DE10038494A1 - Verfahren zur Ermittlung von verrauschten oder formveränderten Bereichen in einer Zeitreihe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung von verrauschten oder formveränderten Bereichen in einer Zeitreihe (15) mittels einer Datenverarbeitungsanlage (13) mit einem Datenspeicher (14), wobei nach vorbereitenden Maßnahmen (v1, v2) im ersten Schritt (1) ein Wertefenster (25) aus einer aufgezeichneten Zeitreihe (15) herausgegriffen und in den aufeinanderfolgenden zweiten bis sechsten Schritten (2-6) mit Hilfe eines Autokorrelationsverfahrens ein den jeweiligen Signalbereich des Wertefensters (25) beschreibender Zahlenwert r ermittelt (2), diesem ein Zeitwert T zugeordnet und somit ein Wertepaar T, r gebildet (3), dieses anschließend auf den Datenspeicher (14) gespeichert (4), nach Prüfung der Verrückbarkeit (5) des Wertefensters (25) selbiges im sechsten Schritt (6) gegebenenfalls um einen vorbestimmten Zeitbetrag DELTAt versetzt wird und die zweiten bis sechsten Schritte (2-6) zyklisch so lange durchlaufen werden, bis das Wertefenster (25) nicht weiter um den Zeitbetrag DELTAt versetzt werden kann. Anschließend wird im siebten Schritt (7) ein Schwellenwert S ermittelt, der im achten Schritt (8) auf eine binäre Darstellung der beschreibenden Zahlenwerte r und damit auf binäre Wertepaare führt, welche abschließend auf dem Datenspeicher (14) gespeichert werden und eine deutliche zeitliche Kennzeichnung der verrauschten oder formveränderten Bereiche der Zeitreihe (15) erlauben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von verrauschten oder formverän­ derten Bereichen in einer Zeitreihe, welches mittels einer Datenverarbeitungsanlage eine automatisierte Überprüfung einer Folge zeitlich geordneter Signal- oder allgemein Zahlenwerte, gemeinhin auch als Zeitreihen bezeichnet, beispielsweise von zeitab­ hängig aufgezeichneten Kenn- und Betriebsdaten sowie von Langzeitmeßsignalen technischer Betriebsmittel, technischer Überwachungseinrichtungen und insbesondere von Überwachungseinrichtungen starkstromtechnischer Betriebsmittel durchführt.

Das Verfahren erlaubt das Aufspüren und zeitliche Eingrenzen ungewollter Störungen, die den eigentlichen Meßdaten überlagert sind und ermöglicht damit eine Selektion und letztlich auch eine Reduktion der von technischen Überwachungseinrichtungen anfal­ lenden und weiterzuverarbeitenden Datenmenge ohne wesentlichen Informationsver­ lust.

Im Bereich elektrischer und starkstromtechnischer Betriebsmittel sowie in vielen ande­ ren technischen Bereichen, wie zum Beispiel in der Klima- und Gebäudetechnik, in der Kraftwerksleittechnik, in der Luft- und Raumfahrttechnik u. a. wird heute eine ausgereifte Überwachungstechnik eingesetzt, um sowohl durch Beobachtung der aktuellen als auch durch Kontrolle und Analyse der über einen längeren Meßzeitraum aufgezeichneten, jeweiligen technischen Betriebsdaten, wie zum Beispiel Temperatur, Strom, Spannung, Widerstand, Druck, Gaskonzentration, Drehmoment, Geschwindigkeit, mechanische Verformung, Vibration und viele andere, Informationen über mögliche Fehlerquellen sowie mögliche Gefahrenpotentiale des entsprechenden Betriebsmittels zu erlangen und seinen Betriebszustand besser einschätzen zu können.

