CN105021914B - 便携式船舶电站检测专家分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式船舶电站检测专家分析仪，包括：单片机、以太网高速同步数据采集终端、USB高速同步数据采集终端、稳压电源、第1三单相交流电流变送器、第1三相交流电压变送器、第2三单相交流电流变送器和三单相交流电压变送器；其工作过程包括：配置有检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块；检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块共同对信号进行处理，得到被测电力***的运行状态和故障信息。具有开放性、可扩展性、易修改性、测量多样性和可并行测量优点；还可快速和准确地确定故障性质和原因，节省维修时间，降低对维修人员的专业要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶电站及自动化技术领域，具体涉及一种便携式船舶电站检测专家分析仪。
背景技术
以船舶电站为核心的船舶电力***是船舶安全航行的重要保障。目前，船舶电力***越来越复杂，普遍存在运行过程实时测量、在线检测与分析、故障预测与查找等难题，既无法做出事前故障预警，也无法在故障出现后迅速定位，更不能提供故障信息和解决方案。
虽然船舶电站配电装置具有测量、显示和检测功能，包括指针式功率表、电压表、电流表、频率表、功率因数表、兆欧表，还配置有数字式监控单元如DEIF的GPU和PPU、SIEMENS GENOP、SELCO SIGMA等等，负载控制箱上设置有指针式电压表和电流表，达到监控和保护作用；但是，其只具有检测功能，不具有对船舶电力设备的工作状态深入分析和故障诊断功能。广泛使用的万用表，FLUKE系列、Tektronix系列、Keithley系列、ERL PhasePower Technologies系列数字式仪表、power analysis recorder电源分析仪等，具有支持信号类型单一以及不具有故障诊断的功能。
另外，现有技术中，在对船舶电站及其自动化***进行管理和维修时，普遍采用手持式仪表如万用表进行测量，高档数字式仪表包括Tektronix系列、Keithley系列、ERLPhase Power Technologies系列、FLUKE系列。该类手持式仪表具有以下不足：产品功能单一，为支持每个产品需单独开发，不具有开放性、可扩展性和灵活性。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种便携式船舶电站检测专家分析仪，具有开放性、可扩展性、易修改性、测量多样性和可并行测量的优点；还集信号处理、动态递归模糊神经网络和HHT算法于一体，可方便、快速和准确地确定故障性质和原因，节省维修时间，降低对维修人员的专业要求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种便携式船舶电站检测专家分析仪，包括：主机(1)、以太网高速同步数据采集终端(4)、USB高速同步数据采集终端(5)、稳压电源(6)、第1三单相交流电流变送器(7.1)、第1三相交流电压变送器(8.1)、第2三单相交流电流变送器(7.2)和三单相交流电压变送器(8.2)；所述主机(1)通过以太网通讯线(2)与所述以太网高速同步数据采集终端(4)连接，所述主机(1)通过USB数据线(3)与所述USB高速同步数据采集终端(5)连接；所述稳压电源(6)分别与所述主机(1)、所述以太网高速同步数据采集终端(4)、所述USB高速同步数据采集终端(5)、所述第1三单相交流电流变送器(7.1)、所述第1三相交流电压变送器(8.1)、所述第2三单相交流电流变送器(7.2)和所述三单相交流电压变送器(8.2)电连接；
所述以太网高速同步数据采集终端(4)配置有三个采样接口，分别为第1采样接口、第2采样接口和第3采样接口；其中，所述第1采样接口通过第1模拟与数字信号线(15.1)与第1弱电信号直接输入接口M连接；所述第2采样接口通过所述第1三单相交流电流变送器(7.1)与第1变送器输入航空插头F连接；所述第3采样接口通过所述第1三相交流电压变送器(8.1)与第2变送器输入航空插头G连接；其中，所述第1变送器输入航空插头F用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第2变送器输入航空插头G用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号；
所述USB高速同步数据采集终端(5)配置有三个采样接口，分别为第4采样接口、第5采样接口和第6采样接口；其中，所述第4采样接口通过第2模拟与数字信号线(15.2)与第2弱电信号直接输入接口N连接；所述第5采样接口通过所述第2三单相交流电流变送器(7.2)与第3变送器输入航空插头C连接；所述第6采样接口通过所述三单相交流电压变送器(8.2)与第4变送器输入航空插头D连接；其中，所述第3变送器输入航空插头C用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第4变送器输入航空插头D用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号。
优选的，所述第1三相交流电压变送器(8.1)的输出端接至所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIn点，所述第1三相交流电压变送器(8.1)的GND点与所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIGND点和所述稳压电源(6)的GND点连接；
