康興，李維波，余萬祥，徐聰，何凱彥

武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070

0 引 言

艦船電力系統(tǒng)通常包括艦船電站、配電裝置、電力網(wǎng)和用電負(fù)載這4個(gè)部分，其中艦船電站的核心部件——變壓器，負(fù)責(zé)整個(gè)電力系統(tǒng)的電力變換，是艦船電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要前提。在復(fù)雜的艦船環(huán)境中，變壓器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)于艦船生命力與戰(zhàn)斗力而言具有重要意義。

艦用變壓器一般為干式變壓器，其最常見的故障是溫度過高或局部放電導(dǎo)致的繞組形變，可以采用阻抗分析法、頻率響應(yīng)法等傳統(tǒng)的變壓器故障診斷方法［1-2］。如果配置非實(shí)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，則艦員將難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器故障。目前，應(yīng)用人工智能的變壓器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)備受青睞［3］，但其檢測(cè)類型和診斷方法都過于簡(jiǎn)單，而僅依靠單一的、不全面的檢測(cè)項(xiàng)目和不成熟的診斷方法，并不能準(zhǔn)確診斷故障性質(zhì)。同時(shí)，艦用變壓器的工作環(huán)境一般較為惡劣，將影響普通在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

因此，本文擬構(gòu)建基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（Advanced RISC Machine，ARM）的艦用變壓器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，通過多種抗干擾保護(hù)措施來實(shí)時(shí)可靠地采集設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，用以為控制中心和管理部門提供決策支持；通過分析變壓器的潛在故障并進(jìn)行故障處理，以保證變壓器的戰(zhàn)技性能和可靠性，從而確保艦船電力系統(tǒng)平穩(wěn)、安全、高效運(yùn)行。

1 在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析與處理能力，能夠?qū)崟r(shí)采集并挖掘分析大量變壓器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)變壓器健康狀態(tài)評(píng)估與故障診斷預(yù)警。為了克服傳統(tǒng)采集系統(tǒng)測(cè)量精度低、易受干擾、反應(yīng)速度慢等缺陷，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了濾波放大模塊和差分隔離模塊，用于處理傳感器實(shí)時(shí)采集的變壓器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而使ARM完全與采集通道外界隔離。該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將采集數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)處理單元（MCU），經(jīng)ARM處理之后的數(shù)據(jù)將傳輸至存儲(chǔ)器，并通過雙冗余RS485通信模塊傳送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過故障診斷系統(tǒng)即可明確故障類型與故障定位，上位機(jī)將顯示數(shù)據(jù)并報(bào)警，相應(yīng)的控制指令將傳送至控制設(shè)備，用以對(duì)變壓器實(shí)施控制保護(hù)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

1.2 故障診斷技術(shù)

變壓器故障一般分為突發(fā)性故障和漸發(fā)性故障2種。其中，漸發(fā)性故障是指在變壓器使用過程中的絕緣老化、觸頭磨損、局部短路等狀態(tài)參數(shù)漸近規(guī)律性變化，導(dǎo)致性能逐漸下降而發(fā)生的故障；突發(fā)性故障是指在無明顯征兆情況下變壓器狀態(tài)參數(shù)的突變。一般來說，每種故障都具有伴隨性、復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)，隨之也就決定了故障診斷的不確定性和模糊性。根據(jù)調(diào)研，變壓器運(yùn)行狀態(tài)的異常現(xiàn)象［4-5］可以分為聲音異常、運(yùn)轉(zhuǎn)異常、溫度異常、氣味異常等類別，可以根據(jù)故障的嚴(yán)重性對(duì)艦船變壓器故障進(jìn)行等級(jí)劃分，從而確定故障處理優(yōu)先級(jí)，構(gòu)成如表1所示的三級(jí)故障分類表。需注意的是，當(dāng)出現(xiàn)三級(jí)故障時(shí)，必須對(duì)變壓器進(jìn)行停機(jī)處理，以防止故障擴(kuò)大化。