Dem Streben nach hohen Sicherheitsstandards und großer Zuverlässigkeit technischer Betriebsmittel entspricht das Verlangen nach möglichst detaillierten Kenntnissen über ihren Betriebszustand und somit der Wunsch auf möglichst viele verschiedene Meßgrö­ ßen und Betriebsparameter zuzugreifen und diese simultan aufzuzeichnen. Diesem Wunsch steht jedoch eine rasch anwachsende Datenmenge entgegen, die eine sorgfäl­ tige und gewissenhafte manuelle Kontrolle und Analyse der zur Verfügung stehenden Gesamtinformationen überaus schwierig, aufwendig und langwierig gestaltet. Als Bei­ spiel sei hier der Fall eines Leistungstransformators genannt, bei welchem im Betrieb sowohl der Laststrom, die Gaskonzentration im Transformatorenöl als auch die Tempe­ ratur an verschiedenen Stellen des Transformators gemessen und aufgezeichnet wer­ den. Bei einer Anzahl von etwa 50 gleichzeitig abgefragten Signalkanälen oder Be­ triebsparametern, mit einer Abtast- bzw. Datenaufnahmerate von etwa einem Signal­ wert pro Minute, ließe sich bei einer Gesamtmeßzeit von zwei Jahren bereits ein Daten­ speicher mit einem Speichervermögen von etlichen hundert Megabyte füllen. Erhöht man die Abtast- bzw. Datenaufnahmerate um einige Größenordnungen bis hin in den Kilohertz- und Megahertzbereich, so lassen sich zwar detailliertere Informationen über den Betriebszustand des Transformators gewinnen, jedoch stellt die manuelle Auswer­ tung der hier anfallenden, immens großen Datenmenge den Anwender vor eine nahezu unlösbare Aufgabe.

In der täglichen Praxis sind den normalen Betriebsdaten zudem häufig Störungen überlagert oder aufgeprägt, deren Erkennung und Beseitigung sich meist sehr schwierig und aufwendig gestaltet und in aller Regel nur mit Hilfe von Spezialisten bewältigt wer­ den kann.

Zwar ist bekannt, daß durch Integration geeigneter elektronischer Filter- und Entstör­ elemente in ein bestehendes Datenaufnahmesystem in gewissem Umfang eine Signal­ aufbereitung im Sinne einer Entstörung und/oder Bereinigung der aufzuzeichnenden Zeitreihen oder Signale herbeigeführt werden kann, jedoch ließe sich in Anbetracht der Vielfalt der vorhandenen Meßgrößen und Betriebsparameter sowie in Anbetracht der Vielfalt der möglichen Störungen (periodische Signale unterschiedlicher Frequenz, Rauschen, Spikes usw.) ein solches Vorhaben nur mit erheblichem technischen Auf­ wand realisieren. Eine bei laufender Datenaufzeichnung erfolgende Signalaufbereitung, zum Beispiel im Sinne einer elektronischen Filterung, könnte darüber hinaus den Ver­ lust relevanter, in den gestörten Signalen enthaltener Informationen, zum Beispiel über Quelle und Ursache einer beobachteten Störung, bedingen. Ein Sachverhalt, der gera­ de für die Einschätzung der Betriebssicherheit und -zuverlässigkeit, aber auch der Lei­ stungsfähigkeit technischer Betriebsmittel von vergleichsweise großer Bedeutung ist. Nachteilig würden durch eine bei laufender Datenaufnahme erfolgende Signalaufberei­ tung auch die Signalwerte normaler, ungestörter Meßgrößen und Betriebsparameter in Mitleidenschaft gezogen und letztlich verfremdet bzw. verfälscht werden.