所述三单相交流电压变送器(8.2)的输出端接至所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIn点，所述三单相交流电压变送器(8.2)的GND点与所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接。
优选的，所述第1三单相交流电流变送器(7.1)的输出端接至所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIn点，所述第1三单相交流电流变送器(7.1)的GND点与所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接；
所述第2三单相交流电流变送器(7.2)的输出端接至所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIn点，所述第2三单相交流电流变送器(7.2)的GND点与所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接。
优选的，还包括机箱(14)；所述机箱(14)内部分为两层，上层用于放置所述主机(1)；下层用于放置所述以太网高速同步数据采集终端(4)、所述USB高速同步数据采集终端(5)、所述稳压电源(6)、所述第1三单相交流电流变送器(7.1)、所述第1三相交流电压变送器(8.1)、所述第2三单相交流电流变送器(7.2)和所述三单相交流电压变送器(8.2)。
优选的，还包括冷却风扇(11)；所述冷却风扇(11)安装在所述机箱(14)的背面进气孔内；在所述机箱(14)的两个侧面分别设置有散热孔。
优选的，所述主机(1)配置有检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块；所述检测与信号处理模块、所述动态递归模糊神经网络故障预报模块以及所述信号特征HHT分析模块共同对信号进行处理，得到被测电力***的运行状态和故障信息。
优选的，所述检测与信号处理模块用于：
接收被测电力***的模拟或数字形式的三相电压和三相电流信号，利用Labview编程和组态操作界面，捕捉所述三相电压和三相电流信号的突变信号、脉冲信号、瞬变信号和跳频信号；
计算并显示被测电力***的运行参数，所述运行参数包括：电压和电流有效值、Y型电压和电流值、△型电压和电流值、频率、有功/无功/视在功率、相位角、角速度、功率因数、阻抗和相序；
对所述三相电压和三相电流信号进行电压电流谐波分析、傅里叶分析和小波分析，并显示谐波分析结果、傅里叶分析和小波分析结果；
绘制电压电流向量图，并显示绘制得到的电压电流向量图；
还显示采样数、采样率、采样模式和实时趋势曲线图。
优选的，所述动态递归模糊神经网络故障预报模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于预报故障发生趋势；其中，动态递归模糊神经网络包括输入层、回归层和输出层；所述输入层的神经元为双极性线性函数，输入层神经元的个数为3个，分别对应被测电力***的三相电压信号；所述回归层的神经元个数为9个，其结构能记忆前一时刻的适度值，学习算法采用梯度下降法，使参数沿着负梯度方向学习，以价值函数最小化为目标；所述输出层的神经元为阈值型函数，输出层神经元为一个，用于输出实时趋势曲线，预测三相电压趋势，预报结果包括三相电压正常、三相电压偏离、电源电压高、电源电压过高、电源电压低、电源电压过低。
优选的，动态递归模糊神经网络具体算法示例如下：
第一层输入层：其中VR、VS和VT为被测三相电压；表示第一层三个神经元对应的三个输入，上标(1)表示第一层；
其中，上标(2)表示第二层，(m1i，σ1i)、(m2i，σ2)和(m3i，σ3i)分别是高斯隶属函数的中心和基宽，和分别为记忆反馈***以前的信息，θ1i、θ2i和θ3i为反馈记忆部分的连接权；h1i、h2i和h3i为第二层神经元的输入，i为第二层神经元个数；和为第一层神经元的输出；和为第二层神经元的输出；
其中γi+γj+γk＝1，且γijk∈[0，1]为补偿算子；qij为第二层神经元到第三层神经元的连接权；为第三层神经元的输出；j为连接权数，k为第三层神经元数；
第五层结果输出层：
其中，R为模糊规则数，o(4)为第四层神经元的模糊推理结果，为网络第一层的神经元到第四层的神经元的运算结果，为记忆反馈***t时刻以前的(t-1)时刻的信息；α、β和均为大于0的可调参数，使活化双曲正切函数具有自适应性，(m1i，σ1i，θ1i)、(m2i，σ2i，θ2i)、(m3i，σ3i，θ3i)、(γi，γj，γk，γijk)和sk都为自整定参数，使同一个输入在不同时刻将有不同的输出；
mi，j(t+1)＝mi，j(t)+ηmΔmi，j(t+1) (21a)
σi，j(t+1)＝σi，j(t)+ησΔσi，j(t+1) (21b)
θi，j(t+1)＝θi，j(t)+ηθΔθi，j(t+1) (21c)
si，j(t+1)＝si，j(t)+ηsΔsi，j(t+1) (21d)
式中ηm，ησ，ηθ和ηs的取值均为[-1，1]，分别是高斯函数中心mi，j、基宽σi，j、反馈连接权θi，j和网络连接权sk的学习速率。
优选的，所述信号特征HHT分析模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于分析被测电力***三相电压和三相电流特征，显示并预测被测信号的变化趋势；其具体运行过程包括以下两步：
(1)采集被测电力***的数据点；其中，采样频率高于200个/秒；采集时间多于30秒，即共采集数据点大于6000个；
(2)对采集到的数据进行HHT变换分析，具体包括：
