УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
DEVICE AND CONTROL METHOD OF ELECTRICAL POWER NETWORK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству контроля электрической сети для обнаружения повреждений или первых признаков неисправностей в электрической сети.
УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ ПРЕДЫДУЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Электрическая сеть позволяет доставить электрическую энергию к различным электрическим нагрузкам и включает в себя обычные средства защиты против короткого замыкания, перегрузки или других неисправностей.
Обычные средства защиты позволяют избежать полной деградации сети и эффективны, когда дефекты являются энергетическими, такими как короткое замыкание, непрерывными и прогрессивными, как перегрузки, точечными, но с широкими изменениями тока и напряжения, или повторяющимися во времени.
Однако обычные средства не очень эффективны против малозаметных, нестационарных и мало энергетических повреждений и их первые признаки.
Тем не менее в силу их сложно обнаруживаемых признаков эти повреждения, которые принадлежат к семейству электрических разрядов (например, первые признаки пробоя электрической дуги, импульс Тришеля, кистевой разряд, и т.д.), могут повредить проводку электрической сети.
Повреждения, вызванные электрическими разрядами, как правило, хорошо известны, но еще и по сей день очень плохо обнаруживаются и их последствия трудно диагностируются.
В настоящее время существуют методики обнаружения, заключающиеся в измерении электрических сигналов и обработке этих сигналов по времени и по частоте. Тем не менее этот вид обнаружения имеет тот недостаток, что не очень надежен, и особенно в случае обнаружения начала дуг или электрической дуги. Кроме того, этот метод обнаружения требует несколько подтверждений, что увеличивает время обнаружения и не позволяет локализовать неисправность.
Есть и другие методики обнаружения, основанные на принципе рефлектометрии, который предполагает введение напряжения в сеть и анализ отражения, вызванного возможным повреждением, для того, чтобы локализовать неисправность.
Тем не менее введение напряжения на линии требует управления сопротивлением линии, соединения с линией, соблюдения расстояния до точки заземления и т.д., что имеет следствием сложность осуществления. Кроме того, рефлектометрия не подходит для использования в определенных типах сетей.
Кроме того, различные современные методики не являются исчерпывающими для обнаружения повреждений в любом типе сети, которая может быть переменной, постоянной или раздельной.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа для контроля простого для осуществления, способного обнаружить и быстро и надежно локализовать повреждения в электрической сети любого типа без введения сигналов в упомянутую сеть.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение определяется устройством контроля электрической сети, содержащим:
- средства обнаружения электрических сигналов и дополнительных сигналов, создаваемых в электрической сети, дополнительные сигналы имеют физическую природу, отличную от электрических сигналов,
- средства обработки упомянутых электрических сигналов для определения первого временного ориентира, представляющего момент обнаружения электрических сигналов, испускаемых, когда событие неисправности произошло в электрической сети,
- средства обработки упомянутых дополнительных сигналов для определения второго временного ориентира, представляющего момент обнаружения дополнительных сигналов, испускаемых, когда упомянутое событие неисправности произошло в электрической сети, и
- средства обработки для определения пространственной локализации упомянутого события неисправности в электрической сети в зависимости от первого и второго временных ориентиров.
Таким образом, устройство в соответствии с изобретением реализует простой способ, без подачи сигнала в контролируемую сеть, не интрузивного обнаружения электрических и дополнительных сигналов для того, чтобы осуществить всесторонний анализ неисправности путем связывания данных, полученных из электрических сигналов, создаваемых электрической неисправностью (первыми признаками дуговых разрядов, дуговыми разрядами, аварийными электрическими дугами и частичными разрядами), с данными, полученными из дополнительных сигналов, создаваемых одновременно той же самой неисправностью электрической цепи. Это позволяет надежно обнаруживать и довольно точно определять пространственную локализацию неисправности в сети (которая может быть переменной, постоянной или раздельной) без прерывания работы электрической сети.
Преимущественно, упомянутые средства обработки сконфигурированы для определения первого и второго временных ориентиров, применяя анализ обработки сигнала к упомянутым электрическим сигналам и упомянутым дополнительным сигналам соответственно, упомянутый анализ обработки выбирается из следующих технологий обработки: обработка вейвлет-преобразованием, обработка Фурье и обработка Вигнера-Вилле.