Eine weitere Möglichkeit bietet sich dem Anwender darin, die den Zustand eines Be­ triebsmittels kennzeichnenden, relevanten Informationen manuell aus einer, von Über­ wachungseinrichtungen aufgezeichneten Flut von Daten zu extrahieren und die hieraus gewonnenen Informationen zu bewerten. Ein Unterfangen, welches angesichts einer vergleichsweise großen Datenmenge jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden ist und hinsichtlich der zu erbringenden Arbeitsleistung nahezu unmöglich erscheint.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde über einen gewissen Zeitraum aufgezeich­ nete Signalverläufe oder Zeitreihen nach verrauschten oder formveränderten Bereichen automatisiert abzusuchen und die in Frage kommenden Signalbereiche völlig selbsttätig zu ermitteln und kenntlich zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung von verrauschten oder formver­ änderten Bereichen in einer als Zeitreihe bezeichneten Folge einer Anzahl einander zeitlich zugeordneter Signal- oder Zahlenwerte mittels einer Datenverarbeitungsanlage mit mindestens einem Datenspeicher zur dauerhaften Speicherung von Daten, einem Zwischen- bzw. Arbeitsspeicher zur kurzfristigen Zwischenspeicherung von Daten, einer zentralen Prozeßeinheit, einer Dateneingabeeinrichtung und einer Anzeigeeinrichtung zur graphischen Darstellung entsprechender Daten und Parameter gelöst, welches nach Durchführung vorbereitender Maßnahmen zur Eingabe der zuvor abgespeicherten Zeitreihe sowie das Verfahren betreffende Parameter ein Wertefenster mit einer fest­ gelegten Anzahl von Signalwerten aus einem zeitabhängig aufgezeichneten Signalverlauf oder einer Zeitreihe herausgreift und mit Hilfe eines Autokorrelationsverfahren ei­ nen den Störanteil des jeweiligen Signalbereichs des Wertefensters beschreibenden Zahlenwert ermittelt. Ein Wertefenster stellt hierbei einen zeitlich eingegrenzten Bereich einer Zeitreihe dar, dessen Signalwerte jeweils für die Berechnung des Zahlenwertes herangezogen werden. Dem beschreibenden Zahlenwert wird entsprechend der zeit­ lichen Position des Wertefensters ein Zeitwert zugeordnet und somit ein Zeit­ wert/Zahlenwert-Wertepaar gebildet, welches in einem Datenspeicher gespeichert und gegebenenfalls auf einer Anzeigeeinrichtung graphisch dargestellt wird. Nachdem je­ weils geprüft wurde, ob das Wertefenster zeitlich um einen vorbestimmten Zeitbetrag versetzt werden kann, wird bei positivem Prüfungsergebnis nach jeder schrittweisen zeitlichen Verschiebung des Wertefensters um den vorbestimmten Zeitbetrag jeweils der beschreibende Zahlenwert erneut ermittelt und ein jeweils neues Wertepaar gebil­ det, wobei dem beschreibenden Zahlenwert jeweils der um den Betrag der zeitlichen Verschiebung geänderte Zeitwert zugeordnet wird. Dieser Vorgang wird so lange wie­ derholt bis sich ein negatives Prüfungsergebnis ergibt, bzw. das Wertefenster zeitlich nicht weiter um den vorbestimmten Zeitbetrag versetzt werden kann. Daraufhin wird durch Bestimmung und Auswertung der relativen Häufigkeiten der jeweiligen beschrei­ benden Zahlenwerte ein Schwellenwert ermittelt, der zu einer binären Darstellung der jeweiligen Zahlenwerte und damit auf binäre Wertepaare, bestehend aus jeweils einem Zeit- und einem binären Zahlenwert, führt. Ein Vorgang, der letztlich eine hinreichend genaue Kennzeichnung der zeitlich gestörten Signalbereiche bewirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figurenbeschreibungen und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die weitere Erläuterung und Darlegung der Erfindung erfolgt anhand von einigen Zeich­ nungen und Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 Verfahrensablauf

Fig. 2 Durch Rauschen gestörtes Sinussignal.

Fig. 3 Durch plötzlich auftretende Signalspitzenwerte, sog. Spikes, gestörtes Si­ nussignal.

Fig. 4 Datenverarbeitungsanlage

Fig. 5a Zeitreihe bzw. Signalverlauf mit gesetztem Wertefenster.

Fig. 5b Zeitreihe bzw. Signalverlauf mit gegenüber Fig. 5a um einen bestimmten Zeitbetrag versetztem Wertefenster.

Fig. 6 Graphische Darstellung des zeitabhängigen Verlaufs des beschreibenden Zahlenwertes als Wertekurve mit eingezeichnetem, durch die Auswertung der relativen Häufigkeiten des Zahlenwertes ermitteltem Schwellenwert.

Fig. 7 Wertekurve des beschreibenden Zahlenwertes mit eingezeichneter, durch den Schwellenwert vorbestimmter binärer Darstellung.

Fig. 8 Lastkurve eines 300 MVA Leistungstransformators mit überlagertem wei­ ßen Rauschen.