1)首先将采集的数据进行经验模态分解，分解为9个本证模函数IMF，分别用IMF1、IMF2……IMF9表示；其中，各个所述本证模函数均包含原信号不同时间尺度的局部特征信号；
2)显示各阶IMF曲线和HHT谱图；
3)计算各阶IMF的平均频率和能量分布，得到能量分布图；
4)根据所述能量分布图和所述HHT谱图分析被测信号的特征，预测被测信号的变化趋势。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪，具有开放性、可扩展性、易修改性优点；具有足够灵活以支持多个船舶电气设备的并行检测，通过检测发现缺陷及收集数据，从而完善船舶电力***的功能流程和管理经验，通过算法嵌入和最佳检测方法提高船舶电力***诊断效率并降低维修成本。
附图说明
图1为本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪的硬件结构示意图；
图2为本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪的硬件结构简化图；
图3为便携式船舶电站检测专家分析仪的软件结构示意图；
图4为便携式船舶电站检测专家分析仪的整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪，如图4所示，为便携式船舶电站检测专家分析仪的整体结构示意图，主要包括设备层、***层和应用层；其中，设备层包括多类型I/O模块以及高速数据采集终端模块，用于检测被测设备的电压或电流信号，设备层具体实现方式参见下述硬件部分的介绍；***层为实时检测***，用于选择设备层检测通道；应用层即为下述介绍的软件部分，核心包括检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块这三个功能模块，图4中所示的应用层仅为部分功能，例如：信号分析与处理模块，电量参数显示模块、报警信息显示以及故障诊断专家库，以下详细介绍本发明的硬件部分和软件部分：
一、硬件部分
结合图1，为便携式船舶电站检测专家分析仪的硬件结构示意图，包括：主机1、以太网高速同步数据采集终端4、USB高速同步数据采集终端5、稳压电源6、第1三单相交流电流变送器7.1、第1三相交流电压变送器8.1、第2三单相交流电流变送器7.2和三单相交流电压变送器8.2；所述主机1通过以太网通讯线2与所述以太网高速同步数据采集终端4连接，所述主机1通过USB数据线3与所述USB高速同步数据采集终端5连接；所述稳压电源6分别与所述主机1、所述以太网高速同步数据采集终端4、所述USB高速同步数据采集终端5、所述第1三单相交流电流变送器7.1、所述第1三相交流电压变送器8.1、所述第2三单相交流电流变送器7.2和所述三单相交流电压变送器8.2电连接；其中，主机可采用19英寸笔记本电脑。主机配置有220VAC50Hz电源线1.1、RS485数据线1.2和USB数据线1.3。稳压电源配置有数据采集终端5V电源线6.1、变送器的5V电源线6.2和190～230VAC50/60Hz电源线6.3。
所述以太网高速同步数据采集终端4配置有三个采样接口，分别为第1采样接口、第2采样接口和第3采样接口；其中，所述第1采样接口通过第1模拟与数字信号线15.1与第1弱电信号直接输入接口M连接；所述第2采样接口通过所述第1三单相交流电流变送器7.1与第1变送器输入航空插头F连接；所述第3采样接口通过所述第1三相交流电压变送器8.1与第2变送器输入航空插头G连接；其中，所述第1变送器输入航空插头F用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第2变送器输入航空插头G用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号；
所述USB高速同步数据采集终端5配置有三个采样接口，分别为第4采样接口、第5采样接口和第6采样接口；其中，所述第4采样接口通过第2模拟与数字信号线15.2与第2弱电信号直接输入接口N连接；所述第5采样接口通过所述第2三单相交流电流变送器7.2与第3变送器输入航空插头C连接；所述第6采样接口通过所述三单相交流电压变送器8.2与第4变送器输入航空插头D连接；其中，所述第3变送器输入航空插头C用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第4变送器输入航空插头D用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号。
还包括机箱14；所述机箱14内部分为两层，上层用于放置所述主机1；下层用于放置所述以太网高速同步数据采集终端4、所述USB高速同步数据采集终端5、所述稳压电源6、所述第1三单相交流电流变送器7.1、所述第1三相交流电压变送器8.1、所述第2三单相交流电流变送器7.2和所述三单相交流电压变送器8.2。也就是说，本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪集成在一个机箱内为一个整体，机箱14的规格如下：长×宽×高＝600毫米×500毫米×110毫米，重量为11.8kg。
图1中，A、B为被检测***的三相电路，以配置六个电压互感器12以及六个开合式电流互感器13为例，其中，标记12.1代表电压互感器输出的交流电压信号，标记13.1代表电流互感器输出的交流电流信号；标记10代表经电压/电流互感器输入变送器的三相交流信号。K、H、L为单相交流电源插座，I为USB插口，J为9针串口插口，其中C、D、E、F、G、H、I、J、K、L开孔均在机箱后壳上；
