瞬變電流分析法用于故障檢測(cè)和定位的研究

劉芳

摘要：瞬變電流檢測(cè)經(jīng)常被用作靜態(tài)電流測(cè)試的替代或補(bǔ)充。提出了一種全新的方法，采用小波變換的瞬變電流分析法，進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，小波變換的時(shí)頻分辨特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的故障檢測(cè)和局部故障檢測(cè)都有一定的幫助，對(duì)通過(guò)8-bit移位寄存器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示在檢測(cè)和定位方面很有前景。小波檢測(cè)方法比光譜法和時(shí)域法具有更好的靈敏度。針對(duì)復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)、測(cè)量噪聲和工藝變化等問(wèn)題，分析了該定位方法的有效性。

關(guān)鍵詞：故障定位;瞬變電流（IDD）;小波

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.091

1引言

已經(jīng)有很多關(guān)于瞬變電流波形分析（IDD）的研究，IDD波形分析法是一種可以發(fā)現(xiàn)Ics中很多缺陷的有效方法。包括防御，如接受打開和弱晶體管缺陷，這是傳統(tǒng)的IDDQ測(cè)試方法無(wú)法檢測(cè)到的。在1987年，F(xiàn)renzel和Marinos研究一種瞬時(shí)電流，在測(cè)試中，將電流作為設(shè)備的一種特征參數(shù)。Hasizume等人在正常和故障狀態(tài)下，對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行分析。Beasley等人應(yīng)用同步脈沖，分析了瞬變電流的時(shí)間和頻譜特性。Vinnakota 等人將能量消費(fèi)比例（ECR）兩個(gè)輸入轉(zhuǎn)換作為測(cè)試指標(biāo)。Plusquellic等人用分布測(cè)量點(diǎn)，提出了瞬時(shí)信號(hào)分析的概念（TSA）。De Paul等人使用積累的電荷作為對(duì)比信號(hào)，通過(guò)數(shù)值積分計(jì)算比較當(dāng)前波形。在Sachdev 等人的方法，每個(gè)IDD測(cè)試模式是一個(gè)在預(yù)定的距離內(nèi)作為信號(hào)的樣本。默罕默德等開發(fā)了基于離散傅里葉變換（DFT）的信號(hào)對(duì)比來(lái)檢測(cè)故障，采用積分器提取延遲信息，分析延遲原因。

雖然有很多關(guān)于故障檢測(cè)的研究，但沒(méi)有通過(guò)分析IDD波形，有效的故障定位方法。因此，本文提出一種采用IDD波形分析法，進(jìn)行故障檢測(cè)和定位的方法。小波變換同時(shí)在時(shí)間和頻率上處理信號(hào)，比固定極限頻率的傅里葉變換，測(cè)試更準(zhǔn)確。更重要的是，小波變換可以選擇基礎(chǔ)方程，而傅里葉變換，只能選擇固定的基礎(chǔ)方程。因此，該方法可以選擇最適合的基礎(chǔ)方程，而且誤差最小。

綜上所述，證明小波變化具有較好的故障檢測(cè)敏感性，可以用于故障檢測(cè)，可以應(yīng)用到其他IDD分析工具中，這樣可增加錯(cuò)誤覆蓋率。本文還利用出現(xiàn)在小波系數(shù)中的時(shí)域信息，來(lái)確定故障區(qū)域，根據(jù)延遲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行定位。

2小波變換概述

傅里葉變換分析存在嚴(yán)重的缺陷，因?yàn)槠湓陬l域內(nèi)轉(zhuǎn)換信號(hào)，和信號(hào)分布是不可變換的。另一方面，小波變換可以在多頻域或多種方式內(nèi)分解信號(hào)，在變換系數(shù)中保留時(shí)域和頻域信息。

在小波變換中，本文取一個(gè)具有兩個(gè)主要性質(zhì)的實(shí)復(fù)值連續(xù)時(shí)間函數(shù)：（1）從0開始積分;（2）平方積分。這個(gè)函數(shù)叫作母子波或者小波;性質(zhì)①具有振蕩或有波浪狀外觀的功能，與正弦函數(shù)相反，是一種小波;性質(zhì)②這意味著波的大部分能量被限制在有限區(qū)間內(nèi)。

3應(yīng)用小波變換進(jìn)行IDD分析

3.1故障檢測(cè)