Все эти анализы, так же как и другие техники обработки могут быть применены к электрическим и дополнительным сигналам. В частности, анализ вейвлет-преобразованием очень приспособлен для простого и точного распознавания сигнатуры неисправности, имеющей скрытый и/или нелинейный характер, такой как, например, электрический разряд.
Преимущественно, упомянутые средства обработки сконфигурированы для применения анализов с помощью дискретного вейвлет-преобразования.
Дискретное преобразование обеспечивает быстрое надежное восстановление сигнала, избегая при этом дублирования информации при кодировании, таким образом, позволяя свести к минимуму пространство для резервного копирования и объем памяти.
Преимущественно, упомянутые средства обработки сконфигурированы для осуществления картографии, идентифицирующей локализацию нормальных нелинейных нагрузок в упомянутой электрической сети и для распознавания события фактической неисправности по отношению к событию, вызванному нормальной нелинейной нагрузкой, идентифицированной в упомянутой картографии.
Это позволяет избежать риска несвоевременного разрыва сети.
Преимущественно, упомянутые средства обработки сконфигурированы для определения значений, относящихся к численным коэффициентам неисправности, сравнения упомянутых значений с критическими порогами, и вызывания немедленного отключения, когда одно из упомянутых значений превышает критический порог.
Это позволяет количественно оценить критичность неисправности в целях поддержания непрерывности службы электрической сети, когда обнаруживаются первые некритические признаки неисправности, определяя момент, когда неисправность достигнет порога опасности, требующего немедленного отключения неисправной цепи.
Преимущественно, упомянутые средства обработки сконфигурированы для записи совокупности случаев неисправностей.
Это позволяет оценить деградацию сети с течением времени.
В соответствии с особенностью настоящего изобретения, средства обнаружения включают в себя первые средства обнаружения упомянутых электрических сигналов и вторые средства обнаружения упомянутых дополнительных сигналов, упомянутые первые и вторые средства обнаружения установлены в одном и том же географическом местоположении на входе электрической сети.
Преимущественно, упомянутые дополнительные сигналы являются механическими волновыми сигналами.
Это позволяет определение координат события неисправности с очень большой точностью. Следует отметить, что точность определения местоположения неисправности прямо пропорциональна разности скоростей распространения электрических и механических сигналов и распространение механических волн значительно медленней, чем распространение электрических сигналов.
Изобретение также относится к электрической сети в летательном аппарате, включающей в себя устройство контроля по любой из предыдущих характеристик. Следует отметить, что изобретение применимо ко всем электрическим сетям (зданий, кораблей, поездов, автомобилей, летательных аппаратов и т.д.).
Изобретение также относится к способу контроля электрической сети, включающему в себя этапы:
- обнаружение электрических сигналов и дополнительных сигналов, создаваемых в электрической сети, физическая природа дополнительных сигналов отлична от природы электрических сигналов,
- обработки упомянутых электрических сигналов для определения первого временного ориентира, представляющего момент обнаружения дополнительных сигналов, испускаемых во время события неисправности, произошедшего в электрической сети,
- обработка упомянутых дополнительных сигналов для определения второго временного ориентира, представляющего момент обнаружения дополнительных сигналов, испускаемых во время упомянутого события неисправности, произошедшего в электрической сети, и
- обработка для определения пространственной локализации упомянутого события неисправности в электрической сети в зависимости от упомянутых первого и второго временных ориентиров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при прочтении предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует устройство контроля электрической сети, в соответствии с изобретением;
Фиг. 2A-2C иллюстрируют различные этапы процесса вейвлет-анализа в соответствии с изобретением;
Фиг. 3 схематически иллюстрирует устройство контроля электрической сети в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 - блок-схема, иллюстрирующая обработку сигналов средствами обработки Фиг. 3 с использованием техники дискретного вейвлет-преобразования;
Фиг. 5A и 5B иллюстрируют примеры фильтров нижних частот и верхних частот, используемых в блок-схеме Фиг. 4;
Фиг. 6A-6C представляют собой графики, иллюстрирующие обнаружение события неисправности по электрическим и механическим сигналам, в соответствии с изобретением; и
Фиг. 7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую анализ развития неисправности, позволяющий количественно оценить ее опасность, в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Концепция, лежащая в основе изобретения, базируется на объединении анализа электрических сигналов, созданных неисправностью электрической сети, с анализом дополнительных сигналов отличной природы, созданных одной и той же электрической неисправностью.