本系統(tǒng)將根據(jù)艦船電站變壓器的特點(diǎn)和需求，開展變壓器診斷保護(hù)研究，通過采用智能化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，判斷變壓器的空載特性、負(fù)載特性、電氣性能、環(huán)境參數(shù)等是否符合設(shè)計(jì)要求。其中：超聲波局放傳感器可用于檢測(cè)變壓器本體的絕緣性能，根據(jù)干式變壓器內(nèi)局部放電產(chǎn)生的超聲波大小、方向，即可確定局放電源的位置；振動(dòng)傳感器可用于監(jiān)測(cè)變壓器機(jī)械部件是否存在損壞、松動(dòng)和變形等故障；電壓、電流互感器可用于監(jiān)測(cè)變壓器的電氣運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；溫、濕傳感器可用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫、濕度與繞組溫度。

表1 三級(jí)故障表Table 1 Three level failure table

基于專家系統(tǒng)的變壓器故障組合診斷模型如圖2所示。通過模擬人類專家的思維方式，融合處理所采集的大量數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用推理規(guī)則和控制策略進(jìn)行推理診斷，即可確定最終故障發(fā)生的概率，從而為決策判斷提供理論支持。

圖2 故障組合診斷模型Fig.2 Fault combination diagnosis model

網(wǎng)絡(luò)模型是專家系統(tǒng)的一種推理機(jī)制，為提高網(wǎng)絡(luò)收斂速度，本系統(tǒng)將采用基于非線性最小二乘法的 LM（Levenberg-Marquart）［6］算法，忽略泰勒級(jí)數(shù)3次以上項(xiàng)，展開第k+1次迭代的誤差函數(shù)E(wk+1)為

式中：E(wk)為第k次迭代的誤差函數(shù)；w為待求解的參數(shù)向量，wk和wk+1分別為第k次和k+1次迭代的待求解參數(shù)向量；gk=?E(wk)，為第k次迭代的誤差函數(shù)E(wk)的梯度；Ak=?2E(wk)，為第k次迭代的誤差函數(shù)E(wk)的Hessian矩陣。

引入未知矩陣e，將E(wk)分解為

式中，ek為第k次迭代的誤差函數(shù)E(wk)分解的未知矩陣，其中 e=［e1，e2，…］，且e1，e2，…為未知量。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)BP算法，有

式中，α≥0，為隨機(jī)參數(shù)。

對(duì)于牛頓法，有

由于高斯—牛頓法是基于Jacobian矩陣來計(jì)算Hessian矩陣的近似矩陣，故令A(yù)≈JTJ，g≈JTe，則式中，Jk為ek關(guān)于wk的Jacobian矩陣。

為了克服牛頓法和高斯—牛頓法的缺陷，LM算法引入了參數(shù)λ（λ≥0）和單位矩陣I，得

LM算法是高斯—牛頓法的延伸與變形，兼具牛頓法的局部性質(zhì)和梯度下降法的全局性質(zhì)。當(dāng)λ=0時(shí)，即為高斯—牛頓法；當(dāng) λ很大時(shí)，接近梯度下降法；當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)，逐漸與高斯—牛頓法相似。LM算法比梯度下降法的計(jì)算速度快，而高斯—牛頓法在接近誤差最小值時(shí)計(jì)算速度最快，精度也最高。相對(duì)于高斯—牛頓法的JTJ而言，LM算法的JTJ+λI是正定的，所以△w一直存在，因此LM算法優(yōu)于高斯—牛頓法。

圖3所示為運(yùn)用故障組合診斷模型的故障診斷系統(tǒng)。通過結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的變壓器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，基于數(shù)據(jù)庫模型，即可實(shí)現(xiàn)故障趨勢(shì)預(yù)報(bào)；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析，挖掘潛在故障，即可進(jìn)行故障預(yù)警。

