基于故障树的故障诊断

4.4　基于故障树的故障诊断

电力变压器是电力系统中主要设备之一，在电力系统中占据着重要的地位，由于它结构复杂部件繁多，对其故障原因难以进行分析，提出一种基于故障树的变压器故障诊断专家系统，分析了基于故障树分析的知识获取的过程和知识表示的方法，为变压器故障诊断的进一步研究打下基础，变压器常见故障如图4－4所示。

图4－4　变压器的常见故障

4.4.1　面向故障树的基于框架与规则的混合知识表

故障树分析法是1961～1962年间，由贝尔电话研究所的H.A.Waston提出，当时还包括D.F.Hassl，R.J.Schroder，W.R.Jackson等人，他们把这种方法在波音公司应用并发展了故障树方法。Fussell指出故障树分析法的价值在于：

（1）可以通过分析查出失效所在。

（2）指出系统中与失效有关的重要情况。

（3）向不直接接触系统设计的系统管理人员提供一种直观图解。

（4）利用故障树分析法，既可进行定性的又可进行定量的系统可靠性分析。

（5）分析人员一次只需集中注意一种特定的系统失效事件。

（6）揭示系统的内部联系。故障树分析法是以不希望发生的事件作为顶事件，顶事件和更为基本的故障事件以事件说明和逻辑门连接起来。

通过故障树分析法，不仅能揭示系统特性的内部联系，而且我们能查出失效所在、指出与失效有关的重要因素。因而故障树象其他的技术报告一样，是一种交流工具。主要的优点在于它是专门针对一种特定的系统失效或故障事件来查找有关的原因部件和事件。故障树着眼于部分与整体在功能方面的联系，清晰地反映了系统和单元故障之间的内在联系，并且重视“与”及“或”逻辑关系分析，它适用于推理方法找出故障的原因。将故障树分解为互不相干的子树进行分析的模块分解法是分析大型故障树常用的简化方法［24］。

故障树分析法是一种安全可靠的分析技术，也是目前故障诊断中应用最多的方法之一，它建立在对系统的故障经验库的基础之上，将系统级的故障现象（顶事件）与最基本的故障原因（底事件）之间的内在关系表示成树形的网络图，各层事件之间通过“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑关系相关联。它通常把系统的故障状态称为顶事件，然后找出系统故障和导致系统故障的诸原因之间的逻辑关系。并将这些逻辑关系用逻辑符号表示出来，由上而下逐层分解，直到不能分解为止，推导出各故障和各单元故障之间的逻辑关系，利用这些逻辑关系最终找出对应的底层故障原因。以下是故障树的建立步骤：

（1）选择和确定顶事件。顶事件是系统最不希望发生的事件。

（2）分析顶事件。寻找引起顶事件发生的直接的和必要的原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件的逻辑关系用适当的逻辑门表示。

（3）分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件，如同步骤（2）中对顶事件那样进行处理。

（4）重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，即建成了一棵倒置的故障树。

基于故障树是一个反映了诊断对象结构、功能和行为关系的定性因果模型，他体现了故障传播的层次性和字符节点的关系的定性因果性。我们可以用经验规则的if－then表示形式来表示故障树的正向因果关系，并把故障树模型中的if－then表示成为广义规则，它包括正向广义规则（if子事件then父事件）和反向广义规则（if父事件then子事件）两种，由于基于故障树模型诊断的故障搜索时反向遍历搜索，所以，本文采用反向广义规则来表示故障树上的信息。基于框架、规则的混合知识表示形式如下：

框架名：

槽名1：槽值1（报警规则库）

槽名2：槽值2（诊断规则库）

　　……

槽名n：槽值n

框架中的槽可以有一个或多个描述体，每个描述体各有对应的槽值。故障树是一棵有向树，广义规则的前提即为故障树的某个父节点，广义规则的结论即该父节点的某个子节点，因此一条广义规则可表示如下：

Rule Wn IF（C）THEN（AND，OR）（h）（i）其中n为规则号；Wn为规则的权值；（C）为规则的前提；（AND，OR）（h）（i）表示规则的结论，AND，OR分别代表故障树上h、i的“与”门和“或”门。

4.4.2　基于框架与规则的电气设备故障诊断系统的知识表示

在故障树中，故障与故障征兆之间的关系是浅知识，而故障与故障源之间的知识是深知识，用于基于框架、广义规则和模糊神经网络混合知识表示浅知识；用基于框架、广义规则混合知识表示深知识［25］。

在专家系统知识表中，槽1为报警规则库框架，以if－then形式表示，表示的是浅知识；槽2为诊断规则库框架，它是根据某故障树父、子节点间的逻辑关系及约束权值，提取成产生式规则，建立诊断规则库，以if－then形式表示，表示的是深知识。根据已列出的故障，可以建立一个故障树诊断系统。

通过对变压器的分析，给出了变压器的故障树，如图4－5所示，其内容主要包括绕组、端子排、套管、铁芯和油故障等方面。

图4－5　变压器故障树

以下是根据图4－5制作的电气设备的主要部件故障诊断系统：

I框架名：电气设备故障（Z）

槽1：Z报警规则库

rule：if电气设备发出报警信号then电气设备故障；

槽2：Z诊断规则库

Rule1：if Z then c；

Rule2：if Z then d；

II框架名：变压器故障（c）

槽1：c报警规则库

　　　if变压器系统发出故障报警信号then变压器故障；

槽2：c诊断规则库

　　　rule1：if（c）then（c1）

　　　rule2：if（c）then（c2）

　　　rule3：if（c）then（c3）

　　　rule4：if（c）then（c4）

　　　rule5：if（c）then（c5）

III框架名：绕组故障（c1）

槽1：c1报警规则库

　　　if绕组部分发生故障报警信号then绕组故障；

槽2：c1诊断规则库

　　　rule1：if（c1）then（c11∪c12∪c13）

III框架名：端子排故障（c2）

槽1：c2报警规则库

　　　if端子排发生故障报警信号then端子排故障；

槽2：c2诊断规则库

　　　rule1：if（c2）then（c21∪c22∪c23∪c24）

III框架名：套管故障（c3）

槽1：c3报警规则库

　　　if套管系统发生故障报警信号then套管故障；

槽2：c3诊断规则库

　　　rule1：if（c3）then（c31∪c32）

III框架名：油故障（c4）

槽1：c4报警规则库

　　　if油系统发生故障报警信号then油故障；

槽2：c4诊断规则库

　　　rule1：if（c4）then（c41∪c42）

III框架名：铁芯故障（c5）

槽1：c5报警规则库

　　　if铁芯系统发生故障报警信号then铁芯故障；

槽2：c5诊断规则库

　　　rule1：if（c5）then（c51∪c52∪c53∪c54∪c55）