具体的，变送器向数据采集终端传输0-5V信号，附图中用9表示0-5V信号；本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪，电压互感器或电流互感器采集到的被测电力***监测信号经过变送器传输到以太网高速同步数据采集终端4或USB高速同步数据采集终端5，其功率为10w，第1三单相交流电流变送器7.1、第1三相交流电压变送器8.1、第2三单相交流电流变送器7.2和三单相交流电压变送器8.2这四个变送器的输出均为交流电压信号，且交流电压信号范围为±10V；以太网高速同步数据采集终端4和USB高速同步数据采集终端5可以接受电压为±10V，或AC±7V，即一个通道可以输入直流或交流，直流不超过10V，交流峰值不超过7V即可。被测信号被以太网高速同步数据采集终端4和USB高速同步数据采集终端5直接识别读取。
另外，交流电压变送器，分为第1三相交流电压变送器8.1和由三个单相交流电压变送器组成的三单相交流电压变送器8.2，两者工作原理相同，均需要恒压直流±12V双电源供电，可直接采集两根线之间的实时电压差，将输入的交流电压变为缩小100倍的交流电压。第1三相交流电压变送器8.1不能测单相交流电，三单相交流电压变送器8.2既可测三相交流电，也可分别测单相交流电。第1三相交流电压变送器8.1接至以太网高速同步数据采集终端4的AIn点，其GND点与以太网高速同步数据采集终端4的AIGND和稳压电源6的GND连接。三单相交流电压变送器8.2接至USB高速同步数据采集终端5的AIn点，其GND点与USB高速同步数据采集终端5的AIGND和电源的GND连接。
三单相交流电压变送器型号为WB3U411U07，组成三单相交流电压变送器8.2，每个单相差分输入端子U+、U-表示采集两个点之间的电压差。输入端子U+、U-之间电压差为AC0～500V，输出端子Ug为AC0～5V。单相交流电为双火线的情况下，U+与U-接线没有区别；如果只有一根火线，U+接火线，U-接船体，采集相线与船体之间电压差为单相对地电压。
第1三相交流电压变送器8.1型号为WB3U411U07，其对应三相输入端子为Ua、Ub、Uc，输入电压AC0～500V；其输出三相为Uab、Ubc和Uca，输出电压AC0～5V。
交流电流变送器的输出均是交流电压，交流电流变送器本身需要恒压直流±12V双电源供电。第1三单相交流电流变送器7.1型号为WBI021J27，输入电流AC0～50A，输出电压AC0～5V。第2三单相交流电流变送器7.2型号为WBI411S47，输入电流AC0～1A，输出电压AC0～5V。被测电流穿心通过电流变送器，第1三单相交流电流变送器7.1输出连接至以太网高速同步数据采集终端4的AIn，其GND点与以太网高速同步数据采集终端4的AIGND和稳压电源的GND连接。第2三单相交流电流变送器7.2输出连接至USB高速同步数据采集终端5的AIn，其GND点与USB高速同步数据采集终端5的AIGND和稳压电源的GND连接。
稳压电源6由两个导轨式安装的开关电源模块串联组成。每个电源模块的额定电流为1.25A，其中+12V电源模块的功率为15W，-12V电源模块的功率为15W，两个电源模块的N、L端子接外部单相交流电源100V--230V50Hz。
还包括冷却风扇11；所述冷却风扇11安装在所述机箱14的背面进气孔内，风扇开孔用E表示；在所述机箱14的两个侧面分别设置有散热孔。冷却风扇11配置有冷却风扇12V电源线11.1。风扇大小为4cm*4cm，风扇功率为0.3w，风扇电源12V，采用风扇进气散热方式。
如图2所示，为本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪的硬件结构简化图，其工作过程为：上位PC机通过设置多通道选择与数据处理单元，启动相应的采样通道；然后，由对应通道的精密电压变送器或精密电流变送器采集被检测设备的电压信号或电流信号，经过高速数据采集终端模块，上传到上位PC机，由上位PC机对接收到的信号进行分析处理，得到被检测设备运行状态及故障预警，上位PC机配置有大容易存储硬盘，用于存储其接收到的各类数据。
综上所述，本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪，具有以下优点：
(1)支持的监测参数多：可直接输入经互感器转换后的强电信号，也可以直接输入弱电信号，也可强电和弱电信号混合输入；
(2)共配置两个数据采集终端、4个数据采集通道，因此，支持多通道同时检测，扩大了其使用范围；
(3)整个机箱的体积小、重量轻，便携性好；
(4)整体结构简单、成本低。
二、软件部分
主机，例如：19英寸笔记本电脑，配置有检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块；检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块共同对信号进行处理，融合多种信号，得到被测电力***的运行状态和故障信息。如图3所示，为便携式船舶电站检测专家分析仪的软件结构示意图，以下详细介绍这三个模块的运作原理：
(一)检测与信号处理模块
检测与信号处理模块用于：接收被测电力***的模拟或数字形式的三相电压和三相电流信号，利用Labview编程和组态操作界面，捕捉所述三相电压和三相电流信号的突变信号、脉冲信号、瞬变信号和跳频信号；计算并显示被测电力***的运行参数，所述运行参数包括：电压和电流有效值、Y型电压和电流值、△型电压和电流值、频率、有功/无功/视在功率、相位角、角速度、功率因数、阻抗和相序；对所述三相电压和三相电流信号进行电压电流谐波分析、傅里叶分析和小波分析，并显示谐波分析结果、傅里叶分析和小波分析结果；绘制电压电流向量图，并显示绘制得到的电压电流向量图；还显示采样数、采样率、采样模式和实时趋势曲线图。提供船舶发电机、Y/△负载、单相负载的运行状况和故障信息；具有过/欠压、过流(载)、过/欠频、缺(断)相、接地(绝缘)故障、三相不平衡等故障报警功能。
本模块涉及到的算法包括：
