电气信号数字化检测技术初探

【摘 要】：本文首先介绍了电气设备检测与故障诊断系统的含义，以及目前信号处理技术在电气设备检测中的应用，在此基础上分析了电气设备检测技术的发展方向。

【关键词】：电气设备检测与故障诊断系统的含义；信号处理技术；信号数字化

[Abstract]: This paper describes the electrical equipment testing and fault diagnosis system of meaning, and the signal processing technology in the detection of electrical equipment in the application, based on the development direction of test technology for electrical equipment is analyzed.

[keyword]: electrical equipment fault detection and diagnosis system meaning; signal processing; signal digitization

中图分类号：S219.033 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

随着我国工业企业事业的不断发展，越来越多的电气设备得到了广泛的应用。同样带给我们的问题就是，在电气设备大规模应用的今天，电气设备的检测和故障诊断显的尤为重要。如何快速有效的对电气设备进行及时检测，成文了我们亟待解决的问题。

一、电气设备检测与故障诊断系统的含义

电气设备在运行中受到电、热、机械、环境等各种因素的作用，其性能逐渐劣化，最终导致故障。特别是电气设备中的绝缘介质，大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等，容易在外界因素作用下发生老化。电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦失效，必将引起局部甚至广大地区的停电，造成巨大的经济损失和社会影响。

“诊断”一词原是一医学名词，指医生对收集到的病人症状（包括医生的感观所感觉到的、病人自身主观陈述以及各种化验检测所得到的结果）进行分析处理、寻求患者的病因、了解疾病的严重程度及制订治疗措施与方案的过程。设备的“故障诊断”借用了上述概念，其含义是指这样的过程：专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备故障的类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理建议。

电气设备特别是大型高压设备发生突发性停电事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响。提高电气设备的可靠性，一种办法是提高设备的质量，选用优质材料及先进工艺，优化设计，合理选择设计裕度，力求在工作寿命内不发生故障。但这样会导致制造成本增加。此外，设备在运行中，总会逐渐老化，而大型设备不可能象一次性工具那“用过即丢”。因此，另一方面，必须对设备进行必要的检查和维修，这构成了电力运行部门的重要工作内容。

早期是对设备使用直到发生故障，然后维修，称为事故维修。但是，如前所述，对于大型设备，突发性事故将造成巨大损失。采用故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修即状态维修过渡，从“到期必修”过渡到“该修则修”。发展在线诊断技术，既需对设备结构及其老化机理有深入的了解，也需应用传感、微电子等高新技术。

二、信号处理技术在电气设备检测中的应用

通过信号处理，能够抑止干扰、保留或增加有用的信号，提炼信号特征，从中获得与故障相关地征兆，利用征兆进行故障诊断。时域分析、快速傅立叶变换频域分析、小波分析、小波包分析等信号处理提取技术的发展为电气设备的检测诊断提供了前提条件。

利用小波变换的多分辨率性质，基于信号和随机噪声在小波变换域中不同的模极大值系数特征，提取信号和噪声在多尺度分辨空间中的波形特征，而且根据表征该特征的小波系数模极大值传播特性的不同，来实现对信号波形的有效检测。小波分析能准确的反映故障发生的时间、位置等信息，并能对电气设备进行实时有效的状态检测和故障诊断。

三、电气设备检测技术的发展方向

1、电气设备检测的信息融合技术发展

在电气设备检测中引入多传感器与数字化信息融合技术，首先是可以拓宽信息来源渠道，其次是可以改善信息处理的质量，提高诊断的准确性，以便对设备的运行状态有整体的、全面的了解。这种技术最大的优点是能够提高测量抗干扰的能力，因为不同的传感器对干扰的反映灵敏度不同，尽管在某些传感器中可能存在比较强的干扰信号，但是当与其他对电磁干扰反映不灵敏的传感器信息进行融合之后，就可以剔除其中所包含的干扰信号分量。

2、基于虚拟信号技术的发展

虚拟仪器技术是当前测试与控制领域技术的研究热点，它是以计算机及网络为基础，以软件为核心的自然科学信息测试、分析、存储、传输与控制系统。通过虚拟技术，系统的界面更加形象逼真，具有良好的可视性和交互性，可以明了的表现电气系统的状态。

3、远程电气信号检测和网络化跟踪

随着分布式计算技术、大型数据库技术、面向对象的软件技术和宽带数字通信技术的长足发展，基于因特网的电气设备故障检测将成为现实，将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，采集设备状态数据，实现对设备故障的早期诊断和及时维修。远程监测和诊断可实现全国范围内的诊断知识与数据共享，远程协作诊断以因特网为桥梁，必将在时间和空间上缩短电力设备和诊断专家的距离。

4、基于人工智能的信号数字化检测系统开发

所谓的人工智能是以模型化的计算机来代替人的思维方式解决问题的一种方法。专家系统实际上是人工智能计算机程序系统，通过汇集和管理不同来源的众多专家知识，用仿人类专家推理过程的计算机模型来解决现实生活中某些复杂的重要问题，而目前专家系统的问题是缺乏有效的诊断知识表达、不确定性的知识推理及知识获取困难；神经网络的兴起开辟了一条崭新的途径，它是由大量处理单元互连而成的网络，是在现代神经生物学和认知科学对人类信息处理研究成果的基础上提出的，具有很强的自适应能力、学习能力、并行能力、容错能力和鲁棒性，从而可以代替复杂耗时的传统算法，使信号处理过程更接近人类思维活动；状态监测与故障诊断中经常用模糊的自然语言来说明状态的特征，为了准确有效的判断具有模糊征兆的状态，必须用模糊集合的概念对其是否属于某个状态的原因进行描述，特别对于一些征兆与状态之间无法确定的数学模型的复杂的机械系统，只有在获取系统状态的综合效应、积累维修经验和集中专家意见的前提下，用模糊的方法进行状态监控。

5、开放式电气信号数字化故障诊断系统

开放式电气信号数字化故障诊断系统是通过网络连接的远程故障诊断系统，与传统的故障诊断系统有着本质的区别。传统的故障诊断系统的数据库是封闭或半封闭的，其构造和输入都需要设计人员来修改，而远程故障诊断系统的知识库必须是基于Web数据库的开放式体系结构，设计者只需完成一个简单的系统框架，知识库的填充是在系统的维护与使用过程中不断充实的，从而使整个系统具有灵活性，可扩展性。

6、基于数字化的寿命周期成本管理

实行状态检测的最终目的就是为了提高经济效益和降低生产成本，当电气设备运行到一定的年限，设备的检修费用可能会高于重新配置设备的费用，这与状态检测的初衷是相悖的。而基于设备寿命周期费用管理就是以设备在整个寿命周期内所花费的总费用为评价指标，比仅仅根据检测诊断、寿命预测、可靠性分析进行状态检修更加合瑾，更符合所追求的目标，基于这种方法的状态检修决策要同时考虑本次检修和本次检修对设备长期运行效率和成本的影响，从而提出更加切合实际的维修、更新措施。

目前，信号数字化已应用于电气检测的各个领域。从多方面来讲，电气信号数字化检测是今后发展的方向。我们应该从理论与实践上进一步推进电气设备检测技术的不断发展，更好地为企业提供技术支持。