姚鋼，黃濟(jì)

（1.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237000；2.皖西學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理部，安徽 六安 237012）

在科學(xué)技術(shù)日益更新的大背景下，電氣設(shè)備變得更加智能化以及自動(dòng)化，但相對(duì)應(yīng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致設(shè)備故障的排查較為困難，需要一種可以對(duì)設(shè)備故障點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)的新方法[1-3]。而國(guó)內(nèi)外對(duì)于設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)的研究起步均較晚，早期的故障檢測(cè)只能采用人工手段，后續(xù)隨著行波法的誕生，人們開始采用陰極射線示波器來進(jìn)行設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)，通過對(duì)行波從故障點(diǎn)的傳播時(shí)間來確定設(shè)備故障點(diǎn)的位置。但該方法準(zhǔn)確率不高，同時(shí)需要事先發(fā)現(xiàn)故障[4-7]。而我國(guó)在本世紀(jì)80年代才開始對(duì)行波保護(hù)技術(shù)開展研究，雖然起步較晚，但通過研究也獲得了很多成果，如后續(xù)研究中出現(xiàn)的基于Bergeron 法的電磁暫態(tài)分析技術(shù)，運(yùn)用電磁波的暫態(tài)分析來確認(rèn)位置。而目前研究中通常運(yùn)用梯度擴(kuò)散的技術(shù)，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，但由于信號(hào)獲取時(shí)效率較低，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確率[8-10]。而小波變換技術(shù)，由于具有較好的故障信號(hào)接收能力，對(duì)設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)方法存在應(yīng)用的潛力，存在研究?jī)r(jià)值。

1 自動(dòng)化電氣設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 電氣設(shè)備特性分析

電氣自動(dòng)化設(shè)備的輸電環(huán)境溫度的改變，其內(nèi)部交流電阻也會(huì)發(fā)生變化[11]。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到上限時(shí)，交流電阻的表示公式如下所示：

式(1)中，R '代表電氣設(shè)備中的線芯處在溫度上限情況下的直流電阻，單位為Ω/m。 ys代表線路中的集膚效應(yīng)因數(shù)， yp代表線路中的相鄰效應(yīng)因數(shù)。在環(huán)境溫度達(dá)到上限時(shí)，單位長(zhǎng)度下的直流電阻則可以用如下公式表示：

式(2)中，A 代表線芯的橫截面積，設(shè)電氣設(shè)備中的線芯由n 根直徑相同的導(dǎo)線構(gòu)成，且直徑為d，獲得線芯橫截面積， ρ20代表電氣設(shè)備內(nèi)線芯的電阻率，α 代表線路的溫度系數(shù)常量，θ 代表電氣設(shè)備環(huán)境溫度的上限值。1k 代表電氣設(shè)備在單根線芯施加外力下的線芯電阻參數(shù)。2k 則代表通過多根線芯構(gòu)成的線芯電阻率。3k 代表高強(qiáng)度下的導(dǎo)線硬度參數(shù)。4k 代表線芯絞合參數(shù)。5k 則代表導(dǎo)線最大長(zhǎng)度參數(shù)。根據(jù)式(1),(2)即可得出該電氣設(shè)備在環(huán)境影響下的電氣特性。分析設(shè)備的電氣特性是為了避免由于環(huán)境因素造成的故障信號(hào)異常，提高檢測(cè)工作的準(zhǔn)確度。在完成特性分析后，可以根據(jù)電氣特性開展故障點(diǎn)檢測(cè)工作。

1.2 添加數(shù)字濾波器

為了抑制干擾信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)處理中可以使用數(shù)字濾波技術(shù)來進(jìn)行信號(hào)過濾[12-13]。本文為了避免在進(jìn)行傳輸過程中造成的失真和噪音影響，在檢測(cè)過程中添加數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器的處理過程如圖1 所示。

本文為了滿足需要設(shè)計(jì)IIR 數(shù)字濾波器，根據(jù)一定的規(guī)則來對(duì)數(shù)字濾波器的數(shù)字指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)模擬濾波器的低通技術(shù)指標(biāo)。將獲取的技術(shù)指標(biāo)作為模擬低通濾波器 H （s ）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。將根據(jù)技術(shù)指標(biāo)模擬出的低通濾波器 H （ s ）轉(zhuǎn)換為高通濾波器 H （z ）。轉(zhuǎn)換過程時(shí)通過雙線性Z 變換法來設(shè)計(jì)IIR 低通濾波器，函數(shù)為

1.3 小波變換分析

當(dāng)式(4)滿足時(shí)，那么可以將母小波ψ（t ）看作一個(gè)衰減震蕩波，其中e-jωt為平方可積函數(shù)，dt 代表信號(hào)的頻寬。在滿足式(4)后，小波函數(shù)經(jīng)過變換后獲得小波函數(shù)，則小波變換結(jié)果滿足：

式(6)即為離散的小波變換，通過對(duì)小波分析的離散以及重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多頻分量分析向著低頻分類進(jìn)行逐級(jí)分析與處理，以此獲得對(duì)應(yīng)電氣設(shè)備的信號(hào)波動(dòng)錯(cuò)誤，從而得出電氣設(shè)備是否存在故障。