1、傅里叶变换(FFT)分析
其中，f(t)为正弦交流电压或正弦交流电流，ω为三相电源角频率。
短时傅里叶变换为
其中*表示复共轭，R为实数域，g(t)是有紧支集的函数，f(t)是进入分析的信号。ejωt起着频限的作用，g(t)起着时限的作用。随着时间τ的变化，g(t)所确定的“时间窗”在t轴上移动，f(t)逐渐进行分析，S(ω，τ)大致反映了f(t)在时刻τ时、频率为ω的“信号成分”的相对含量。
(2)小波(Wavelet)变换分析
其中，a，b∈R；a≠0，a为伸缩因子，b为平移因子；ψ(t)为一个基本小波。
(二)动态递归模糊神经网络故障预报模块
动态递归模糊神经网络故障预报模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于预报故障发生趋势；其中，动态递归模糊神经网络包括输入层、回归层和输出层；所述输入层的神经元为双极性线性函数，输入层神经元的个数为3个，分别对应被测电力***的三相电压信号；所述回归层的神经元个数为9个，其结构能记忆前一时刻的适度值，学习算法采用梯度下降法，使参数沿着负梯度方向学习，以价值函数最小化为目标；所述输出层的神经元为阈值型函数，输出层神经元为一个，用于输出实时趋势曲线，预测三相电压趋势，预报结果包括三相电压正常、三相电压偏离、电源电压高、电源电压过高、电源电压低、电源电压过低。
动态递归模糊神经网络模块具体算法示例如下：
第一层输入层：其中VR、VS和VT为被测三相电压。
其中，表示第一层三个神经元对应的三个输入，上标(1)表示第一层。
其中，上标(2)表示第二层，(m1i，σ1i)、(m2i，σ2)和(m3i，σ3i)分别是高斯隶属函数的中心和基宽，和记忆反馈***以前的信息，θ1i、θ2i和θ3i为反馈记忆部分的连接权；h1i、h2i和h3i为第二层神经元的输入，i为第二层神经元个数；和为第一层神经元的输出。和为第二层神经元的输出；
其中γi+γj+γk＝1，且γijk∈[0，1]为补偿算子。qij为第二层神经元到第三层神经元的连接权。为第三层神经元的输出。j为连接权数，k为第三层神经元数。
第五层结果输出层：
其中，R为模糊规则数，o(4)为第四层神经元的模糊推理结果，为网络第一层的神经元到第四层的神经元的运算结果，为记忆反馈***t时刻以前的(t-1)时刻的信息。α、β和均为大于0的可调参数，使活化双曲正切函数具有自适应性，(m1i，σ1i，θ1i)、(m2i，σ2i，θ2i)、(m3i，σ3i，θ3i)、(γi，γj，γk，γijk)和sk都为自整定参数，使同一个输入在不同时刻将有不同的输出。
mi，j(t+1)＝mi，j(t)+ηmΔmi，j(t+1) (21a)
σi，j(t+1)＝σi，j(t)+ησΔσi，j(t+1) (21b)
θi，j(t+1)＝θi，j(t)+ηθΔθi，j(t+1) (21c)
si，j(t+1)＝si，j(t)+ηsΔsi，j(t+1) (21d)
式中ηm，ησ，ηθ和ηs的取值均为[-1，1]，分别是高斯函数中心mi，j、基宽σi，j、反馈连接权θi，j和网络连接权sk的学习速率。
(三)信号特征HHT(Hilbert Huang Tranform，希尔伯特黄变换)分析模块
信号特征HHT分析模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于分析被测电力***三相电压和三相电流特征，显示并预测被测信号的变化趋势；其具体运行过程包括以下两步：
(1)采集被测电力***的数据点；其中，采样频率高于200个/秒；采集时间多于30秒，即共采集数据点大于6000个；
(2)对采集到的数据进行HHT变换分析，具体包括：
1)首先将采集的数据进行经验模态分解(EMD，Empirical Mode Decomposition)，分解为9个本证模函数IMF(Intrinsic Mode Function)，分别用IMF1、IMF2……IMF9表示；其中，各个所述本证模函数均包含原信号不同时间尺度的局部特征信号；
2)显示各阶IMF曲线和HHT谱图；
3)计算各阶IMF的平均频率和能量分布，得到能量分布图；
4)根据所述能量分布图和所述HHT谱图分析被测信号的特征，预测被测信号的变化趋势。
本模块具体算法示例如下：
其中，x(t)为正弦交流电函数，t为时间变量，τ为时间微分，P为柯西主值，x(t)与y(t)形成一个复共轭z(t)。
z(t)＝x(t)+iy(t)＝a(t)eiθ(t) (7)
HHT提供了一个独特的定义幅度与相位函数，强调x(t)的局部特性。
经验模态分解(EMD)(Empirical Mode Decomposition)：
首先获得信号x(t)的所有极值点，将所有的局部最大值用三次样条插值函数形成信号的上包络，同理将所有的局部最小值用三次样条插值函数形成信号的下包络，上下包络应覆盖所有的数据点，其均值记作m1，从原信号数据中减去m1得到第一个分量h1，即一个IMF函数：
x(t)-m1＝h1 (8)
把h1看作待处理数据，其包络均值为m11，则有
h1-m11＝h11 (9)
该过程重复k次，则有
h1(k-1)-m1k＝h1k (10)
直到h1k满足IMF条件为止，从原信号中分解出第一个IMF分量，记作：
c1＝h1k (11)
为了保证IMF分量的频率调制和幅度调制都有意义，确定上述过程的停止标准为计算连续两个过程结果的标准差ε：
ε上限值取为0.2～0.3，用以控制上述进行次数，使得IMF分量保留原始信号中幅度调制的信息。根据这个停止标准结束上述过程后，得到第一个IMF分量，c1为原始信号中的最高频率分量，从原信号中分离出c1得到残余信号r1：
x(t)-c1＝r1 (13)
r1仍包含原始信号中的频率信息，将其作为新的信号重复上述过程，得到第二个IMF分量c2，以此类推：
