艦船綜合電力系統(tǒng)設(shè)備故障的貝葉斯-可拓診斷模型

王 豐，顧佼佼，王 蓉

(海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001)

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是隨現(xiàn)代先進(jìn)電力技術(shù)發(fā)展而來的一種新型船舶推進(jìn)系統(tǒng)，是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯康臒狳c(diǎn)方向。英、美等國家研究的下一代艦船都將采用全電推進(jìn)方式。其有能源利用率高、機(jī)動(dòng)性高、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行噪音低等優(yōu)點(diǎn)，更有利于電磁武器在艦船上的安裝運(yùn)用。其主要構(gòu)成有變頻器、推進(jìn)電機(jī)、變壓器、功率管理系統(tǒng)和操縱控制系統(tǒng)等核心設(shè)施設(shè)備。目前，常用的電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷方法[1～5]有：專家系統(tǒng)、紅外測(cè)溫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、模糊理論等。文獻(xiàn)[6]利用貝葉斯判別方法和模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)電力變壓器的故障狀態(tài)進(jìn)行判別和預(yù)警。文獻(xiàn)[7]利用貝葉斯判別方法研究了配電網(wǎng)故障的選線方法。貝葉斯判別方法是考慮了各故障損失總體出現(xiàn)的先驗(yàn)概率及誤判損失的情況下，用待診斷設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正先驗(yàn)概率分布，進(jìn)而判別故障的歸屬。但該方法沒有考慮決定待診斷電力設(shè)備故障損傷的各判別特征指標(biāo)與各故障總體相應(yīng)特征指標(biāo)的“關(guān)聯(lián)”程度。可拓識(shí)別方法[8]是利用可拓集的思想，在判別特征的基礎(chǔ)上，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算出特征量值與判別特征之間的關(guān)聯(lián)程度，并結(jié)合權(quán)重系數(shù)，得到待識(shí)別事物的綜合優(yōu)度，從而判斷出事物的歸屬。該方法在裝備故障診斷、管理、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域取得了較多的研究成果。文獻(xiàn)[9]利用貝葉斯判別方法和可拓識(shí)別方法，結(jié)合變壓器故障類型的產(chǎn)生概率，建立診斷故障的模型,分析判斷出變壓器的故障所屬類型。該方法結(jié)合了貝葉斯判別方法和可拓識(shí)別方法的優(yōu)點(diǎn)，是這兩種方法在變壓器故障診斷領(lǐng)域的全新嘗試。本文在此基礎(chǔ)上，利用貝葉斯判別方法和可拓識(shí)別方法[10]，并結(jié)合Matlab仿真，研究其在海軍艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備故障損傷等級(jí)程度診斷中的應(yīng)用。該方法在考慮各故障損傷等級(jí)總體的分布函數(shù)、先驗(yàn)概率及誤判損失的基礎(chǔ)上，既考慮了決定待診斷艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備故障損傷的各判別特征指標(biāo)與各故障總體相應(yīng)特征指標(biāo)的“關(guān)聯(lián)”程度，又考慮了故障總體各判別特征指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。考慮問題更加全面，并對(duì)該方法的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使故障診斷的準(zhǔn)確度更高。

1 故障診斷的貝葉斯-可拓方法

1.1 診斷流程

艦船綜合電力設(shè)備故障損傷程度的貝葉斯-可拓診斷的流程如圖1。

1.2 具體步驟

1.2.1建立故障總體及待診斷電力設(shè)備的基元模型

通過電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)檢查和分析電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，全面采集磁力線密度、局部放電量、頻率、電壓、突變信號(hào)等數(shù)據(jù)，利用可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘理論[11～12]，并結(jié)合電力設(shè)備形成的故障庫挖掘出各類型故障及故障等級(jí)與各判別特征之間的關(guān)聯(lián)程度，從而篩選出故障類型及其判別特征。篇幅限制，將另文研究。假設(shè)電力設(shè)備的某類型故障[13]分成m個(gè)損傷等級(jí)，故障總體Zi(i=1,2,…,m)，并用故障元描述為：

