61故障诊断的一般性方法112_123

6故障诊断的新理论和新方法故障诊断的一般性方法人工神经网络专家系统小波变换信息融合技术6.1故障诊断的一般性方法事物的基本描述方法确定性描述（二值逻辑）随机性描述（概率统计）模糊性描述（模糊逻辑）故障状态、特征（现象）、诊断规则均需描述依据规则的诊断方法依据样板的诊断方法6.1.1.1逻辑诊断采用二值逻辑描述–特征：有/无–状态：好/坏逻辑诊断的特点–简单明了，应用较广，但将问题过于简化，诊断准确率稍低.6.1.1依据规则的诊断分类特征函数：设备的特征可由若干个选定的特征变量Kj(j=1,2,3,…n)定量地表示，即由G（K1，K2，…Kn）表示.状态函数：设备的状态可由若干个选定的状态变量Di(i=1,2,3…m)定量地表示，即由F（D1，D2，…Dm）表示.诊断规则：反映特征与状态间的相互关系，可用函数E(K1，K2…Kj…Kn，D1，D2…Di…Dm)表示.诊断关键：特征、状态、诊断规则三者之间的关系.根据诊断规则的不同，可将诊断分成三种类型：–1、逻辑诊断–2、模糊诊断–3、统计诊断1)逻辑代数的基本规则逻辑变量：取值1或0（相当于有/无、好/坏）逻辑函数–函数y=f(x1,x2…xn)的自变量xi(i=1,2…n)、因变量y均为逻辑变量.基本逻辑函数–1、逻辑和：–2、逻辑乘：–3、逻辑非：–4、同一：–5、蕴涵：（等价于）•x1存在必有x2存在；x1不存在，x2可能存在也可能不存在.21xxy21xxyxyxy21xxy21xxy逻辑函数真值表21xxy21xxy21xxyxyxy逻辑和逻辑乘蕴涵函数逻辑非同一表达式x1x0011001100110101x2010101010101y0111000111011001逻辑运算基本规则2）逻辑诊断的过程设备特征函数G的构造–设G(Kl，K2…Kj…Kn)，其中Kj为特征逻辑变量.–如Kj=1，则称设备有第j种特征；如Kj=0，则称设备无第j种特征.–构成逻辑特征函数G时，总是令G=1.–举例•设某设备可能有3种特征Kl、K2、K3，若某设备同时具有Kl、K2而无K3,特征，则；如果不能确定有无K3特征，则G中不出现之.321KKKG设备状态函数F的构造–设F(Dl，D2…Di…Dm)，其中Di为特征逻辑变量.–如Di=1，则称设备有第i种状态；如Di=0，则称设备无第i种状态.–构成逻辑状态函数F时，总是令F=1.–举例•设某设备的诊断结果为则表明该设备存在状态Dl和D2而无D3,；如果F中不出现Dk,则不能确定有无状态Dk.321DDDF诊断规则E–诊断规则E应能保证由特征G推断出状态F.–在逻辑诊断中诊断规则可用逻辑函数表达为–诊断规则E由一定数量的细则E1，E2…Es组成这些细则必定同时存在.–逻辑诊断过程：由特征G和诊断规则E求FFGE1E121sEEEEGEF3）逻辑诊断举例设某种电机定子绕组绝缘可能具有Kl和K2两种特征和Dl、D2和D3三种状态。其中，Kl表示直流泄漏电流（Ig）大；K2表示局部放电量（q）大；Dl表示绝缘受潮；D2表示绝缘开裂严重；D3表示绕组端部表面放电。诊断规则为：：绝缘受潮，Ig必大；：绝缘开裂严重，Ig大，q也大；：绕组端部表面放电，q必大；：Ig大，则绝缘受潮或开裂严重，或两种故障同时存在；：q大，则绝缘开裂严重，或绕组端部表面放电，或两种故障同时存在。11KD212KKD23KD211DDK322DDK若对某台该种电机进行检测，检测结果为Ig大，q不大。试推断这台电机定子绕组绝缘的故障。