移动电站电气系统故障诊断系统的研究.pdf

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1、天津大学硕士学位论文移动电站电气系统故障诊断系统的研究姓名：闫淑英申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李冬辉20080601中文摘要故障诊断技术是提高系统可靠性、可维修性和有效性的一个重要因素。移动电站电气系统故障诊断在移动电站使用和维护中起着重要的作用。本文首先对故障诊断技术进行了探讨，着重研究了故障字典诊断法及灰色预测诊断法的基本原理，并针对故障字典法在实际应用中存在的困难，运用灰色控制理论同故障字典法相结合的解决方法，形成了对该系统进行故障诊断的总体方案。然后，在掌握了移动电站基本工作原理的基础上，提出了以8 0 3 1 单片机为核心的故障诊断系统的硬件和软件实现方案。硬

2、件方面主要进行了信号调理电路的设计、系统复位电路的设计及诊断系统外围设备接口电路的设计；软件主要进行了主控程序、键功能程序、数据采集程序及L C D 显示子程序的设计。最后，针对诊断系统可能的干扰来源，提出了本系统所采取的抗干扰措施。根据上述设计方案研制的基于油田野外作业车移动电站电气系统故障诊断设备，经在移动电站上实际调试，所开发的故障诊断系统各项功能正常，达到预期的预测诊断效果，而且运行比较稳定。关键词：电气系统故障诊断故障字典灰色理论A B S T R A C TT h et e c h n o l o g yo nt h ef a u l td i a g n o s i si sa

3、l li m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc a ne n h a n c et h er e l i a b i l i t y,r e p a i r a b i l i t y,a n de f f e c t i v e n e s so ft h ee l e c t r i c a ls y s t e m I tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu s i n ga n ds a f e g u a r d i n gt h em o b i l ep o w e rs t a t i o n F

4、i r s t l y,t h ep a p e ra p p r o a c h e st h et e c h n o l o g yo nt h ef a u l td i a g n o s i s，g o e st o t h ed i a g n o s i sw i t ht h ef a u l td i c t i o n a r y(D W F D)，t h ep r i n c i p l eo ft h em e t h o dc a l l e dG r e yf o r e c a s t i n gD i a g n o s i si np a r t i c u

5、 l a r A n da l s oi nt h ev i e wo ft h ep r o b l e mi na p p l y i n gt h ef a u l td i c t i o n a r yt op r a c t i c e，t h em e t h o dc o m b i n e dG r e yC o n t r o l l i n gT h e o r yw i t hD W F Di su s e dt Of o r mt h eg e n e r a lp r o g r a mt ot h ef a u l td i a g n o s i s S e c

6、 o n d l y,b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h em o b i l ep o w e rs t a t i o n,t h ep r o g r a ma b o u tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m，w h i c ha p p l i e st h e8 0 31s i n g l e c h i pa si t sk e m e l，i sp u tf o r w a r d A sf o r

7、h a r d w a r e，i ti n c l u d e ss i g n a l sa d j u s t i n gc i r c u i t，r e s e t t i n gc i r c u i td e s i g n s，a sw e l la st h ed e s i g nf o rc o n n e c t i o nc i r c u i tb e l o n g e dt ot h eo u t e re q u i p m e n t M a i nc o n t r o l l i n gp r o g r a m，k e y sf u n c t i o

8、 n sp r o g r a m，c o l l e c t i n gd a t ap r o g r a ma n dt h eb r a n c h e sp r o g r a mf o rL C Dh a v eb e e nd e s i g n e di nt h es o f t w a r e F i n a l l y,c o n s i d e r i n gt h ep o s s i b l es o u r c e so fi n t e r f e r e s，s o m ep l a n sh a v eb e e n p u tf o r w a r dt

9、os o l v et h e mi nt h ep a p e r T h ee q u i p m e n tf o rt h ef a u l td i a g n o s i st ot h ee l e c t r i c a ls y s t e m，w h i c hb a s e d o nt h ea b o v ed e s i g n i n gp r o g r a m s，w o r k sw e l li nD a g a n gO i lF i e l d A l lt h ef u n c t i o n so ft h ed e v e l o p e df

10、a u l td i a g n o s i sa r en o r m a l，t h er e s u l ti se x p e c t e d K E YW O R D S：E l e c t r i c a ls y s t e m，F a u l td i a g n o s i s，F a u l td i c t i o n a r y,G r e yS y s e t mT h e o r y独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎

