馬 俊

（中海油服鉆井研究院，燕郊，065201）

0 前言

海上平臺在工作過程中，會使用大量的電機提供各種機械需要的動力，一旦發(fā)生電機故障，小則影響生產(chǎn)，大者甚至影響平臺安全。提供無損失通用電機健康狀態(tài)在線檢測，具有重大經(jīng)濟效益和安全效益。而流數(shù)據(jù)分析是近幾年在數(shù)據(jù)分析領域和數(shù)據(jù)挖掘領域興起的技術(shù)，本文結(jié)合海上平臺的電機監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，簡要闡述流數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的構(gòu)成和典型應用架構(gòu)和基礎算法，尤其是對于屬于回轉(zhuǎn)機械的電機監(jiān)測系統(tǒng)中的快速傅里葉變換和小波變換的應用進行剖析。

1 流數(shù)據(jù)挖掘

流數(shù)據(jù)挖掘（Stream Data Mining）在現(xiàn)在數(shù)字化的世界中越來越顯得重要，它尤其適合處理包含傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在內(nèi)的各種大量、不間斷的數(shù)據(jù)進行規(guī)律性挖掘和模式的識別。

流數(shù)據(jù)和我們常規(guī)的數(shù)據(jù)流有很大的區(qū)別。首先，它是不確定的，數(shù)據(jù)的到達時間、長度不確定，甚至數(shù)據(jù)的性質(zhì)都不確定，比如外星探測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。其次，其數(shù)據(jù)的管理一般不采用裸數(shù)據(jù)管理，也就是不進行原始數(shù)據(jù)存儲管理，因為其時效性和重復性都較其他常規(guī)數(shù)據(jù)要求更高，一般采用就地處理方式。比如，對網(wǎng)絡應用流量的分類處理中，就不可能對所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的原始報文進行存儲，也沒有必要。再次，流數(shù)據(jù)挖掘中無法保證原始數(shù)據(jù)的全部完整性，因此，遺漏在所難免，分析也只能是近似的，很難保證其精確性。

在實際工業(yè)傳感數(shù)據(jù)中，尤其是在各種設備健康監(jiān)測系統(tǒng)中，越來越多出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，需要進行數(shù)據(jù)模式識別和挖掘才能完成系統(tǒng)的狀態(tài)辨識。

一般而言，各種流數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)都采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)系統(tǒng)的分析任務。

首先，大量的數(shù)據(jù)需要進行提煉處理，數(shù)據(jù)的提煉過程一般有以下手段。

1.1 抽樣。通過抽樣方法獲得部分數(shù)據(jù)。有均勻抽樣和偏重抽樣之分。

1.2 速描。通過將數(shù)據(jù)進行快速結(jié)構(gòu)層次提升，通過變換來直接處理原始數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)的概要性特征。這種方法中，就包括在本文中的電機在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用的快速傅里葉變換和小波變換的算法。

1.3 負載丟棄。在內(nèi)存容量與處理速度跟不上的時候，直接放棄一部分數(shù)據(jù)。這會影響系統(tǒng)的敏感度。

1.4 聚合。即通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均處理和方差處理獲得精煉的數(shù)據(jù)。然后，再進行數(shù)據(jù)挖掘，其常用手段包括：

1.5 近似算法。由于數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通常都是一次性的，所以使用快速近似算法，獲得近似結(jié)果是常見的數(shù)據(jù)分析方法。

1.6 滑動窗口。在數(shù)據(jù)時效性很強的時候，如股票市場等，只有近期的數(shù)據(jù)對分析挖掘起作用。則通過設置數(shù)據(jù)有效的窗口大小，獲得數(shù)據(jù)的有效性和分析的敏感性的作用。本文的電機在線監(jiān)測系統(tǒng)，就是用了滑動窗口的方式，進行小波變換。

通過上述流數(shù)據(jù)挖掘，可以有效解決本文中電機在線監(jiān)測系統(tǒng)所需要的流數(shù)據(jù)挖掘問題。

2 電機無損檢測

電機健康監(jiān)測和一般的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不一樣的地方是，它屬于回轉(zhuǎn)機械監(jiān)測。因此，大量的健康監(jiān)測都可以通過其電流，電壓，功率信號的周期性變化來進行診斷。定子電流監(jiān)測方法因可以做成非侵入式而得到最為廣泛的應用。

其基本理論基礎如下：

7.定子電流頻率故障表現(xiàn)

（1）當定子出現(xiàn)繞組匝間短路時，會在定子電流中產(chǎn)生頻率為：

（2）轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條、端環(huán)斷裂等故障時，會在定子電流中產(chǎn)生頻率為：

（3）當電動機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心，軸承、氣隙不均勻故障時，定子電流中會產(chǎn)生頻率為：

式（1）、（2）、（3）中：為外加電壓頻率；為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率,；為轉(zhuǎn)差率；為電機極對數(shù)；=1,2,3…；=1,3,5…。

8.視在阻抗及故障表現(xiàn)

