JP2012039768A - 装置故障評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】需要家装置から測定される電気信号における高調波成分の分析と、電気信号以外の物理量についての分析とを組み合わせることで、需要家装置の状態を評価することが可能な装置故障評価システムを提供する。
【解決手段】装置故障評価システムは、高調波異常評価部と、周波数異常評価部と、装置故障推定部とを具備する。高調波異常評価部は、電力の供給を受けて動作する需要家装置で測定される電気信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第１の評価結果を生成する。周波数異常評価部は、前記需要家装置で測定される音響信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第２の評価結果を生成する。装置故障推定部は、前記第１及び第２の評価結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、例えば、無停電電源システムや電動機等の需要家装置の状態を評価する装置故障評価システムに関する。

従来、電力源から電力の供給を受けて動作する需要家装置の状態を評価する方法として、需要家装置で測定される電圧又は電流等の電気信号に基づいて、需要家装置の劣化や故障の可能性を評価する技術が提案されている。この技術を用いた装置故障評価システムでは、測定した電気信号に基づいて電力品質の一つである高調波成分を分析し、その分析結果から需要家装置の劣化や故障の可能性を評価する。

しかしながら、電気信号における高調波成分の分析のみでは、需要家装置の劣化や故障の可能性を評価できない場合がある。

特開２００５−２８７２３８号公報

以上のように、電気信号における高調波成分の分析により需要家装置の状態を評価する装置故障評価システムでは、需要家装置の状態を評価できない場合があるという問題がある。

そこで、目的は、需要家装置から測定される電気信号における高調波成分の分析と、電気信号以外の物理量についての分析とを組み合わせることで、需要家装置の状態を評価することが可能な装置故障評価システムを提供することにある。

実施形態によれば、装置故障評価システムは、高調波異常評価部と、周波数異常評価部と、装置故障推定部とを具備する。高調波異常評価部は、電力の供給を受けて動作する需要家装置で測定される電気信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第１の評価結果を生成する。周波数異常評価部は、前記需要家装置で測定される音響信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第２の評価結果を生成する。装置故障推定部は、前記第１及び第２の評価結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定する。

第１の実施形態に係る装置故障評価システムにより負荷装置の状態を評価する際の構成例を示す図である。 図１の電気信号測定部で測定される電気信号の例を示す図である。 図１の装置故障評価システムの機能構成の一例を示すブロック図である。 図３の高調波異常評価部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図４の高調波成分計算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図４の高調波成分計算部による計算結果の一例を示す図である。 図４の高調波異常データベースに予め記録された高調波異常パターンの例を示す図である。 図４の高調波成分一致度計算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図８の規格化計算部における規格化処理の一例を説明する図である。 図８の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図８の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図８の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図８の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図８の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図３の周波数異常評価部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１５の周波数成分計算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 周波数正常パターンと周波数異常パターンの一例を示す図である。 図１５の周波数異常データベースに予め記録された周波数異常パターンの例を示す図である。 図１５の周波数成分一致度計算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１９の規格化計算部における規格化処理の一例を説明する図である。 図１９の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図１９の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図１９の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図１９の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図１９の一致度計算部における処理の一例を説明する図である。 図３の装置故障推定部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図２６の総合判定計算部が総合判定を算出する際の処理テーブルの一例を示す図である。 図２６の異常抽出部における処理の一例を説明する図である。 図２６の総合判定計算部が総合判定を算出する際の処理テーブルの一例を示す図である。 図２６の総合判定計算部が総合判定を算出する際の処理テーブルの一例を示す図である。 第２の実施形態に係る装置故障評価システムにより負荷装置の状態を評価する際の構成例を示す模式図である。 図３１の装置故障評価システムの機能構成の一例を示すブロック図である。 図３２の温度異常評価部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３３の温度異常データベースに予め記録された、温度と温度ファクターとの関係の例を示す図である。 図３２の装置故障推定部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３５の総合判定計算部が、総合判定を算出する際の処理テーブルの一例を示す図である。 図３及び図３２の表示部に表示される総合判定の結果の一例を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る装置故障評価システム１により需要家装置である負荷装置２の状態を評価する際の構成例を示す模式図である。

負荷装置２とは、無停電電源システムや電動機等の電力需要家側に設置される装置である。負荷装置２は、上位電力系統４の送電線５から変圧器６を経て所定の電力を受電する母線７に、配電線（送電線とも成り得る）８を介して接続する。また、負荷装置２は、上位電力系統から電力の供給を受ける設備、機器及び部品等を備えている。

負荷装置２には、測定装置３が接続される。測定装置３は、電気信号測定部３１、音響信号測定部３２及びアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部３３を備える。

電気信号測定部３１は、負荷装置２の電圧又は電流等の電気信号を測定し、測定した電気信号をＡ／Ｄ変換部３３へ出力する。電気信号には、基本波に加え、高調波成分が含まれる。高調波成分は、それぞれが互いに周期の異なる一定の周期を持つ複数の正弦波の集まりとして表される。ここで、基本波を１次の信号とすると、周期が基本波の１／２（周波数は２倍）の信号を２次の高調波と称し、周期が基本波の１／３（周波数は３倍）の信号を３次の高調波と称し、１／ｎ（周波数はｎ倍）の信号をｎ次の高調波と称する。

図２は、電気信号測定部３１で測定される電気信号の例を示す図である。本実施形態では、線間２相分の電圧Ｖａｂ、Ｖｂｃを例として示す。図２において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。電圧３相分をＶａ、Ｖｂ、Ｖｃとすると、線間３相分は、Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａとなる。図２では、そのうちのＶａｂ、Ｖｂｃを表す。