11、或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名碉；耘漫签字日期：3 融8 年6 月，D 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解：苤盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者躲f 弋i 掐筻签字日期：二甜年6 月协日新繇彩签字日期：加萝年口日月当。6第一章绪论1 1 本课题的立

12、项依据第一章绪论国内外一般的移动电站都具有自己电气系统的故障诊断系统，我国进口的F F-V 9 4 型移动电站，由于技术保密的原因，该移动电站电气系统没有自己的故障诊断系统。根据对该设备的使用调查结果分析，移动电站的主要故障是电气系统故障。迄今为止，国内没有现成的移动电站电气系统的故障诊断系统，工程技术人员排除电气系统故障采用的方法落后，工程技术人员主要采用万用表，利用逐个检查插孔的方法进行判断，上述方法不仅要求技术人员具有丰富的电气理论知识和操作经验，而且操作方法落后，费时、费力，往往不能满足测试要求，不能很好地保障移动电站的稳定运行。目前我国已进口的该型移动电站数量较多，而在移动电站电气系

13、统方面的专业技术人员比较缺乏，出故障时不能迅速排除。鉴于这种情况，对系统进行自动测试来完成故障诊断已势在必行。本课题来源于天津大港油田的科技攻关项目，目的在于开发设计一套适合该型移动电站的故障诊断系统。1 2 项目研究的目的和意义故障诊断技术是一门应用型边缘学科，它的理论基础涉及现代控制理论、计算机工程、数理统计、信号处理、模式识别、人工智能以及相应的应用学科。故障检测与诊断技术近年来已得到国际自动控制界的高度重视，成为自动控制的一个重要分支。美国的控制会议、I E E E 的控制与决策国际会议和国际自动控制联合大会I F A C 都把故障诊断列为重要的讨论专题。故障诊断技术，可以快速、准确地

14、对电子系统是否异常进行判断，对于出现的故障进行快速定位，并将故障隔离到最小可更换单元。在电子设备维护保障中应用现代故障诊断技术，可以提高系统的可靠性、有效性，保障设备发挥最大设计能力，延长使用寿命，降低寿命周期费用；通过检测监视、故障统计分析及性能评估等，为设备优化设计提供数据和信息，因此研究故障诊断技术，一将研究成果产品化推广应用，具有广阔的应用前景【l】。故障诊断技术是和人类对设备的维修方式紧密相连的，也经历了三个发展阶段：(一)以人工为主的直接监测和故障分析阶段；第一章绪论(二)以传感技术、测试技术及计算机技术为基础，以数字信号处理为手段常规分散故障诊断阶段；(三)现代信号处理理论、软计

15、算、智能化信息处理相结合的自动故障诊断阶段。近年来，传感器技术和信号处理技术如各种滤波、谱分析技术、人工智能技术如专家系统、神经网络、信息融合等的发展，使得故障诊断的智能化水平进一步提高。目前，随着计算机网络技术的发展，故障诊断技术正朝着将自动故障诊断、智能故障诊断和远程专家诊断相结合的网络化远程智能故障诊断方向发展。1 3 课题完成达到的目标及推广价值移动电站的故障诊断系统的设计采用了灰色控制理论的思想，具有以下几方面的优点【2 1：(一)该系统的研制解决了移动电站出现故障时，人工检测排除存在缓慢、费时等缺陷，具有快捷、准确、实时、提前预测的功能，避免了一旦出现故障时造成的巨大损失。(二)此

16、系统具有预测诊断功能，不仅适合移动电站的故障诊断，通过参数模板的改变，参数的重新设置，实现了系统的通用性，也可应用于其他大型电气设备系统的故障检测。(三)通过完善该系统模型，也可以运用到一些安全领域方面的预测与预防，如瓦斯的爆炸、地震、水灾等自然灾害的预测、预防。本论文将围绕上述内容展开，详细介绍本课题的研究工作和成果。本论文将围绕上述内容展开，详细介绍本课题的研究工作和成果。1 4 本文所做的主要工作本文在撰写过程中通过查阅大量文献资料完成了以下主要研究工作：第一章介绍了移动电站故障诊断的目的、意义、国内外研究现状；第二章介绍了移动电站故障诊断系统的设计方案，着重研究了故障字典诊断法及灰色预

