大型船舶電力系統(tǒng)短路故障診斷系統(tǒng)

陳國棟　林天柱　張鴻輝　鄭明　楊剛

【摘??要】船舶電力系統(tǒng)是船舶中的重要的組成部分之一。隨著船舶航運(yùn)的發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的重要性也日益顯現(xiàn)出來，相關(guān)的研究工作也廣泛的開展開來。由于船舶航行所處環(huán)境濕度很大，加上鹽霧、霉菌、油污等因素影響，導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)線路易受到腐蝕、惡化，使得船舶電力系統(tǒng)的輸電線路短路故障頻發(fā)，直接影響船舶電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性，一旦處理不及時甚至?xí)斐纱半娏ο到y(tǒng)的癱瘓。因此對船舶電力系統(tǒng)短路故障進(jìn)行準(zhǔn)確檢測、及時排查十分重要。對船舶電力系統(tǒng)短路故障的準(zhǔn)確檢測方便及時采取有效解決措施對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行預(yù)警和處理，有利于保障船舶電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。早期的船舶電力系統(tǒng)短路故障出現(xiàn)的時間長短難以確定，為了更好地制定維護(hù)方案，結(jié)合模糊算法對船舶電力系統(tǒng)短路故障進(jìn)行了分析，對現(xiàn)有的船舶電力系統(tǒng)故作診斷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最后對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果證明該方法對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷工作精準(zhǔn)度較高，有較強(qiáng)的參考價值。

【關(guān)鍵詞】船舶電力系統(tǒng);故障診斷;系統(tǒng)

引言

隨著我國造船業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)越來越趨向于大型化和復(fù)雜化，船舶電網(wǎng)的發(fā)配電模塊和負(fù)載的復(fù)雜度也不斷提高，一旦某處發(fā)生故障，很大程度上會引起二次故障，這使得輪機(jī)員的工作量大大增加，往往很難快速準(zhǔn)確地定位到故障點(diǎn)并排除故障，嚴(yán)重影響了船舶作業(yè)的穩(wěn)定性。并且，船舶電力設(shè)備隨著造船業(yè)的發(fā)展也在不斷更新?lián)Q代，而輪機(jī)員的原有知識量很難應(yīng)對新型設(shè)備的故障，因此，很有必要構(gòu)建出一套能夠集成該領(lǐng)域?qū)＜抑R并且能不斷更新知識庫的故障診斷專家系統(tǒng)，以此提高輪機(jī)員的工作效率與準(zhǔn)確度，保障船舶作業(yè)的連續(xù)性。

1電力系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

電力系統(tǒng)故障診斷是對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的斷路、短路、超載等故障進(jìn)行診斷，船舶電力系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：1）船舶電站使用的線纜由于老化以及使用環(huán)境等因素造成輸電線路斷路;2）輸電線路絕緣層老化導(dǎo)致短路;3）發(fā)電機(jī)輸出的三相電流不均衡是由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中存在短路線匝。對電力系統(tǒng)進(jìn)行故障的診斷通常有在線和離線2種方法，而且經(jīng)常是將2種方法結(jié)合起來使用。以短路為例，對船舶電力系統(tǒng)故障可以采用電阻測量、交流耐壓試驗等方法確認(rèn)是否短路。在線診斷則是利用采集到的傳感器值輸入到電腦中，在電腦上通過一系列的程序算法進(jìn)行判斷。不管使用什么方法，船舶電力系統(tǒng)故障診斷存在以下特點(diǎn)：1）船舶故障種類多，而且引發(fā)這些故障的原因（需要監(jiān)測的故障點(diǎn)）也很多，因而在船舶故障診斷上會存在很多困難;2）由于船舶電力系統(tǒng)的特殊性，因而一般的故障診斷系統(tǒng)難以直接應(yīng)用到船舶電力系統(tǒng)中。目前在電力系統(tǒng)故障診斷中應(yīng)用較多的是模糊理論、專家系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模糊理論是利用了模糊集合的一種理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿動物的神經(jīng)行為特征對信息進(jìn)行并行處理的一種技術(shù)，專家系統(tǒng)是一個統(tǒng)稱，實際應(yīng)用的專家系統(tǒng)是使用了各類診斷技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，如應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力故障診斷系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）以及生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN），人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過人工模擬神經(jīng)元而建立起的一個網(wǎng)絡(luò)，能夠模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯能力、學(xué)習(xí)能力以及大規(guī)模的處理能力，因而非常適合應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)故障診斷中，并且已經(jīng)有很多公司研發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，因而可以在硬件和軟件上非常方便地加以實現(xiàn)。為了保證人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)故障診斷，需要大量的經(jīng)驗積累，即需要很多的故障數(shù)據(jù)并讓系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)以及推理，船舶電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度將直接影響故障診斷系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時間，并且難以保證能夠達(dá)到最佳效果。

