現(xiàn)代大型設(shè)備隨著功能的逐步完善，自動化程度加深，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。在運(yùn)行過程中，某一個地方出現(xiàn)故障，就會發(fā)生其他連鎖反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)，甚至?xí)劤蓢?yán)重的后果。設(shè)備中斷路器起到線路的開通使用、關(guān)斷退出、檢測排除故障線路等主要的監(jiān)控和保護(hù)作用，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，斷路器的故障診斷也顯得極其重要。專家系統(tǒng)將其所具備的知識、經(jīng)驗、推理等多項技能按照一定的規(guī)則進(jìn)行編制，組合成復(fù)雜的計算機(jī)程序。在充分利用計算機(jī)系統(tǒng)的情況下，擴(kuò)展自身的工作范圍，使計算機(jī)系統(tǒng)具備自主思考能力，可以順暢地與工作人員進(jìn)行“交流”，可以應(yīng)用推理方式提供決策建議。以往運(yùn)用語言描述、思維推理的難題，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)故障診斷能夠很好地解決這個問題，兩者在功能上互補(bǔ)，可以更快速地進(jìn)行故障診斷。

1 故障診斷專家系統(tǒng)簡介

    故障診斷專家系統(tǒng)^[1]的運(yùn)行步驟為：先對需要被診斷的信息進(jìn)行收集，然后綜合交叉使用每一種專家經(jīng)驗，如需要，亦可調(diào)用其他應(yīng)用程序；向用戶索要必需的信息后即能迅速地發(fā)現(xiàn)故障所在處，然后經(jīng)過用戶進(jìn)行證實(shí)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    其中部分功能為：

    (1)數(shù)據(jù)庫:數(shù)據(jù)庫通常由動態(tài)數(shù)據(jù)庫和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫兩部分構(gòu)成。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫是設(shè)備的自有參數(shù)，而動態(tài)數(shù)據(jù)庫則是運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的一系列參數(shù)，如電壓、功率等。

    (2)知識庫:知識庫^[2]包含各種信息，反映系統(tǒng)的因果關(guān)系，可以進(jìn)行故障推理。能否解決問題的關(guān)鍵取決于其知識量的內(nèi)容。

    (3)人機(jī)接口:人機(jī)接口為人與專家系統(tǒng)進(jìn)行“交流”提供了一個平臺，是連接人機(jī)的紐帶。

    (4)推理機(jī):推理機(jī)利用知識庫中的知識，依據(jù)已有的信息綜合運(yùn)用各種規(guī)則，按照一定的問題求解策略進(jìn)行推理診斷，并給出診斷結(jié)果，完成問題求解任務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

    由于基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)^[3]的診斷專家系統(tǒng)的優(yōu)越性，被廣泛地運(yùn)用在故障診斷、管理系統(tǒng)、電機(jī)運(yùn)作等方面。建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)一般包括4個步驟：(1)配置系統(tǒng):確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；(2)采集信息:收集有關(guān)領(lǐng)域知識的訓(xùn)練和測試樣本集；(3)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò):用訓(xùn)練樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(4)驗證性能:用測試樣本測試網(wǎng)絡(luò)性能。

    系統(tǒng)設(shè)計了一個集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、專家系統(tǒng)于一體的故障檢測系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，用戶總控模塊的主要功能是對整個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使整個系統(tǒng)成為既獨(dú)立又統(tǒng)一的整體；數(shù)據(jù)庫主要存儲一些原始輸入的有關(guān)數(shù)據(jù)及運(yùn)行過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)信息等；知識庫存儲網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重以產(chǎn)生規(guī)則的形式表示；推理機(jī)制負(fù)責(zé)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果與知識庫中的原有知識相結(jié)合做出推理診斷；結(jié)果解釋負(fù)責(zé)對預(yù)測結(jié)果做出說明，解釋。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    模型框圖如圖2所示。

    本系統(tǒng)的工作過程可以表述為：根據(jù)訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練，將結(jié)果權(quán)值矩陣作為知識保存在知識庫中。根據(jù)設(shè)計要求，首先進(jìn)入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，查詢成功后推薦出符合要求的一組參數(shù)值。如果查詢失敗，則通過知識庫中的知識(權(quán)值矩陣)，利用推理算法給出運(yùn)算結(jié)果，最后對系統(tǒng)給出的推薦值進(jìn)行實(shí)驗驗證和評價，得到滿意結(jié)果，則將其存入數(shù)據(jù)庫中。

2.2 知識的獲取與表示

    知識從知識源轉(zhuǎn)移到知識庫，即可獲取所需知識，知識獲取是AI(Artificial Intelligence)知識工程中的關(guān)鍵性技術(shù)難題。本知識庫系統(tǒng)建立過程中，知識獲取的內(nèi)容包含提出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組織待學(xué)習(xí)的樣本，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。通過對樣本的學(xué)習(xí)，得到所需權(quán)值分布，從而完成知識獲取。