Фиг. 1 схематически иллюстрирует устройство 1 контроля электрической сети 3 в соответствии с изобретением. Это устройство содержит средство 5 обнаружения и средства 7 обработки, как правило, включающее средства 9 ввода, вычислительные средства 11, средства 13 хранения и средства 15 вывода. В частности, средства 7 обработки могут быть использованы для выполнения компьютерной программы, записанной в средствах 13 хранения и включающей в себя инструкции для реализации способа контроля согласно изобретению.
Средства 5 обнаружения сконфигурированы для не интрузивного обнаружения, электрических сигналов S1 и дополнительных сигналов S2, произведенных в электрической сети 3, и скорости распространения которых известны. Дополнительные сигналы S2 имеют физическую природу, отличную от электрических сигналов S1, и могут быть звуковыми волнами, ультразвуковыми волнами, ударными волнами, световыми волнами, радиоволнами и т.д.
Более конкретно, средства 5 обнаружения включают в себя первые средства 51 обнаружения, для обнаружения электрических сигналов S1, и вторые средства 52 обнаружения, для обнаружения дополнительных сигналов S2. Первые и вторые средства 51, 52 обнаружения установлены в одном и том же географическом местоположении на входе электрической сети 3.
Средства 7 обработки сконфигурированы для обработки и анализа электрических S1 и дополнительных S2 сигналов, полученных с помощью средств 9 ввода из средств 5 обнаружения.
Прежде всего, средства 7 обработки и, в частности, вычислительное средство 11 сконфигурированы для определения первого временного ориентира t1, представляющего момент обнаружения электрических сигналов S1, испускаемых во время события неисправности E, произошедшего в электрической сети 3, так же, как и второго временного ориентира t2, представляющего время обнаружения дополнительных сигналов S2, испускаемых во время того же события неисправности E.
В самом деле, средство обработки 7 сконфигурировано так, чтобы применять частотно-временную технику обработки сигналов к электрическим сигналам S1 и к дополнительным сигналам S2 для того, чтобы распознать сигнатуру электрической неисправности E, признать подпись электрической неисправности E, которая обычно имеет скрытый и не линейный характер. Техника обработки сигналов может быть оконным анализом Фурье, анализом с помощью вейвлет-преобразования (непрерывного или дискретного) или анализом методом Вигнера-Вилле.
Оконный анализ Фурье является частотно-временным анализом сигнала, измеренного в сегментах, который позволяют обнаружить нестационарные явления. Однако анализ Фурье сохраняет фиксированное окно анализа и свертывает сигнал, который будет проанализирован, с помощью тестовых синусоидальных сигналов, и, следовательно, существует компромисс между обнаружением низкочастотных явлений и высокочастотных явлений.
Анализ с помощью вейвлет-преобразования позволяет сбалансированную пространственно-временную локализацию, которая не делает предпочтения области частот в ущерб другой, в целях получения баланса между локализацией во времени и частотной локализацией сигнала.
Основной принцип этого метода состоит в сжатии или растяжении всплесков, так чтобы они автоматически адаптировались к различным компонентам сигнала в соответствии с анализом, называемым кратномасштабным. Этот анализ использует узкое окно для определения переходных составляющих высоких частот и широкое окно для определения низкочастотных (или долговременных) компонентов.
В общем, вейвлет-преобразование заключается в создании, на основании материнского вейвлета ψ, семейства вейвлетов (или семейства функций) ψ (αχ+b), которые являются аффинными функциями, где a и b являются вещественными числами. Коэффициент α (называемый шкалой растяжения) используется для расширения (α>1) или сжатия (α<1) функции ψ, и член b (называемый коэффициентом сдвига) используется для сдвига.
Техника вейвлет-преобразования состоит в преобразовании сигнала f(t) в функцию C (a,b) от двух переменных, называемую " вейвлет-коэффициентом" следующим образом:
Фиг. 2A-2C иллюстрируют различные этапы процесса вейвлет-анализа.
