水利工程自動化控制系統(tǒng)故障排除方法探究

茜 揚

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州 510635)

0 引 言

基于智能化技術(shù)的創(chuàng)新，對工程項目提出了自動化控制管理，建立了工程項目自動化控制系統(tǒng)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，自動化控制系統(tǒng)對工程的管理控制具有顯著的作用。該系統(tǒng)由智能芯片與監(jiān)測裝置構(gòu)成，實時對系統(tǒng)的最高供應(yīng)需求進行匹配。同時，該系統(tǒng)采用的是復式建設(shè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)ARM在系統(tǒng)中的嵌入，實現(xiàn)在不同情況下對工程實施的監(jiān)測與維護。并利用C15單機片集成計算機硬盤，由遠程設(shè)備及后臺管理員進行操控，滿足對獲取信息的數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換[2]。因此，自動化控制系統(tǒng)是實施水利工程的重要保障。但由于智能化技術(shù)的應(yīng)用尚不成熟，系統(tǒng)運行仍存在一些漏洞，這些空白與漏洞均是影響系統(tǒng)持續(xù)運行的重要影響因素。倘若忽略系統(tǒng)中的漏洞，極易造成系統(tǒng)運行故障，嚴重情況下會傳遞錯誤的水利數(shù)據(jù)。為此，本文將以水利工程為例，開展自動化控制系統(tǒng)故障排出方法的設(shè)計，解決水利工程控制及管理中存在的問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力，緩解系統(tǒng)在長期高負荷運行狀態(tài)下的壓力，為水利工程項目的實施提供技術(shù)支持。

1 水利工程自動化控制系統(tǒng)故障排除方法

1.1 提取系統(tǒng)初始化故障信號

為了解決水利工程自動化控制系統(tǒng)在運行中存在的故障，首先應(yīng)進行排除指令頻譜的分解，根據(jù)分解結(jié)果進行故障特征的檢測，并在此基礎(chǔ)上執(zhí)行故障信號特征的識別[3]?？紤]到供應(yīng)系統(tǒng)運行的電源采用分布式直流電，因此可認為在此種組件結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)發(fā)生故障的信號均為漏電信號。基于此，提出自適應(yīng)算法，設(shè)計故障識別傳遞函數(shù)。在傳遞過程中，使用傳感器與執(zhí)行器進行系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的傳輸[4]。傳遞過程可用如下公式表示：

(1)

式中：Hs為故障信號傳遞過程；η為故障信號；φ為信號頻率；m為故障種類；J為信息傳輸路徑；B為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信；δ為A/D轉(zhuǎn)換過程；f為故障信號特征。

xasinγ=xacosα

(2)

式中：x為提取的故障信號；α為提取次數(shù)；γ為故障信號的頻率；N為識別信號種類；n為故障信號相位。

根據(jù)上述計算公式，將提取的初始化數(shù)據(jù)集合采用包絡(luò)分析方法進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的進一步挖掘，可得到故障信號指令的頻譜特征[6]。在此過程中，按照能量尺度對故障信號進行分解，將分解后的數(shù)據(jù)值整理成集合，作為系統(tǒng)在初始化故障信號。

1.2 識別系統(tǒng)發(fā)生故障類型

使用上文提取的系統(tǒng)初始化故障信號，采用深度學習的方式，將系統(tǒng)中隱藏感知層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用抽象的方式表達。同時根據(jù)系統(tǒng)常發(fā)故障集及發(fā)生故障的類別，對故障類型進行劃分。劃分的過程可用如下公式表示：

(3)

式中：s為故障信號種類；v為自動巡檢異常信號。

利用上述計算公式將不同故障類型近似模擬為一個調(diào)幅信號，并根據(jù)信號在傳遞中的消耗量，預測故障類型識別執(zhí)行指令的尺度及其參量的變化趨勢[6]。在此基礎(chǔ)上，為了進一步對故障發(fā)生點進行精準定位，采用對故障信號進行稀疏分離處理的方式，選擇數(shù)據(jù)集中的特征量，按照其頻譜的偏移程度，對故障信號進行局部處理，以此得到不同類型故障信號的輸出樣本?？蓪⑵溆洖槿缦鹿剑?/p>

X1(k)=FFT[x1(k),x1(k+1),…,x1(k+N-1)]T

(4)

式中：X為不同類型故障信號的輸出樣本集合；k為稀疏處理中的某一信號的變換系數(shù)。

以此樣本集合作為故障排除的依據(jù)，進而掌握系統(tǒng)發(fā)生故障中不同信號的類型。

1.3 執(zhí)行故障排除工作

根據(jù)故障信號的類型，利用系統(tǒng)訓練樣本建立對應(yīng)的故障矩陣。例如，當給定自動化控制系統(tǒng)一個故障信號時，這一信號的所屬類別是未知的[7]。因此，根據(jù)上述相關(guān)公式，在掌握信號的類型及故障發(fā)生點后，可根據(jù)對信號檢測結(jié)果的差異性進行特征量的辨識與故障排除。步驟如下：