(1)

式(1)中，Ni為該故障的第i(i=1,2,…,m)個(gè)損失等級(jí)程度；ci(i=1,2,…,p)為刻畫故障；Zi(i=1,2,…,m)的判別特征指標(biāo)；Vi=〈aip,bip〉為故障Ni(i=1,2,…,m)。

圖1 艦船綜合電力設(shè)備故障損傷程度的貝葉斯-可拓診斷的流程

關(guān)于判別特征ci(i=1,2,…,p)所規(guī)定的量值域，即經(jīng)典域[9]。經(jīng)典域的量值范圍根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘、故障庫，結(jié)合專家組經(jīng)驗(yàn)、意見得出。

根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的診斷，得到待診斷設(shè)備X的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立其基元模型為：

(2)

式(2)中，vi(i=1,2,…,p)為待診斷電力設(shè)備X關(guān)于判別特征ci(i=1,2,…,p)所監(jiān)測(cè)到的量值。

1.2.2 確定分布函數(shù)及誤判損失

C(l/j)≥0，l,j=1,2,…,r

C(l/l)=0，l=1,2,…,r

1.2.3 確定各判別特征指標(biāo)的權(quán)系數(shù)

1.2.4 建立節(jié)域和經(jīng)典域的可拓距

(3)

(4)

(5)

1.2.5 構(gòu)建電力系統(tǒng)各故障的關(guān)聯(lián)函數(shù)

根據(jù)權(quán)系數(shù)及公式(3)～(5)，構(gòu)建待診斷設(shè)備關(guān)于艦船電力系統(tǒng)各故障總體Zi(i=1,2,…,m)的綜合關(guān)聯(lián)度函數(shù)為：

(6)

將待診斷設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(6)，計(jì)算出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)度。

若不考慮系統(tǒng)設(shè)備故障的先驗(yàn)概率及誤判損失，

則該設(shè)備的故障損傷程度歸屬為第e個(gè)故障總體。

1.2.6 計(jì)算艦船電力系統(tǒng)設(shè)備的故障度

考慮艦船電力系統(tǒng)設(shè)備故障發(fā)生的先驗(yàn)概率及誤判損失的情況，構(gòu)建待診斷設(shè)備的故障度計(jì)算公式為：

l,j=1,2,…,r

(7)

2 算例分析

本文以推進(jìn)系統(tǒng)的變壓器故障診斷為例，說明該方法的分析與研究過程。假設(shè)某型艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)某次日常維護(hù)保養(yǎng)中診斷出變壓器SFSZ8-5000/111發(fā)生的故障為鐵芯多點(diǎn)接地(記為X)。由于該型變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，涉及到機(jī)、油、電、控制等多方面的組成結(jié)構(gòu)。根據(jù)艦船領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)、建議，提取出5個(gè)故障判別特征指標(biāo)，分別為三比值編碼(記為c1)，鐵芯多點(diǎn)接地電流(記為c2)，φ(CO)/φ(CO2)(記為c3)，變壓器油中含水量(記為c4)，局部放電量(記為c5)。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)行中油色譜分析氣體的組成成分如表1所示。經(jīng)過監(jiān)測(cè)設(shè)備持續(xù)的監(jiān)測(cè)、采集和分析變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)，得到該變壓器關(guān)于c2，c3，c4，c5等5個(gè)判別特征指標(biāo)的量值如表2所示。

鐵芯多點(diǎn)接地故障分成4個(gè)損傷等級(jí)程度，用故障經(jīng)典域基元Zi(i=1,2,3,4)分別刻畫為：

(8)

(9)

(10)

表1 測(cè)得的變壓器特征氣體濃度

表2 該變壓器關(guān)于這5個(gè)判別特征指標(biāo)的量值

(11)