Первый этап (Фиг. 2А) состоит в выборе вейвлета ψ и сравнении с частью сигнала f(t), начиная с того же начального момента времени, что и исходный сигнал.
Второй этап (Фиг. 2А) состоит в вычислении числа С, соответствующего вейвлет- коэффициенту. Чем больше коэффициент, тем больше сходство между интервалом сигнала и импульса. Вейвлет-коэффициенты можно интерпретировать как коэффициенты корреляции, если сигнал и вейвлет из единичной энергии. Таким образом, чем больше это отношение стремится к 1, тем более высокой будет вероятность обнаружения события неисправности.
Согласно примеру Фиг. 2A, C = 0,0102, но, конечно, значение коэффициента также зависит от формы и свойств вейвлета, которые выбраны (ортогональные, биортогональные, наклонные, не ортогональные, основание вейвлета, колебание вейвлета и т.д.).
Третий этап (Фиг. 2B) заключается в сдвиге вейвлета ψ вправо (то есть в смысле времени), потом повторяют первый и второй этапы, пока не охвачен весь сигнал.
Четвертый этап (Фиг. 2B) заключается в расширении или сжатии (в зависимости от используемого алгоритма) вейвлета, затем повторяются предыдущие этапы.
Пятый этап заключается в повторении предыдущих этапов для каждого масштаба растяжения.
Следует отметить, что в случае непрерывного преобразования можно сдвинуть и расширить вейвлет бесконечно (в пределах шага выборки машинных средств обработки), что имеет следствием наложение вейвлетов один на другой. Преимущество, что возникает при этом это то, что информация, кодируемая вейвлетом, будет также закодирована этими соседями. Это приводит к концепции избыточности информации (на практике непрерывное преобразование является избыточным с коэффициентом 10). Еще одним преимуществом является инвариантность сдвига и, следовательно, не нужно указывать исходную точку кодировки. Другими словами, коэффициенты не изменяются, если сдвинуть исходную точку, и, следовательно, легче анализировать данные и распознавать образы.
В отличие от этого в дискретном преобразовании не сдвигают и не расширяют вейвлет, кроме как в соответствии с дискретными значениями:
В этом случае коэффициенты расширения a и сдвига b основываются на степени 2, давая представление, что называют диадным. Это означает, что всплески дают представление с гораздо меньшей избыточностью информации, чем в непрерывном преобразовании. Избыточность информации зависит от структуры вейвлета, которая выбрана (ортогональная, биортогональная косая и т.д.).
Преимуществом, что вытекает из дискретного преобразования, является идеальная реконструкция сигнала, избегая при этом дублирования информации при кодировании. Поэтому получается выигрыш в пространстве для резервного копирования и объеме памяти.
В контексте обнаружения сигнала достаточно определить вейвлет - коэффициенты без необходимости восстановления сигнала на основании этих коэффициентов. Следует отметить, что для скорости обработки сигналов и оптимизации размера пространства для резервного копирования выгоднее выполнить дискретный анализ сигнала.
Таким образом, применяя, например, технику обработки с помощью дискретного вейвлет-преобразования, средства 7 обработки определяют первый и второй временные ориентиры t1 и t2, соответствующие соответственно моменту определения электрических сигналов и дополнительных сигналов от события неисправности E. В самом деле, временные ориентиры t1 и t2 соответствуют моментам вхождения очень высоких вейвлет-коэффициентов по отношению к электрическим S1 и дополнительным S2 сигналам.
Кроме того, средства 7 обработки сконфигурированы для пространственной локализации события неисправности в электрической сети 3 в соответствии с первым и вторым временными ориентирами t1 и t2.
В самом деле, зная скорости распространения электрических сигналов S1 и дополнительных сигналов S2, как и разницу во времени между моментами обнаружения t1 и t2, можно легко вывести координаты события неисправности E.
Преимущественно, средства 7 обработки дополнительно сконфигурированы для осуществления картографии электрической сети 3 для того, чтобы определить местоположение нелинейных нормальных нагрузок, имеющих сигнатуры, сходные с сигнатурами неисправностей, и для записи данных картографии в средства 13 хранения. Это позволяет средствам 7 обработки различать фактическое событие неисправности E по отношению к событию, вызванному нелинейной нагрузкой, определенной на картографии.
