電氣信號(hào)數(shù)字化檢測技術(shù)的探討

楊濤銘

（重慶鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司接龍鐵礦，重慶 401344）

概述

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模和發(fā)電容量愈來愈大，電壓等級(jí)和自動(dòng)化水平愈來愈高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和調(diào)控手段越來越復(fù)雜；同時(shí)，國民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力供應(yīng)的依賴性愈來愈強(qiáng)，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求愈來愈嚴(yán)格；從而，電力生產(chǎn)對(duì)電氣信號(hào)檢測提出了更高的要求。另一方面，盡管目前數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已具有完善的理論體系和各種成熟的實(shí)現(xiàn)方法，但這些成果還只有部分應(yīng)用到電氣檢測領(lǐng)域，且由于電氣信號(hào)具有其自身的特點(diǎn)，這些理論和方法并不完全適用電氣信號(hào)檢測。

因此，順應(yīng)現(xiàn)代化電力生產(chǎn)的要求，應(yīng)用現(xiàn)有信號(hào)處理的科學(xué)成果，進(jìn)一步研究真實(shí)反映電氣信號(hào)物理本質(zhì)、精度高、速度快、實(shí)現(xiàn)代價(jià)小、工程實(shí)用的電氣信號(hào)檢測理論和實(shí)現(xiàn)方法，無疑具有重要的理論價(jià)值和工程意義。

1 電氣設(shè)備檢測與故障診斷系統(tǒng)的組成

電氣設(shè)備檢測與故障診斷包括以下基本過程：信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、診斷。基本過程如下：通過各種傳感器(如光、電、溫度、振動(dòng)、流量、化學(xué)等)檢測出設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并使其可被傳輸，轉(zhuǎn)換，采集.處理。然后由數(shù)據(jù)采集單元采集并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中。傳送載體可以是電纜或光纜。為了其提高抗干擾能力，多采用光纜或采用數(shù)字信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)采集可以采用三種方式：采集信號(hào)波形。采集信號(hào)峰值或記錄峰值超過閥值的脈沖。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，主要為抑制干擾。保留或增強(qiáng)有用信號(hào)，提煉信號(hào)特征。依據(jù)所得的特征信號(hào)，采用各種診斷方法，如模糊邏輯，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)等得出診斷結(jié)果。

2 電氣信號(hào)檢測技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，使電氣信號(hào)的檢測方式發(fā)生了根本性的變革，產(chǎn)生了真正意義上的數(shù)字化檢測，即采用微型計(jì)算機(jī)作為測量系統(tǒng)的主體和核心，通過對(duì)電氣信號(hào)的采樣和利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析與處理，獲得所關(guān)心的電氣信號(hào)的信息。這種檢測方式充分利用微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯判斷能力，以及信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)有力的分析、綜合和處理能力，不但解決了傳統(tǒng)電氣檢測方式不能自動(dòng)進(jìn)行分析和處理的缺陷，更能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜測量，使電氣檢測的內(nèi)容更廣，測量精度和速度更優(yōu)。

3 電氣信號(hào)檢測原理及算法

電氣信號(hào)檢測的關(guān)鍵，是運(yùn)用適當(dāng)?shù)睦碚撛O(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄?shù)值算法對(duì)交流采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，以獲得需要的檢測信息。檢測精度、響應(yīng)速度是衡量算法的兩個(gè)主要指標(biāo)。目前電氣信號(hào)檢測中應(yīng)用較多或較有應(yīng)用前途的理論和算法有：基于正弦信號(hào)模型的檢測算法、基于周期信號(hào)模型的檢測算法、離散頻譜分析與校正、現(xiàn)代譜分析、隨機(jī)模型算法、小波變換等，而每種方法又可以分成多個(gè)小類。

目前，電氣信號(hào)檢測的理論和算法十分豐富，除上所述外，人工智能技術(shù)(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)和遺傳算法等)、瞬時(shí)無功功率理論等也在諧波、無功功率測量等電氣測量領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 電氣信號(hào)檢測技術(shù)的主要研究方向

4.1 電氣信號(hào)檢測中的采樣技術(shù)研究

電氣信號(hào)的檢測中，采用微處理器的數(shù)字式測量方式精度好、功能強(qiáng)、能化程度高、檢測結(jié)果易于傳輸和與控制系統(tǒng)共享，較傳統(tǒng)測量方式具有較大優(yōu)越性，因而受到普遍歡迎，目前用微機(jī)測量電氣信號(hào)的首要環(huán)節(jié)是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行離散化，即采樣。交流電氣信號(hào)的采樣有直流采樣和交流采樣兩種方式。直流采樣即采集經(jīng)過變送器整流后的直流量。此方法軟件設(shè)計(jì)簡單，計(jì)簡便，對(duì)采樣值只需作次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。交流采樣是按一定的規(guī)律對(duì)被測交流電氣信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，獲得用數(shù)字量表示的離散時(shí)間采樣值序列，并通過對(duì)采樣值序列進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算獲取被測信號(hào)的信息。與直流采樣相比，交流采樣所用變送器只需將交流信號(hào)進(jìn)行簡單的幅值變換，其價(jià)格低、體積小，反應(yīng)快。