因此，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析所得的數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于專家系統(tǒng)的故障模糊分類模型和故障診斷推理模型，即可進(jìn)行變壓器故障辨識(shí)與故障定位，并根據(jù)故障優(yōu)先級(jí)完成保護(hù)邏輯判斷，從而控制相應(yīng)的設(shè)備以保護(hù)系統(tǒng)安全，最終保證變壓器的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 故障診斷系統(tǒng)Fig.3 Fault diagnosis system

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集通道硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備工作環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)狀況等諸多因素均可能降低在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，進(jìn)而影響艦船綜合電力系統(tǒng)的整體性能［7］。艦船變壓器的電壓、電流和溫度是采集系統(tǒng)需要檢測(cè)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠在極端條件下工作的魯棒性更強(qiáng)的艦船在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了保證該系統(tǒng)的精確度和響應(yīng)速度，必須提高采集通道的抗干擾性，主要設(shè)計(jì)方法如下：

1）通過輸入電阻RL，傳感器輸出端將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后經(jīng)采集放大電路進(jìn)行下一步處理。

2）在采集放大電路中配置通用高增益、可編程儀表放大器AD623ARZ，由外部電阻RG設(shè)置增益系數(shù)G1，其中G1=1時(shí)的誤差為0.1%，按增益系數(shù)放大即可得到輸出電壓。

3）為了適用于復(fù)雜的船舶環(huán)境，設(shè)置有源低通濾波電路，用以提高信號(hào)的抗干擾性和信噪比，從而提高分析精度。其中由低階濾波器串聯(lián)而成的高階濾波器能夠大幅提高采樣精度，從而更加接近理想情況。

由圖1可知，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸至ARM進(jìn)行處理。在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下，為了切斷干擾傳播途徑，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可以隔離模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的差分隔離模塊（圖4），用以保證A/D轉(zhuǎn)換器基本不受外界干擾的影響，從而提高敏感器件的抗干擾性能。

圖4中，HCPL-7800A-300高阻抗隔離放大器的平均增益值G2=7.93，增益精度為1%。通過差分放大電路，可以有效抑制零點(diǎn)漂移、放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)，增加同相跟隨器的帶負(fù)載能力，進(jìn)而提高ARM的信號(hào)處理能力。

圖4 差分和隔離電路Fig.4 Difference and isolation circuit

利用疊加原理，即可計(jì)算運(yùn)放U2A（圖4）的同相輸入電壓Ui+、反相輸入電壓Ui-及輸出電壓Uo：

如果R4/R2=R5/R3，則可簡(jiǎn)化為

則差模增益G3為

由于A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)的變化率遠(yuǎn)大于采樣率，其輸出信號(hào)無法真實(shí)地反映原始信號(hào)，故輸出的“假”信號(hào)也被稱作“混疊”。目前，有2種方法可以消除頻率混疊：1）提高采樣頻率 fs，但該方法有一定的限制范圍；2）采用防混疊濾波器。在采樣頻率 fs一定的前提下，假設(shè)低通濾波器的截止頻率為 fc，為了濾除高于 fs/2的頻率成分，在實(shí)際處理過程中一般應(yīng)滿足 fs=（2.5～4.0）fc。

2.2 主控制單元硬件設(shè)計(jì)

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，艦船綜合電力系統(tǒng)正逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字化和智能化。同時(shí)，“模塊化、集成化”的發(fā)展思路在艦船綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用極大地簡(jiǎn)化了艦船動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為艦船提供了安全、穩(wěn)定的能量保障，顯著提升了艦船的機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和生命力。為了實(shí)現(xiàn)艦船電站設(shè)備的智能化應(yīng)用，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是必不可少的技術(shù)手段，也是控制系統(tǒng)進(jìn)行正確決策的前提條件。

本采集系統(tǒng)采用分布式采集、集中管理的結(jié)構(gòu)，傳感器分布在多個(gè)采集點(diǎn)，采集通道采取了抗干擾措施，并且使核心控制單元遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、容錯(cuò)性和魯棒性。核心控制單元［8-10］采用高性能、低成本且廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的ARM（例如STM32F417）作為中央處理器，同時(shí)集成高速同步A/D轉(zhuǎn)換器。其中STM32TMF4系列處理器是基于最新的ARM?CortexTM-M4內(nèi)核的32位MCU，其主頻強(qiáng)大（168 MHz）、硬件接口功能完善，能夠連接存儲(chǔ)單元、RS485通信單元、數(shù)字量輸出單元等多種外部設(shè)備。