17、测诊断法的基本原理，采用灰色控制理论同故障字典法相结合的解决方法，形成了对该系统进行故障诊断的总体方案；第三章诊断系统硬件方面主要进行了信号调理电路的设计、系统复位电路的设计及诊断系统外围设备接口电路的设计；第一章绪论第四章诊断系统的软件主要进行了主控程序及其子程序的编写及L C D 显示子程序的设计；第五章针对诊断系统可能的干扰来源，提出了本系统所采取的抗干扰措施；第六章故障预测诊断系统的验证，并对后续工作提出了一些建议。第二章电气系统故障诊断的理论研究第二章电气系统故障诊断的理论研究2 0 世纪8 0 年代以后，故障诊断的理论研究进入了深入发展的阶段，并逐渐趋向于将故障诊断方法分为两大类，

18、即测前模拟诊断法和测后模拟诊断法，前者对电路的模拟仿真在现场测试之前，后者对电路的模拟仿真在现场测试之后。显然，测前模拟诊断法更易于进行实时诊断，故障字典法是测前模拟诊断的典型方法，它是目前电路故障诊断中最具有实用价值的方法。2 1 故障字典诊断法故障字典诊断法是一种简单的、适用范围很广的故障诊断方法，故障字典法对于电路硬故障的诊断简单而有效，而硬故障约占电路故障的8 0，其中5 0 是电阻开路，电容短路和晶体管开路或短路。故障字典法一般分两步进行。首先为编制故障字典进行测前分析，即用计算机程序或人们的经验对电路正常状态和所有硬故障状态进行模拟分析，加入适当的激励源，算出系统在各种故障状态下一

19、组选定节点上的电压，从而建立故障字典，然后对端口进行分析以识别故障，即将选定节点上测出的电压与故障字典中的电压进行比较，运用某些隔离算法查出故障 3 1。若被测对象可能发生，z 种故障，相应于n 种故障模式类S、足、S，S。，它有m 个症兆(或特征)K，、K，、K，K。，并定义一0，第，个症兆不出现K：=1，第，个症兆出现=1，2，3，m，K=(K l，K 2，K 3，K。)为特征向量。当已经知道系统存在第i 个故障时，与它所对应的哪些症兆出现，哪些症兆不出现，即已经知道以下函数关系，S，-Z(K l，K 2，K 3，K。)=Z(K)时，(2 1)就可以按实际观测到的症兆特征判断故障原因了，上

20、式(2-1)中f(K)为各特征的布尔表达式。第二章电气系统故障诊断的理论研究耻l第二章电气系统故障诊断的理论研究显然，该式求逆就可以得到(2-1)式，从而建立故障字典。例如，某系统顶端事件为R 的故障树如下图2 一l 所示：厂K l=X 4+x5+x 6+x 1 广一K t=s4 七Ss+s 6+S 1IlIK 2=X 2+墨+瓦+x 7即：lK 2=是+S+&+s 7IlL墨=五+置+墨+墨LK 3=S l+s 3+s 5+s 7由图2-1 可以看出，要对被测系统进行更深一层的故障诊断，就要从可测量的特征量K。，K：K，来判断，故应把故障模式类S 表示成K。K：。K，的函数，建立故障字典，如

21、表2-1 所示。这种建立故障字典的方法，适用范围较广，可用于元件级的故障诊断，也可用于功能模块或拆卸机件级的故障诊断。特别是对于复杂的大型设备和系统，当只要求将故障隔离至机件或功能模块时，只需要按各机件或功能模块之间的关系进行故障树分析，建立故障树，然后就可以形成故障字典。而不必对各个机件或功能模块的内部工作情况进行深入分析和研究，因而，大大减少了计算的工作量。因为该移动电站电气系统是一个复杂的，由几个相互联系的组合组成的大系统，而每个组合又由几块插件组成，在它的检测点中，输出的大部分量均为直流量，即使是交流量，在处理时也可以将其整流为直流量，并用相应的直流量来代替它，因此，故障树分析的方法适

22、合于解决它的故障诊断问题。第二章电气系统故障诊断的理论研究表2 1K lK 2K 3S lO01S 2010S 301lS。1OOS 51OlS 611OS 71l12 检测点的选择为了测量特征参量，必须选择合适的检测点。选择了检测点后，可检验检测点的有效性。本文提供了增减和改变检测点的原则，这些原则是根据线性相关与无关的原理拟出的【4】。(1)n 个行向量中的任何一个行向量都不应为零向量，否则，表示所选择个特征向量，每一个特征向量只能取0 或1 两个值，其最的检测点不能检测行所对应的故障。此时有两种处理方法，若此故障发生的概率很小或无关紧要，则可不予以考虑；否则，应改变或增加检测点。(2)若