4.2 信號(hào)處理技術(shù)在電氣信號(hào)檢測中的應(yīng)用研究通過信號(hào)處理，能夠抑止干擾、保留或增加有用的信號(hào)，提煉信號(hào)特征，從中獲得與故障相關(guān)的征兆，利用征兆進(jìn)行故障診斷。時(shí)域分析、快速傅立葉變換頻域分析、小波分析、小波包分析等信號(hào)處理提取技術(shù)的發(fā)展為電氣信號(hào)的檢測診斷提供了前提條件。

4.3 電氣信號(hào)檢測的信息融合技術(shù)研究

在電氣信號(hào)檢測中引入多傳感器與數(shù)字化信息融合技術(shù)，首先是可以拓寬信息來源渠道，其次是可以改善信息處理的質(zhì)量，提高診斷的準(zhǔn)確性。這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高測量抗干擾的能力，因?yàn)椴煌膫鞲衅鲗?duì)干擾的反映靈敏度不同，盡管在某些傳感器中可能存在比較強(qiáng)的干擾信號(hào)，但是當(dāng)與其他對(duì)電磁干擾反映不靈敏的傳感器信息進(jìn)行融合之后，就可以剔除其中所包含的干擾信號(hào)分量。

4.4 基于虛擬信號(hào)技術(shù)的研究

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測試與控制領(lǐng)域技術(shù)的研究熱點(diǎn)，它是以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以軟件為核心的自然科學(xué)信息測試、分析、存儲(chǔ)、傳輸與控制系統(tǒng)。通過虛擬技術(shù)，系統(tǒng)的界面更加形象逼真，具有良好的可視性和交互性，可以明了的表現(xiàn)電氣系統(tǒng)的狀態(tài)。

4.5 遠(yuǎn)程電氣信號(hào)檢測和網(wǎng)絡(luò)化跟蹤研究

隨著分布式計(jì)算技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)和寬帶數(shù)字通信技術(shù)的長足發(fā)展，基于因特網(wǎng)的電氣設(shè)備故障檢測將成為現(xiàn)實(shí)，將設(shè)備診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的早期診斷和及時(shí)維修。

4.6 基于人工智能的信號(hào)數(shù)字化檢測系統(tǒng)開發(fā)研究

人工智能是以模型化的計(jì)算機(jī)來代替人的思維方式解決問題的一種方法，用仿人類專家推理過程的計(jì)算機(jī)模型來解決現(xiàn)實(shí)生活中某些復(fù)雜的重要問題。而目前這種方式缺乏的有效的診斷知識(shí)表達(dá)、不確定性的知識(shí)推理及知識(shí)獲取困難。在這種系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷經(jīng)常用模糊的自然語言來說明狀態(tài)的特征，為了準(zhǔn)確有效的判斷具有模糊征兆的狀態(tài)，必須用模糊集合的概念對(duì)其是否屬于某個(gè)狀態(tài)的原因進(jìn)行描述，對(duì)于一些征兆與狀態(tài)之間無法確定的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，只有在獲取系統(tǒng)狀態(tài)的綜合效應(yīng)、積累維修經(jīng)驗(yàn)和集中專家意見的前提下，用模糊的方法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。

結(jié)語

通過以上對(duì)電氣信號(hào)檢測技術(shù)及其發(fā)展的分析，我們可以進(jìn)一步明確，研究真實(shí)反映電氣信號(hào)物理本質(zhì)、精度高、速度快、實(shí)現(xiàn)代價(jià)小、工程實(shí)用的電氣信號(hào)檢測理論和實(shí)現(xiàn)方法，具有重要的理論價(jià)值和工程意義。從多方面來講，電氣信號(hào)數(shù)字化檢測是今后發(fā)展的方向。我們應(yīng)該從理論與實(shí)踐上進(jìn)一步推進(jìn)電氣信號(hào)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)新提供良好的技術(shù)保障。

[1]黃純.電氣信號(hào)數(shù)字化檢測技術(shù)及應(yīng)用研究[J].湖南大學(xué)，2005.

[2]王立春.電氣信號(hào)數(shù)字化檢測技術(shù)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2008.