1.4 故障點(diǎn)確定

在經(jīng)過小波分析后獲得的信號(hào)波動(dòng)錯(cuò)誤，可根據(jù)信號(hào)奇異性來確認(rèn)故障點(diǎn)位置。本文獲取的信號(hào)波動(dòng)錯(cuò)誤函數(shù)為 x （ t）∈ R，該函數(shù)具有點(diǎn)或階的導(dǎo)數(shù)不連續(xù)性，則該信號(hào)點(diǎn)屬于奇異性，奇異性信號(hào)的突變點(diǎn)同樣具有奇異性，突變點(diǎn)的性質(zhì)常用的奇異性指數(shù)α 表示，α 也可以作為奇異性函數(shù) x （ t ）的特征。這里設(shè)置常數(shù)K，并讓奇異性函數(shù)中所有奇異點(diǎn)t 均滿足以下條件：

式(7)中， t0代表突變奇異點(diǎn)，如果上式成立，那么則稱x （ t ）中的 t0的奇異指數(shù)為α ，同時(shí)α 指數(shù)至少為1，但當(dāng)α= 1時(shí)，函數(shù) x （t ）在點(diǎn) t0上則是光滑不存在突變的。而對(duì)突變點(diǎn)的突變信息則可以通過能量比法來獲得，在時(shí)窗內(nèi)可將獲取到的突變奇異點(diǎn)的突變程度進(jìn)行確定，通過對(duì)時(shí)窗的選取獲得到相應(yīng)的信號(hào)噪聲比，當(dāng)利用奇異性分析后，根據(jù)獲取到的信號(hào)奇異點(diǎn)，確定信號(hào)時(shí)窗寬度，在較長(zhǎng)線路中可以采用雙端檢測(cè)，利用故障點(diǎn)信號(hào)在反射行波中在初始行波中的反饋結(jié)果，獲取到故障點(diǎn)的大致位置，并利用雙端測(cè)距法對(duì)故障點(diǎn)距離進(jìn)行測(cè)距，測(cè)距公式如下：

式(8)中，l 代表電氣設(shè)備線路總長(zhǎng)度，1Mt 代表M 端首波頭的時(shí)刻，1Nt 代表N 端首波頭的時(shí)刻，υ 代表波速。根據(jù)式(8)對(duì)信號(hào)波到故障點(diǎn)之間的距離進(jìn)行確認(rèn)，從而推算出設(shè)備的故障點(diǎn)位置。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)小波變換的自動(dòng)化電氣設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)方法的可行性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使用本文故障點(diǎn)檢測(cè)方法與文獻(xiàn)[1, 2, 4]的故障點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)某公司的自動(dòng)化電氣設(shè)備進(jìn)行故障點(diǎn)檢測(cè)，并通過4 種方法之間相關(guān)函數(shù)以及檢測(cè)的準(zhǔn)確率來判斷優(yōu)劣性。

2.1 實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集設(shè)備

實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集設(shè)備采用微電子STM32F103ZET6 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心，該單片機(jī)的內(nèi)置處理器處理能力較強(qiáng)，同時(shí)具有32 位ARM Cortex M3 內(nèi)核的處理器。而對(duì)于故障信號(hào)的數(shù)據(jù)采集則采用兩部分，首先為信號(hào)的處理電路，其次為A/D 轉(zhuǎn)換。為了獲得質(zhì)量較好的故障信號(hào)，信號(hào)處理電路匯中添加了信號(hào)的放大電路，電路如圖2 所示。

在一般情況下利用信號(hào)放大器對(duì)實(shí)驗(yàn)中被檢測(cè)設(shè)備故障信號(hào)進(jìn)行放大處理，從而獲得更可靠的故障信號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于自動(dòng)化電氣設(shè)備的故障信號(hào)中的行波浪涌到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間較短，因此在檢測(cè)過程中，4 種檢測(cè)方法均需要將檢測(cè)的相關(guān)函數(shù)曲線集中在自動(dòng)化電氣設(shè)備線路的首端。根據(jù)信號(hào)函數(shù)理論，故障信號(hào)的檢出越準(zhǔn)確，那么相對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線峰值則越高，同時(shí)呈現(xiàn)出多峰值。相關(guān)函數(shù)理論中，相關(guān)函數(shù)的曲線峰值可以代表電氣設(shè)備故障的定位，上述4 種方法的相關(guān)函數(shù)曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化電氣設(shè)備的故障點(diǎn)檢測(cè)方法的相關(guān)函數(shù)曲線峰值更高，同時(shí)具有的峰值更多，從信號(hào)函數(shù)理論中說明該方法的檢測(cè)效率更高。而4 種方法的故障點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確率比較結(jié)果如表1 所示。

表1 4 種方法的檢測(cè)準(zhǔn)確率 %

表1 中的結(jié)果顯示，在多次檢測(cè)迭代中，本文所設(shè)計(jì)的電氣故障點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)比其他文獻(xiàn)的檢測(cè)方法，檢測(cè)準(zhǔn)確率均較高。

3 結(jié)束語

本文使用改進(jìn)小波變換技術(shù)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化電氣設(shè)備故障點(diǎn)檢測(cè)方法，通過實(shí)驗(yàn)證明本文方法的相關(guān)函數(shù)曲線中峰值更多，同時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確率更高。但本文研究的故障點(diǎn)檢測(cè)仍不具備對(duì)故障分類的能力，未來研究中可以在其中添加MATLAB/SIMULINK 模型，提高噪聲的過濾能力，同時(shí)添加神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，對(duì)故障信號(hào)的故障類型進(jìn)行分析。