23、两个或数个行向量完全相同，表示所选择的检测点不能分辨这些故障，如果必须加以分辨，则应改变或增加检测点。(3)m 个列向量中，某列全为0 或全为1，表示这一特征与所有故障的发生都无关或都有关，不能提供故障定位的信息，该测试点是多余的。(4)某两个列向量完全相同，表明这两个检测点是等效的，其中的一个并没有获得更多的故障信息，可以去掉。m 个检测点可测量m 个组合数为2”，它最多只能分辨2”个故障状态，所以当用故障字典法进行故障诊断时，若要分辨r 种故障，则应满足：2”n该移动电站电气系统由两个相同的机组组成，每个机组提供了9 3 个检测点，通过深入分析和研究，本文采用了其中的5 1 个进行检测和判

24、断。3 用故障字典进行故障诊断(1)测量特征向量y l，y 2，少3，y m(2)形成特征形成特征的含义就是根据预先确定的各特征参量Y，的正常范围Y 讨，按照求第二章电气系统故障诊断的理论研究特征值的定义求出特征值，并组成特征向量K=(K，K 2，K，K。)。(3)查阅字典把实际测量到的特征向量K，与故障字典中的行向量逐一进行比较，若与第i 行相符，可断定系统发生了第i 个故障；否则继续检索。如果整个字典查阅完毕，无一相符，则认为系统正常。如果系统发生故障时测得的特征量与故障字典中的任意一行都不符合，从而误判系统正常，这种“失配现象在故障诊断中是不允许出现的。4 诊断树法在讨论了故障树的故障诊

25、断方法的基础上，这里进一步介绍诊断树的方法，这种方法是按故障与特征值的关系，根据测得的特征参量顺序进行判断，最后找到故障部位。用诊断树法可以每测量一个特征参量进行一次判断，如果找到故障部位即诊断结束，判断特征值可用特征参量直接与其正常取值范围比较决定，不必预先形成特征值。由此可见，诊断树法与故障树法相比，具有检测步骤少且快捷方便的特点。2 1 2 由故障模拟形成故障字典这是一种由故障字典的定义形成故障字典的方法，它主要用于元件级的故障诊断1 5 J。1 通过故障模拟建立故障字典通过故障模拟建立故障字典的过程主要有以下几步：(1)向计算机提供以下数据电路描述：电路描述包括网络的拓扑结构、元件的类

26、型和元件参数的标称值。故障定义：故障定义就是规定需要诊断电路的哪些故障。初步选择检测点和激励信号：所选的测试点应该时可达节点，而且这些点上的响应信号对内部故障最为敏感，激励信号不一定是电路正常工作时的输入信号，也不一定加在输入端上，而应尽量使电路中的元件经历各种状态。(2)故障模拟故障模拟是在故障测试前进行的，是建立故障字典的必要准备。一故障模拟时，先用故障模拟程序算出元件参数为标称值时的节点电压，然后计算出故障情况下每个节点的电压。(3)故障检测算法只有当故障状态下，被测电路的节点电压。与正常时的节点电压之差第二章电气系统故障诊断的理论研究足够大时，该故障才是可检测的。故障可检测的数量界限为

27、(吆。一)2 n(矿)2 5 1o=l，2，3，刀，)(2 3)A V 为一常数，其数值与电路的性质有关，可根据经验或计算确定。例如：对于包含晶体管的电路，A V 为0 7 V，因为某个节点电压0 7 V 的变化就可能改变晶体管导通或截止的状态。在进行了以上的准备之后，将故障情况下各测试点的值保存起来，就形成了这种方法的故障字典。2 通过故障字典进行故障诊断由于故障字典中列出的是不同故障情况下各检测点的电压值，所以该诊断方法可分以下三步进行：(1)向电路施加不同测试向量，并测量电路检测点的响应。(2)计算测量值与故障字典中列出的各种典型故障情况下相应检测点响应之差，并求出方差和。(3)方差和中