音響信号測定部３２は、負荷装置２の筐体内部、筐体外壁又は装置筐体近傍に設置される。音響信号測定部３２は、例えば、集音マイクやアンプ等からなり、負荷装置２の音響信号を測定する。音響信号測定部３２は、測定した音響信号をＡ／Ｄ変換部３３へ出力する。音響信号には、様々な周波数帯域の信号が含まれる。周波数は、それぞれが互いに周期の異なる一定の周期を持つ複数の正弦波の集まりとして表される。ここで、基本波を１次とすると、周期が基本波の１／２（周波数は２倍）の信号を２次と称し、周期が基本波の１／３（周波数は３倍）の信号を３次と称し、１／ｎ（周波数はｎ倍）の信号をｎ次の高調波と称する。例えば、基本波を１Ｈｚとすると、２次は２Ｈｚ、３次は３Ｈｚとなる。一般に人間が知覚できる音響信号の周波数範囲は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚである。また、人間同士の会話の周波数の範囲は２００Ｈｚ〜８ｋＨｚである。

Ａ／Ｄ変換部３３は、電気信号測定部３１からの電気信号をデジタル信号に変換する。また、Ａ／Ｄ変換部３３は、音響信号測定部３２からの音響信号をデジタル信号に変換する。なお、電気信号測定部３１が電気信号を直接にデジタル信号として出力するものであり、かつ、音響信号測定部３２が音響信号を直接にデジタル信号として出力するものである場合、Ａ／Ｄ変換部３３は不要である。

図３は、第１の実施形態に係る装置故障評価システム１の機能構成を示すブロック図である。装置故障評価システム１は、高調波異常評価部１０、周波数異常評価部２０、装置故障推定部３０及び表示部４０を備える。

高調波異常評価部１０は、測定装置３からの電気信号に基づいて負荷装置２の状態を評価し、この評価についての第１の評価結果を装置故障推定部３０へ出力する。周波数異常評価部２０は、測定装置３からの音響信号に基づいて負荷装置２の状態を評価し、この評価についての第２の評価結果を装置故障推定部３０へ出力する。装置故障推定部３０は、高調波異常評価部１０からの第１の評価結果と、周波数異常評価部２０からの第２の評価結果とから、負荷装置２の故障及びその前兆となる異常を推定する。装置故障推定部３０は、この結果を装置故障推定結果として表示部４０へ出力する。

図４は、第１の実施形態に係る高調波異常評価部１０の機能構成の一例を示すブロック図である。図４における高調波異常評価部１０は、高調波成分計算部１１、高調波成分保存部１２、高調波成分一致度計算部１３及び高調波異常データベース１４を備える。

高調波成分計算部１１は、図５に示すように、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理部１１１を備える。

ところで、観測データ（測定データ）が装置の動作特性から離散的なサンプリングデータである場合がある。このようなサンプリングデータから高調波成分を求める場合、離散型フーリエ変換と呼ばれる手法が用いられる。この離散型フーリエ変換を高速に解けるように改良した手法は、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）と呼ばれ、高調波解析において最も汎用的な手法となっている。

そこで、本実施形態では、高調波成分計算部１１は、ＦＦＴ処理部１１１により、測定装置３からの電気信号に対して波形分析を行い、電気信号に含まれる高調波成分の割合、すなわち、高調波含有率を次数毎に計算する。高調波含有率は、高調波の次数毎に式（１）により計算される。

高調波含有率（次数毎）＝高調波の大きさ（次数毎）÷基本波の大きさ （１）
図６は、式（１）に従って得られた計算結果（以下、高調波成分計算結果と称する。）の一例を示す図である。高調波成分計算部１１は、高調波成分計算結果を高調波成分保存部１２へ出力する。なお、本実施形態では、次数毎の高調波成分に対する解析を行うためにＦＦＴを利用しているが、他の手法により高調波成分に対する解析をしても構わない。

高調波成分保存部１２は、高調波成分計算部１１からの高調波成分計算結果を保存する。

高調波異常データベース１４は、複数の高調波異常パターンを予め記録している。電気信号における高調波成分に異常がある場合、機器及び装置の故障の前兆となっていることが多い。高調波異常パターンとは、機器及び装置の故障の前兆となると推定される高調波含有率のパターンのことである。高調波異常パターンは、過去の統計等に基づいて求められ、負荷装置２に含まれる機器毎及び故障の種類毎にそれぞれ異なる。図７は、高調波異常データベース１４に予め記録された高調波異常パターンの例を示す図である。高調波異常データベース１４には、例えば、高調波異常パターンＡ、高調波異常パターンＢ、高調波異常パターンＣが予め記録されている。なお、縦軸は高調波含有率を示し、横軸は高調波の次数を示す。

高調波成分一致度計算部１３は、図８に示すように、規格化計算部１３１及び一致度計算部１３２を備える。

規格化計算部１３１は、高調波成分保存部１２に保存されている高調波成分計算結果を読み出し、予め設定された次数までの各次数の高調波含有率の合計が１になる様に規格化する。このとき、ｊ次（ｊは２以上の自然数）の高調波含有率の規格化値は、式（２）により算出される。

ｊ次の高調波含有率の規格化値＝ｊ次の高調波含有率／予め設定された次数までの各次数の高調波含有率の合計値 （２）
規格化計算部１３１は、高調波成分計算結果の規格化結果（以下、高調波成分規格化結果と称する。）を一致度計算部１３２へ出力する。