2.1 轉(zhuǎn)子導條斷裂時的瞬時功率表達式

轉(zhuǎn)子斷條故障主要原因有：設計不合理、頻繁起停、交變負載使導條和端環(huán)冷熱循環(huán)而疲勞斷裂、電壓波動易造成電流過大而過熱等。輕微的故障難以觀察到，當故障嚴重時會引起振動及噪聲增大、電流波動。出現(xiàn)導條斷裂故障時，轉(zhuǎn)子電路結(jié)構(gòu)上的對稱性被破壞。當定子外加三相對稱電壓時，定子三相基波電流會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。該磁勢建立的旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn)子繞組中感應頻率為sf 的交流電勢及同頻率的電流。由于轉(zhuǎn)子已不再對稱，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁勢為橢圓型，同樣可以分解成相對于轉(zhuǎn)子的正轉(zhuǎn)分量和反轉(zhuǎn)分量，反轉(zhuǎn)分量會在定子繞組中感應出頻率為(1-2s)f 的電勢和電流。

當轉(zhuǎn)子出現(xiàn)導條斷裂時，會在定子電流中產(chǎn)生頻率為的故障特征頻率成分。

圖1 Matlab 仿真的導條斷裂時的頻譜曲線

2.2 定子繞組匝間短路時的瞬時功率表達式

當定子繞組存在匝間短路時，定子繞組的對稱性遭到破壞。由定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁勢變?yōu)闄E圓型，該橢圓型磁勢可以分解為正轉(zhuǎn)分量和反轉(zhuǎn)分量，二者轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反。反轉(zhuǎn)分量在定子繞組中同樣感應出頻率為f 的交流電勢，但是相序相反，從而在定子三相電流中產(chǎn)生出負序分量，這就是主要的故障特征建立的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應出頻率為（2-S）f 電勢和電流，同時會導致振動加劇。

此時的視在阻抗為：

2.3 氣隙偏心故障特征機理分析

偏心的故障征兆有氣隙磁通畸變，振動及噪聲增大、電流波動。出現(xiàn)偏心故障會在定子繞組中感應出頻率為f±fr 的特征頻率成分。如果考慮到這些頻率的電流進一步和氣隙磁場作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動，可以導出f±m(xù)fr（m 為正整數(shù)）故障特征頻率成分的存在。

氣隙長度分布不均勻后，主氣隙磁路的磁阻對稱性發(fā)生改變，導致定子產(chǎn)生的主氣隙磁通改變，因此可等效于產(chǎn)生主磁通的定子繞組不對稱，從故障特征來看偏心故障特征和定子匝間短路故障的信號特征也是十分接近的。

2.4 系統(tǒng)設計

3 應用系統(tǒng)

這個電機在線監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的大量原始數(shù)據(jù)，需要進行分析挖掘，方能得到實際應用的分析結(jié)論。其實時性和大量連續(xù)數(shù)據(jù)的特性，使得該系統(tǒng)屬于典型的流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程設計圖如下：

圖3 數(shù)據(jù)分析流程圖

在系統(tǒng)參數(shù)模塊中，與數(shù)據(jù)分析相關聯(lián)的有數(shù)據(jù)過濾參數(shù)設置，模式識別分析算法參數(shù)設置，以及數(shù)據(jù)分析滑動窗口大小設置，以及系統(tǒng)報警分析的安全系數(shù)大小設置。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，主要是接受傳感器的原始數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)計入數(shù)據(jù)庫存檔，以便今后進行分析自動回演和人工分析。

在數(shù)據(jù)過濾模塊中，主要是進行數(shù)據(jù)的平滑處理，指定平滑處理的窗口大小，以及記錄噪聲數(shù)據(jù)的次數(shù)，以此作為傳感器工作可靠性的重要參考依據(jù)。保證系統(tǒng)不受偶發(fā)的噪聲數(shù)據(jù)的影響經(jīng)常發(fā)生誤報，同時保證系統(tǒng)的敏感性。

在得到故障模式的情況下，再根據(jù)該模式下的數(shù)據(jù)超限情況以及系統(tǒng)安全設定情況進行報警分析處理。并將各種報警信息進行入庫處理，以便時候追蹤和回演。

4 結(jié)論

通過上述分析后的應用系統(tǒng)，通過在平臺電機在線檢測中的應用，該系統(tǒng)操作簡單，一次連接（不動電機本體）即可檢測診斷電機轉(zhuǎn)子的斷條與接觸不良、氣隙偏心、三相平衡及由軸承等造成的機械特性健康狀態(tài)，如下圖所示。

圖4 現(xiàn)場測試報告

系統(tǒng)中快速傅里葉變換，小波變換等算法，對象模型以及專家系統(tǒng)規(guī)則，均在系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析引擎中實現(xiàn)?？蓪崿F(xiàn)電機帶負載條件下的動態(tài)檢測，檢測數(shù)據(jù)直接進入數(shù)據(jù)庫，因而可對電機狀態(tài)進行長期跟蹤分析，定性電機劣化趨勢方向。同時系統(tǒng)可快速生成整體報告，直觀紅、黃、綠顯示電機的“健康狀況”，展現(xiàn)給用戶的就是直觀，可靠的操作和指南，表明電機無損檢測技術(shù)有很好的應用前景。

[1]金澈清，錢衛(wèi)寧，周傲英.流數(shù)據(jù)分析與管理綜述,軟件學報,2004,Vol.15,NO.8.

[2]肖蕙蕙，李川，李山，李文杰，小波分析在異步電機故障診斷中的應用，重慶工學院學報，2006，Vol.20,NO.8.