28、最小者对应的故障字典中的典型故障就是该系统所发生的故障。2 1 3 故障字典法的使用范围此方法主要适用于硬故障的诊断，而且要求系统所考虑的故障是有限的、己知的，同时也是永久性的。该移动电站电气系统的故障诊断在网络级上是符合此条件的。对该系统进行故障诊断的目的就是将故障定位到各个组合的插件上。因此，在该移动电站电气系统的故障诊断中采用故障字典法是合适的。2 2 灰色控制理论灰色系统理论(G r e yS y s e t mT h e o r y)是由我国华中理工大学邓聚龙教授首创的一种新的系统理论，它是把一般系统论、信息论、控制论的观点和方法延伸到社会、经济、生态等抽象系统，结合运用数学方法而形

29、成的一套解决信息不完备系统即灰色系统的理论和方法。2 2 1 灰色控制作为一种科学概念，控制就是施控装置对受控装置所施加的一种特定作用，是一种有目的、有选择的能动作用。灰色控制常指本征灰色系统的控制，包括一般控制系统含有灰参数的情形以及运用灰色系统的分析、建模、预测、决策思路第二章电气系统故障诊断的理论研究构造的控制。灰色控制不同于一般白色系统的控制，主要是因为其状态矩阵中含有灰元。在这种情况下，首先要了解系统的动态品质与含灰元的参数矩阵有何关系，特别是怎样得到一个白色控制函数来改变系统品质并控制系统的变化过程。一般来说，系统的分析，总会导致系统动态品质的指标化，导致人们去寻求一种准确的、严格

30、的、或者说“纯白 的控制器，以控制系统的动态指标。这种思想方法往往导致控制系统，要不就是难以满足动态指标要求，要不就是控制器太复杂、造价太高。从灰色系统的观点来看，认为动态要求过分白是没有必要的。这一方面失掉了经济性、可靠性：另一方面也损失了适应性，适应性损失又进而导致品质的恶化。所以灰色控制在参数矩阵中设置灰元，对动态品质只规定一定范围，一定的根平面区间，从而提高控制的适应性和灵活性。灰色控制最突出表现在灰色去余控制、灰色预测控制、灰色关联控制等方面。实践证明，这种控制具有对环境的随机扰动反应灵敏，可以做到防患于未然，控制及时等显著优点。2 2 2 灰色预测控制技术与灰色关联分析法灰色预测控

31、制技术是灰色理论同预测技术结合在一起的一种全新控制方式的智能化工业控制技术(以下简称灰控技术)，灰控技术是一种，与传统或其他现代控制技术相比，灰控技术具有如下特点：(1)具有自动、实时地建立被控对象数学模型的功能；(2)具有预测被控对象动态行为变化趋势的能力；(3)对被控环境、被控参数的随机、非线性、不确定的各种扰动具有自适应能力；(4)具有解除被控系统各因素间关联耦合的能力；(5)使用者无需了解过程的定理知识，即使过程动态特征有很大变化，也无需整定系统参数；(6)因不断由新信息自动更新模型，它具有变结构的特点。该技术成功地实现了可变对象模型的自适应控制。灰色预测控制技术具有预测被控对象动态行

32、为变化趋势的能力，预测故障并适时启动备用电源的供电系统，例如两台发电机组组成的供电系统、市电与发电机组组成的供电系统。系统配用该装置后，便具有自动启动并自动切换电源的功能。该装置有如下主要功能：机组在启动至工作全过程中，一旦发生故障，导致电压或转速不正常，装置会立即发出关机信号，并切断负载，自动启动另一台发电机组供电。灰色关联法作为一种系统分析方法，在故障诊断分析可广泛应用，它能分析电气系统各种因素关联程度，是对电气系统这一动态系统进行量化比较的分析方法。电气系统在运行的过程是动态变化的，严格区分出电气系统故障类型是比较困难的，而使用灰色关联诊断分析方法更能揭示电气系统各个组合的内在关系，用灰

33、色关联法判断分析故障，要确定“参考序列即故障字典，以便以此“比较序列 为参照系进行对比分析；要对电气系统的有关数据进行无量纲处理；要计第二章电气系统故障诊断的理论研究算电气系统各测口数据的灰色关联系数；要确定各组合间的灰色关联程度，并将各组合的灰色关联系数集中为一个值；要排列灰色关联序，进一步分析判断故障的类型和部位。2 3 灰色控制理论同故障字典法的结合应用本文在前面故障字典法的研究中，简要介绍了由故障模拟形成故障字典的方法，然而在实际的应用过程中却存在着一定的困难。这些困难主要是由检测对象中元器件的容差造成的，鉴于这种情况，本文运用灰控技术同故障字典相结合的方法来解决这个问题。2 3 1