また、規格化計算部１３１は、高調波異常データベース１４に記録される複数の高調波異常パターンを、式（２）と同様の方法で規格化する。規格化計算部１３１は、高調波異常パターンの規格化結果を一致度計算部１３２へ出力する。

ここで、高調波成分計算結果の最大次数と、高調波異常データベース１４に記録される高調波異常パターンの最大次数とが一致してない場合がある。規格化計算部１３１は、このような場合、高調波成分計算結果を規格化する次数と、高調波異常データベース１４に記録される高調波異常パターンを規格化する次数とを一致させる。図９は、例えば、高調波成分計算結果の最大次数が２５次であり、高調波異常パターンの最大次数が２０次である場合の、規格化計算部１３１における規格化処理を説明する図である。規格化計算部１３１は、高調波成分計算結果の最大次数が２５次であり、高調波異常パターンの最大次数が２０次である場合、規格化する次数を２０次で統一し、１次から２０次までの高調波含有率の規格化を行う。この場合、式（２）の分母は２０次までの各次数の高調波含有率の合計値となる。

一致度計算部１３２は、高調波成分規格化結果と、高調波異常パターンの規格化結果との差分の絶対値を次数毎に取り、式（３）に示す様に合計値（以下、高調波差分合計値と称する。）を計算する。

高調波差分合計値＝｜高調波成分規格化結果における２次の成分−高調波異常パターンの規格化結果の２次の成分｜＋｜高調波成分規格化結果における３次の成分−高調波異常パターンの規格化結果の３次の成分｜＋ … ＋｜高調波成分規格化結果におけるｎ次の成分−高調波異常パターンの規格化結果のｎ次の成分｜ （３）
式（３）によれば、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に一致している場合、高調波差分合計値は０となる。図１０は、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に一致している場合の例を示す図である。

また、式（３）によれば、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合、高調波成分規格化結果の合計値が１であり、高調波異常パターンの規格化結果の合計値が１であるため、算出される高調波差分合計値は２となる。図１１は、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合の例を示す図である。

また、式（３）によれば、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合、高調波差分合計値は０から２の間のいずれかの値となる。図１２は、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合の例を示す図である。図１２に示す例によれば、高調波差分合計値は、高調波成分規格化結果の３次の値０．６と、高調波異常パターンの規格化結果の７次の値０．６との和である１．２となる。

図１３は、高調波差分合計値に対する、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果との一致性の関係を示した図である。高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合は、高調波差分合計値は２となり、完全に一致する場合は０となる。また、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合は、０から２の中間の値となる。

ここで、高調波差分合計値に基づいて、高調波成分一致度を定義する。本実施形態では、高調波成分規格化結果と高調波異常パターンの規格化結果とが完全に一致している場合、つまり、高調波差分合計値が０の場合、高調波成分一致度を１００％とし、完全に異なる場合、つまり、高調波差分合計値が２の場合、高調波成分一致度を−１００％とし、１００％と−１００％との中間を０％となる様にする。高調波成分一致度は、式（４）により求められる。

高調波成分一致度＝（１−高調波差分合計値）×１００ （％） （４）
図１４は、高調波差分合計値に対する高調波成分一致度の関係を示した図である。

一致度計算部１３２は、式（３）及び式（４）を用いて、高調波成分規格化結果に対する、高調波異常データベース１４に記録される全ての高調波異常パターンの規格化結果毎の高調波成分一致度を算出する。一致度計算部１３２は、算出した複数の高調波成分一致度を第１の評価結果として装置故障推定部３０へ出力する。

図１５は、第１の実施形態に係る周波数異常評価部２０の機能構成の一例を示すブロック図である。図１５における周波数異常評価部２０は、周波数成分計算部２１、周波数成分保存部２２、周波数成分一致度計算部２３及び周波数異常データベース２４を備える。

周波数成分計算部２１は、図１６に示すように、ＦＦＴ処理部２１１を備える。周波数成分計算部２１は、ＦＦＴ処理部２１１により、測定装置３からの音響信号の周波数成分を求め、音響信号の周波数含有率を計算する。所定の周波数における周波数含有率は、周波数スペクトルの大きさに基づいて式（５）により計算される。

周波数含有率＝周波数スペクトルの大きさ÷サンプル周波数における周波数スペクトルの大きさの総和 （５）
例えば、サンプル周波数が１Ｈｚから１０００Ｈｚであれば、分母の値は１Ｈｚから１０００Ｈｚまでの周波数スペクトルの総和となる。

周波数成分計算部２１は、式（５）に従って得られた計算結果（以下、周波数成分計算結果と称する。）を周波数成分保存部２２へ出力する。

なお、本実施形態では、音響信号の周波数成分を解析する最も一般的な手法であるＦＦＴを利用しているが、他の手法により周波数成分を解析しても構わない。

周波数成分保存部２２は、周波数成分計算部２１からの周波数成分計算結果を保存する。

周波数異常データベース２４は、複数の周波数異常パターンを予め記録する。ここで、周波数異常パターンとは、機器及び装置の故障の前兆となる周波数のパターンのことである。周波数異常パターンは、負荷装置２に含まれる機器毎及び故障の種類毎にそれぞれ異なる。

ここで、周波数のパターンを図１７により説明する。図１７（ａ）は、負荷装置２が正常に動作している際の周波数のパターン、つまり、周波数正常パターンの例を示す図である。図１７（ａ）によれば、周波数正常パターンのピークは、４００Ｈｚから５００Ｈｚの間に存在する。また、図１７（ｂ）は、負荷装置２に異常がある際の周波数のパターン、つまり、周波数異常パターンの例を示す図である。図１７（ｂ）によれば、４００Ｈｚから５００Ｈｚの間に存在するピークの他に、１５００Ｈｚ付近に異常を示すもう一つのピークが存在する。

