現(xiàn)代大型設(shè)備隨著功能的逐步完善,，自動(dòng)化程度加深，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜,。在運(yùn)行過(guò)程中,，某一個(gè)地方出現(xiàn)故障，就會(huì)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(kāi)通使用,、關(guān)斷退出、檢測(cè)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(shí),、經(jīng)驗(yàn)、推理等多項(xiàng)技能按照一定的規(guī)則進(jìn)行編制,，組合成復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序,。在充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的情況下，擴(kuò)展自身的工作范圍,，使計(jì)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(yǔ)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(gè)問(wèn)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(jiǎn)介

    故障診斷專家系統(tǒng)^[1]的運(yùn)行步驟為：先對(duì)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(yàn),，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(guò)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(kù):數(shù)據(jù)庫(kù)通常由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分構(gòu)成,。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)是設(shè)備的自有參數(shù),，而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)則是運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的一系列參數(shù)，如電壓,、功率等,。

    (2)知識(shí)庫(kù):知識(shí)庫(kù)^[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(wèn)題的關(guān)鍵取決于其知識(shí)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(gè)平臺(tái),，是連接人機(jī)的紐帶,。

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    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(gè)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(shí)的訓(xùn)練和測(cè)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(yàn)證性能:用測(cè)試樣本測(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能,。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(cè)系統(tǒng),。在本系統(tǒng)中，用戶總控模塊的主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,，使整個(gè)系統(tǒng)成為既獨(dú)立又統(tǒng)一的整體；數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)一些原始輸入的有關(guān)數(shù)據(jù)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)信息等,；知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)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(shí)庫(kù)中的原有知識(shí)相結(jié)合做出推理診斷；結(jié)果解釋負(fù)責(zé)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做出說(shuō)明,，解釋,。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    模型框圖如圖2所示,。

    本系統(tǒng)的工作過(guò)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(shí)保存在知識(shí)庫(kù)中。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,，首先進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)(權(quán)值矩陣)，利用推理算法給出運(yùn)算結(jié)果,，最后對(duì)系統(tǒng)給出的推薦值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)價(jià),，得到滿意結(jié)果，則將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,。

2.2 知識(shí)的獲取與表示

    知識(shí)從知識(shí)源轉(zhuǎn)移到知識(shí)庫(kù)，即可獲取所需知識(shí),，知識(shí)獲取是AI(Artificial Intelligence)知識(shí)工程中的關(guān)鍵性技術(shù)難題,。本知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)建立過(guò)程中，知識(shí)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(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí),，得到所需權(quán)值分布,，從而完成知識(shí)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(gè)三層RBF網(wǎng)絡(luò),。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行歸一化計(jì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng),；若節(jié)點(diǎn)數(shù)太少，容錯(cuò)性差,，識(shí)別能力差,。本例經(jīng)過(guò)綜合考慮及程序調(diào)試后，選擇的是18個(gè)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(gè)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(cè)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(duì)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(gè)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(kāi)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(shí)涉及到很多環(huán)節(jié)；且開(kāi)關(guān)的操作頻率是不固定的,，有的很久也不動(dòng)作,，有些卻需要不斷地操作運(yùn)行。在本文中,，為了更好地說(shuō)明原理和方法,，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(shí)的振動(dòng)信號(hào),。斷路器在進(jìn)行操作時(shí),，產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的時(shí)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(lái)監(jiān)測(cè)其機(jī)械狀態(tài),，對(duì)于正規(guī)生產(chǎn)的斷路器,，其性能一般也都相對(duì)來(lái)說(shuō)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(duì)其進(jìn)行多次分合閘測(cè)試，待其振動(dòng)波形穩(wěn)定后,，特征曲線即為該穩(wěn)定的波形,。通過(guò)該特征曲來(lái)判斷斷路器振動(dòng)信號(hào)正常與否。

    由于條件的限制,，該裝置并沒(méi)有在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn),。而是在設(shè)備主回路不帶電的情況下，對(duì)斷路器動(dòng)觸頭行程等進(jìn)行測(cè)量,，通過(guò)串行通信接口將信息發(fā)送到PC,。此次測(cè)試使用的是萬(wàn)相品牌斷路器樣機(jī)，其型號(hào)為ZN28-12/T1250-31.5,。該型號(hào)斷路器出廠的機(jī)械特性參數(shù)為：分閘時(shí)間≤0.06 s,，合閘時(shí)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(kāi)距11±1 mm，超行程(觸頭彈簧壓縮長(zhǎng)度)4±1 mm,。通過(guò)電流,、角位移傳感器來(lái)采集動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間曲線，分合閘線圈電流信號(hào),；這些數(shù)據(jù)傳送到PC后自動(dòng)進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算或處理,。本系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的相對(duì)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(kāi)關(guān)柜作為研究對(duì)象,，每隔相同的時(shí)間分別對(duì)其進(jìn)行采樣：溫度傳感器測(cè)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(cè)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(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(duì)數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行測(cè)試,。利用Matlab程序建立一個(gè)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(gè)等級(jí),。分別取上述值時(shí)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,，得知Spread=0.7此時(shí)的誤差為最小,，此時(shí)獲得的結(jié)果最理想。通過(guò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置之后,，經(jīng)過(guò)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(shí),，輸入為8個(gè)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(dòng)生成,，直到滿足系統(tǒng)要求的誤差為止,。經(jīng)過(guò)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(shí),，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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