当最后得到的IMF分量cn或残余信号rn的值非常小，小于预先设定值，或者最后的残余信号rn为单调函数，整个分解过程结束，则原始信号可表示为：
最后，原始信号被分解为n个IMF分量和一个残余量rn，该分解过程基于信号局部特征，具有经验和自适应特性，分解得到的IMF分量都是平稳的，因此，HHT能够反映真实的物理过程。
由此可见，本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪由两部分组成：
(1)硬件部分包括19英寸笔记本电脑、以太网高速同步数据采集终端、USB高速同步数据采集终端、稳压电源、三相交流电流变送器、三相交流电压变送器、冷却风扇、数据线、接口、插座、电源线和箱体组成；
互感器部分包括六个开合式电流互感器、六个电压互感器、接线；互感器部分不是必须配备的，可以利用船舶电力***现有的互感器。对于弱电信号，
可以直接输入便携式船舶电站检测专家分析仪。
(2)软件部分包括Windows***、NI采集模块硬件平台、MATLAB和LABVIEW软件平台、自开发的船舶电站检测与信号处理模块、自开发的船舶电站动态递归模糊神经网络故障预报模块、自开发的船舶电站信号特征HHT分析模块，这些模块均在19英寸笔记本电脑上运行。
其工作过程为：电压互感器与开合式电流互感器直接测量船舶电站***，获得100V交流线电压和5A交流线电流，分别经过电压变送器和电流变送器，被处理成AC0-5V的标准交流电压信号输入高速同步数据采集终端模块；同时，船舶电站控制与监测***的弱电信号，包括1-5V电压信号、4-20mA电流信号、5V电平的开关量信号，可直接送入高速同步数据采集终端模块。然后利用Labview软件的信号处理功能，将采集的信号进行滤波与谐波处理、运算与变换、显示与绘图。
详细操作过程如下：
(1)送单相交流电220VAC50Hz给便携式船舶电站检测专家分析仪，笔记本电脑开机，然后点击显示屏桌面上“船舶电站监控分析专家***.exe”执行文件的快捷方式，进入“便携式船舶电站检测专家分析仪”设置界面，包括传感器变比、输入信号通道选择，配置完成后，进入操作主界面。
(2)操作主界面显示直观信息，分为主发电机基本信息显示模块、专家分析功能模块、采样状态模块、神经网络预报模块、希尔伯特黄(HHT)分析模块，还有重新开始和提示信息框。
(3)外部连线：电压互感器、开合式电流互感器分别接入被测电路，也可直接利用被测电路的互感器，互感器的输出经航空插头接入“便携式船舶电站检测专家分析仪”的接口C、D或F、G。其他弱电信号可经M或N插头直接输入。
(4)首先进入信号检测和分析模块：显示三相电压、三相电流的向量图，相序鉴别、实时曲线，正序、负序和零序，有效值，功率、功率因素、阻抗等。
(5)进入专家分析功能模块：被测信号的谐波分析、信号变换分析、故障诊断分析、报警信息、故障记录等内容。
(6)进入神经网络预报分析界面：船舶电站正常情况下，神经网络输出值在0附近；神经网络输出值大于0，表明电压偏高，若大于0.1时，预测结果为电压高；神经网络输出值小于0时，表明电压不平衡度大；若小于-0.1时，预测结果为电压低；神经网络输出值在-0.7附近时，表示电压缺相。
(7)进入HHT分析界面：显示被测信号的9个本证模函数IMF1～IMF9，显示被测信号的低频段、中频段和高频段能量分布，显示被测信号的能量谱图。IMF1～IMF9曲线形状、能量谱图颜色变化，都与被测信号变化相关，尤其是随着被测信号的大小和频率变化最明显，由此可判断出信号的变化特征。
综上所述，本发明提供的便携式船舶电站检测专家分析仪，具有以下优点：
(1)本发明针对船舶电站独特设计的便携式船舶电站检测专家分析仪，采用模块化结构、可并行检测，以一种紧凑可靠的组合结构将各种模块、数据总线、数据处理和数据存储集成在一起，为数据分析、搜索、数据整合、报告生成和***维护带来便利。以“更小的功率、尺寸、成本”提供“更大的功能、带宽、动态范围”，这对船舶电力***检测技术发展具有重要意义。
(2)本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪具有便携性、开放性、可扩展性、易修改性优点；具有足够灵活以支持多个船舶电气设备的并行检测，通过检测发现缺陷及收集数据，从而完善船舶电力***的功能流程和管理经验，通过算法嵌入和最佳检测方法提高船舶电力***诊断效率并降低维修成本。
(3)本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪，并行测量多样性，具有不同类型I/O多个模块，能处理多种多样的信号类型和电压范围，所处理的信号类型包括模拟量、开关量、0-5V和4-20mA；测量范围宽：可直接输入经互感器转换后的强电信号，可直接输入弱电信号，也可强电和弱电信号混合输入。灵活性高，配置USB和以太网，能与多种总线的仪器进行通讯，便于构建分布式检测分析网络。由此可见，分析仪能处理多种信号类型，测量范围宽，具有开放性、可扩展性、易修改性和测量多样性的优点。
(4)本发明设计的便携式船舶电站检测专家分析仪，使用寿命长，能长期工作并可用成熟的部件替换升级。具有模块化和可扩展结构，在不改变机箱尺寸情况下，使得在***中添加新的测量功能变得十分简单，并降低成本。
(5)本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪，运行Windows操作***，选择NI核心硬件平台和Labview、Matlab为核心的软件平台，共享处理器、嵌入模块化I/O、带有共享电源和定时/同步功能机箱，通用性和易修改性强。
