故障诊断新理论第二版课件.ppt
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- 故障诊断 理论 第二 课件
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1、1第六章第六章 故障诊断的新理论和新方法故障诊断的新理论和新方法 v故障诊断的一般性方法故障诊断的一般性方法 v人工神经网络人工神经网络v专家系统专家系统v小波变换小波变换v信息融合技术信息融合技术2第一节第一节 故障诊断的一般性方法故障诊断的一般性方法v事物的基本描述方法事物的基本描述方法确定性描述(二值逻辑)确定性描述(二值逻辑)随机性描述(概率统计)随机性描述(概率统计)模糊性描述(模糊逻辑)模糊性描述(模糊逻辑)v故障状态、特征(现象)、诊断规则均需描故障状态、特征(现象)、诊断规则均需描述述依据规则的诊断方法依据规则的诊断方法依据样板的诊断方法依据样板的诊断方法31 1、依据规则的诊
2、断分类、依据规则的诊断分类 特征函数:特征函数:设备的特征可由若干个选定的特征变量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,即由定量地表示,即由G(K1,K2,Kn)表示表示.状态函数:状态函数:设备的状态可由若干个选定的状态变量设备的状态可由若干个选定的状态变量Di(i=1,2,3m)定量地表示,即由定量地表示,即由F(D1,D2,Dm)表示表示.诊断规则:诊断规则:反映特征与状态间的相互关系,可用函反映特征与状态间的相互关系,可用函数数E(K1,K2 Kj Kn,D1,D2 DiDm)表示。表示。诊断关键:诊断关键:特征、状态、诊断规则三者之间的关系。特征、状
3、态、诊断规则三者之间的关系。4(一)逻辑诊断(一)逻辑诊断v采用二值逻辑描述:采用二值逻辑描述:特征:特征:有有/无无 状态:状态:好好/坏坏v逻辑诊断的特点:简单明了,应用较广,但将逻辑诊断的特点:简单明了,应用较广,但将问题过于简化,诊断准确率稍低。问题过于简化,诊断准确率稍低。v逻辑变量:取值逻辑变量:取值1 1或或0 0(相当于有(相当于有/无、好无、好/坏)坏)v逻辑函数逻辑函数 函数函数y=f(x1,x2xn)的自变量的自变量xi(i=1,2n)、因、因变量变量y均为逻辑变量。均为逻辑变量。5逻辑诊断的过程逻辑诊断的过程 设备特征函数设备特征函数G的构造:的构造:设设G(Kl,K2
4、KjKn),其中,其中Kj为特征逻辑变量。为特征逻辑变量。如如Kj=1,则称设备有第,则称设备有第j种特征;如种特征;如Kj=0,则称设,则称设备无第备无第j种特征。种特征。构成逻辑特征函数构成逻辑特征函数G时,总是令时,总是令G=1。举例举例设某设备可能有设某设备可能有3种特征种特征Kl、K2、K3,若某设备同,若某设备同时具有时具有Kl、K2而无而无K3,特征,则特征,则 ;如;如果不能确定有无果不能确定有无K3特征,则特征,则G中不出现之。中不出现之。321KKKG 6 设备状态函数设备状态函数F的构造的构造设设F(Dl,D2DiDm),其中,其中Di为特征逻辑变量。为特征逻辑变量。如如
5、Di=1,则称设备有第,则称设备有第i种状态;如种状态;如Di=0,则称设,则称设备无第备无第i种状态。种状态。构成逻辑状态函数构成逻辑状态函数F时,总是令时,总是令F=1。举例举例设某设备的诊断结果为设某设备的诊断结果为 则表明该设备存则表明该设备存在状态在状态Dl和和D2而无而无D3,;如果;如果F中不出现中不出现Dk,则不能则不能确定有无状态确定有无状态Dk.321DDDF 7 诊断规则诊断规则E 诊断规则诊断规则E应能保证由特征应能保证由特征G推断出状态推断出状态F.在逻辑诊断中诊断规则可用逻辑函数表达为在逻辑诊断中诊断规则可用逻辑函数表达为 诊断规则诊断规则E由一定数量的细则由一定数
6、量的细则E1,E2Es组成组成这些细则必定同时存在这些细则必定同时存在.逻辑诊断过程:由特征逻辑诊断过程:由特征G和诊断规则和诊断规则E求求F FGE1E121sEEEEGEF 8逻辑诊断举例(自学)逻辑诊断举例(自学)设某种电机定子绕组绝缘可能具有设某种电机定子绕组绝缘可能具有Kl和和K2两种特征和两种特征和Dl、D2和和D3三种状态。其中,三种状态。其中,Kl表示直流泄漏电流(表示直流泄漏电流(Ig)大;)大;K2表示局部放电表示局部放电量(量(q)大;)大;Dl表示绝缘受潮;表示绝缘受潮;D2表示绝缘开裂严重;表示绝缘开裂严重;D3表示绕组表示绕组端部表面放电。端部表面放电。诊断规则为:
7、诊断规则为:绝缘受潮,:绝缘受潮,I Ig g必大;必大;:绝缘开裂严重,:绝缘开裂严重,I Ig g大,大,q q也大;也大;:绕组端部表面放电,:绕组端部表面放电,q q必大;必大;:I Ig g大,则绝缘受潮或开裂严重,或两种故障大,则绝缘受潮或开裂严重,或两种故障同时存在;同时存在;:q q大,则绝缘开裂严重,或绕组端部表面放电大,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。,或两种故障同时存在。11KD 212KKD 23KD 211DDK322DDK 若对某台该种电机进行检测,检测结果为若对某台该种电机进行检测,检测结果为Ig大,大,q不大。试推不大。试推断这台电机定子
8、绕组绝缘的故障。断这台电机定子绕组绝缘的故障。根据上述已知条件,得根据上述已知条件,得Kl1、K20,特征函数为,特征函数为 诊断规则为诊断规则为:状态函数为:状态函数为:将将Kl1、K21代入,得代入,得&结论:发生绝缘受潮,但无开裂严重和端部表面放电故障结论:发生绝缘受潮,但无开裂严重和端部表面放电故障 21KKG)()()()(3222112321211DDKDDKKDKKDKDE1)()()()(322211232121121DDKDDKKDKKDKDKKGEF1)(3212132DDDDDDDF10(二)模糊诊断(二)模糊诊断v故障诊断过程中的不确定性(复杂性)故障诊断过程中的不确定
9、性(复杂性)不同的故障状态可能具有相似的特征;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。多个不同的故障特征可能对应同一故障状态。v不确定性分为:不确定性分为:随机性随机性:一定条件下的事件发生与否的偶然性:一定条件下的事件发生与否的偶然性(或然性)。(或然性)。模糊性模糊性:区分或评价客观事物差异的不分明性。:区分或评价客观事物差异的不分明性。设备诊断也具有模糊性,特征的强弱,故障的严重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。性,诊断标准等都是模糊概念。11模糊数学的基本概念模糊数学的基本概念v设是论域,称映射设是论域,称映射v确
10、定了确定了X的一个模糊子集,简称模糊集,记为的一个模糊子集,简称模糊集,记为A。叫模糊集的隶属函数,叫模糊集的隶属函数,叫元素叫元素x隶隶属于属于A的程度,简称为隶属度。的程度,简称为隶属度。越接近,越接近,表示表示x隶属于隶属于A的程度越高;越接近,表示隶的程度越高;越接近,表示隶属程度越低。属程度越低。v在故障诊断中,对于所论的特征在故障诊断中,对于所论的特征K或状态或状态D,或或 分别为分别为x对或对的隶属度。对或对的隶属度。v隶属度与概率是不同的。隶属度与概率是不同的。)(10:xxXAA,)(xAA)(xA)(xK)(yD常用的模糊分布常用的模糊分布v梯形分布梯形分布v正态分布正态分
11、布10()xa1a2x10()xa1a2xaa2a a210()xxaa a1aa110()xax10()xax10()xax2)()(axkex()()xx aex ak x a012隶属函数的确定是个难题!隶属函数的确定是个难题!13模糊关系方程模糊关系方程v故障诊断中的模糊关系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在故障机理的作用下,内在原因表现为各种外部现象;部现象;在内在原因与外部现象之间存在着单向的、确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,这种关系含定的、复杂的关系;从本质上说,这种关系含有一定的模糊性;有一定的模糊性;故障原
12、因与诊断信息之间呈现一种模糊关系。故障原因与诊断信息之间呈现一种模糊关系。14v故障状态向量故障状态向量Xx1,x2,xi xn v由故障状态引起的各种故障特征或征兆,用特征由故障状态引起的各种故障特征或征兆,用特征向量向量Y表示:表示:Yy1,y2,yjymv状态向量状态向量X和特征向量和特征向量Y中的元素中的元素xi和和yj均为模糊均为模糊变量,由各自对应的隶属函数来确定。变量,由各自对应的隶属函数来确定。v诊断规则诊断规则 反映设备状态和特征之间的因果关系反映设备状态和特征之间的因果关系v诊断规则的描述方法诊断规则的描述方法 模糊关系矩阵(模糊关系矩阵(A)v状态向量状态向量X、模糊关系