該上位機(jī)界面運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，兼容性強(qiáng)，便于直觀分析數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控、故障診斷、報(bào)警提示和最優(yōu)控制等功能。通過實(shí)時(shí)在線測(cè)量變壓器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即可繪制電壓、電流、溫度、功率等參量的變化曲線。

3 軟件控制流程

系統(tǒng)軟、硬件初始化之后，首先進(jìn)行變壓器狀態(tài)檢測(cè)，模擬信號(hào)經(jīng)隔離后傳送至ARM自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的同時(shí)需進(jìn)行中值濾波與平均值濾波，用以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。然后，根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)將進(jìn)行自判斷，如果判斷超過預(yù)設(shè)的安全閾值，系統(tǒng)將首先顯示報(bào)警信息，再選取各種科學(xué)計(jì)算模型，并實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而解決潛在的安全問題和調(diào)度問題。通過主控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制各個(gè)獨(dú)立運(yùn)作的功能模塊，即可實(shí)時(shí)分析實(shí)船變壓器的復(fù)雜故障和調(diào)度優(yōu)化問題，該系統(tǒng)的總體控制流程如圖5所示。

4 仿真與測(cè)試

4.1 仿真分析

圖5 系統(tǒng)總體控制流程圖Fig.5 System overall control flow chart

基于Multisim 14.0仿真軟件，搭建如圖6所示的四階壓控低通濾波電路。該電路采用了集成運(yùn)放AD8606ARZ模型，交流電壓源正弦信號(hào)的頻率為50 Hz。幅頻特性曲線的截止頻率 fc=70 Hz，阻帶截止頻率 f2=1 kHz時(shí)的增益L(ω2)≥50 dB。

4.1.1 方案1

利用查表法［11］可知，典型巴特沃斯濾波器的傳遞函數(shù)Au(s)為

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，圖6中，令C=C1=C2=C5=C6=10/fc≈0.15 μF，則設(shè)

圖6 四階低通濾波電路Fig.6 Fourth order low pass filter circuit

式中：i為第i級(jí)二階低通濾波器的數(shù)量；Ri1和Ri2分別為第i級(jí)二階低通濾波器的第1個(gè)和第2個(gè)待求電阻；Ci1和Ci2為第i級(jí)二階低通濾波器的第1個(gè)和第2個(gè)待求電容；ti為傳遞函數(shù)Au(s)分解的第i個(gè)二階多項(xiàng)式的一次項(xiàng)系數(shù)。

設(shè) t1=0.765 4，t2=1.847 8，經(jīng)計(jì)算，可得 R1=19.8 kΩ，R2=11.6 kΩ，R3=8.2 kΩ，R4=28 kΩ。

4.1.2 方案2

采用改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，將2個(gè)相同的二階低通濾波器級(jí)聯(lián)得到四階低通濾波電路，令s=jω，將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域，則電壓放大倍數(shù)Au(jω)為

式中：ω為角頻率；f為頻率；f0為特征頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)；Aup為二階低通濾波器增益倍數(shù)。

為了滿足最佳設(shè)計(jì)要求，同時(shí)便于選擇阻容參 數(shù) ，令 R1=R2=R3=R4=R，C1=C5=2C2=2C6=2C≈0.15 μF，則阻尼系數(shù) ξ=0.707。經(jīng)計(jì)算，可得：λ=fc/f0=0.8，f0=87.5 Hz，R=8.56 kΩ。

4.1.3 方案3

利用濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterLab設(shè)置濾波器參數(shù)，選取標(biāo)稱值后得到的參數(shù)為：C1=1.2 μF，C2=0.15 μF，R1=3.57 kΩ，R2=8.06 kΩ，C5=0.18 μF，C6=0.15 μF，R3=11.8 kΩ，R4=16.2 kΩ。

