李玉生，王家林，尹 洋

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基于監(jiān)控信息的船舶電力設備故障診斷系統(tǒng)設計

李玉生1，王家林2，尹 洋2

（1. 海軍駐大連地區(qū)軍事代表室， 遼寧大連 116000；2. 海軍工程大學電氣工程學院智能工程系，武漢 430033）

為了滿足新型船舶電力系統(tǒng)對故障診斷快速性、準確度的需求，本文以電力系統(tǒng)設備中的交流電動機、同步發(fā)電機及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網絡。以此為基礎，構建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)。基于監(jiān)控信息的船舶電力設備故障診斷系統(tǒng)能改善傳統(tǒng)維修保障方法的許多不足，提高維修保障效率，改變傳統(tǒng)維修保障模式，降低維修保障強度。

監(jiān)控信息 船舶電力系統(tǒng) 故障診斷 系統(tǒng)設計

0 引言

船舶電力系統(tǒng)在實際運行過程中，由于戰(zhàn)斗破損或操作不當以及設備本身的問題，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障或非正常運行狀態(tài)，它們會使電力系統(tǒng)的安全可靠運行受到威脅，嚴重時導致設備的損壞或使整個電力系統(tǒng)的供電中斷，影響戰(zhàn)斗及航行安全。隨著船舶電氣化、自動化程度的日益提高，對船舶電力系統(tǒng)供電的可靠性和生命力提出了更高的要求，要求系統(tǒng)在出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損時準確地進行故障診斷，并在盡可能短的時間內最大限度地恢復供電，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力及連續(xù)供電能力[1]。

目前船舶電力系統(tǒng)的管理自動化水平較低，雖具備一定的故障報警功能，但故障診斷不夠及時準確，且誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著船舶電力系統(tǒng)的不斷大型化與復雜化，對于新型船舶電力系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)做法既不合理也難以實現(xiàn)，并且不可避免地會產生人為故障，系統(tǒng)故障診斷快速性和準確性無法保障，電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行及連續(xù)供電能力也會降低。而且，新型船舶電力系統(tǒng)的諸多特性也決定了其故障診斷應該向智能化發(fā)展。為滿足新型船舶電力系統(tǒng)對故障診斷與恢復快速性、準確性的需求，須采用智能技術，對船舶電力系統(tǒng)故障診斷技術進行從基礎理論到實際應用的全面研究，提出新的故障診斷與恢復方法與手段，并轉化為實際裝備，以適應艦艇平臺信息化、智能化的發(fā)展趨勢。

基于電力監(jiān)控網絡，對電力系統(tǒng)及設備進行實時狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，是一種新的維修與保障理念與方法，其技術涉及到計算機網絡、信號檢測與處理，模式識別和人工智能等領域和許多高新技術[2-4]。雖然近年來在設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法的研究上取得了一些研究成果，但在許多方面都還未達到完全實用的水平。本文以電力系統(tǒng)設備中的交流電動機、同步發(fā)電機及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網絡，并以此為基礎，構建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)?；诒O(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設備故障診斷系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的設備維修與保障方法的許多弱點，提高了維修和保障效率,改變了傳統(tǒng)維修保障模式，降低了維修和保障強度。

1 船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網絡構建

構建的船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網絡結構如圖1所示。在網絡系統(tǒng)結構的硬件組成中，傳感器及數據采集裝置（同步向量測量裝置PMU）位于監(jiān)測現(xiàn)場，通過現(xiàn)場總線、交換機、光纖以太網與監(jiān)控計算機連接，壓縮的數字信號通過光纖送至集控臺進行顯示。

2 故障診斷系統(tǒng)平臺構建

本文研究對象主要是針對電力系統(tǒng)設備中的交流電動機、同步發(fā)電機及變頻器等。同時對發(fā)電機、電動機、變頻器支路進行細化，構建了的系統(tǒng)硬件平臺結構如圖2所示。整個硬件平臺由整流器、直流電動機、同步發(fā)電機（帶勵磁系統(tǒng)）、逆變器、感應電動機、發(fā)電機、負載、精確度電流傳感器、電壓傳感器、轉速、扭矩傳感器、信號采集裝置（PMU）、信號調理裝置、現(xiàn)場總線、交換機、光纖以太網及監(jiān)控計算機等組成。信息采集系統(tǒng)（PMU）將采集信息送入監(jiān)控網絡，監(jiān)控計算機通過交換機從網絡中獲取信息，對網絡信息經過分析、處理、實現(xiàn)對電力系統(tǒng)設備的故障監(jiān)測與診斷。

