１——基座螺絲松動(dòng)； ｄ３——機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零件脫落

ｄ２－－止位墊片松動(dòng)；
Ｃｌ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ ２０ ｌ １ １ ｌ １ １ ２ １ １ １ ｌ ｌ １ ｌ ｌ ｌ ｌ ２ ｌ ｌ
?

Ｃ２ １ ｌ ｌ ２ ｌ ２ ２ ３ ２ ２ ３ ２ ２ １ ２ ３ ４ ３ ４ ３

Ｃ３
１ ｌ １ ｌ ｌ １ ｌ ｌ ２ １ ｌ １ ｌ ２ １ １ １ １ ｌ ｌ

Ｃ４
１ ｌ ｌ ｌ ｌ ３ ２ ２ ２ ３ ３ ３

Ｃ５
ｌ ｌ １ ｌ １ ３ ２ ２ ３ ３ ２ ３ ２ ２ ３ ２ ３ ３ ３ ３

Ｃ６ ｌ １ ２ １ １ ２ ２ ２ ｌ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ １ ２ ２

Ｃ７ ２ ２ ３ ｌ ２ ｌ １ ｌ ｌ １ ３ ３ ３ ２ ３ ３ ２ ３ ３ ３ ＤＯ ＤＯ ＤＯ ＤＯ ＤＯ Ｄｌ Ｄ１ Ｄｌ Ｄ１ Ｄ１ Ｄ２ Ｄ２ Ｄ２ Ｄ２ Ｄ２ Ｄ３ Ｄ３ Ｄ３ Ｄ３ Ｄ３

３
４ ３ ４ ４ ３ ２ ３

表４－５故障診斷決策表 經(jīng)過約簡(jiǎn)后的決策表為乖６，約簡(jiǎn)過程同上，經(jīng)過約簡(jiǎn)后的表４－６比表４．５ 大大簡(jiǎn)化，：

Ｃ２

Ｃ４

Ｃ５

Ｃ７ ｌ

ｄ Ｄ１ Ｄ２

●

３
●

２
● ●

２
●

３
●

Ｄ２ Ｄ３ Ｄ３

４
●

３

３

４．２．２故障診斷規(guī)則的導(dǎo)出

由表４－６，可以得到以下診斷規(guī)則
Ｒｕｌｅｌ：’ｃ７＝１一ｄｌ Ｒｕｌｅ２：（ｃ４＝３
ａｎｄ

ｃ５＝２）ｏｒ（ｅ２＝２
ａｎｄ

ａｎｄ

ｃ７＝３）一ｄ２

Ｒｕｌｅ３：（ｃ４＝４）ｏｒ（ｃ２＝３

ｃ５＝３）一ｄ３

由上述規(guī)則可以看出，經(jīng)過粗糙集約簡(jiǎn)后的決策表進(jìn)行診斷，可以縮小診斷 的范圍，從而也提高了故障診斷的速度。

４．３本章小結(jié)
本章介紹了粗糙集的基本概念，通過屬性約簡(jiǎn)和值約簡(jiǎn)對(duì)故障診斷的原始決 策表進(jìn)行化簡(jiǎn)，從而得到最優(yōu)的決策表．本論文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的斷路器振動(dòng)故 障診斷模型，將運(yùn)用小波分析得到的模極大值和模最大值發(fā)生時(shí)間作為初始決策 表，經(jīng)過約簡(jiǎn)后得到了故障診斷規(guī)則，因?yàn)槟Ｐ秃?jiǎn)單，并沒有體現(xiàn)出粗糙集理論 在處理不精確和不完整數(shù)據(jù)方面的優(yōu)越之處．在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用的診斷數(shù) 據(jù)會(huì)很多，如何從大量數(shù)據(jù)中提取可用的診斷規(guī)則將是一個(gè)重要的問題，因此粗 糙集理論會(huì)在設(shè)備故障診斷中發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)和作用．