根据上述已知条件，得Kl＝1、K2＝0，特征函数为诊断规则为:状态函数为：将Kl＝1、K2＝1代入，得结论：发生绝缘受潮，但无开裂严重和端部表面放电故障21KKG))()()()((3222112321211DDKDDKKDKKDKDE1))()()()((322211232121121DDKDDKKDKKDKDKKGEF1)(3212132DDDDDDDF6.1.1.2模糊诊断故障诊断过程中的不确定性（复杂性）–不同的故障状态可能具有相似的特征.–多个不同的故障特征可能对应同一故障状态.不确定性分为–随机性：一定条件下的事件发生与否的偶然性（或然性）.•对随机事件，事件可能发生也可能不发生，但事件本身有明确的含义.•采用概率论方法–模糊性：区分或评价客观事物差异的不分明性.•不仅是因为人类的认识能力有限所致，更主要的是事物的客观模糊属性的体现.•采用模糊集合论（模糊数学）：]10[}10{，，传统二值逻辑的局限性以考试及格标准为例–按照传统逻辑，应存在一个阈值H(如60分)，当分数H（60分）时为及格；当分数H时为不及格.•命题A：分数为50者为不及格•命题B：分数为70者为及格A和B均为真命题.–从常识看•命题a：比不及格分数高出0.5分者还是矮个•命题b：比及格分数低0.5分者还是及格的a和b均为真命题.–从命题A和a出发，按照传统逻辑的推理规则作连续推理，可以得出显然为假的命题C：分数为70者为不及格；由命题B和b出发，又可以推出显然为假的命题D：分数为50者为及格。这就导致了逻辑悖论。设备诊断也具有模糊性，特征的强弱，故障的严重性，诊断标准等都是模糊概念.试验值应不大于某一个值（H）试验值应小于某一个值（H）0.99与1.01的区别必须采取合适的方法加以处理4hPx模糊数学创立者L.A.Zadeh教授曾说：科学的目的是求取精确，但当一个系统复杂性增大时，我们使之精确化的能力将减低，在达到一定的阈值时，复杂性与精确性将相互排斥.举例–物理学中的测不准原理（）1）模糊数学的基本概念设Ｘ是论域，称映射确定了X的一个模糊子集，简称模糊集，记为A（按标准记法，下面应为～）。叫模糊集的隶属函数，叫元素x隶属于A的程度，简称为隶属度。越接近１，表示x隶属于A的程度越高；越接近０，表示隶属程度越低.在故障诊断中，对于所论的特征K或状态D，或分别为x对Ｋ或ｙ对Ｄ的隶属度.隶属度与概率是不同的.)(]10[:xxXAA，，)(xAA)(xA)(xK)(yD隶属函数的确定根据具体问题，可由经验总结，或采用以下方法:•模糊统计•二元对比排序法•概率统计法•借助常用的模糊分布•利用动态信号的处理结果常用的模糊分布梯形分布正态分布10()xa1a2x10()xa1a2xaa2aa210()xxaaa1aa110()xax10()xax10()xax2)()(axkexaxeaxxaxk2)(10)(2）模糊关系方程故障诊断中的模糊关系在故障机理的作用下，内在原因表现为各种外部现象在内在原因与外部现象之间存在着单向的、确定的、复杂的关系从本质上说，这种关系含有一定的模糊性故障原因与诊断信息之间呈现一种模糊关系故障状态向量X＝[x1，x2，…xi…xn]由故障状态引起的各种故障特征或征兆，用特征向量Y表示：Y＝[y1，y2，…yj…ym]状态向量X和特征向量Y中的元素xi和yj均为模糊变量，由各自对应的隶属函数来确定诊断规则反映设备状态和特征之间的因果关系诊断规则的描述方法模糊关系矩阵（A）状态向量X、模糊关系矩阵A、特征向量Y构成了模糊关系方程：XoA=Y（o：模糊算子，故障机理的作用）mnmnnmmnyyyaaaaaaaaaxxx,,,,,,2121222211121121模糊关系方程的解释元素aij越大，表示第ｊ个故障特征参数对第ｉ个故障状态的关系越密切元素yj越大，表示第ｊ个故障特征参数对故障的反映程度越大元素xi越大，表示第i个故障发生的程度越大故障诊断过程根据设备特征（Y）和诊断规则(A)推断出设备状态(X)转化为模糊关系方程的