Кроме того, средства 7 обработки сконфигурированы для определения значений, соотносящихся к численным коэффициентам неисправности E, которыми могут быть ее длительность, ее мощность и ее продвижение в сети 3. Это позволяет средствам 7 обработки количественно оценить критичность неисправности путем сравнения каждого из этих значений с соответствующим критическим порогом. Таким образом, средства 7 обработки вызывают с помощью средств 15 вывода немедленное отключение сети 3, когда любое из этих значений превышает соответствующий порог. Однако, если критические пороги не достигнуты, неисправность и ее характеристики сохраняются в памяти в средствах 13 хранения, сохраняя сеть 3 действующей.
Следует отметить, что средства 7 обработки сконфигурированы для записи в память совокупности событий неисправностей и их характеристики для того, чтобы оценить деградацию сети 3 со временем.
На Фиг. 3 представлено устройство контроля электрической сети в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
Электрическая сеть 3 включает в себя источник питания 31, электрические нагрузки 33, по крайней мере, один предохранитель 35 и электрические кабели 37.
Устройство контроля 1 соединено с электрической сетью 3 и включает в себя средства 5 обнаружения и средства 7 обработки.
Как и прежде контроль основан на двойном обнаружении. Первое обнаружение относится к обнаружению электрических явлений путем измерения и анализа электрического тока S1a и напряжения S1b контролируемой линии. Второе обнаружение относится к обнаружению дополнительных сигналов S2a того же самого явления для того, чтобы иметь возможность подтвердить его обнаружение и определить их местоположение. Согласно этому варианту осуществления, дополнительные сигналы S2a являются механическими волновыми сигналами (или вибрациями) звукового или ультразвукового типа, которые имеют очень хорошее распространение в меди или в алюминии.
Действительно, создание электрической дуги, и это особенно верно в высокоэнергетических сетях, является источником акустических волн, которые могут иметь очень большие амплитуды. Амплитуда  акустических волн от электрической дуги задается следующей формулой:
W является энергией, рассеиваемой в дуге. Следует отметить, что при своем рождении электрическая дуга может создавать шум до 120 дБА.
Электрическая дуга или разряд E1, E2 является очень нелинейным явлением в начале, резкое изменение мощности вызывает передачу звукового шума с короткой и очень высокой амплитудой в проводнике кабеля. Скорость звука в меди составляет 3350 м/с при температуре 25°С, так что относительно легко определить момент и место, когда и где произойдет неисправность в электрической сети 3. Эта локализация является более точной, поскольку определение делается путем сочетания анализа электрических сигналов S1a, S1b и анализа звуковых или ультразвуковых сигналов S2a.
Таким образом, средства 5 обнаружения содержат первые средства 51а, 51b обнаружения электрических сигналов S1a, S1b и вторые средства 52а для обнаружения механических волновых сигналов S2a.
В частности, первые средства 51а, 51b обнаружения включают в себя средства измерения электрического тока 51а и средства для измерения электрического напряжения 51b и вторые средства обнаружения включают в себя средства 52а измерения механических вибраций. Различные измерительные средства 51а, 51b, 52а расположены на входе электрической сети 3 в одном и том же географическом месте. Измерительные средства могут быть, например, встроены в предохранитель 35 электрической сети 3.
Средства 51а измерения тока используют известную технологию (к примеру токовый шунт, токовый тор, и т.д.), адаптированную к природе электрической сети 3, которая может быть переменной, постоянной или раздельной. Измерение тока осуществляется на выходе из предохранителя 35 и в соответствии с пропускной способностью, которая может достигать нескольких сотен кГц.
Преимущественно, средства 51а-52а определения и 7 обработки устройства контроля может быть с автономным питанием с помощью средств 51а измерения тока в зависимости от тока, протекающего в линии 37.
Средства 51b измерения напряжения также используют технологию, соответствующую природе электрической сети 3 с пропускной способностью, которая может доходить до нескольких сотен кГц. Средства 51b измерения напряжения также установлены на выходе предохранителя 35 и как можно ближе к средствам 51a измерения тока.