34、系统故障的灰色预测方法灰色预测是基于G M 模型作出的定量预测，按照其功能和特征可分成数列预测、区间预测、灾变预测、季节灾变预测、波形预测和系统预测等。本文利用灰色系统理论中的G M(1，1)模型进行建模，以此来预测各个检测口的参数值【1 0】1 1】【1 2】。由于灰色系统预测需要数据量少，一般用4 6 个数据就可以进行建模，因而适合于对系统故障参数的预测。通过实例计算和对预测误差的分析表明此方法对系统故障参数的预测有效。2 3 1 1 故障参数的灰色预测1 G M(1，1)模型给定原始非负数据列 x?(f)f=1，2，3，刀；p=l，2，3，m，(2-4)1 次累加生成(1 一A G O)

35、序列 x?(i)(2 5)，其中：-X P(1(f)=x 箩(_，)进行系统故障参数预测选用G M(1，1)模型。，、譬坞(2-6)式中：口p，“p 为灰方程的灰参数，记为参数列，a p=口p，“p r其辨识算式第二章电气系统故障诊断的理论研究a p=B；B p】B r p y ，(p)其中数据阵B p=一j 1(x 即)+x 舯)一j 1(x?(3)+x：(2)：一j 1(x：()+x；(一1)(2 7)J，(p)=I。-x P o(2)，x 罗(3)，X p(o()r依次，可得离散解为私)=(蜘)一叫删+石U p(2-8)式中：零(尼)(p=1，2，3，M，)可以为系统各个检查口测量参数的

36、(1 _ A G o)预测值。经过上式可将1 次累加值还原成原始预测值。2 残差模型当G M(1，1)模型的精度不符合要求时，可用残差序列建立G M(1，1)模型对原来的模型进行修正，以提高精度n 引。设残差序列为s=(E，(o(尼)=工?(后)一舅?(尼)lK=1，2，3，刀)，取其中的部分残差或全部残差(k)，k=1，2，以，托。珂，对其作一次累加并建立G M(1，1)模型有泓+1)-(s?)(1)一飞女+薏(2 _ 9)于是，残差修正G M(1，1)为粕+1)咄岁J(1)-口U p p)e _ 口k+口U p p 埘纠(蜘)一飞t+(2-1 0)其中，艿c 尼，=；妻三：二：3 等维新息

37、模型与等维灰数递补模型第二章电气系统故障诊断的理论研究由于系统各参数值是动态变化的，其参数值的历史信息是研究故障的基础，但与预测时间更接近的时刻中的信息(称新息)参数值对参数预测更有价值。基于这种思想，可将新息数据充实到原始数列中，同时去掉最老的一个数据，使序列等维，从而构成等维新息G M(1，1)模型。等维灰数递补G M(1，1)模型是用已知数列建立的G M(1，1)模型预测下一个值，然后把这个预测值补充到已知数列中，同时去掉最老的一个数据，使序列等维，再用此模型预测下一个数值。等维新息模型与等维灰数递补模型的建模，虽然两者都是在原始数列中递补新数据去掉老数据的基础上进行的，但前者增补的是系

38、统的实际数据，后者则是预测值，因而用的是灰数。这样便形成它们的各自特点：前者用新息来调整模型，后者则用灰数来约束灰平面的大小。在实际应用时，两者可结合起来，扬长避短，提高预测精度。4 预测模型检验灰色模型的精度通常用后验差方法检验，具体检验方法如下。记原始数列x(o 及残差数列s 的方差分别为砰和s；，则s?=二(x o(七)一)2(2 1 1)n k。=。lS；=圭(s(七)一云)2I I,k=l其中扎去耖百=去鼢，然后，计算后验差比c=S z s 和小误差概率P=P 啦(J j )一g-I 0 6 7 4 5S l 。根据这两项指标有，模型的精度划分如下表表2 2 预测模型检验等级表1 级

39、(好)2 级(合格)3 级(勉强)4 级(不合格)指标P0 9 5 pO 8 0 p O 9 5O 7 0 p O 8 0P O 7 0CC O 3 50 3 5 c 0 50 5 c 0 6 50 6 5 c第二章电气系统故障诊断的理论研究2 3 1 2 故障参数的预测方法用G M 模型进行预测，由于系统参数变化及随机因素的影响，精度较高的也就是下1 到2 个数据。当t=N+l 时刻时，通过检测口测到了x j(+1)实测值，应用等维新息模型，去掉最早的原始数据x：(1)，利用最新信息建立系统故障参数实时在线G M 预测模型。如果由于干扰的因素的影响，下一时刻的数据没有探测到，这时可应用等维灰