4.1.4 對(duì)比分析

一般來說，濾波器不可能同時(shí)兼顧良好的幅頻特性與相頻特性，所以本文仿真分析將重點(diǎn)考慮幅頻特性指標(biāo)，用以對(duì)比和優(yōu)化設(shè)計(jì)低通濾波器。設(shè)置仿真電路的參數(shù)并適當(dāng)調(diào)節(jié)之后，得到3種方案的頻率特性曲線（Vout1，Vout2，Vout3）如圖7所示，其仿真結(jié)果如表2所示。

圖7 3種設(shè)計(jì)方案的頻率特性曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of frequency characteristic curves of three design schemes

表2 3種設(shè)計(jì)方案的仿真結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of simulation results of three design schemes

根據(jù)以上仿真結(jié)果，可知3種方案在 f2=1 kHz處的衰減均大于50 dB，但其中方案1的截止頻率fc不滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)比方案2和方案3可知：方案2比方案3的品質(zhì)因數(shù)Q更優(yōu)；2種方案的帶內(nèi)幅度均較平坦，且在過渡帶的幅值變化均較快，但方案3在過渡帶的斜率相對(duì)較陡。因此，方案3更接近理想的設(shè)計(jì)工況，但在參數(shù)選擇與實(shí)際運(yùn)用方面，方案2最優(yōu)。

4.2 工程化測(cè)試

完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)之后，需進(jìn)行系統(tǒng)整體功能性測(cè)試。該系統(tǒng)的主要應(yīng)用對(duì)象為艦船生活用電網(wǎng)的變壓器設(shè)備，受實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，實(shí)際測(cè)試條件為恒定室溫的供電機(jī)房變壓器。本系統(tǒng)采集的變壓器狀態(tài)數(shù)據(jù)將通過RS485通信總線傳輸至采集系統(tǒng)顯示界面，如圖8所示。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，需立刻斷開供電線路。

圖8 采集系統(tǒng)顯示界面Fig.8 Collection system display interface

在實(shí)船應(yīng)用中，該系統(tǒng)將記錄實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，并將在外部存儲(chǔ)器上保存48 h內(nèi)的數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中，該系統(tǒng)連續(xù)工作48 h的變壓器運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)如圖9所示。通過在4個(gè)不同的時(shí)間（t1，t2，t3，t4）采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與高精度測(cè)量工具所得變壓器實(shí)際電壓、電流和溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

圖9 變壓器運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)圖Fig.9 Trend diagram of transformer running state

表3 變壓器運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of transformer running state

由于電壓互感器的工作范圍為0～350 V，電流互感器的工作范圍為0～200 A，在校準(zhǔn)定標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn)，兩者只有在20%～80%的測(cè)量范圍內(nèi)才能達(dá)到1%的測(cè)量精度。Pt100溫度傳感器的測(cè)量范圍為-200～+850℃，其只有在0～50℃測(cè)量范圍內(nèi)才能達(dá)到0.4℃的綜合精度。由表3可知，變壓器參數(shù)的實(shí)際運(yùn)行值與測(cè)量值非常接近，故該系統(tǒng)具有較高的可靠性與精確度，基本可以滿足艦用變壓器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的應(yīng)用要求。

5 結(jié) 語

針對(duì)艦船電站中因設(shè)備密集分布、運(yùn)行環(huán)境惡劣等問題導(dǎo)致的復(fù)雜電磁干擾，本系統(tǒng)采用了魯棒性更強(qiáng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和嵌入模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障診斷，同時(shí)為艦員制訂合理的控制策略和運(yùn)行規(guī)劃方案提供支撐。雖然本系統(tǒng)具有測(cè)量顯示數(shù)字化、操作監(jiān)視屏幕化和運(yùn)行管理智能化等優(yōu)點(diǎn)，但在開放性、可拓展性等方面仍存在不足，須在后續(xù)研究工作中進(jìn)一步完善改進(jìn)。