Средства 52а измерения механической вибрации тоже географически установлены как можно ближе к средствам 51b измерения напряжения и 51a измерения тока и на выходе предохранителя 35, чтобы точно локализовать место неисправности.
Средства 52а измерения механической вибрации имеют пропускную способность до нескольких сотен кГц и могут включать в себя усилители и элементы микрофонного, пьезоэлектрического или акселерометрического типа.
Преимущественно, измерение механической вибрации проводят на сердечнике проводника так, как именно здесь затухание колебаний минимально в сравнении с измерением, произведенным на изоляторе.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления, средства обнаружения включают в себя вторые средства 52b измерения механической вибрации, размещенные на линии обратного тока для конкретной контролируемой линии и как можно ближе к предохранителю 35. Это позволяет повысить точность пространственной локализации события неисправности и определить ее характер.
Для неисправности E1 параллельного типа, сигнатура механической вибрации, улавливаемая двумя средствами 52а, 52b измерения механических вибраций, будет аналогичной. Тем не менее для неисправности E2 серийного типа, сигнатура от двух средств 52а, 52b измерения механической вибрации будет так, как механические вибрации должны пройти через нагрузку 33 к одному из двух средств 52а, 52b измерения. В этом случае нужно принять во внимание эффекты искажения, ослабления и/или задержки получения на более удаленных от неисправности E2 средствах измерения.
Кроме того, средства 7 обработки включают в себя вычислительные средства, средства 13 хранения, средства 9 ввода, подключенные к аналогово/цифровым преобразователям 21 «CAN», связывающим различные средства 51A-52b измерения, и средства 15 вывода, подключенные к периферийным устройствам вывода наподобие экранов, сигнализаций, предохранителей и/или принтеров (не показаны).
Следует отметить что, когда измерение механических вибраций осуществляется на сердечнике проводника, средства 52а, 52b измерения вибрации гальванически изолированы от средств 7 обработки оптическими волокнами 23, опто-парами, изолирующими трансформаторами и т.д. В этом случае CAN 21а, подключенный к средствам 52а, 52b измерения механических вибраций, установлен на стороне последних для того, чтобы гальваническая изоляция могла быть хорошо реализована.
Фиг. 4 является блок-схемой, иллюстрирующей обработку сигналов средствами обработки с Фиг. 3 в соответствии с техникой дискретного вейвлет-преобразования.
Средство 7 обработки сконфигурировано для непрерывного анализа с помощью дискретного вейвлет-преобразования электрических S1a, S1b и механических S2a, S2b сигналов, распространяющихся посредством электрической сети 3.
Блок B1 соответствует получению электрических сигналов S1a, S2b. В частности, B1a соответствует получению электрического тока S1a, а блок B1b соответствует получению электрического напряжения S1b.
Блок B2 соответствует получению механических сигналов S2a, S2b. Следует отметить, что по соображениям синхронности анализа, получение электрических S1a, S2b и механических S2a, S2b сигналов делается с той же самой разверткой и, следовательно, с той же самой частотой дискретизации.
Различные сигналы тока S1a, напряжения S1b и механических волн S2a, S2b соответственно раскладываются в блоках B3a, B3b и B3c. Для простоты, зная, что принцип разложения является одинаковым для всех трех сигналов, подробно описан только блок B3a.
Используют, к примеру, технику кратномасштабирования, известную специалистам в данной области, и которая обеспечивает простое и быстрое разложение сигнала на компоненты в различных масштабах. На каждом этапе фильтруют с фильтром низких частот (блоки B31a и B33a) для получения коэффициентов аппроксимации и с фильтром верхних частот (блоки B32A и B34a) для получения коэффициентов детализации, а затем сокращают результат на выходе фильтра. Другими словами, отбирают пробу из двух на выходе каждого фильтра.
Выбор фильтров верхних частот и нижних частот зависит от сигнатур сигналов, которые хотят обнаружить. Например, фильтр низких частот может быть связан с функцией масштабирования (типа Добеши 3), показанной на фиг. 5A, которая дает грубое изображение сигнала, тогда как фильтр верхних частот может быть связан с материнским вейвлетом (типа Добеши 3), показанным на фиг. 5В, который кодирует данные.