40、数递补模型将数据补上。将等维新息模型和等维灰数递补模型结合使用，能极大地提高预测模型的精度【1 9】。在预测中还应该考虑残差修正以提高预测精度，建立残差修正G M(1，1)预测模型。如果1 次残差修正预测精度不能满足要求时，可考虑2 次及2 次以上的残差修正预测模型，直至预测模型精度满足要求为止。系统故障参数灰色预测的基本步骤：1 将原始数据进行(1-A G o)；2 建立G M(1，1)预测模型；3 对模型进行检验；4 建立残差模型；5 预测。2 3 1 3 实例计算通过一个检测口测得的参数值r 随时间的变化为例进行灰色预测，下表给出了参数值随时间变化的原始数据。表2 3 检测口的参数值t1

41、23456l 工九，)v1 0 5 01 0 3 61 0 2 01 0 0 29 8 29 6 O表中，t 采集数据间隔根据表2-3 中的原始数据建立G M 模型为主j 1 O+1)=一5 5 1 6 4 1 0 5 e-o 0 1 9+5 6 2 1 4 1 0 5由上式可得原始值为斟o O-I-1)=1 0 5 8 1 4 e-o。0 1 钆检验其精度，列出误差检验表。第二章电气系统故障诊断的理论研究表2 4 误差检验表原始数据模拟值残差相对误瓠=豁tx j o(f)科o(f)蜀=Z 研 一斧21 0 3 61 0 3 8 2O 2 20 2 1 2 31 0 2 O1 0 1 8 7O

42、 1 3o 1 2 7 41 0 0 29 9 9 5O 2 5o 2 5 0 59 8 29 8 0 7O 1 30 1 3 2 69 6 09 6 2 20 2 2o 2 2 9 79 3 69 4 4 10 8 1o 8 6 5 89 1 09 2 6 41 6 41 8 0 2 型为注：2 6 为模拟值，7 8 为预测值由s 箩(露)=x：(尼)一霹(尼)得到残差序列，由此可得到1 次修正后的预测模曼：1(f，1)=主r(f)+誊P(f)表2 5 误差检验表原始数据模拟值残差相对误瓠=蝌t工乳f)卵(f)蜀=妒 0 31 0 2 01 0 1 9 10 0 90 0 8 8 41 0

43、0 21 0 0 0 90 1 10 1 1 0 59 8 29 8 1 2O 0 80 0 8 1 69 6 09 6 1 80 1 80 1 8 6 79 3 69 4 3 40 7 40 7 9 1 89 1 O9 2 4 81 4 81 6 2 6 假设该检测口参数值逐渐减小显示出故障症候，在考虑残差修正后，估计和预测精度普遍提高，对曼P(f，1)预测模型进行检验得到预测精度等级为“好”。G M预测模型可预测N+1，N+2，时刻的预测值，但精度较高的也就是下1 到2 个数据，由此证明了G M 预测模型仅适用于短期预测。通过实例计算说明灰色预测模型可以应用于参数预测。当参数值变化比较有规

44、律，G M 模型预测精度是很高的。第二章电气系统故障诊断的理论研究2 3 2 基于灰色关联方法的故障判别应用灰色系统理论处理问题的基本思想是设法使系统由“灰”变“白”，灰色系统的白化过程就是根据检查点测量的参数，通过分析，抓住主要影响因子，并用一定的数学方法尽可能地消除未知因素的影响，建立起系统故障的判别模型。1 建立对系统故障类型判别的故障字典参数模板【8】9 1故障字典参数模板的建立是根据系统各个检查口的参数值与故障现象建立起来的。根据不同故障类型在系统运行中各个检查口的参数值，选取S 卜S 2、S 3、S 4、s j，建立如表1 所示的故障类型参数模板。表2-6 故障字典参数模板故障类别