図１８は、周波数異常データベース２４に予め記録された周波数異常パターンの例を示す図である。周波数異常データベース２４には、例えば、周波数異常パターンＡ、周波数異常パターンＢ、周波数異常パターンＣが予め記録されている。図１５によれば、周波数異常パターンＡには１５００Ｈｚ付近に異常な周波数分布が存在し、周波数異常パターンＢには１２００Ｈｚ〜１３００Ｈｚ付近に異常な周波数分布が存在し、周波数異常パターンＣには１３００Ｈｚ付近及び１７００Ｈｚ〜１８００Ｈｚ付近に異常な周波数分布が存在する。なお、縦軸は周波数の大きさ（周波数含有率）を示し、横軸は周波数を示す。なお、周波数異常パターンは、正常な周波数分布と異常な周波数分布とが完全に周波数的に分離されているものに限られず、例えば、異常な周波数分布が正常な周波数分布に一部重なり、突き出すような分布をしている場合もある。

周波数成分一致度計算部２３は、図１９に示すように、規格化計算部２３１及び一致度計算部２３２を備える。

規格化計算部２３１は、周波数成分保存部２２に保存されている周波数成分計算結果を読み出し、読み出した周波数成分計算結果を、予め設定されたサンプル周波数の領域における周波数含有率の合計が１になる様に規格化する。このとき、ｊ次（ｊは２以上の自然数）の周波数含有率の規格化値は、式（６）により算出される。

ｊ次の周波数含有率の規格化値＝ｊ次の周波数含有率／予め設定されたサンプル周波数の領域における周波数含有率の合計値 （６）
式（５）と式（６）とのサンプル周波数が同一である場合は、式（６）に基づく、規格化後のｊ次の成分は、式（５）における周波数含有率（ｊ次）となる。

ただし、図１８に示す様に正常な周波数分布が異常な周波数分布に比べて大きいとき、周波数正常パターンと周波数異常パターンとの差は、相対的に小さい。そのため、周波数成分計算部２１及び規格化計算部２３１は、異常な周波数分布を相対的に多く含む領域に、サンプル周波数を設定する必要がある。

例えば、サンプル周波数は、周波数異常パターンＡでは１５００Ｈｚ付近を相対的に多く含むように設定し、周波数異常パターンＢでは１２００Ｈｚ〜１３００Ｈｚ付近を相対的に多く含むように設定し、周波数異常パターンＣでは１３００Ｈｚ〜１８００Ｈｚ付近を相対的に多く含むように設定にする。

図２０は、周波数異常パターンを規格化する際のサンプル周波数を説明する図である。

図２０（ａ）は、図１８に示す周波数異常パターンＡのサンプル周波数の領域が１０００Ｈｚから２０００Ｈｚとした場合である。規格化計算部２３１は、サンプル周波数１０００Ｈｚから２０００Ｈｚにおける周波数成分の合計値が１となるように、周波数異常パターンＡを規格化している。

図２０（ｂ）は、図１８に示す周波数異常パターンＢのサンプル周波数の領域を１０００Ｈｚから１５００Ｈｚとした場合である。規格化計算部２３１は、サンプル周波数１０００Ｈｚから１５００Ｈｚにおける周波数成分の合計値が１となるように、周波数異常パターンＢを規格化している。

図２０（ｃ）は、図１８に示す周波数異常パターンＣのサンプル周波数の領域を１０００Ｈｚから２０００Ｈｚとした場合である。規格化計算部２３１は、サンプル周波数１０００Ｈｚから２０００Ｈｚにおける周波数成分の合計値が１となるように、周波数異常パターンＣを規格化している。

規格化計算部２３１は、周波数成分計算結果の規格化結果（以下、周波数成分規格化結果と称する。）及び周波数異常パターンの規格化結果を一致度計算部２３２へ出力する。

一致度計算部２３２は、サンプル周波数領域において、周波数成分規格化結果と、周波数異常パターンの規格化結果との差分の絶対値を周波数毎に取り、式（７）に示す様に合計値（以下、周波数差分合計値と称する。）を計算する。

周波数差分合計値＝｜周波数成分規格化結果の周波数ｉＨｚの成分−周波数異常パターンの規格化結果の周波数ｉＨｚの成分｜＋｜周波数成分規格化結果の周波数ｊＨｚの成分−周波数異常パターンの規格化結果の周波数ｊＨｚの成分｜＋ … ＋｜周波数成分規格化結果の周波数ｎＨｚの成分−周波数異常パターンの規格化結果の周波数ｎＨｚの成分｜（ただし、サンプル周波数領域は、ｉＨｚ〜ｎＨｚである。） （７）
式（７）によれば、周波数成分規格化結果の周波数成分及び大きさと、周波数異常パターンの規格化結果の周波数成分及び大きさとが完全に一致している場合、周波数差分合計値は０となる。図２１は、周波数成分規格化結果の周波数成分及び大きさと、周波数異常パターンの規格化結果の周波数成分及び大きさとが完全に一致している場合の例を示す図である。ただし、図２１においては、サンプル周波数領域は、１５００Ｈｚから１５１０Ｈｚである。

また、式（７）によれば、周波数成分規格化結果と、周波数異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合、周波数成分規格化結果の合計値が１であり、周波数異常パターンの規格化結果の合計値が１であるため、算出される周波数差分合計値は２となる。図２２は、周波数成分規格化結果と、周波数異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合の例を示す図である。ただし、図２２においては、サンプル周波数領域は、１５００Ｈｚから１５１０Ｈｚである。