Таким образом, начальный сигнал S1a вначале фильтруется первыми фильтрами нижних частот (блок B31a) и верхних частот (блок B32A). Сигнал на выходе одного из двух первых фильтров сохраняется для анализа, в то время как сигнал на выходе другого фильтра снова фильтруется вторыми фильтрами низких частот (блок B33a) и высоких частот (блок B34a). Этот процесс повторяется заданное число раз для разложения сигнала в последовательность компонентов в различных масштабах. Эти компоненты затем анализируются для обнаружения возникновения неисправностей.
В самом деле, на выходе из фильтров, можно получить вейвлет коэффициенты для разных масштабов частот. Эти коэффициенты могут быть представлены на графике типа скалограммы (блоки B4a и B4b). В соответствии с алгоритмом корреляции вейвлет-преобразования и в зависимости от типа вейвлета, чем ближе этот коэффициент приближается к 1, тем выше будет вероятность обнаружения возникновения неисправности. Очень высокие коэффициенты электрического напряжения и/или тока (блок B4a) служат временным ориентиром существования неисправности, определяя таким образом момент t1 (блок B5a). Следует отметить, что событие неисправности E обнаруживается одновременно на графиках, относящихся к току и к напряжению.
В блоке B3c можно также использовать технику кратномасштабирования для разложения сигнала S2a или S2B механических волн на их компоненты в различных масштабах. Кроме того, наличие высоких вейвлет-коэффициентов на графике типа скалограммы (блок B4b) определяет время t2 (блок B5b), зная, что механический сигнал имеет более медленное распространение в направлении средств измерения.
Например, Фиг. 6А-6С являются графиками, иллюстрирующими обнаружение события неисправности E по электрическим S1a, S1b и механическим S2a, S2b сигналам.
В частности, фиг. 6А иллюстрирует электрический сигнал (ток S1a или напряжение S1b), а Фиг. 6В и 6С иллюстрируют первый и второй механические S2a, S2b сигналы (например, сигналы звуковых волн) относительно первого и второго средств механических обнаружений 52а, 52b (например, первый и второй микрофоны).
Делая вейвлет-анализ с к примеру программным обеспечением типа Matlab, получают скалограммы (не показаны), на которых можно легко определить наиболее высокие вейвлет-коэффициенты, представляющие возникновение неисправностей. Момент времени t обозначает начало обнаружения неисправности по электрическому сигналу S1, а момент времени t2 обозначает начало обнаружения той же самой неисправности по механическому сигналу S2b одного из средств механического обнаружений.
Кроме того, задержка получения t3-t2 механической сигнатуры события неисправности между двумя средствами 52а, 52b механических обнаружений позволяет повысить точность пространственной локализации неисправности.
В блоке В6 вычислительные средства определяют разницу во времени At=t2-t1 между прибытием электрических S1 и механических S2b сигналов. Это время At используется на следующем этапе для выведения на каком расстоянии от средств обнаружения произошла неисправность.
В самом деле, в блоке В7 вычислительные средства 11 определяют пространственную локализацию дефекта Е. Расстояние D неисправности по отношению к средствам 51а-52b обнаружения может быть определено в зависимости от задержки At и скоростей распространения v1 и v2 электрических и механических волн с помощью следующего отношения:
Следует отметить, что скорость v2 распространения механической волны в меди или других проводящих металлах происходит очень медленно (обычно 3570 м/с в меди) по сравнению со скоростью распространения электрических волн v1 (обычно 273000000 м/с в меди). Таким образом, расстояние D может быть рассчитано с высокой точностью простым умножением скорости распространения v2 механической волны на время запаздывания At. Время обнаружения события неисправности Е конечно, зависит от расстояния и скорости распространения механической волны. Например, обнаружение неисправности E в 10м от средств 51а-52b обнаружения должно занять менее 3 мс.
Наконец, в блоке В8 средства 7 обработки выдают, с помощью средств 15 вывода, временные частотные и пространственные координаты события неисправности E.
Следует отметить, что метод обнаружения в соответствии с изобретением является надежным и демонстрирует преимущество распознавания сигнатур сигналов нагрузок, которые связаны с сетью 3, но могут иметь нелинейный характер, и позволяет избежать таким образом риска неожиданного и, особенно, беспричинного отключения сети 3.