第五章：高壓斷路器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件的實(shí)現(xiàn)

５．１硬件配置
本系統(tǒng)選用的硬件配置為：ｔＬａｔＣＫ６２０機(jī)箱，ＮＵ＇ＰＲ５９０主板，ＰＷ－１．８Ｇ
ＣＰＵ，

２５６Ｍ內(nèi)存，４０Ｇ硬盤，４塊ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板，ＣＲＴ液晶顯示器．操作系統(tǒng)采用
Ｗｉｎｄｏｗｓ

ＸＰ，數(shù)據(jù)處理采用Ｖｉｓｕａｌ ａ＿＋６．０和Ｍａｔｌａｂ６．５編程語言．通過傳感器將

被測(cè)信號(hào)送入工控機(jī)，由程序控制進(jìn)行分析處理，作出相應(yīng)的判斷，并顯示出來． 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示：

．１

．＿．

占占 占占 占占
一感一，●上季曼一一厘一
一感一＋●Ｌ刪一一塑｜一

一器一

一器一

一器一

＋１．．Ｌ感一＋ｌＬ刪一熳一 一

圖５一ｌ斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 其中，數(shù)據(jù)采集裝置將傳感器送來的模擬信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)送入工控機(jī) 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析和判斷。為了滿足測(cè)量精度的要求， 采集裝置應(yīng)具有一定的采樣速度和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換精度以及適當(dāng)?shù)耐ǖ罃?shù)．為此，本 系統(tǒng)選用了ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板。 ５．１．１陰５１１６數(shù)據(jù)采集板概述
ＢＨ５１１６板是ＩＢＭ－－ＰＣ ＡＴ總線兼容的數(shù)據(jù)采集板，主要由模／數(shù)轉(zhuǎn)換（Ａ／ｔ））

電路、定時(shí)／計(jì)數(shù)器（ＴＤ電路及ＰＣＡＴ總線接口電路等部分電路組成，可直接插 入ＩＢＭ－－ＰＣＡＴ總線兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一總線擴(kuò)展槽中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，波形
４１

分析和處理。ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板支持定時(shí)觸發(fā)Ａ／Ｄ電路啟動(dòng)轉(zhuǎn)換工作方式。支 持軟件查詢、直接內(nèi)存存取ＤＭＡ，中斷等數(shù)據(jù)傳送方式，板上０－－１５通道支持 同步采樣，板上提供１ｋ的ＦＩＦＯ接受Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，可以通過軟件編程或 硬件控制來啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，當(dāng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換完成后，可通過軟件查詢Ａ／Ｄ完成位， 然后讀取數(shù)據(jù)：或者通過ＤＭＡ和ＦＩＦＯ的半滿標(biāo)志產(chǎn)生中斷讀取數(shù)據(jù)。ＢＨ５１１６ 板Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路的觸發(fā)方式主要分為板內(nèi)８２５４定時(shí)觸發(fā)方式、板外脈沖直接觸 發(fā)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。定時(shí)觸發(fā)方式是通過軟件編程對(duì)板上有關(guān)電路及８２５４進(jìn)行各種初 始化，由８２５４的輸出觸發(fā)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。
在ＢＨ５１ １６板Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的結(jié)果可通過下列方式傳送給主機(jī)：

些』二壟』二堡』羔蘭』』選

１．軟件查詢Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換完成位，然后由主機(jī)讀入結(jié)果數(shù)據(jù)．

２．ＡｆＤ轉(zhuǎn)換完成后，通過Ｉ）ＭＡ方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送．
３．Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換完成后，通過ＦＩＦＯ的半滿標(biāo)志產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中 讀取數(shù)據(jù)。 １６數(shù)據(jù)采集板主要技術(shù)指標(biāo)