(6)本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪独特设计了软件，按预定义流程快速持续地执行一系列的检测，检测执行程序可处理通用操作，无需为多个设备编写相同的代码，节省开发时间。当有少量变动时，使用条件语句对检测内容进行选择或限制使用；若变动增多时，应使用新的检测序列。清理环节包括断电或恢复分析仪、固定设置和待测设备至开始状态，让分析仪保持在一个已知的状态下。无论主程序成功执行完毕还是出现了运行错误，都会自动跳转到清理部分，执行清理程序。清理步骤会在一些设置步骤不运行时就执行，若清理步骤出现运行错误，程序会继续下一个清理步骤。
(7)本发明将信号采集处理后直接得出决策信息，可方便、快速和准确地确定故障性质和原因，节省维修时间，降低对维修人员的专业要求，方便故障分析。具有知识更新功能的专家***数据库将越来越丰富，通过实际应用对船舶轮机员、电子电气员进行业务指导和高端培训。
(8)本发明的硬件已加快了数据采集速率，突破了速率和分辨率的障碍，具有开放性、可扩展性、易修改性、测量多样性和使用通用性的优点。采集信号中硬件不再是限制因素，对所采集到的数据进行分析挖掘、预报和有效管理才是“便携式船舶电站检测专家分析仪”的高附加值。
(9)本发明的便携式船舶电站检测专家分析仪，成本为7.3万元￥，用于船舶电站及自动化***维修保养，减少船舶电站***故障，缩短故障排除时间。船舶电站配电装置及其自动化***出现故障，用现有的万用表难以查出故障，需要请相关服务工程师上船给予解决，一次费用约在10万元￥以上；如果船舶电站故障影响船舶营运，尤其是集装箱船上的冷箱需要船舶电站提供电力，那么船舶电站故障导致的船期损失或货物损失约50万元￥以上。因此，船上配备“便携式船舶电站检测专家分析仪”，一年即可收回成本。
(10)本发明针对船舶电站独特设计的便携式船舶电站检测专家分析仪尚未出现，本发明填补这一技术上的空白。
(11)本发明的社会意义和经济效益极大，为持续工作几十年的检测***更新升级变得非常简单，具有重要现实意义和推广价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，包括：主机(1)、以太网高速同步数据采集终端(4)、USB高速同步数据采集终端(5)、稳压电源(6)、第1三单相交流电流变送器(7.1)、第1三相交流电压变送器(8.1)、第2三单相交流电流变送器(7.2)和三单相交流电压变送器(8.2)；所述主机(1)通过以太网通讯线(2)与所述以太网高速同步数据采集终端(4)连接，所述主机(1)通过USB数据线(3)与所述USB高速同步数据采集终端(5)连接；所述稳压电源(6)分别与所述主机(1)、所述以太网高速同步数据采集终端(4)、所述USB高速同步数据采集终端(5)、所述第1三单相交流电流变送器(7.1)、所述第1三相交流电压变送器(8.1)、所述第2三单相交流电流变送器(7.2)和所述三单相交流电压变送器(8.2)电连接；
所述以太网高速同步数据采集终端(4)配置有三个采样接口，分别为第1采样接口、第2采样接口和第3采样接口；其中，所述第1采样接口通过第1模拟与数字信号线(15.1)与第1弱电信号直接输入接口M连接；所述第2采样接口通过所述第1三单相交流电流变送器(7.1)与第1变送器输入航空插头F连接；所述第3采样接口通过所述第1三相交流电压变送器(8.1)与第2变送器输入航空插头G连接；其中，所述第1变送器输入航空插头F用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第2变送器输入航空插头G用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号；
所述USB高速同步数据采集终端(5)配置有三个采样接口，分别为第4采样接口、第5采样接口和第6采样接口；其中，所述第4采样接口通过第2模拟与数字信号线(15.2)与第2弱电信号直接输入接口N连接；所述第5采样接口通过所述第2三单相交流电流变送器(7.2)与第3变送器输入航空插头C连接；所述第6采样接口通过所述三单相交流电压变送器(8.2)与第4变送器输入航空插头D连接；其中，所述第3变送器输入航空插头C用于与电流互感器连接，接收所述电流互感器输出的交流电流信号；所述第4变送器输入航空插头D用于与电压互感器连接，接收所述电压互感器输出的交流电压信号；
所述主机(1)配置有检测与信号处理模块、动态递归模糊神经网络故障预报模块以及信号特征HHT分析模块；所述检测与信号处理模块、所述动态递归模糊神经网络故障预报模块以及所述信号特征HHT分析模块共同对信号进行处理，得到被测电力***的运行状态和故障信息；
所述动态递归模糊神经网络故障预报模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于预报故障发生趋势；其中，动态递归模糊神经网络包括输入层、回归层和输出层；所述输入层的神经元为双极性线性函数，输入层神经元的个数为3个，分别对应被测电力***的三相电压信号；所述回归层的神经元个数为9个，其结构能记忆前一时刻的适度值，学习算法采用梯度下降法，使参数沿着负梯度方向学习，以价值函数最小化为目标；所述输出层的神经元为阈值型函数，输出层神经元为一个，用于输出实时趋势曲线，预测三相电压趋势，预报结果包括三相电压正常、三相电压偏离、电源电压高、电源电压过高、电源电压低、电源电压过低；
动态递归模糊神经网络具体算法示例如下：
第一层输入层：其中VR、VS和VT为被测三相电压；表示第一层三个神经元对应的三个输入，上标(1)表示第一层；
第二层模糊化层：
其中，上标(2)表示第二层，(m1i,σ1i)、(m2i,σ2)和(m3i,σ3i)分别是高斯隶属函数的中心和基宽，和分别为记忆反馈***以前的信息，θ1i、θ2i和θ3i为反馈记忆部分的连接权；h1i、h2i和h3i为第二层神经元的输入，i为第二层神经元个数；和为第一层神经元的输出；和为第二层神经元的输出；
第三层if-then模糊规则运算层：