2船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷方法設(shè)計

2.1對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障信號進(jìn)行去噪

采集的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷信號常常包括有用信號和無用信號，無用信號以噪聲的形式存在，而且噪聲的類型很多種，這樣使得船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷的有用信號沒有完全體現(xiàn)出來，對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷結(jié)果有不好影響。為此對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷信號進(jìn)行去除處理，只保留船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷的有用信號。設(shè)n（t）為噪聲，那么船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障原始信號s（t）可以表示為：s（t）=x（t）-n（t）其中，x（t）表示船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障有用信號。由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障原始信號為模擬信號，因此需要進(jìn)行數(shù)字化處理，變?yōu)橛嬎銠C(jī)可以識別的信號，即離散化操作，然后采用信號去噪算法對其進(jìn)行處理，使噪聲從船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障原始信號中分離出來，得到理想的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障信號，本文方法采用雙邊濾波算法對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障原始信號進(jìn)行去噪。

2.2電網(wǎng)模塊的推理機(jī)制

推理機(jī)負(fù)責(zé)專家系統(tǒng)在故障診斷的過程中如何調(diào)用規(guī)則，推理機(jī)設(shè)計的是否完善將直接影響專家系統(tǒng)的推理精度和效率，選用合適的推理策略更能發(fā)揮專家系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，相比較其他類型故障而言，電網(wǎng)模塊故障發(fā)生的頻率最高，因此發(fā)生故障時，優(yōu)先對電網(wǎng)模塊進(jìn)行故障診斷將大大提高專家系統(tǒng)的工作效率，為了提高推理速度，對電網(wǎng)模塊故障的推理使用正向推理的方法，專家系統(tǒng)將已知的故障特征信息載入到綜合數(shù)據(jù)庫中，再與知識庫中的診斷規(guī)則進(jìn)行逐一配對，將成功匹配的規(guī)則的結(jié)論作為新的事實添加到綜合數(shù)據(jù)庫中，運(yùn)用更新后的數(shù)據(jù)庫再次進(jìn)行匹配，直到得出結(jié)論或者沒有新知識加入為止。

2.3基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)故障診斷的關(guān)鍵在于對故障的推理和診斷的實現(xiàn)。首先需要構(gòu)造一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般包括5層，分別為輸入層、中間層、輸出層、附加層1、附加層2等。通過構(gòu)造這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么所有的故障就可以通過這個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基本訓(xùn)練，每一個故障對應(yīng)的輸入為這種故障所對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)信息，如短路對應(yīng)某兩點(diǎn)之間的電阻值為0，電壓值也為0，將這些傳感器數(shù)據(jù)信息用x1-x6表示。將獲取的故障傳感器數(shù)據(jù)以及現(xiàn)象作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，系統(tǒng)啟動后首先開始采集船舶電力系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)，然后確定特征函數(shù)，使用特征函數(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到第1層的輸出值，然后將第1層的輸出值作為第2層的輸入值，最終得到計算輸出層的輸出結(jié)果，將此結(jié)果和閾值函數(shù)進(jìn)行比較，若符合要求則直接輸出結(jié)果，若不符合則重新進(jìn)行計算。

結(jié)語

針對當(dāng)前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中噪聲對信號的干擾，以及無法有效建立船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷分類的問題，設(shè)計了基于信號去噪和數(shù)據(jù)挖掘的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷方法，可以得到如下結(jié)論：1）由于受到多種噪聲干擾，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障有用信號被淹沒，無法提取最有效的診斷特征，通過信號去噪處理，將船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障有用信號顯示出來，便于特征提取，同時可以加快船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷速度。2）最小二乘支持向量機(jī)作為一種性能優(yōu)異的分類算法，其可以對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障進(jìn)行高精度的分類，使得船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷率超過了實際應(yīng)用的要求。3）在實際應(yīng)用中，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷模型的參數(shù)也影響診斷效果，下一步將研究船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障參數(shù)優(yōu)化問題，以進(jìn)一步提高船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷效果。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：廣州文沖船舶修造有限公司）