５．１．１．１

ＢＨ５１

（１）模擬信號(hào)輸入部分 ?模擬通道輸入數(shù)： １６路單端模擬信號(hào)輸入

?模擬輸入電壓范圍：±５Ｖ、０－１０Ｖ ?模擬輸入阻抗：１００ＭＱ
?放大器建立時(shí)間：５ｕＳ

?放大器增益誤差性：０．０５％ （２）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路部分 ?Ａ／Ｄ分辨率：１２Ｂｉｔ（４０９６） ?非線性誤差：±１ＬＳＢ（最大）
?板上帶１Ｋ的ＦＩＦＯ

?轉(zhuǎn)換時(shí)間：１０ｌｌＳ ?系統(tǒng)測(cè)量精度（滿量程）：０．２％ ?同步采集時(shí)間：１０ｐ
Ｓ

出壅太堂亟±堂焦途窒
?通過率：４０Ｋ（包括：采集時(shí)間、通道切換時(shí)間，放大器建立時(shí)間，ＡＤ轉(zhuǎn)換
時(shí)間） （３）中斷申請(qǐng)部分
?

?中斷申請(qǐng)通道數(shù)：ｌ路（硬件選擇） ?中斷申請(qǐng)級(jí)別：ＩＲＱ３，ＩＲＱ４、ＩＲＱ５、ＩＲＱ７、ＩＲＱＩＯ、ＩＲＱｌｌ，ＩＲＱｌ２、ＩＲＱｌ５ 可選
。

?中斷信號(hào)有效電平：高電平有效

。

?中斷申請(qǐng)信號(hào)電平特性：ｍ兼容
５．１．１．２

ＢＨ５１１６板內(nèi)地址分配
寫 首通道號(hào) 末通道號(hào) 控制字１ 控制字２ ８２５４的０通道數(shù)據(jù) ８２５４的１通道數(shù)據(jù) ８２５３的２通道數(shù)據(jù) 讀ＡＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果 讀ＡＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果 ８２５４的０通道數(shù)據(jù) ８２５４的ｌ通道數(shù)據(jù) ８２５３的２通道數(shù)據(jù)

地址 基地址＋０ 基地址＋ｌ 基地址＋２ 基地址＋３ 基地址＋４
．

讀 查詢ＡＤ狀態(tài)

基地址＋５
基地址＋６ 基地址＋７ 表５一ｌ ５．１．１．３板基地址配置

送８２５４控制字 ＢＨ５１１６板內(nèi)地址分配表

清ＦＩＦＯ

ＢＨ５１１６的基地址可以設(shè)置成任何二迸制碼的組合，其范圍從２００Ｈ一３ＦＦＨ。 通過一個(gè)６位的開關(guān)ＤＩＰ來完成，ＢＨ５１１６將占用連續(xù)８?jìng)�(gè)ＦＯ地址。 板基地址選擇開關(guān)ＤＩＰ
一

１

２
Ａ４

３ Ａ５

４ Ａ６

５ Ａ７

６ Ａ８

地址線：

Ａ３

些』∑叁蘭』墜圭』壘絲絲皇
十迸制：０８
１６ １０ ３２ ２０ ６４ ４０

１２８ ８０

２５６ １００

‘

十六進(jìn)制：０８

。

板基地址范圍５１２－－１０２３（０２００Ｈ－－０３ＦＦＨ），開關(guān)位置“ＯＮ”有效，置“ＯＦＦ” 無效基地址等于所有有效位數(shù)之和加上０２００Ｈ。