Der besondere Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der automatisierten Überprüfung von Zeitreihen oder Signalverläufen hinsichtlich etwaig auftretender Unre­ gelmäßigkeiten und Besonderheiten, ohne wesentlichen Informationsverlust und ohne Verfälschung der Originaldaten.

Entsprechend des in Fig. 1 dargestellten Verfahrensablaufs, läßt sich das Verfahren in mehrere Einzelschritte gliedern, wobei im Anschluß an vorbereitende Maßnahmen v1, v2 eine bestimmte Folge von Verfahrensschritten 1 bis 9 durchlaufen wird.

Bei den aufzuspürenden Unregelmäßigkeiten und Besonderheiten kann es sich dabei beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, um einen verrauschten Signalbereich 12, oder aber, wie in Fig. 3 dargestellt, um plötzlich auftretende Signalspitzen, sog. Spikes han­ deln.

Die in Fig. 4 schematisch aufgezeigte und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Datenverarbeitungseinrichtung 13 weist hierbei mindestens ei­ nen Datenspeicher 14 auf, von welchem als vorbereitende Maßnahme v1 (vgl. Fig. 1), die zuvor mittels einer Datenaufnahmevorrichtung 22 von einer technischen Überwa­ chungseinrichtung 23 eines entsprechenden Betriebsmittels 24 aufgezeichneten und in Form einer Zeitreihe 15 abgespeicherten Kenn- und Betriebsdaten in einen Arbeits­ speicher 17 aufgerufen werden und die im Rahmen des Verfahrens ermittelten Werte­ paare 16 sowie die binären Wertepaare 16 auf dem Datenspeicher 14 gespeichert wer­ den. Vom Zwischen- bzw. Arbeitsspeicher 17 der Datenverarbeitungseinrichtung 13 wird die entsprechende Zeitreihe 15 an eine zentrale Prozeßeinheit 18 übergeben, die für eine korrekte Verarbeitung der entsprechenden Zeitreihe 15 und eine reibungslose Durchführung des Verfahrens verantwortlich zeichnet. Zudem besitzt die Datenverar­ beitungsanlage 13 noch mindestens eine Dateneingabeeinrichtung 20, die es dem An­ wender durch Eingabe entsprechender Parameter 19 als vorbereitende Maßnahme v2 (vgl. Fig. 1) erlaubt Einfluß auf den Ablauf des Verfahrens zu nehmen sowie mindestens eine Anzeigeeinrichtung 21, die eine visuelle Darstellung der eingegebenen Parameter 19, der im Rahmen des Verfahrens zu verarbeitenden Zeitreihe 15 oder des zu verar­ beitenden Signalverlaufs 26 (vgl. Fig. 5a, b) sowie der ermittelten Wertepaare 16, ein­ schließlich der binären Wertepaare 16, zum Beispiel als Wertekurve 27 (vgl. Fig. 6) er­ laubt. Auf die vorgenannten Wertepaare sowie die binären Wertepaare wird im Rahmen der Beschreibung von Fig. 1 im Folgenden noch näher eingegangen.

In einem ersten vorbereitenden Schritt v1 (vgl. Fig. 1) wird auf Daten- und Meßwerte zurückgegriffen, die auf dem Datenspeicher 14 gespeichert wurden und nun zum Zwec­ ke einer genaueren Durchsicht und einer weiteren Verarbeitung in den Arbeits- oder Zwischenspeicher 17 der Datenverarbeitungsanlage 13 geladen werden. Hierbei kann es sich um gänzlich unterschiedliche Meßgrößen oder Signalwerte handeln, die jedoch alle in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet und abgespeichert wurden. Datensätze, die eine Folge zeitlich geordneter Zahlenwerte darstellen, werden gemeinhin auch als Zeit­ reihen 15 bezeichnet. Werden Zahlenwerte in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet, so können entsprechende Zeitwert/Zahlenwert-Wertepaare, jeweils bestehend aus einem Zahlen- oder Signalwert und einem zugeordneten Zeitwert, gebildet werden.