Действительно, с самого начала после размещения прибора мониторинга 1 как можно ближе к управляющему или защитному средству (предохранитель 35), прибор может непрерывно осуществлять картографию электрической сети 3, которую он защищает, и определять местоположение нагрузок, имеющих электрические и механические сигнатуры, сходные с первыми признаками неисправности, которую стремятся обнаружить.
Таким образом, благодаря задержке между электрическими S1 и механическими S2 сигналами в течение всего времени работы, устройство контроля 1 определяет районы с нелинейными нагрузками. Это позволяет устройству контроля 1, разделить функционирование нелинейной нормальной нагрузки от события неисправности, поскольку нагрузка вызывает повторяющиеся и периодические сигналы без изменения положения в сети 3 и без сопутствующих механических явлений. В то время, как неисправность генерирует скрытые, апериодические и переменные в плане энергии и локализации в электрической сети 3 сигналы, в сочетании с характерными механическими явлениями.
Кроме того, метод обнаружения в соответствии с изобретением позволяет по соображениям непрерывности службы некоторых электрических сетей обеспечить максимальную поддержку последней несмотря на первые признаки неисправности, которые могут существовать во время их использования.
В самом деле, Фиг. 7 является блок-схемой, иллюстрирующей анализ развития неисправности, с целью количественной оценки опасности присутствия неисправности.
Это может быть достигнуто путем сопоставления ряда факторов, относящихся к неисправности. Эти факторы, например, - длительность присутствия неисправности и рассеиваемая энергия в неисправности, а также пространственное перемещение неисправности в электрической сети.
В частности, после обнаружения неисправности на этапе B11, переходят к тестам этапов B12 и B13.
На этапе В12 проверяется, превышает ли продолжительность неисправности или энергия, рассеиваемая в неисправности, первый предопределенный порог. Продолжительность неисправности и рассеиваемая энергия могут быть охарактеризованы изменением плотности последовательных высоких вейвлет-коэффициентов. Если результат теста B12 положительный, переходим к шагу B14, в противном случае переходим к шагу В13.
На этапе В13 проверяется, превышает ли продвижение неисправности в сети второй заданный порог. Продвижение неисправности или пространственное перемещение неисправности в сети может быть охарактеризовано путем анализа снижения задержки между распространением электрических сигналов и распространением механических сигналов. Если результат теста B13 положительный, переходим к шагу B14, в противном случае переходим к шагу В15.
Следует отметить, что можно изменить первый и второй предопределенные пороги в соответствии с характеристиками последних вхождений неисправностей.
Этап В14 означает, что порог опасности неисправности был достигнут и в этом случае средства обработки 7 вызывают отключение неисправного контура.
На этапе В15 средства 7 обработки записывают параметры неисправности в средства 13 хранения. Поэтому затем можно восстановить эти значения для прогнозирования программы технического обслуживания до отказа сети.
Таким образом, в соответствии с этим алгоритмом, если по крайней мере одно из двух условий (определенных в тестах этапов B12 и B13) достигается, то считается, что неисправность достигла опасного порога (этап B14), приводя к немедленному отключению неисправного контура. Если ни одно из условий не достигнуто, то неисправность и ее характеристики будут храниться в памяти (этап В15).
Изобретение применимо к любым электрическим сетям в зданиях, кораблях, автомобилях, летательных аппаратах, так же, как и в железнодорожных сетях.
Следует отметить, что устройство контроля особенно подходит для контроля электрической проводки в летательном аппарате. Оно позволяет анализировать электрические и механические сигналы в проводке летательного аппарата с целью определения разницы во времени между обнаружением электрических и механических сигналов события неисправности, определения расстояния неисправности, определения вовлеченных энергий в обрабатываемом событии и записи совокупности компонентов, для оценки деградации проводки со временем.
Следует отметить, что устройство контроля 1 может быть интегрировано в отдельном корпусе или быть частью существующего ЭБУ летательного аппарата. Предпочтительно, можно соединить средства обнаружения к средствам сбора и обработки бортового компьютера, электромеханического предохранителя или другого оборудования на борту летательного аппарата для использования метода мониторинга в соответствии с изобретением.