其中γi+γj+γk＝1，且γijk∈[0,1]为补偿算子；qij为第二层神经元到第三层神经元的连接权；为第三层神经元的输出；j为连接权数，k为第三层神经元数；
第四层为推理层：
由输入u(1)到第k的输出为：
其中，
第五层结果输出层：
其中，R为模糊规则数，o(4)为第四层神经元的模糊推理结果，为网络第一层的神经元到第四层的神经元的运算结果，为记忆反馈***t时刻以前的(t-1)时刻的信息；α、β和均为大于0的可调参数，使活化双曲正切函数具有自适应性，(m1i,σ1i,θ1i)、(m2i,σ2i,θ2i)、(m3i,σ3i,θ3i)、(γi,γj,γk,γijk)和sk都为自整定参数，使同一个输入在不同时刻将有不同的输出；
mi,j(t+1)＝mi,j(t)+ηmΔmi,j(t+1) (21a)
σi,j(t+1)＝σi,j(t)+ησΔσi,j(t+1) (21b)
θi,j(t+1)＝θi,j(t)+ηθΔθi,j(t+1) (21c)
si,j(t+1)＝si,j(t)+ηsΔsi,j(t+1) (21d)
式中ηm，ησ，ηθ和ηs的取值均为[-1,1]，分别是高斯函数中心mi,j、基宽σi,j、反馈连接权θi,j和网络连接权sk的学习速率。
2.根据权利要求1所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，所述第1三相交流电压变送器(8.1)的输出端接至所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIn点，所述第1三相交流电压变送器(8.1)的GND点与所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIGND点和所述稳压电源(6)的GND点连接；
所述三单相交流电压变送器(8.2)的输出端接至所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIn点，所述三单相交流电压变送器(8.2)的GND点与所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接。
3.根据权利要求1所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，所述第1三单相交流电流变送器(7.1)的输出端接至所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIn点，所述第1三单相交流电流变送器(7.1)的GND点与所述以太网高速同步数据采集终端(4)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接；
所述第2三单相交流电流变送器(7.2)的输出端接至所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIn点，所述第2三单相交流电流变送器(7.2)的GND点与所述USB高速同步数据采集终端(5)的AIGND和所述稳压电源(6)的GND点连接。
4.根据权利要求1所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，还包括机箱(14)；所述机箱(14)内部分为两层，上层用于放置所述主机(1)；下层用于放置所述以太网高速同步数据采集终端(4)、所述USB高速同步数据采集终端(5)、所述稳压电源(6)、所述第1三单相交流电流变送器(7.1)、所述第1三相交流电压变送器(8.1)、所述第2三单相交流电流变送器(7.2)和所述三单相交流电压变送器(8.2)。
5.根据权利要求4所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，还包括冷却风扇(11)；所述冷却风扇(11)安装在所述机箱(14)的背面进气孔内；在所述机箱(14)的两个侧面分别设置有散热孔。
6.根据权利要求1所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，所述检测与信号处理模块用于：
接收被测电力***的模拟或数字形式的三相电压和三相电流信号，利用Labview编程和组态操作界面，捕捉所述三相电压和三相电流信号的突变信号、脉冲信号、瞬变信号和跳频信号；
计算并显示被测电力***的运行参数，所述运行参数包括：电压和电流有效值、Y型电压和电流值、Δ型电压和电流值、频率、有功/无功/视在功率、相位角、角速度、功率因数、阻抗和相序；
对所述三相电压和三相电流信号进行电压电流谐波分析、傅里叶分析和小波分析，并显示谐波分析结果、傅里叶分析和小波分析结果；
绘制电压电流向量图，并显示绘制得到的电压电流向量图；
还显示采样数、采样率、采样模式和实时趋势曲线图。
7.根据权利要求1所述的便携式船舶电站检测专家分析仪，其特征在于，所述信号特征HHT分析模块由MATLAB编程并由Labview调用运行，用于分析被测电力***三相电压和三相电流特征，显示并预测被测信号的变化趋势；其具体运行过程包括以下两步：
(1)采集被测电力***的数据点；其中，采样频率高于200个/秒；采集时间多于30秒，即共采集数据点大于6000个；
(2)对采集到的数据进行HHT变换分析，具体包括：
1)首先将采集的数据进行经验模态分解，分解为9个本证模函数IMF，分别用IMF1、IMF2‥‥‥IMF9表示；其中，各个所述本证模函数均包含原信号不同时间尺度的局部特征信号；
2)显示各阶IMF曲线和HHT谱图；
3)计算各阶IMF的平均频率和能量分布，得到能量分布图；
4)根据所述能量分布图和所述HHT谱图分析被测信号的特征，预测被测信号的变化趋势。
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