また、式（７）によれば、周波数成分規格化結果と、周波数異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合、周波数差分合計値は０から２の間のいずれかの値となる。図２３は、周波数成分規格化結果と、周波数異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合の例を示す図である。図２３に示す例によれば、周波数差分合計値は、周波数成分規格化結果の周波数１５０３Ｈｚの値０．６と、周波数異常パターンの規格化結果の周波数１５０７Ｈｚの値０．６との和である１．２となる。ただし、図２３においては、サンプル周波数領域は、１５００Ｈｚから１５１０Ｈｚである。

図２４は、周波数差分合計値に対する、周波数成分規格化結果と周波数異常パターンの規格化結果との一致性の関係を示した図である。周波数成分規格化結果と周波数異常パターンの規格化結果とが完全に異なる場合は、周波数差分合計値は２となり、完全に一致する場合は０となる。また、周波数成分規格化結果と周波数異常パターンの規格化結果とが部分的に一致している場合は、０から２の中間の値となる。

ここで、周波数差分合計値に基づいて、周波数成分一致度を定義する。本実施形態では、周波数成分規格化結果と周波数異常パターンの規格化結果とが完全に一致している場合、つまり、周波数差分合計値が０の場合、周波数成分一致度を１００％とし、完全に異なる場合、つまり、周波数差分合計値が２の場合、周波数成分一致度を−１００％とし、１００％と−１００％との中間を０％となる様にする。周波数成分一致度は、式（８）により求められる。

周波数成分一致度＝（１−周波数差分合計値）×１００ （％） （８）
図２５は、周波数差分合計値に対する周波数成分一致度の関係を示した図である。

一致度計算部２３２は、式（７）及び式（８）を用いて、周波数異常データベース２４に記録される全ての周波数異常パターンの規格化結果毎に、周波数成分規格化結果との周波数成分一致度を算出する。一致度計算部２３２は、算出した複数の周波数成分一致度を第２の評価結果として装置故障推定部３０へ出力する。

図２６は、第１の実施形態に係る装置故障推定部３０の機能構成の一例を示すブロック図である。装置故障推定部３０は、総合判定計算部３０１、総合判定並び替え部３０２及び異常抽出部３０３を備える。

総合判定計算部３０１は、高調波異常評価部１０からの第１の評価結果と、周波数異常評価部２０からの第２の評価結果とを受け取る。総合判定計算部３０１は、第１及び第２の評価結果に基づいて総合判定１及び総合判定２を算出する。

図２７は、第１の実施形態に係る総合判定計算部３０１が、総合判定１及び総合判定２を算出する際の処理テーブルを示す図である。図２７では、故障毎に高調波成分一致度と、周波数成分一致度とを足し合わせ、総合判定１を算出する。

図２７の例によれば、負荷装置２における故障１の高調波異常パターンとの高調波成分一致度は９０％であり、故障１の周波数異常パターンとの周波数成分一致度は２０％であるため、総合判定１は１１０％と算出される。同様に、故障２の総合判定１は１２０％と算出され、故障３の総合判定１は９０％と算出され、故障４の総合判定１は−１０％…と算出される。ここで、故障１〜故障４…とは、負荷装置２に含まれる複数の機器における各種故障を示す。

総合判定２は、総合判定１の結果を２で割った結果である。総合判定１の結果は、高調波成分一致度と周波数成分一致度の和であるから、２００％から−２００％の数値となる。一方、総合判定２の結果は、その１／２であるから、１００％から−１００％の数値となる。このため、総合判定２の結果の方が一致度として分かり易い。

総合判定並び替え部３０２は、総合判定２の結果を総合判定計算部３０１から受け取る。総合判定並び替え部３０２は、総合判定２の値が大きい順に、故障１〜４…を並べ替え、総合判定２の並び替え結果を生成する。

異常抽出部３０３は、総合判定並び替え部３０２から総合判定２の並び替え結果を受け取る。異常抽出部３０３は、図２８に示すように、異常抽出閾値を設定し、この異常抽出閾値を超える総合判定２を抽出する。そして、異常抽出部３０３は、抽出した総合判定２に係る故障名を表示装置４０へ出力する。また、異常抽出部３０３は、総合判定並び替え部３０２からの総合判定２の並び替え結果を表示部４０へ出力する。

表示部４０は、装置故障推定部３０から出力された故障名及び総合判定２の並び替え結果を表示する。

以上のように、上記第１の実施形態では、負荷装置２の状態を、負荷装置２からの電気信号に基づいて評価すると共に、負荷装置２の音響信号に基づいて評価する。そして、装置故障推定部３０により、これらの評価結果に基づいて、負荷装置２で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定するようにしている。これにより、電気信号における高調波成分の分析及び音響信号の周波数分析の双方から、負荷装置２で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定することが可能となる。

したがって、第１の実施形態に係る装置故障評価システム１は、需要家装置から測定される電気信号における高調波成分の分析と、電気信号以外の物理量についての分析とを組み合わせることで、需要家装置の状態を評価することができる。

なお、総合判定計算部３０１における総合判定１及び総合判定２の算出方法は、図２７に示すものに限定される訳ではない。例えば、総合判定計算部３０１は、図２９に示す処理テーブルに従い、総合判定１及び総合判定２を算出しても構わない。故障の種別によっては、電気信号における異常に基づいて故障を判定した方が良い場合と、音響信号における異常に基づいて故障を判定した方が良い場合とがある。そのため、総合判定計算部３０１では、高調波成分一致度及び周波数成分一致度のうち、いずれの一致度に基づいて総合判定１及び２を算出するかが、故障毎に予め設定されている。