５．２軟件配置
本系統(tǒng)以Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ為操作系統(tǒng)，Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋６．０編程語言為操作平臺(tái)，調(diào) 用ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)、ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動(dòng)程序和Ｍａｔｌａｂ６．５進(jìn)行編程操作。其 基本設(shè)計(jì)思路為：在Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋６．Ｏ開發(fā)環(huán)境下編制人機(jī)交互操作界面進(jìn)行控制， 通過ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板，ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)的物理量（電 流、電壓、振動(dòng)信號(hào)）進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，同時(shí)在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋斗＿６．Ｏ中調(diào)用Ｍａｔｌａｂ６．５ 程序，利用其強(qiáng)大的計(jì)算、信號(hào)處理和繪圖功能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，分析， 不僅能夠直觀的反映狀態(tài)的變化，提取特征參數(shù)，作為故障診斷的輸入，而且能 夠縮短開發(fā)周期，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)維修提供依據(jù)。 ５．２．１數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理 為了提高數(shù)據(jù)吞吐率以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理（如隨時(shí)取數(shù)、隨時(shí)暫停設(shè)備、 隨時(shí)開始傳輸、隨時(shí)存盤、隨時(shí)顯示波形、隨時(shí)設(shè)備控制輸出等功能），采用數(shù)據(jù) 采集傳輸和數(shù)據(jù)處理相獨(dú)立的思想。即通過所創(chuàng)建的設(shè)備對(duì)象在Ｗ＇ｍｄｏｗｓ系統(tǒng) 空間里開辟～個(gè)固定長(zhǎng)度１２８Ｋ，且連續(xù)的非分頁(yè)環(huán)形內(nèi)存池Ｂｕｆｆｅｒ，這個(gè)內(nèi)存

圖５．２環(huán)形內(nèi)存池指針一個(gè)周期內(nèi)的流向

一…—’——————‘；；＝；＝＝＝；；；；；；；；；；—；；；；；一－．．ｉ；；；；；；；；；
４４

池與用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)相獨(dú)立，設(shè)備對(duì)象在后臺(tái)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸，并將其數(shù) 據(jù)填充在環(huán)形內(nèi)存池中。且維護(hù)一個(gè)當(dāng)前指針，它指向環(huán)形內(nèi)存池中最新數(shù)據(jù)的 位置（用戶可以通過ＧｅｔＢｕｆｆｅｒＩｎｄｅｘＡＤ捕獲這個(gè)指針）。用戶程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理時(shí)，設(shè)備對(duì)象依然可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，當(dāng)用戶處理完該批數(shù)據(jù)時(shí)，新 的一批數(shù)據(jù)已填充在環(huán)形內(nèi)存池中，用戶只須用ＭｐＢｕｆｆｃｒＤａｔａＡＤ便可以迅速 地將數(shù)據(jù)從環(huán)形內(nèi)存池中映射到用戶空間中。用戶又可以進(jìn)行新的一批數(shù)據(jù)處 理，這樣即實(shí)現(xiàn)了并行系統(tǒng)的某些強(qiáng)大功能，另外，用戶一旦啟動(dòng)了設(shè)備，設(shè)備 對(duì)象便不間斷地在環(huán)形內(nèi)存池和硬件設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到用戶停止設(shè)備 為止，所以什么時(shí)候取數(shù)據(jù)，取多少點(diǎn)數(shù)據(jù)，將完全由用戶來決定。環(huán)形內(nèi)存池 動(dòng)態(tài)指針變化規(guī)律參考圖５－２。
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當(dāng)設(shè)備對(duì)象開始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它自動(dòng)維護(hù)這個(gè)指針，使這個(gè)指針從０位置開 始向６５５３５位置方向移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)６５５３５時(shí)，設(shè)備對(duì)象即完成了一個(gè)環(huán)形周期的 操作，只要用戶沒有用ＳｕｓｐｅｎｄＤｅｖｉｃｅＡＤ暫停設(shè)備或用Ｒｅｌｅ笛ｅＤｅｖｉｃｅ釋放設(shè)備 對(duì)象，則設(shè)備對(duì)象自動(dòng)開始下一個(gè)環(huán)形周期的操作，‘指針又將開始從０往６５５３５ 方向移動(dòng)，其新的數(shù)據(jù)將逐漸地覆蓋上一個(gè)環(huán)形周期所采集的數(shù)據(jù)。設(shè)備對(duì)象總 是這樣周而復(fù)始地往環(huán)形內(nèi)存池填充最新數(shù)據(jù)，一個(gè)環(huán)形周期的時(shí)間長(zhǎng)短，因其 池的深度是固定的，所以唯一取決于設(shè)備采集頻率，如設(shè)備以１００Ｋｔｔｚ（即１０００ 微秒一個(gè)點(diǎn)）工作，則一個(gè)周期為１０ｕＳ｝６５５３６＿６５５３６０ｕＳ，６５５３６０／１０００＝６５５．３６ｍｓ。 若折半處理，則相當(dāng)于用軟件仿真了一個(gè)６４Ｋ大小的板上ＲＡＭ或近似Ｆ｛ＦＯ（先進(jìn) 先出隊(duì)列）的高速緩沖器。（在實(shí)際操作中，斷路器合閘過程在３５０ｍｓ之內(nèi)，在
Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ環(huán)境中，只有６４Ｋ字節(jié)的連續(xù)空間可用于環(huán)形內(nèi)存池，所以動(dòng)態(tài)指