13、矩阵、模糊关系矩阵A、特征向量、特征向量Y构成了构成了模糊关系方程:模糊关系方程:X o A=Y(o:模糊算子,故障机理的作用):模糊算子,故障机理的作用)mnmnnmmnyyyaaaaaaaaaxxx,2121222211121121v故障诊断过程:根据设备特征(故障诊断过程:根据设备特征(Y)和诊断规则)和诊断规则(A)推断出设备状态推断出设备状态(X)v表示导致结果或故障现象表示导致结果或故障现象Y Y出现的内在故障原因出现的内在故障原因v故障原因在故障机理的作用下,使设备表现出各故障原因在故障机理的作用下,使设备表现出各种各种各 样的现象样的现象Y Yv原因与现象原因与现象Y Y之间的
14、模糊关系用矩阵加以描述,之间的模糊关系用矩阵加以描述,故障机理的作用形式用模糊运算算子故障机理的作用形式用模糊运算算子“o”o”来表示来表示v在故障诊断过程中,已知的是在故障诊断过程中,已知的是Y Y,部分已知的是和,部分已知的是和算子算子“o”o”,诊断目标是确定未知的原因,诊断目标是确定未知的原因v对同一故障诊断问题,矩阵和算子对同一故障诊断问题,矩阵和算子“o”o”可能不完可能不完全一样全一样v模糊算子模糊算子“o”o”可有多种运算形式可有多种运算形式173 3)变压器故障模糊诊断实例)变压器故障模糊诊断实例2423222120191817161514131211109876543217
15、0.092.099.070.030.030.099.030.070.070.050.050.090.090.090.090.090.090.090.090.070.090.001.099.099.099.099.099.099.090.090.090.090.090.090.050.090.070.070.070.090.070.090.0yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyATxxxxxxxxxx1234567891018故障状态向量故障状态向量X Xxi 变压器主要故障类型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
16、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19故障特征向量故障特征向量Y Y(数值由隶属函数确定)(数值由隶属函数确定)yi 故障参数和信息故障参数和信息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(
17、所有档位均有变化)y9高压套管tgy10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20模糊关系方程求解(徐罗曹李法)模糊关系方程求解(徐罗曹李法)求备解矩阵,确定极小解求备解矩阵,确定极小解 调入模型矩阵调入模型矩
18、阵A,调入系统输出,调入系统输出Y A标准化,形成标准化,形成A1A1经过上铣形成经过上铣形成A2 A2取下确界得出最大解取下确界得出最大解 平铣平铣A1形成形成A3“清除清除”A3形成形成A4 输出最大解输出最大解 求贴近度,确定最佳解求贴近度,确定最佳解 是是 A4每列均有元素?每列均有元素?否否 21 诊断实例诊断实例 v变压器型号为变压器型号为DFPFS250000/500,重瓦斯突然动,重瓦斯突然动作,此前油中作,此前油中DGA结果正常,跳闸后取样,结果正常,跳闸后取样,DGA结果结果为:为:A相,相,C2H2=15.13,总烃,总烃=118。v故障参数故障参数Y确定为:确定为:y1
19、5=0.9,y16=0.9,y17=0.9,y19=0.8,其余,其余yi=0v诊断结果为: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)对应故障应该是对应故障应该是x7或或x1实际情况是变压器出口外部短路,造成绕组严重变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。形,引起绕组对地电弧放电。22 诊断实例诊断实例 v某某120MVA、220kV变压器,运行中轻、重瓦斯保变压器,运行中轻、重瓦斯保护和差动保护突然动作,跳闸、喷油。护和差动保护突然动作,跳闸、喷油。DGA结果:结