図２９の例では、高調波成分一致度に基づいて総合判定１及び２を算出する場合、高調波成分一致度の欄にビット１をつけている。同様に、周波数成分一致度に基づいて総合判定１及び２を算出する場合、周波数成分一致度の欄にビット１をつけている。

総合判定計算部３０１は、図２９に示す処理テーブルに従い、故障１、故障２及び故障３の高調波成分一致度の値を、総合判定１の値とする。そして、この総合判定１の値を総合判定２の値とする。

また、総合判定計算部３０１は、図２９に示す処理テーブルに従い、故障５及び故障６の周波数成分一致度の値を、総合判定１の値とする。そして、この総合判定１の値を総合判定２の値とする。

また、総合判定計算部３０１は、図２９に示す処理テーブルに従い、故障４のように電気信号と音響信号の両者を総合的に判断した方が良い場合は、故障４の高調波成分一致度と、故障４の周波数成分一致度とを足し合わせ、総合判定１の値とする。そして、この総合判定１の値を２で割った値を総合判定２の値とする。

総合判定計算部３０１は、算出した総合判定２を総合判定並び替え部３０２へ出力する。

また、総合判定計算部３０１は、図３０に示す処理テーブルに従い、総合判定１及び総合判定２を算出しても構わない。故障の種別によっては、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、音響信号に基づく故障評価に対する重みとを変えた方が良い場合がある。そこで、図３０では、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、音響信号に基づく故障評価に対する重みとが、故障毎に予め設定されている。

図３０の例では、電気信号に基づく故障評価に対する重みが、高調波成分一致度の重み欄に記載される。同様に、音響信号に基づく故障評価に対する重みが、周波数成分一致度の重み欄に記載される。ここで、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、音響信号に基づく故障評価に対する重みとの合計値は１になる様にする。

総合判定計算部３０１は、図３０の処理テーブルに従い、故障１、故障２、故障３、故障４、故障５及び故障６の総合判定１を、電気信号に基づく故障評価に対する重み１，０．８，０．７，０．７，０．１，０と、音響信号に基づく故障評価に対する重み０，０．２，０．３，０．３，０．９，１とに基づいてそれぞれ計算する。

装置故障推定部３０は、表示部４０へ総合判定１の結果を出力し、判定結果を表示部４０に表示させる。

（第２の実施形態）
図３１は、第２の実施形態に係る装置故障評価システム１により需要家装置である負荷装置２の状態を評価する際の構成例を示す模式図である。図３１において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

測定装置３は、電気信号測定部３１、音響信号測定部３２、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換部３３及び温度測定部３４を備える。

温度測定部３４は、負荷装置２の筐体内部又は筐体外壁等に設置される。温度測定部３４は、負荷装置２の温度を測定する。

Ａ／Ｄ変換部３３は、温度測定部３４から温度の測定結果を受け取り、デジタル信号に変換する。なお、温度測定部３４が温度を直接にデジタル信号として出力するものである場合、Ａ／Ｄ変換は不要である。

図３２は、第２の実施形態に係る装置故障評価システム１の機能構成を示すブロック図である。装置故障評価システム１は、高調波異常評価部１０、周波数異常評価部２０、装置故障推定部３０、表示部４０及び温度異常評価部５０を備える。

図３３は、第２の実施形態に係る温度異常評価部５０の機能構成の一例を示すブロック図である。図３３における温度異常評価部５０は、温度データ保存部５１、温度ファクター計算部５２及び温度異常データベース５３を備える。

温度データ保存部５１は、測定装置３から温度データを受け取り、保存する。

温度異常データベース５３は、温度と、温度の上昇が原因となり負荷装置２内の機器に異常が発生する危険度を示す温度ファクターとの関係を予め記録している。図３４は、温度異常データベース５３に予め記録された、温度と温度ファクターとの関係の例を示す図である。温度と温度ファクターとの関係は、負荷装置２に含まれる機器毎及び故障の種類毎に異なる。図３４によれば、温度が３０℃までは、異常は発生しないとみなされ、温度ファクターは０である。一方、温度が３０℃から５０℃までは、温度ファクターは線形に上昇し、温度が５０℃以上では温度ファクターは１００となる。

温度ファクター計算部５２は、温度データ保存部５１に保存されている温度データと、温度異常データベース５３に記録されている温度と温度ファクターとの関係とを読み出し、温度データに基づく温度ファクターを算出する。温度ファクターの算出は、温度異常データベース５３に記録されている複数の関係毎に行われる。温度ファクター計算部５２は、算出した複数の温度ファクターを第３の評価結果として、装置故障推定部３０へ出力する。

図３５は、第２の実施形態に係る装置故障推定部３０の機能構成を示すブロック図である。装置故障推定部３０は、総合判定計算部３０１、総合判定並び替え部３０２及び異常抽出部３０３を備える。

総合判定計算部３０１は、高調波異常評価部１０からの第１の評価結果と、周波数異常評価部２０からの第２の評価結果と、温度異常評価部５０からの第３の評価結果とを受け取る。総合判定計算部３０１は、第１乃至第３の評価結果に基づいて総合判定１を算出する。

図３６は、第２の実施形態に係る総合判定計算部３０１が、総合判定１を算出する際の処理テーブルを示す図である。図３６では、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、音響信号に基づく故障評価に対する重みと、温度に基づく故障評価に対する重みとが、故障毎に予め設定されている。