針只能在［Ｏ，３２７６７］之間移動(dòng)。 當(dāng)用戶需要從環(huán)形內(nèi)存池映射數(shù)據(jù)到用戶空問時(shí)，應(yīng)先用ＧｅｔＢｕｆｆｅｒＩｎｄｅｘＡＤ 捕捉環(huán)形內(nèi)存池的動(dòng)態(tài)指針，以把握好當(dāng)前位置，才能正確映射到有效的數(shù)據(jù)， 否則有可能得到兩個(gè)周期相重疊的數(shù)據(jù)．環(huán)形內(nèi)存池操作函數(shù)調(diào)用流程如圖５．３
所示。

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創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象（ＣｒｅａｔｅＤｅｖｉｃｅ）

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啟動(dòng)設(shè)備（ＲｅｓｕｍｅＤｅｖｉｃｅＡＤ）。開始設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

停止設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，釋放設(shè)備對(duì)象（ＲｅｌｅａｓｅＤｅｖｉｃｅＡＤ）
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結(jié)束

圖５—３環(huán)形內(nèi)存池操作函數(shù)調(diào)用流程圖

５．２．２調(diào)用Ｍａｔｌａｂ

Ｍａｔｌａｂ強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算與可視化功能，簡(jiǎn)單易用的開放式可擴(kuò)展環(huán)境以及多 達(dá)３０多個(gè)面向不同領(lǐng)域而擴(kuò)展的工具箱支持，使得Ｍａｔｌａｂ在許多學(xué)科領(lǐng)域中成 為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析、算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺(tái)．本文利 用其強(qiáng)大的計(jì)算、信號(hào)處理、和繪圖功能速采集，存儲(chǔ)的斷路器電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行 繪圖、仿真，直觀形象的監(jiān)測(cè)電器開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)變化過程，提取能反映斷路器 運(yùn)行狀態(tài)的特征信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理功能． 在ｖＣＨ哂．０語言開發(fā)環(huán)境下編制人機(jī)交互操作界面進(jìn)行控制。Ｍａｔｌａｂ編程 語言具有易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，利用其接口函數(shù)（ＥｎｇｉｎｅＡＰＩ）可以建立與ｖＣ＋＋６．０ 語言的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)在ＶＣ開發(fā)環(huán)境中直接調(diào)用Ｍａｔｌａｂ編程語言，利用其計(jì) 算、信號(hào)處理和圖像處理功能可以將采集與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在不經(jīng)過任何處理的情況 下進(jìn)行繪圖與仿真。

５．３本章小結(jié)
本章介紹了利用工控機(jī)和ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板組成了斷路器在線監(jiān)測(cè)和故障 診斷的基本硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０、Ｍａｔｌａｂ６．５和ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)。 通過Ｖｉｓｕａｌ

Ｃ抖６．０進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并且通過在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋環(huán)境中調(diào)用