Eines der Ziele bei der Analyse von Zeitreihen 15 besteht für gewöhnlich darin, be­ stimmte Merkmale oder Besonderheiten aus Zeitreihen 15 oder Signalverläufen 26 zu extrahieren, um aus der Gesamtdatenmenge die für den Anwender wesentlichen Informationen zu gewinnen. Besondere Bedeutung kommt beispielsweise der Analyse von Zeitreihen in der digitalen Signalverarbeitung zu.

Unter Anwendung des Verfahrens zur Ermittlung von verrauschten oder formveränder­ ten Bereichen in einer Zeitreihe 15 ist es nun möglich auch über einen längeren Zeit­ raum aufgezeichnete Signalverläufe 26 oder Zeitreihen 15, mittels der Datenverarbei­ tungsanlage 13 hinsichtlich etwaig auftretender Besonderheiten und Unregelmäßigkei­ ten automatisiert abzusuchen.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß verrauschte oder formveränderte Signalbereiche zeitlich hinreichend genau eingegrenzt und kenntlich gemacht werden können, wodurch es dem Anwender ermöglicht wird diese Bereiche in vergleichsweise kurzer Zeit aufzu­ spüren, auszuwählen, sie getrennt von den regulären Meßdaten zu betrachten und ge­ gebenenfalls weiterzuverarbeiten. Hierdurch läßt sich sowohl die im Rahmen einer weiterführenden Analyse zu bearbeitende Datenmenge als auch der dafür aufzuwen­ dende Arbeitsumfang bzw. die aufzuwendende Arbeitszeit deutlich reduzieren.

Die Identifikation einzelner Störungen in verrauschten oder formveränderten Signalbe­ reichen sowie das Aufspüren ihrer Ursachen und letztlich auch ihre Beseitigung bedin­ gen äußerst Zeit- und rechenintensive Auswerte- und Analyseverfahren, wie zum Bei­ spiel das Erstellen eines Leistungsdichtespektrums, das Durchführen einer Fourierana­ lyse, entsprechende Filterungsprozesse u. a., die sich dank des erfindungsgemäßen Verfahren nun lokal auf die gestörten Signalbereiche beschränken lassen.

Aufgrund der bisherigen Argumentation erscheint gerade die Möglichkeit der zeitlichen Eingrenzung gestörter Daten- bzw. Signalbereiche eines aufgezeichneten Signalver­ laufs 26 oder einer Zeitreihe 15 im Hinblick auf eine selektive Weiterverarbeitung von Datensätzen, insbesondere von Datensätzen technischer Überwachungseinrichtungen, von vergleichsweise großem Wert.

Der in Fig. 1 aufgezeigte, schematische Verfahrensablauf, wobei der Klarheit und Über­ sichtlichkeit halber auf detaillierte Beschreibungen in der Zeichnung verzichtet wurde, läßt deutlich die bereits angesprochenen Einzelschritte 1 bis 9 sowie einige zyklisch zu durchlaufende Verfahrenselemente erkennen.

In Vorbereitung auf das erfindungsgemäße Verfahren wird im ersten vorbereitenden Schritt v1 zunächst ein hinsichtlich verrauschter oder formveränderter Bereiche zu un­ tersuchender, bereits vollständig aufgezeichneter und auf dem Datenspeicher 14 ge­ speicherter Signalverlauf 26 (vgl. Fig. 5a), oder aber eine beliebige Zeitreihe 15 in den Arbeitsspeicher 17 der Datenverarbeitungsanlage 13 geladen.

Nachdem dieser Vorgang v1 abgeschlossen wurde können als weitere vorbereitende Maßnahmen v2 nun einige, ein sog. Wertefenster 25 (vgl. Fig. 5a) betreffende Para­ metereingaben, die beispielsweise die Anzahl der Signal- und Zeitwerte innerhalb des Wertefensters 25, die zeitliche Start- oder Ausgangsposition des Wertefensters 25, d. h. die zeitliche Position des ersten gesetzten Wertefensters 25, den Zeitbetrag der schritt­ weisen zeitlichen Verschiebung Δt (vgl. Fig. 5b) des Wertefensters 25 oder die Stelle innerhalb des Wertefensters 25 an welcher der seine zeitliche Position wiedergebende Zeitwert T (vgl. Fig. 5a) abgefragt wird, betreffen, getätigt werden.