図３６の例では、電気信号に基づく故障評価に対する重みが、高調波成分一致度の重み欄に記載される。また、音響信号に基づく故障評価に対する重みが、周波数成分一致度の重み欄に記載される。また、温度に基づく故障評価に対する重みが、温度ファクターの重み欄に記載される。ここで、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、電気信号に基づく故障評価に対する重みと、温度に基づく故障評価に対する重みとの合計値は１になる様にする。

総合判定計算部３０１は、図３６の処理テーブルに従い、故障１、故障２、故障３、故障４、故障５及び故障６の総合判定１を、電気信号に基づく故障評価に対する重み０．２，０．７，０．４，０．４，０，０と、音響信号に基づく故障評価に対する重み０，０．１，０．３，０．３，０，０．５と、温度に基づく故障評価に対する重み０．８，０．２，０．３，０．３，１，０．５に基づいてそれぞれ計算する。

装置故障推定部３０は、表示部４０へ総合判定１の結果を出力し、判定結果を表示部４０に表示させる。

以上のように、上記第２の実施形態では、負荷装置２の状態を、負荷装置２からの電気信号及び音響信号に基づいて評価すると共に、負荷装置２の温度に基づいて評価する。そして、装置故障推定部３０により、これらの評価結果に基づいて、負荷装置２で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定するようにしている。これにより、電気信号における高調波成分の分析、音響信号の周波数分析及び温度分析の複数の観点から、負荷装置２で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定することが可能となる。

したがって、第２の実施形態に係る装置故障評価システム１は、需要家装置から測定される電気信号における高調波成分の分析と、電気信号以外の物理量についての分析とを組み合わせることで、需要家装置の状態を評価することができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では説明していないが、装置故障評価システム１は、測定装置３で測定される電気信号、音響信号及び温度を随時受信し、負荷装置２の状態の評価を一定時間毎に繰り返すようにしても構わない。すなわち、装置故障特定部３０は、高調波異常評価部１０からの第１の評価結果と、周波数異常評価部２０からの第２の評価結果と、温度異常評価部３０からの第３の評価結果とを随時受け取る。そして、装置故障特定部３０は、これらの結果に基づき、一定時間毎に総合判定の結果を表示部４０に表示させる。図３７は、表示部４０に表示される総合判定の結果の一例を示す図である。図３７では、故障毎の総合判定の結果を、一日２４時間分プロットしてある。

これにより、装置故障評価システム１は、負荷装置２の評価結果を時系列に表示することが可能となる。このため、装置故障評価システム１のユーザは、負荷装置２に発生した異常が突発的なものであるか、又は、故障の前兆であるのか等を判断することが可能である。

なお、この発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…装置故障評価システム
１０…高調波異常評価部
１１…高調波成分計算部
１１１，２１１…ＦＦＴ処理部
１２…高調波成分保存部
１３…高調波成分一致度計算部
１３１，２３１…規格化計算部
１３２，２３２…一致度計算部
１４…高調波異常データベース
２０…周波数異常評価部
２１…周波数成分計算部
２２…周波数成分保存部
２３…周波数成分一致度計算部
２４…周波数異常データベース
３０…装置故障推定部
３０１…総合判定計算部
３０２…総合判定並び替え部
３０３…異常抽出部
４０…表示部
５０…温度異常評価部
５１…温度データ保存部
５２…温度ファクター計算部
５３…温度異常データベース
２…負荷装置
３…測定装置
３１…電気信号測定部
３２…音響信号測定部
３３…Ａ／Ｄ変換部
３４…温度測定部
４…上位電力系統
５…送電線
６…変圧器
７…母線
８…配電線

Claims (12)