Ｍａｔｌａｂ進(jìn)行數(shù)據(jù)的繪圖和仿真處理，更加直觀、形象的反映斷路器的運(yùn)行狀態(tài)．

４７

第六章結(jié)論與展望

電氣設(shè)備狀態(tài)檢修是設(shè)備檢修的發(fā)展方向，是運(yùn)用綜合性的技術(shù)手段，掌握 設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備故障發(fā)生、發(fā)展情況，借助技術(shù)分析，進(jìn)行檢修決策和管理 的一種先進(jìn)的設(shè)備檢修模式。狀態(tài)檢修的前提就是要進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和故障診斷， 利用現(xiàn)代自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并采用人工智能信息處理技術(shù)進(jìn) 行故障診斷，是自動(dòng)化檢測(cè)與故障診斷技術(shù)發(fā)展的必然。 本文主要對(duì)高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷進(jìn)行了研究，完成了以
下幾個(gè)方面的工作：

（１）本文通過數(shù)學(xué)工具小波分析中的模極大值的特性對(duì)斷路器合閘振動(dòng)信 號(hào)波形進(jìn)行了分析，求取了振動(dòng)信號(hào)幅值變化時(shí)的模極大值和模最大值發(fā)生的時(shí) 刻，并根據(jù)這些值的變化來判斷故障類型，通過仿真驗(yàn)證了方法的正確性。 （２）本文提出了基于小波粗糙集的故障診斷的方法，將小波分析得到的故 障特征參數(shù)作為決策表的原始輸入，利用粗糙集理論對(duì)其進(jìn)行約簡(jiǎn)。在保持決策 表分類能力不變的情況下，剔除不必要的冗余信息，簡(jiǎn)化進(jìn)行故障診斷時(shí)所需的 信息，從而提高故障診斷的準(zhǔn)確率． （３）利用工控機(jī)和ＢＨ５１１６數(shù)據(jù)采集板組成了斷路器在線監(jiān)測(cè)和故障診斷 的基本硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０、Ｍａｔｌａｂ６．５和ＳＱＬ數(shù)據(jù)庫(kù)。通過
Ｖｉｓｕａｌ

ＣＨ七．０進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并且通過在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ｒ環(huán)境中調(diào)用Ｍａｔｌａｂ

進(jìn)行數(shù)據(jù)的繪圖和仿真處理，更加直觀、形象的反映斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。 綜上所述，電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是設(shè)備狀態(tài)檢修的核心內(nèi)容， 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展、可監(jiān)測(cè)的狀態(tài)量將越來越多；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 允許處理的數(shù)據(jù)量越來越多；隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，故障診斷的可靠性將大 大提高．這些技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)更為準(zhǔn)確、合理和實(shí)
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５２

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Ｃｈａｐｍａｎ［美】著，駱長(zhǎng)樂譯學(xué)用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋清華大學(xué)出版社１９９９

致謝

本學(xué)位論文是在導(dǎo)師魏殿杰副教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。在完成 課題期間，魏老師從論文選題、課題研究到論文撰寫的每個(gè)方面都給予了熱忱的 關(guān)心。他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的治學(xué)態(tài)度、平易近人的工作作風(fēng)一直是我堅(jiān)持學(xué)習(xí)和取得不 斷進(jìn)步的動(dòng)力和源泉。在我攻讀碩士學(xué)位的三年來，魏老師不僅對(duì)我的學(xué)習(xí)和科 研活動(dòng)悉心指導(dǎo)，在生活上也給予了細(xì)致的關(guān)心與幫助。正是魏老師的嚴(yán)格要求、 精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷才使我能夠不斷前進(jìn)。值此論文完成之際，謹(jǐn)向魏老師致以
深切的謝意！
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最后，向所有關(guān)心、支持和幫助我的師長(zhǎng)、親人和朋友們致以衷心的感謝！

一

攻讀學(xué)位期問發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄

１．王鑫魏殿杰基于工控機(jī)的斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電工技術(shù)２００４年第９期 ２．王新寬魏殿杰王鑫新型消弧消諧選線綜合裝置的研制電氣制造 ２００５年第ｌ期
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  本文關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。