該故障檢測(cè)策略是基于被測(cè)設(shè)備（DUT）和無(wú)故障設(shè)備之間的信號(hào)。在檢測(cè)過(guò)程中，隨機(jī)選擇輸入測(cè)試信號(hào)。在實(shí)際測(cè)試中，測(cè)試寄存器組通常由自動(dòng)測(cè)試模式生成，用于測(cè)試程序。為了對(duì)比小波分析法和其他方法的靈敏度，不使用自動(dòng)測(cè)試模式（ATPG）工具，用于DUT的每一個(gè)刺激信號(hào)，本文計(jì)算瞬變電流的小波系數(shù)，并將其與相同輸入的無(wú)故障設(shè)備的小波系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)計(jì)算兩組小波系數(shù)之間的均方根誤差（RMSE）來(lái)進(jìn)行比較。選擇均方根誤差進(jìn)行信號(hào)比較是因?yàn)樗且环N非常流行的簡(jiǎn)單度量，通過(guò)與否的標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)比較RMSE預(yù)設(shè)的測(cè)試邊際來(lái)決定的。

為了比較本文的檢測(cè)方案與現(xiàn)有基于IDD信號(hào)純譜和純時(shí)域內(nèi)容的檢測(cè)方法的有效性，本文使用了一個(gè)度量作為標(biāo)準(zhǔn)RMS。而時(shí)域方法使用當(dāng)前波形下的累積電荷進(jìn)行信號(hào)比較。

3.2故障定位

在這一節(jié)中，介紹了利用小波分量的時(shí)域信息實(shí)現(xiàn)了環(huán)形故障定位的方法。有缺陷的設(shè)備，本文可以觀察到的小波系數(shù)，并確定延遲故障電路的響應(yīng)，與無(wú)故障設(shè)備相比，有明顯偏差。然后本文使用這些信息來(lái)確定故障部件。故障定位有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，第一，它可能會(huì)提高過(guò)程和產(chǎn)量;第二，本文可以利用這些故障信息。

值得注意的是，首次迭代的分區(qū)，故障部件可能來(lái)自電路的不同部位，但不同輸入轉(zhuǎn)換值的后續(xù)迭代主要用于消除故障，這是遠(yuǎn)程故障的補(bǔ)救措施。因此，可以確定故障區(qū)域定位過(guò)程組成的一組相鄰部件。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用C編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和定位算法。采用Matlab小波分析工具箱運(yùn)行小波和傅里葉分解IDD信號(hào)。本文選用db2來(lái)作為小波函數(shù)，這是因?yàn)樗且环N常用的基礎(chǔ)小波，是一種正交直線?？梢詾楸疚牡膽?yīng)用程序提供良好的輸入波形圖。不同頻域范圍內(nèi)的基礎(chǔ)小波對(duì)應(yīng)不同的光譜含量，因此，本文選擇限制頻率（400MHz），傅里葉和小波組件都從基礎(chǔ)值達(dá)到這個(gè)頻率，本文用了4種不同的頻域進(jìn)行小波分解，在限制頻率400MHz時(shí)，離散傅里葉變換分解出16種光譜分量，小波變換的范圍從8到64是二階的，不同范圍內(nèi)基礎(chǔ)小波的頻率含量是由在光譜中的20dB點(diǎn)決定的，最低值的范圍，比如8，對(duì)應(yīng)的最高頻率在最高邊際值400MHz范圍內(nèi)選擇，比如64，因?yàn)轭l譜范圍非常窄，在基線范圍內(nèi)選擇。范圍內(nèi)的任何一個(gè)較高值都不會(huì)在映射錯(cuò)誤方面導(dǎo)致顯著變化，離散傅里葉變換法，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)RMS時(shí)，本文既考慮頻率大小，又考慮頻率組成之間的協(xié)同作用。相應(yīng)構(gòu)件故障和無(wú)故障情況之間的絕對(duì)偏差，與相應(yīng)構(gòu)件的無(wú)故障情況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)RMS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算。得到標(biāo)準(zhǔn)RMS值，在IDD曲線（通過(guò)數(shù)值積分進(jìn)行制得）范圍內(nèi)取絕對(duì)偏差，然后根據(jù)無(wú)故障情況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

5故障定位的影響因素

5.1供電網(wǎng)絡(luò)的影響

該實(shí)驗(yàn)假設(shè)電路是由直接連接電源點(diǎn)的單一模型組成的。更現(xiàn)實(shí)點(diǎn)講，供電網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀，由不同模型在網(wǎng)格上的單點(diǎn)或多點(diǎn)連接，可以發(fā)現(xiàn)本文的定位方法是有效的，所有的檢測(cè)和定位工作都是在網(wǎng)狀供電網(wǎng)絡(luò)下完成的。