Unter einem Wertefenster 25 ist im Folgenden eine Art Maske zu verstehen, die ledig­ lich einen zeitlich eingegrenzten Bereich einer Zeitreihe 15 oder eines Signalverlaufs 26 und die in ihm enthaltenen Signalwerte für eine weiterführende Bearbeitung, wie zum Beispiel die jeweilige Berechnung des beschreibenden Zahlenwertes r, zugänglich macht.

Wird bei den weiteren Maßnahmen v2, gemäß vorgenannten Ausführungen, auf eine den jeweiligen Parameter 19 (vgl. Fig. 4) betreffende Eingabe verzichtet, so wird jeweils auf im Verfahren selbst hinterlegte Standardvorgaben zurückgegriffen. Soll während des Verfahrens ausschließlich mit den hinterlegten Standardvorgaben gearbeitet wer­ den, so sind in den vorbereitenden Maßnahmen v2 keinerlei Eingaben erforderlich.

Im Anschluß an die vorbereitenden Maßnahmen v1 und v2 beginnt das erfindungs­ gemäße Verfahren. Demgemäß sich im ersten Schritt 1 ein entsprechend definiertes Wertefenster 25 selbsttätig an seinen jeweiligen Startpunkt begibt, der standardgemäß am Anfang bzw. am Aufzeichnungsbeginn einer Zeitreihe 15 oder eines Signalverlaufs 26 zu finden ist.

Soll im Rahmen des Verfahrens lediglich ein Teilstück eines Signalverlaufs 26 oder ei­ ner Zeitreihe 15 untersucht werden oder soll die Untersuchung am Ende des Signal­ verlaufs 26 oder der Zeitreihe 15 beginnen, so muß im Rahmen der vorbereitenden Maßnahmen v2 der entsprechende Startzeitpunkt bei der dem Verfahren vorausgehen­ den Parametereingabe v2 explizit festgelegt werden.

Vergleichbares gilt für die Anzahl an Signalwerten innerhalb des Wertefensters 25. Die Standardvorgabe liegt hier bei vier Signalwerten. Diese Anzahl erscheint hinsichtlich einer möglichst hohen Genauigkeit des Verfahrens und im Hinblick auf die Vermeidung von Informationsverlusten während des Suchprozesses als besonders empfehlenswert.

Eine bildhafte Darstellung eines gesetzten Wertefensters 25 zeigt Fig. 5a. Hier ist zu­ nächst ein, mittels Datenaufnahmesystem 13 (vgl. Fig. 4), in Abhängigkeit der Zeit t aufgezeichneter und graphisch in einem Koordinatensystem zeitabhängig dargestellter Signalverlauf 26 zu erkennen, in welchen ein entsprechendes Wertefenster 25 mit einer vorgegebenen Anzahl von Signal- und damit auch Zeitwerten eingetragen wurde. Das eingezeichnete Wertefenster 25 markiert hierbei einen derjenigen Signalbereiche, aus denen jeweils die Signalwerte für die Berechnung eines den Störanteil beschreibenden Zahlenwerts r herausgegriffen werden.

Die Wahl der Wertefensterbreite, gegeben durch die Signalwerteanzahl pro Werte­ fenster 25 ist dem Anwender prinzipiell freigestellt und kann von wenigen einzelnen Signalwerten bis zu einigen zehn, mehreren hundert oder gar einigen tausend Signal­ werten und mehr variiert werden.

Nachteilig birgt eine vergleichsweise große Wertefensterbreite die Gefahr einer erhöh­ ten Fehlerquote bzw. einer Verringerung der Empfindlichkeit des Verfahrens bezüglich in der Zeitreihe 15 oder im Signalverlauf 26 aufzuspürender Besonderheiten und Unre­ gelmäßigkeiten.

Die zeitliche Breite des Wertefensters 25 ergibt sich aus der Datenaufnahmerate, die entweder direkt gemessen, oder aber aus der Signalwerteanzahl und den vorliegenden Zeitwerten erschlossen wird.

Jedem Wertefenster 25 ist auf diese Weise sowohl eine bestimmte Anzahl von Signal­ werten als auch eine feste zeitliche Breite bzw. ein bestimmtes Zeitintervall zugeordnet.