    在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷路器專家系統(tǒng)中，構(gòu)造了一個三層RBF網(wǎng)絡(luò)。對這些參數(shù)進(jìn)行歸一化計算出它們的特征值(X₁，X₂…X₈)。中間節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇太多，學(xué)習(xí)時間過長；若節(jié)點(diǎn)數(shù)太少，容錯性差，識別能力差。本例經(jīng)過綜合考慮及程序調(diào)試后，選擇的是18個節(jié)點(diǎn)。若為6種成分組成的，則網(wǎng)絡(luò)的輸出層就有6個輸出節(jié)點(diǎn)(Y₁，Y₂…Y₆)。

    為了加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作速度并避免測得的壞數(shù)據(jù)造成的不良影響，在輸入量輸入到網(wǎng)絡(luò)之前，需要先將輸入量歸一化。在此采用的歸一化處理的方法是統(tǒng)一把輸入量轉(zhuǎn)化為[0，1]之間的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的歸一化公式為：

其中，X_i、X_min、X_max分別表示同一特征量的第i個數(shù)據(jù)、最小值、最大值，X是歸一化后的數(shù)據(jù)。 

3 故障診斷的實(shí)現(xiàn)

    在開關(guān)柜故障種類中，機(jī)械故障^[4]占的比例很大，很多器件都與機(jī)械操作有關(guān)，如分合閘時涉及到很多環(huán)節(jié)；且開關(guān)的操作頻率是不固定的，有的很久也不動作，有些卻需要不斷地操作運(yùn)行。在本文中，為了更好地說明原理和方法，重點(diǎn)監(jiān)測機(jī)械狀態(tài)的是斷路器的行程和分合閘的速度以及在操作時的振動信號。斷路器在進(jìn)行操作時，產(chǎn)生振動信號的時間變化和一些具有特殊意義的數(shù)值(如峰值等)，并結(jié)合斷路器的分合閘特性曲線來監(jiān)測其機(jī)械狀態(tài)，對于正規(guī)生產(chǎn)的斷路器，其性能一般也都相對來說比較穩(wěn)定。斷路器機(jī)械特性是否產(chǎn)生改變的判斷根據(jù)為：對其進(jìn)行多次分合閘測試，待其振動波形穩(wěn)定后，特征曲線即為該穩(wěn)定的波形。通過該特征曲來判斷斷路器振動信號正常與否。

    由于條件的限制，該裝置并沒有在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場進(jìn)行試驗。而是在設(shè)備主回路不帶電的情況下，對斷路器動觸頭行程等進(jìn)行測量，通過串行通信接口將信息發(fā)送到PC。此次測試使用的是萬相品牌斷路器樣機(jī)，其型號為ZN28-12/T1250-31.5。該型號斷路器出廠的機(jī)械特性參數(shù)為：分閘時間≤0.06 s，合閘時間≤0.2 s；平均分閘速度0.9～1.5 m/s，平均合閘速度0.4～0.8 m/s；開距11±1 mm，超行程(觸頭彈簧壓縮長度)4±1 mm。通過電流、角位移傳感器來采集動觸頭的行程-時間曲線，分合閘線圈電流信號；這些數(shù)據(jù)傳送到PC后自動進(jìn)行有關(guān)的計算或處理。本系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的相對誤差在可允許誤差范圍之內(nèi)，可以得知設(shè)備運(yùn)行情況。

    現(xiàn)把10 kV真空開關(guān)柜作為研究對象，每隔相同的時間分別對其進(jìn)行采樣：溫度傳感器測得的接頭溫度T₁、電纜連接處的溫度T₂和絕緣電阻值R₁，以上這些測量得到的特征量都將作為輸入量輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。對開關(guān)柜進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，在此采用的是Matlab程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化，歸一化后的結(jié)果如表1所示。

    收集數(shù)據(jù)完成后，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)^[5]對數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行測試。利用Matlab程序建立一個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：Net=newrb(P，Q，Goal，Spread)。其中P為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，Q為輸出向量，從表中可以得到；Goal是均方誤差值，定為0．01；設(shè)Spread為徑向基函數(shù)的分布，它的大小影響網(wǎng)絡(luò)的精度,分別將其設(shè)定為0．4，0．5，0．6，0．7，0．8，0．9，1等6個等級。分別取上述值時，經(jīng)過分析計算，得知Spread=0.7此時的誤差為最小，此時獲得的結(jié)果最理想。通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置之后，經(jīng)過圖形用戶接口把Matlab工作空間中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在窗口中可以看到建立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

    選擇RBF進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷時，輸入為8個輸入量，隱含層數(shù)為1層，隱含節(jié)點(diǎn)數(shù)[6]由系統(tǒng)自動生成，直到滿足系統(tǒng)要求的誤差為止。經(jīng)過多次的訓(xùn)練之后，網(wǎng)絡(luò)的輸出已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求，輸出曲線比較光滑，且訓(xùn)練速度快，本文設(shè)定輸出值大于0.5時，表明有此故障類型。從輸出的數(shù)據(jù)即能得到基于 RBF網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地分辨出與訓(xùn)練樣本具有相似健康狀況規(guī)律的健康狀況，而且準(zhǔn)確度較高。

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