求解问题模糊关系方程不同于一般的代数方程，它等价于一个模糊线性方程组模糊线性方程的解集合的交集就构成了模糊关系方程的一个解集合Ｘ表示导致结果或故障现象Y出现的内在故障原因故障原因Ｘ在故障机理的作用下，使设备表现出各种各样的现象Y原因Ｘ与现象Y之间的模糊关系用矩阵Ａ加以描述故障机理的作用形式用模糊运算算子“o”来表示在故障诊断过程中，已知的是Y，部分已知的是Ａ和算子“o”，诊断目标是确定未知的原因Ｘ对同一故障诊断问题，矩阵Ａ和算子“o”可能不完全一样模糊算子“o”可有多种运算形式3）变压器故障模糊诊断实例24232221201918171615141312111098765432170.092.099.070.030.030.099.030.070.070.050.050.090.090.090.090.090.090.090.090.070.090.001.099.099.099.099.099.099.090.090.090.090.090.090.050.090.070.070.070.090.070.090.0yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyATxxxxxxxxxx12345678910故障状态向量Xxi变压器主要故障类型x1铁芯多点接地x2铁芯局部短路或漏磁发热x3分接开关电气故障x4电流回路裸金属发热或其它接触不良x5高压套管内部故障x6绝缘进水受潮x7油中电弧放电或突发性短路、接地故障x8绕组匝间短路或其它局部短路x9油中沿面放电x10绕组变形及其导致的过热、放电故障故障特征向量Y（数值由隶属函数确定）yi故障参数和信息y1铁芯接地电流y2铁芯绝缘电阻y3C2H4在总烃（C1+C2）中的比例y4三比值编码呈过热性故障特征y5具有铁芯多点接地的过热性故障特征，但铁芯接地电流、铁芯绝缘电阻正常y6绕组直流电阻三相不平衡系数y7绕组直流电阻三相不平衡系数随档位无规律地变化（个别档位变化明显）y8绕组直流电阻三相不平衡系数随档位呈规律性变化（所有档位均有变化）y9高压套管tgy10高压套管电容量相对变化率y11绕组吸收比或极化指数y12变压器本体油中含水量y13绕组直流泄漏电流y14变压器本体油击穿电压y15DGA结果中C2H2含量y16三比值编码呈放电性故障特征y17变压器保护动作、防爆阀“喷油”等突发性信息y18绕组电压比y19三比值编码对应故障编码或特征气体含量超过注意值y20PD测量结果y21CO、CO2含量y22短路试验结果或阻抗测量结果y23绕组之间或绕组对地电容量y24分接开关DGA结果模糊关系方程求解（徐罗曹李法）求备解矩阵，确定极小解调入模型矩阵A，调入系统输出YA标准化，形成A1A1经过上铣形成A2A2取下确界得出最大解平铣A1形成A3“清除”A3形成A4输出最大解求贴近度，确定最佳解是A4每列均有元素？否[诊断实例１]变压器型号为DFPFS—250000/500，重瓦斯突然动作，此前油中DGA结果正常，跳闸后取样，DGA结果为：A相，C2H2=15.13，总烃=118。故障参数Y确定为：y15=0.9，y16=0.9，y17=0.9，y19=0.8，其余yi=0诊断结果为：Xmax=（0.8，0.8，1，0.8，1，0.8，1，1，1，1）Xmin=（0.8，0，0，0，0，0，0.9，0，0，0）对应故障应该是x7或x1实际情况是变压器出口外部短路，造成绕组严重变形，引起绕组对地电弧放电。[诊断实例２]某120MVA、220kV变压器，运行中轻、重瓦斯保护和差动保护突然动作，跳闸、喷油。DGA结果：总烃=219.2，C2H2=102.8，CO=836，CO2=5724；高压绕组直流电阻三相不平衡，A相比B、C两相大12