Hierbei kann die zeitliche Position des ersten Wertefensters 25, also der Startzeitpunkt des Verfahrens relativ zur Zeitachse der aufgezeichneten Zeitreihe 15 oder des aufge­ zeichneten Signalverlaufs 26 per Parametereingabe im zweiten vorbereitenden Schritt v2 frei gewählt werden. Vorteilhaft läßt sich so das Verfahren auch auf ein Teilstück oder einen Signalabschnitt eines aufgezeichneten Signalverlaufs 26 oder einer Zeitreihe 15 beschränken.

Wird in den vorbereitenden Maßnahmen v2 mittels Parametereingabe eine Position des Wertefenster 25 am Ende des Signalverlaufs 26 oder der Zeitreihe 15 erwirkt, so erfolgt die schrittweise zeitliche Verschiebung des Wertfensters 25 in Richtung abnehmender Zeitwerte.

Wird von der Möglichkeit der Parametereingabe in den Maßnahmen v2 kein Gebrauch gemacht, so befindet sich die Ausgangsposition des Wertefensters 25 standardgemäß am Anfang des aufgezeichneten Signalverlaufs 26 oder der aufgezeichneten Zeitreihe 15, wobei seine schrittweise zeitliche Verschiebung dann in Richtung zunehmender Zeitwerte erfolgt.

Der standardgemäß vorgegebene kleinste mögliche Zeitbetrag Δt (vgl. Fig. 5b) der schrittweisen zeitlichen Verschiebung des Wertfensters 25 entspricht hierbei dem zeit­ lichen Abstand zweier zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Signalwerte. Soll eine größere Schrittweite zur Anwendung kommen, so ist diese in der Vorbereitung v2 ein­ zugeben.

Mit Hilfe eines Autokorrelationsverfahren, welches auf einer normierten Autokorrelati­ onsfunktion basiert, wird im zweiten Verfahrensschritt 2 ein den Störungsanteil des Si­ gnalbereichs innerhalb des Wertefensters 25 beschreibender Zahlenwert r ermittelt. Hierfür werden zunächst die Autokorrelationskoeffizienten r(k) des ausgewählten Si­ gnalbereichs berechnet, wobei gilt

und

• - r(k) der Autokorrelationskoeffizient für eine feste Verschiebung um k Signalwerte ist,
• - x_i ein Signalwert der Zeitreihe 15 zum Zeitpunkt oder Zeitwert t_i ist,
• - x das arithmetische Mittel aller Signalwerte der Zeitreihe 15 innerhalb des Werte­ fensters 25 ist,
• - N_W die Anzahl der Signalwerte der Zeitreihe 15 innerhalb des Wertefensters 25 be­ schreibt.

Vorteilhaft ist, daß gemäß folgender Relation

r = r(0) - r(1)

durch Subtraktion des Autokorrelationskoeffizienten r(1) vom Autokorrelations­ koeffizienten r(0) ein einzelner, den Störanteil des Signalbereichs innerhalb des Werte­ fensters 25 beschreibender Zahlenwert r, der im Folgenden auch als Autokorrelations­ index oder abgekürzt AcorrIndex bezeichnet wird, gebildet wird.

Da die Autokorrelationskoeffizienten stets im Wertebereich zwischen Null und Eins lie­ gen und der Autokorrelationskoeffiziant r(0) dem maximalen Wert, also r(0) = 1 ent­ spricht, bewegt sich auch der beschreibende Zahlenwert r stets im Bereich zwischen Null und Eins.

Dem Wertefenster 25 und damit auch dem beschreibenden Zahlenwert r bzw. dem AcorrIndex wird darüber hinaus noch ein Zeitwert T (vgl. Fig. 5a) zugeordnet, der die zeitliche Lage respektive die Anordnung des Wertefensters 25 relativ zur Zeitachse der Zeitreihe 15 oder des Signalverlaufs 26 wiedergibt. Dieser Zeitwert T wird standardge­ mäß, wie in Fig. 5a zu sehen, zeitlich mittig zur Wertefensterbreite abgefragt.