式(8)～(11)中，N1表示一級(jí)故障；N2表示二級(jí)故障;N3表示三級(jí)故障；N4表示四級(jí)故障。

根據(jù)4個(gè)經(jīng)典域基元，構(gòu)建相應(yīng)的節(jié)域基元模型為：

(12)

式(12)中，Ob為鐵芯多點(diǎn)接地。

通過對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各特征氣體的比值有：

φ(CH4)/φ(H2)=2.64

φ(C2H2)/φ(C2H4)=0.002

φ(C2H4)/φ(C2H6)=5.32

經(jīng)過計(jì)算，三比值編碼為 022，即判別特征c1的量值為022。同時(shí)根據(jù)表2中c2，c3，c4，c54個(gè)判別特征的量值，用故障元構(gòu)建該變壓器的故障基元為：

根據(jù)層次分析方法確定各判別特征指標(biāo)的權(quán)系數(shù)分別為：

δ1=0.2，δ2=0.26，δ3=0.16，δ4=0.18，δ5=0.2

將判別特征量值及權(quán)重系數(shù)依次代入式(3)～(6)，計(jì)算出該各故障總體Zi(i=1,2,3,4)的綜合關(guān)聯(lián)度，有：

(12)

(13)

(14)

(15)

如果考慮該故障產(chǎn)生的誤判損失以及故障總體出現(xiàn)的先驗(yàn)概率和分布函數(shù)，假 設(shè)該故障的分布函數(shù)為協(xié)方差陣為

的三元正態(tài)總體，先驗(yàn)概率q1=0.196 1，q2=0.154 6，q3=0.296 9，q4=0.357 5，誤判損失分別為:

C(1/2)=2，C(1/3)=12，C(1/4)=6，

C(2/1)=3，C(2/3)=2，C(2/4)=10，

C(3/1)=2，C(3/2)=4，C(3/4)=2，

C(4/1)=2，C(4/2)=6，C(4/3)=10，

C(w/w)=0，w=1,2,3,4。

在式(8)～(11)的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(3)～(11)，通過Matllab仿真，得到該故障關(guān)于4個(gè)損傷等級(jí)的歸屬度λc,c=(1,2,3,4)，如圖2所示。

圖2 該變壓器故障關(guān)于4個(gè)損傷等級(jí)的歸屬仿真

根據(jù)上述分析：

1) 如按照可拓識(shí)別方法，有綜合關(guān)聯(lián)度的大小排序：

K3(X)>K2(X)>K1(X)>K4(X)

即應(yīng)將該變壓器故障劃歸為λ3損傷程度。

2) 如按照本文方法，根據(jù)圖2仿真結(jié)果，顯然有λ4<λ1<λ3<λ2，應(yīng)將該變壓器故障劃歸為λ2損傷程度。

本方法即考慮了待診斷電力設(shè)備故障損傷的各判別特征指標(biāo)與各故障總體相應(yīng)特征指標(biāo)的“關(guān)聯(lián)”程度，又考慮了可能產(chǎn)生的誤判損失以及故障總體出現(xiàn)的先驗(yàn)概率和分布，并結(jié)合Matlab仿真，為艦船電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷提供了一個(gè)全面的新方法和新途徑。

3 結(jié)束語

本文將可拓識(shí)別方法和貝葉斯方法相結(jié)合，并結(jié)合Matlab仿真，得到一種艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備故障診斷的可拓-貝葉斯判別方法。該方法集合了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，使艦船電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷考慮的問題更全面，故障損傷等級(jí)程度判別的結(jié)果更準(zhǔn)確，為艦船機(jī)電部門專家及保障人員確定最后的維修方案提供重要的理論依據(jù)。限于篇幅，提取的判別特征指標(biāo)不夠細(xì)化、節(jié)域及經(jīng)典域的確定缺乏足夠多的故障樣本支撐，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的輔助故障診斷都是下一步需要重點(diǎn)研究解決的問題。