45、S 1S 2S 3S 4s jy l m xy 2 x7，3 y 4 口xy H i，l m y 2 My 3 My 4 My，My l 晌)，2 疵)，3 曲y 4 疵，而n2 参数的选取及建立灰关联矩阵参数的选取是根据系统在各种状态下，在检查口上测量采集的参数。把依据表2 6 所示所获得的参数记为S x：五=(x l(1)，五(2)，五(3)，五(4)x i(j)(为说明方法，这里选取五个检测口的参数值)，把已知的各个故障类型(为说明方法，这里仅选取四种故障类型)的相应参数记为S y：x g=(蕾(1)，誓(2)，玉(3)，五(4)五()，i=2，3，4，5，根据S。与S，的接近关系，即S

46、。s p rS y，来进行故障类型的判别。根据测量的参数，与选取的模板参数建立灰关联矩阵X=薯(尼)，。，。3 对序列进行初值化建立灰关联差异信息矩阵【l8】对于待判别故障参数体S x：X 1=(x l(1)，五(2)，x l(3)，x a(4)，X l(5)，相对于已知的四种故障类型的参数体，首先求取差异信息。i(k)=I 雨(k)一玉(k)I，=1，2，3，4，5，i=2，3，4，5)(2 1 2)得到差异信息矩阵=，i(k)4 x 5。4 计算灰关联系数和灰关联度由灰关联系数表达式y l i(尼)=，(x l(k)，X i(k)(七=1，2，3，4，5，i=2，3，4，5)(2 1 3)

47、k 一色一妫X一(ak 一“m 一竺峄孝一觚；+一m)一善k 一+色一妫n一(一“m。一m 一|I第二章电气系统故障诊断的理论研究求取灰关联系数，其中通常取分辨系数善=0 5，实际运用中应根据问题需要选取。这样，得到灰关联系数矩阵r=n，(七)。砖。由此，可以依灰关联度表达式：n，=y(五，玉)=y(j c l(k)，x i(k)，(f=2，3，4，5)(2 1 4)-，I c=l求出待判别故障参数体对于各个已知故障类型的灰色关联度2 2 1 2 3】。5 根据灰关联度排列关联序，判别出系统故障类型按照灰色系统分辨原理，把上面求出的灰关联度进行排序，若7 1 南2m 警)，(五，薯)(2-1

48、5)则判断认为待判别故障的故障类型为乇所对应的故障类型。2 4 移动电站电气系统的故障诊断方案设计移动电站的功用主要是将柴油发电机组发出的三相5 0 H：4 0 0 V 的交流电或者来自市电的三相5 0 H：一-3 8 0 V 交流电经过转换通过三相制送给配电设备阻2 6 1。移动电站的控制方式有本控和遥控两种，其中遥控是移动电站最基本的工作方式；本控主要用于技术维护、检查和调整，移动电站的本控又分为本机自动控制和本机手控两种工作方式。本机手控在没有遥控或遥控台出现故障时使用，它主要通过控制机柜中的手控组合来实现；本机自控主要通过控制机柜中的控制台来实现。2 4 1 硬件设计原理1 系统组成故

49、障诊断系统主要由故障诊断主机、笔记本电脑(或P C 机)、专用电缆、通信电缆等组成。诊断系统主机用于信号采集和预处理，笔记本电脑用于故障判断。进行故障检测时，将专用电缆接到移动电站控制台检查电缆插座上，电源配电设备的信号通过专用电缆和3 1 5 0 芯专用插头传送到诊断系统主机。由诊断系统主机对接收到的信号进行预处理，并通过R S-2 3 2 串口将数据传输给电脑，进行判断后给出包括故障插件的型号、编号和具体位置的故障检测结果，提示排除方法。2 诊断系统主机的组成，诊断系统主机是故障诊断系统的主要组成部分。它由信号采集、信号处理、键盘显示电路以及R S-2 3 2 接口电路组成。其硬件主要由8

50、 0 3 1 单片机基本系统、8 2 5 5 数据采集电路、8 2 7 9 键盘接口电路以及R S-2 3 2 接口电路组成，考虑到检测仪主机在实际调试及现场工作时要面临振动大、干扰多的复杂环境，为增强系统第二章电气系统故障诊断的理论研究的抗干扰性能，特选用8 0 3 1 单片机为其核心部件，并增加了硬件“看门狗”电路。为尽可能缩小诊断系统的体积，便于携带和运输，采用了通用的可编程I 0 接口芯片8 2 5 5 扩展系统I o 口。程序存储器选用E P R O M 2 7 2 5 6，数据存储器选用I L a d V l 6 2 6 4，键盘芯片选用8 2 7 9。硬件结构和功能均采用模块化设