圖1 船舶電力監(jiān)控網絡系統(tǒng)結構

圖2 系統(tǒng)平臺結構圖

圖3 故障診斷系統(tǒng)軟件層次架構

3 診斷系統(tǒng)軟件體系構建

故障診斷系統(tǒng)的頂層結構采用層次型軟件架構[5]，見圖3，層次架構體現(xiàn)在如下三方面。

1）診斷系統(tǒng)軟件架構采用層次架構，含三個層次：用戶層、應用層和數據層。

2）設備端（初級級診斷層）系統(tǒng)軟件架構采用層次架構，含三個層次：規(guī)約轉換層、應用層和數據層。

3）通信系統(tǒng)也采用層次結構，設備端應用層和診斷系統(tǒng)應用層分別映射到各自的通信協(xié)議棧上。

基于圖3軟件層次架構模型，本課題對故障測試系統(tǒng)進行軟件進行細化，故障檢測信息處理過程如圖4所示。基于PMU裝置的數據采集模塊流程如圖5所示。

a 初始化

信號處理模塊的軟件運行于微控制器上，對整個數據采樣過程等進行控制，并發(fā)送采樣數據。在加電啟動并完成自檢后，數據處理模塊和數據采集模塊（PMU）進行通訊測試，若測試失敗，則報錯退出，測試成功進入等待狀態(tài)。等待時，數據處理模塊向數據采集模塊發(fā)送各種采樣參數，如采樣方式、采樣時間、采樣頻率等。當數據采集模塊得到所有的參數后，對采樣進行設置，然后等待“啟動采樣”指令，完成采樣模塊的初始化。

圖4 信息處理過程及軟件工作流程

b 采樣方式

采樣方式有同步采樣和非同步采樣兩種。所謂同步采樣是指采樣頻率隨被采樣信號頻率的變化而變化的，采樣頻率的變化是為了保證在每個采樣周期內得到相同的采樣點數。采取同步采樣方式是為了提高諧波分析的精度。嚴格的同步采樣的實現(xiàn)是相當困難的。非同步采樣方式是指采樣頻率是固定不變的值，在系統(tǒng)開始采樣時確定，并且在整個采樣過程中采樣頻率保持不變。

由于電壓和電流的頻率變化是在一定范圍內小幅變化，因此采用非同步方式同樣可以滿足要求。

c 數據通訊

同步相量測量裝置（PMU）統(tǒng)采用多路同時采樣，每個采樣間隔采集交流三相電壓、三相電流，勵磁機勵磁電流。為提高通訊的速度和效率，數據通訊采用簡單的控制方式，測量結果可以由專用通信接口直接傳送給監(jiān)控網絡。同步相量測量裝置（PMU）傳送數據速度為480Mb/s,具有足夠的帶寬，使數據無延時地向上傳送，達到數據處理的實時性要求。

監(jiān)控計算機通過交換機與監(jiān)控網絡相連，通過TCP/IP協(xié)議將檢測數據和診斷結果在網絡中實現(xiàn)共享。

圖5 基于信號采集模塊信號流程

4 基于監(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設備故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

診斷系統(tǒng)軟件的核心是信息分析與處理、故障診斷的算法，本項目的分析處理軟件是基于LabVIEW軟件和MatLab軟件開發(fā)的。該軟件提供了可靠的、成熟的信號分析處理模塊，可以完成波形測量、信號調理、信號監(jiān)測、信號處理、信號逐點分析和故障診斷的算法實現(xiàn)。其軟件界面如圖6～圖9所示。

圖6 數據采集界面

圖7 基于監(jiān)控信息的電動機故障診斷界面

圖8 發(fā)電機數據采集界面

圖9 發(fā)電機故障診斷軟件分析界面

5 小結

本文以電力系統(tǒng)設備中的交流電動機、同步發(fā)電機及變頻器等為研究對象，建立了船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控信息網絡，并以此為基礎，構建了故障診斷系統(tǒng)硬件平臺和軟件系統(tǒng)?；诒O(jiān)控信息的船舶電力系統(tǒng)設備故障診斷系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)的設備維修與保障方法的許多弱點，提高了維修和保障效率，改變了傳統(tǒng)維修保障模式，降低了維修和保障強度，可為船舶電力系統(tǒng)可靠運行提供支持。

[1] 梁樹甜, 孟得東. 支持向量機在船舶電力推進系統(tǒng)故障診斷中的應用[J]. 船電技術, 2014, 34(9): 50-54.

[2] 朱歆州,石靈丹. 直流電動機故障診斷系統(tǒng)研究[J]. 船電技術, 2013, 33(1): 35-38.

[3] 朱瑩. 一種新型免疫克隆算法的船舶遠程故障診斷系統(tǒng)[J]. 艦船科學技術, 2017, 39(5A): 55-57.

[4] 唐遠翔，倪秋萍. 基于數據挖掘的船舶汽輪機故障診斷系統(tǒng)研究[J]. 艦船科學技術, 2017，39(6A): 159-161.

[5] 吳文輝, 王燕妮. 故障診斷系統(tǒng)設計[J]. 軟件, 2015，36(5): 105-107.

Design of Fault Diagnosis System for Marine Power Equipment Based on Monitoring Information

Yusheng Li1,Jialin Wang2,Yang Yin3

(1. Military Representative office of Navy in Dalian Area, Dalian116000, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China）

TM711

A

1003-4862（2017）12-0061-05

2017-09-15

李玉生（1977-），男，工程師。研究方向：艦船自動化。E-mail: reeyan@163.com。