第一步：壓縮故障信號，使用單機片集成壓縮信號，以此提高檢測方法的遠程協(xié)調(diào)適應(yīng)能力。并按照系統(tǒng)的總線設(shè)計方式，輸入故障排除指令。

第二步：在得到故障信號的隨機排列順序后，提取信號頻譜特征，挖掘故障發(fā)生的時延。計算故障指令的峰值，計算過程如下：

(5)

式中：p為故障信號辨識度；e為頻譜特征。

第三步：在完成上述相關(guān)工作后，根據(jù)故障的辨識，執(zhí)行排除指令。并按照時延及時調(diào)整指令執(zhí)行順序與時間，以完成對水利工程自動化控制系統(tǒng)故障的排除。

2 實 驗

2.1 實驗準備

本節(jié)將結(jié)合水利工程自動化控制系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，提出一個測試，檢驗本文提出方法的應(yīng)用性能。使用C#/C++語言編譯程序，進行系統(tǒng)故障排除指令的編輯。為了提高實驗結(jié)果的準確性與真實性，將水利工程自動化控制系統(tǒng)對于故障信號的傳輸頻率控制在10.0～15.0 kHz范圍內(nèi)，當獲取到故障信息后，模擬信號將自動轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在此過程中，調(diào)整信號轉(zhuǎn)換的增益值為35 dB，并設(shè)定故障信號的樣本集合的規(guī)模為5000.0，至此完成此次實驗的系統(tǒng)故障及相關(guān)參數(shù)設(shè)定。根據(jù)上述采集的系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)樣本，按照信號變化的頻率幅度及采集的時間，繪制成曲線圖，見圖1。

圖1 采樣的系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)樣本

根據(jù)圖1中表述的信息，可清楚地看出本次研究的水利工程自動化控制系統(tǒng)存在多種故障，且故障的表現(xiàn)形式均不相同。為此，將本文提出的故障排除方法定義為實驗組，傳統(tǒng)故障排除方法定義為參照組，分別使用兩種方法對系統(tǒng)監(jiān)測到的故障信號進行排除。在此過程中，控制影響實驗結(jié)果的相關(guān)變量，以此完成此次仿真實驗的實驗準備。

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述進行的實驗準備與實驗組別劃分，執(zhí)行此次仿真實驗，記錄實驗過程中發(fā)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，并整理數(shù)據(jù)，將其繪制成圖2、圖3所示的實驗結(jié)果。

圖2 參照組故障排除方法結(jié)果

圖3 實驗組故障排除方法結(jié)果

圖2、圖3為實驗組與對參照組故障排除方法的實驗結(jié)果。從圖2和圖3中可明顯看出，兩種方法均可實現(xiàn)對系統(tǒng)故障信號的排除，但在對比中發(fā)現(xiàn)本文方法對故障的排除的效果較為顯著。如發(fā)生在0.0～0.10 s之間的系統(tǒng)故障，傳統(tǒng)方法可對故障進行邊緣排除，而本文方法對故障進行深入排除；對于發(fā)生在0.15～0.35 s之間的故障，本文方法可進行故障的完全排除。因此，根據(jù)實驗結(jié)果得出此次仿真實驗的結(jié)論：相比傳統(tǒng)的故障排除方法，本文提出的水利工程自動化控制系統(tǒng)故障排除方法在實際應(yīng)用中可實現(xiàn)對系統(tǒng)發(fā)生的故障信號進行有效排除，效果相對顯著，更加適用于水利工程等大型項目。

3 結(jié) 語

水利工程是受到社會重點關(guān)注的大型工程項目，無論是在實現(xiàn)輸送水資源，或是在提高水庫蓄水量方面均發(fā)揮了十分重要的作用。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，對于水利工程的控制已經(jīng)由人工控制轉(zhuǎn)換為自動化控制。因此，本文開展了水利工程自動化控制系統(tǒng)估值故障排除方法的深入研究，為了檢驗提出方法的有效性，采用設(shè)計仿真實驗的方式驗證了提出方法在實際應(yīng)用中具有顯著的效果。對于系統(tǒng)發(fā)生的故障，本文提出的故障排除方法對故障的排除更為有效。因此，在后期的水利工程建設(shè)及發(fā)展規(guī)劃中，可適當加大本文提出方法的應(yīng)用，提高系統(tǒng)的綜合可持續(xù)運行能力，降低系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)，確保水利工程在各個方面的正常運行。