1. 電力の供給を受けて動作する需要家装置で測定される電気信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第１の評価結果を生成する高調波異常評価部と、
   前記需要家装置で測定される音響信号に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第２の評価結果を生成する周波数異常評価部と、
   前記第１及び第２の評価結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定する装置故障推定部と
   を具備することを特徴とする装置故障評価システム。
2. 前記高調波異常評価部は、
   前記電気信号を波形分析し、前記電気信号における高調波成分についての高調波成分計算結果を算出する高調波成分計算部と、
   故障が発生した際の高調波の高調波成分パターンを、高調波異常パターンとして予め記録する高調波異常データベースと、
   前記高調波成分計算結果と、前記高調波異常パターンとの高調波成分一致度を計算し、前記高調波成分一致度を前記第１の評価結果として前記装置故障推定部へ出力する高調波成分一致度計算部と
   を備え、
   前記周波数異常評価部は、
   前記音響信号を波形分析し、前記音響信号についての周波数成分計算結果を算出する周波数成分計算部と、
   故障が発生した際の周波数の周波数成分パターンを、周波数異常パターンとして予め記録する周波数異常データベースと、
   前記周波数成分計算結果と、前記周波数異常パターンとの周波数成分一致度を計算し、前記周波数成分一致度を前記第２の評価結果として装置故障推定部へ出力する周波数成分一致度計算部と
   を備え、
   前記装置故障推定部は、
   前記高調波成分一致度と、前記周波数成分一致度とに基づいて総合判定を行う総合判定計算部と、
   前記総合判定の結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を抽出する異常抽出部と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の装置故障評価システム。
3. 前記高調波異常データベースは、発生し得る複数の故障それぞれについての前記高調波異常パターンを予め記録し、
   前記高調波成分一致度計算部は、前記高調波成分計算結果と、前記複数の故障毎の高調波異常パターンとから、複数の高調波成分一致度を計算し、
   前記周波数異常データベースは、前記複数の故障それぞれについての前記周波数異常パターンを予め記録し、
   前記周波数成分一致度計算部は、前記周波数成分計算結果と、前記複数の故障毎の周波数異常パターンとから、複数の周波数成分一致度を計算し、
   前記総合判定計算部は、前記複数の高調波成分一致度と、前記複数の周波数成分一致度とのうち、同一の故障に対する高調波成分一致度と周波数成分一致度とに基づいて総合判定を行うことを特徴とする請求項２記載の装置故障評価システム。
4. 前記総合判定計算部は、同一の故障に対する高調波成分一致度と周波数成分一致度とをそれぞれ足し合わせて総合判定を行い、
   前記異常抽出部は、前記総合判定での一致度が予め設定した閾値より高い故障を、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常であるとして抽出することを特徴とする請求項３記載の装置故障評価システム。
5. 前記総合判定計算部は、同一の故障に対する高調波成分一致度と周波数成分一致度とにそれぞれ重み付けを行い、前記重み付け後の高調波成分一致度と周波数成分一致度とをそれぞれ足し合わせて総合判定を行い、
   前記異常抽出部は、前記総合判定での一致度が予め設定した閾値より高い故障を、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常であるとして抽出することを特徴とする請求項３記載の装置故障評価システム。
6. 電力の供給を受けて動作する需要家装置で測定される温度に基づいて前記需要家装置の状態を評価した第３の評価結果を生成する温度異常評価部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の装置故障評価システム。
7. 前記高調波異常評価部は、
   前記電気信号を波形分析し、前記電気信号における高調波成分についての高調波成分計算結果を算出する高調波成分計算部と、
   故障が発生した際の高調波の高調波成分パターンを、高調波異常パターンとして予め記録する高調波異常データベースと、
   前記高調波成分計算結果と、前記高調波異常パターンとの高調波成分一致度を計算し、前記高調波成分一致度を前記第１の評価結果として前記装置故障推定部へ出力する高調波成分一致度計算部と
   を備え、
   前記周波数異常評価部は、
   前記音響信号を波形分析し、前記音響信号についての周波数成分計算結果を算出する周波数成分計算部と、
   故障が発生した際の周波数の周波数成分パターンを、周波数異常パターンとして予め記録する周波数異常データベースと、
   前記周波数成分計算結果と、前記周波数異常パターンとの周波数成分一致度を計算し、前記周波数成分一致度を前記第２の評価結果として装置故障推定部へ出力する周波数成分一致度計算部と
   を備え、
   前記温度異常評価部は、
   温度と、温度により故障が発生する危険度を示す温度ファクターとの関係を示す温度ファクターパターンを予め記録する温度異常データベースと、
   前記需要家装置で測定される温度と、前記温度ファクターパターンとから、前記温度ファクターを算出する温度ファクター計算部と
   を備え、
   前記装置故障推定部は、
   前記高調波成分一致度、前記周波数成分一致度及び前記温度ファクターに基づいて総合判定を行う総合判定計算部と、
   前記総合判定の結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を抽出する異常抽出部と
   を備えることを特徴とする請求項６記載の装置故障評価システム。
8. 前記高調波異常データベースは、発生し得る複数の故障それぞれについての前記高調波異常パターンを予め記録し、
   前記高調波成分一致度計算部は、前記高調波成分計算結果と、前記複数の故障毎の高調波異常パターンとから、複数の高調波成分一致度を計算し、
   前記周波数異常データベースは、前記複数の故障それぞれについての前記周波数異常パターンを予め記録し、
   前記周波数成分一致度計算部は、前記周波数成分計算結果と、前記複数の故障毎の周波数異常パターンとから、複数の周波数成分一致度を計算し、
   前記温度異常データベースは、発生し得る複数の故障それぞれについての前記温度ファクターパターンを予め記録し、
   前記温度ファクター計算部は、前記需要家装置で測定される温度と、前記複数の故障毎の温度ファクターパターンとから、複数の温度ファクターを算出し、
   前記総合判定計算部は、前記複数の高調波成分一致度、前記複数の周波数成分一致度及び前記複数の温度ファクターのうち、同一の故障に対する高調波成分一致度、周波数成分一致度及び温度ファクターに基づいて総合判定を行うことを特徴とする請求項７記載の装置故障評価システム。
9. 前記総合判定計算部は、同一の故障に対する高調波成分一致度、周波数成分一致度及び温度ファクターにそれぞれ重み付けを行い、前記重み付け後の高調波成分一致度、周波数成分一致度及び温度ファクターをそれぞれ足し合わせて総合判定を行い、
   前記異常抽出部は、前記総合判定での一致度が予め設定した閾値より高い故障を、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常であるとして抽出することを特徴とする請求項８記載の装置故障評価システム。
10. 前記装置故障推定部からの推定結果を表示する表示部をさらに具備することを特徴とする請求項１及び６に記載の装置故障評価システム。
11. 前記高調波異常評価部は、前記第１の評価結果を予め設定された期間毎に生成し、
    前記周波数異常評価部は、前記第２の評価結果を前記期間毎に生成し、
    前記装置故障推定部は、前記期間毎に、前記第１及び第２の評価結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定することを特徴とする請求項１記載の装置故障評価システム。
12. 前記温度異常評価部は、前記第３の評価結果を前記期間毎に生成し、
    前記装置故障推定部は、前記期間毎に、前記第１、第２及び第３の評価結果に基づいて、前記需要家装置で発生している故障、又は、故障の前兆となる異常を推定することを特徴とする請求項６記載の装置故障評価システム。

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