20、果:总烃总烃=219.2,C2H2=102.8,CO=836,CO2=5724;高压绕组直流电阻三相不平衡,高压绕组直流电阻三相不平衡,A相比相比B、C两相大两相大12%左右。左右。v故障参数故障参数Y确定为:确定为:y6=0.9,y7=0.1,y8=0.9,y15=0.9,y17=0.9,y21=0.69,其余,其余yi=0v诊断结果为:诊断结果为:Xmax=(1,1,0.1,1,1,1,1,1,0.69,1)Xmin=(0,0,0.1,0.9,0,0,0.9,0,0.69,0)23 诊断实例诊断实例 v某某120MVA、220kV变压器,运行中轻、重瓦变压器,运行中轻、重瓦斯保护和差动保护
21、突然动作,跳闸、喷油。斯保护和差动保护突然动作,跳闸、喷油。DGA结果:总烃结果:总烃=219.2,C2H2=102.8,CO=836,CO2=5724;高压绕组直流电阻三相不平衡,;高压绕组直流电阻三相不平衡,A相比相比B、C两相大两相大12%左右。左右。v故障参数故障参数Y确定为:确定为:y6=0.9,y7=0.1,y8=0.9,y15=0.9,y17=0.9,y21=0.69,其余,其余yi=0v诊断结果为:诊断结果为:Xmax=(1,1,0.1,1,1,1,1,1,0.69,1)Xmin=(0,0,0.1,0.9,0,0,0.9,0,0.69,0)v最有可能发生的故障应该是最有可能发生
22、的故障应该是x4、x7或或x9,即电,即电流回路裸金属发热或其它接触不良和油中电弧放流回路裸金属发热或其它接触不良和油中电弧放电或突发性短路、接地故障以及油中沿面放电电或突发性短路、接地故障以及油中沿面放电v分析:这三种故障之间的关系,故障可能发生分析:这三种故障之间的关系,故障可能发生在电流回路中,同时涉及到沿面放电,并伴随着在电流回路中,同时涉及到沿面放电,并伴随着电弧放电,因此有可能是匝间短路,而电弧放电,因此有可能是匝间短路,而实际故障实际故障为绕组匝间短路为绕组匝间短路。实际上,预试项目中,电压比。实际上,预试项目中,电压比对匝间短路故障反映最为敏感,但诊断时没有该对匝间短路故障反映
23、最为敏感,但诊断时没有该参数,因而用上述参数诊断不可避免地会出现多参数,因而用上述参数诊断不可避免地会出现多种可能性。种可能性。24 诊断实例诊断实例 v某某63MVA、220kV变压器,进行变压器,进行1.5倍电压倍电压PD试试验时,有放电声响,放电量达验时,有放电声响,放电量达40005000pC,并,并以主绝缘和匝绝缘均达到以主绝缘和匝绝缘均达到1.5倍电压时最严重。倍电压时最严重。v故障参数故障参数Y确定为:确定为:y20=0.9,其余,其余yi=0v诊断结果为:诊断结果为:Xmax=(1,1,1,1,1,1,1,1,0.9,1)Xmin=(0,0,0,0,0,0,0,0,0.9,0)
24、v对应故障应该是对应故障应该是x9(油中沿面放电油中沿面放电)v将变压器解体,经检查发现:沿绕组端部绝缘角将变压器解体,经检查发现:沿绕组端部绝缘角环有树枝状放电痕迹环有树枝状放电痕迹v诊断结果与实际检查结果是一致的。诊断结果与实际检查结果是一致的。25(三)统计诊断(三)统计诊断 针对诊断对象特征变量分布的随机性而采用针对诊断对象特征变量分布的随机性而采用.(D1:绝缘完好,绝缘完好,D2:故障绝缘)故障绝缘)判断阈值虚报概率漏报概率目标:确定合理的目标:确定合理的x026二、依据样板的诊断分类二、依据样板的诊断分类v故障诊断步骤故障诊断步骤 获取表征状态的信号,作为初始模式获取表征状态的信
25、号,作为初始模式.抑制干扰,提取特征,形成待检模式抑制干扰,提取特征,形成待检模式.将待检模式与样板模式(故障档案)对比,确将待检模式与样板模式(故障档案)对比,确定故障类型定故障类型.v根据样板模式的不同,诊断分为:根据样板模式的不同,诊断分为:阈值诊断、时域波形诊断、频率特性诊断、指阈值诊断、时域波形诊断、频率特性诊断、指纹诊断纹诊断v模式对比的其它方法模式对比的其它方法 ANN(人工神经网络)、(人工神经网络)、ES(专家系统)(专家系统)271 1、阈值诊断及趋势预测、阈值诊断及趋势预测v阈值诊断阈值诊断按照所得特征量是否超过规定阈值来判断设备按照所得特征量是否超过规定阈值来判断设备状
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