船舶电气自动化系统故障预警方案设计与试验技术报告

船舶电气自动化系统属于船舶航行作业的关键保障部分，设备长时间处在高湿、振动、电磁干扰繁杂的工况当中，故障突发几率大，很容易危及航行安全。本报告完成了故障预警整体方案架构设计，搭建了硬件采集和软件判别联动试验平台，进行了多组工况模拟试验，得到了系统响应时延、故障识别准确率等工程技术数据，验证了预警方案的运行可靠性，为船舶电气自动化故障预警工程的落地提供了技术支撑。

二、故障预警总体架构方案设计

2.1 多源信号采集单元方案设计

多源信号采集单元对电气母线电压、回路电流、绕组温度、振动幅值这四种物理量进行同步采集，采集的采样频率为1kHz，模拟信号输入阻抗大于等于10MΩ，信号调理模块可以保证±0.2%以内的信号幅值误差，能够适应船舶机舱-40℃到+70℃的宽温工作范围，采集单元通过隔离CAN总线向上层传输原始工况信号，电磁隔离耐压等级达到2500V，避免机舱强电磁环境造成的信号失真，给后续故障判断提供原始可靠的输入数据源。

2.2 分层故障判别逻辑设计

分层故障判别逻辑分成阈值初判和特征量二次辨识两层处理。阈值初判设置电压波动阈值±12%额定值、电流过载阈值1.45倍额定工作电流；二次辨识提取波形畸变率、温度上升速率特征参量，区分瞬时干扰和真实设备故障，设置150ms的判别延时来过滤机舱瞬时脉冲干扰，输出故障等级分为一般告警和重要告警两种，逻辑模块完成单次判别运算的时间控制在42ms以内，减少系统的处理时延。

2.3 告警输出与联动处置模块设计

告警输出和联动处置模块接收到判别单元发出的告警指令之后，就会产生本地声光告警以及船上局域网报文推送这两种告警方式。重要告警输出触点响应时间不大于80ms，可以与电气保护回路提前联动，告警报文数据帧长度固定为128字节，传输丢包率小于0.12%，模块自带本地循环存储功能，最多可以保存2000条最近的故障时序记录，存储写入周期为500ms，可以满足工程回溯使用要求。

三、试验平台搭建与工况配置

3.1 硬件试验平台组建

试验平台是由模拟船舶电气控制柜、信号采集模块、工业控制主机、负载模拟单元构成的。模拟控制柜输出额定AC380V工作电压，负载模拟单元可以模拟绕组短路、接触不良、过载、电压扰动4种典型的电气故障，平台供电电源具有0到450V电压可调输出，振动台可以模拟出5到200Hz的模拟机舱振动条件，所有的硬件器件都符合船用设备振动冲击的技术标准，模拟出船舶机舱真实的复杂作业环境。

3.2 试验工况组别设置

本次设置4组典型故障工况和 1 组正常工况进行对比试验，每组工况重复做 20 次循环试验。模拟故障有回路过载、接线端子接触不良、电压突然下降、绕组温度急剧上升等，分别复现船舶电气自动化系统高频故障模式，试验环境湿度恒定为85%，环境温度循环区间为-10℃～+65℃，同时记录每次试验的识别时延、告警输出状态、误报漏报情况，形成成套试验原始技术记录。

表1 故障预警方案试验关键技术结果

工况类型	样本次数	平均识别时延/ms	故障识别准确率/%	误报次数
回路过载故障	20	47	95.0	1
端子接触劣化故障	20	53	90.0	2
电压骤降扰动	20	41	100.0	0
绕组温度异常升高	20	58	95.0	1

3.3 试验流程实施方法

试验流程为正常工况基线标定、故障工况注入、预警输出记录、工况复位，循环进行。试验前对采集单元进行零点校准，消除温漂造成的系统误差；故障用负载模拟单元瞬间注入，不改变硬件接线；试验过程中不修改判别模块内部参数，记录下每一个工况下采集单元输出信号、判别模块运算耗时、告警模块输出状态，全部试验数据保存在主机本地存储中，试验结束后对多工况技术指标进行统计分析。

四、试验结果技术分析

4.1 系统响应时延技术分析

经由试验数据得知，整套预警系统全链路平均响应时延处于41～58ms的范围之内，对船舶电气告警的要求是≤100ms。接触劣化工况下延数值偏大，因为该类故障特征变化平缓，二次特征辨识需要更多的采样点才能完成特征提取；CAN总线传输、判别逻辑运算造成的固定时延约为26ms，是系统时延的主要组成部分，后面可以利用优化逻辑算法来减少运算时间。

4.2 故障识别准确率分析

电压骤降扰动工况识别准确率为100.0%，回路过载、绕组温升工况识别准确率为95.0%，端子接触劣化工况识别准确率为90.0%，少量误报是由于高湿振动耦合下微弱信号漂移造成的。整体漏报次数为0，误报主要集中在湿度为85%RH加高频振动的极端工况上，这时微弱特征信号会被畸变所影响，造成分层判断逻辑出现干扰，需要做特征阈值精细化迭代优化。

4.3 环境适应性技术评价

在-10℃～+65℃、85%RH高湿循环试验下，采集单元信号幅值误差保持在±0.24%之内，基本符合设计要求。高湿振动耦合环境会增大微弱信号的漂移，属于影响预警精度的主要环境因素。告警报文传输丢包率实测为0.08%，小于0.12%的设计上限，本地时序记录存储读写正常，硬件模块没有出现死机、重启的情况，基本符合船用工况环境适应性基础要求。

五、总结

本报告完成船舶电气自动化系统故障预警整体方案设计，搭建对应的试验平台，进行多工况模拟试验，得到系统响应时延、故障识别准确率、环境适应性等关键技术工程数据。后续要改进特征辨识算法，加强微弱故障特征提取能力，改善复杂机舱环境下的预警方案稳定性，给船舶电气自动化故障预警工程应用打下技术根基。

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