Er kann grundsätzlich jedoch auch an einer anderen Stelle des Wertefensters 25 abge­ fragt werden, ein Sachverhalt, der vor Beginn des Verfahrens im zweiten vorbereiten­ den Schritt v2 mittels Parametereingabe geklärt werden muß. Wurde in v2 keine Einga­ be bezüglich dieser Fragestellung getätigt, so wird auch hier auf die entsprechende Standardvorgabe zurückgegriffen.

Durch die Zuordnung eines Zeitwertes T (vgl. Fig. 5a) zu einem beschreibenden Zah­ lenwert r wird im dritten Verfahrensschritt 3 ein Wertepaar (T, r) gebildet, im vierten Schritt 4 selbiges Wertepaar (T, r) im Datenspeicher 14 gespeichert und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt 10 auf der Anzeigeeinrichtung 21 graphisch dargestellt.

Daraufhin erfolgt im fünften Schritt 5 zunächst eine Prüfung mit der Zielsetzung zu klä­ ren, ob das Wertefenster 25 um den vorbestimmten Zeitbetrag Δt (vgl. Fig. 5b) in der vorherbestimmten Richtung zeitlich versetzt werden kann. Ist dies möglich (Abfrage- bzw. Prüfungsergebnis ja), wird das Wertefenster 25 im sechsten Schritt 6, wie durch den Übergang von Fig. 5a nach Fig. 5b veranschaulicht, schrittweise um den vorbe­ stimmten Zeitbetrag Δt entlang der Zeitachse versetzt und der, den durch das Werte­ fenster 25 neu ausgewählten Signalbereich beschreibende Zahlenwert r im wieder­ holten zweiten Schritt 2 erneut errechnet.

Kann das Wertefenster 25 nicht oder nicht mehr in der vorherbestimmten Richtung um den vorbestimmten Zeitbetrag Δt (vgl. Fig. 5b) versetzt werden, so führt dies zur Been­ digung des Verfahrens auf die im Folgenden noch näher ausgeführte Art und Weise.

Befindet sich das Wertefenster 25 zum Startzeitpunkt weder am Anfang noch am Ende der aufgezeichneten Zeitreihe 15 oder des Signalverlaufs 26, so ist es grundsätzlich möglich das Wertefenster 25 entweder schrittweise in Richtung zunehmender Zeitwerte oder schrittweise in Richtung abnehmender Zeitwerte zu versetzen.

Darüber hinaus kann es sich beim vorbestimmten Zeitbetrag Δt (vgl. Fig. 5b) entweder um die kleinste, durch die Datenaufnahmerate vorherbestimmte Zeiteinheit, oder aber um eine endliche Zeitspanne beliebiger Größe handeln, wobei Erstere die Standardvor­ gabe darstellt.

Die Schrittweite des Versatzes nimmt hierbei Einfluß auf die Genauigkeit des Verfah­ rens. Je größer die Schrittweite bzw. der Betrag der zeitlichen Verschiebung Δt (vgl. Fig. 5b) ist, desto ungenauer ist das Verfahren bezüglich der zeitlichen Eingrenzung einer Störung und desto wahrscheinlicher ist es, daß eine Störung übersehen wird.

Dem beschreibenden Zahlenwert r wird demgemäß, wie in Fig. 5b zu sehen, der jeweils um den Betrag der zeitlichen Verschiebung geänderte neue Zeitwert T' = T + Δt (vgl. Fig. 5b) zugeordnet und daraufhin jeweils im wiederholten dritten Schritt 3 ein neues Wertepaar (T, r) aus dem, um den Zeitbetrag Δt (vgl. Fig. 5b) der Verschiebung geän­ derten Zeitwert T und dem bezüglich der neuen Fensterposition errechneten beschrei­ benden Zahlenwert r gebildet, wobei dann gilt T = T'. Auch hier wird das neu gebildete Wertepaar (T, r) im wiederholten vierten Schritt 4 im Datenspeicher 14 gespeichert und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt 10 zusammen mit dem zuvor aufgezeichneten Wertepaar auf der Anzeigeeinrichtung 21 graphisch dargestellt.

Der durch stetige Wiederholung der Vorgänge 2 bis 6 dargestellte zyklische Prozeß der schrittweisen Verrückung des Wertefensters 25, der Berechnung des beschreibenden Zahlenwertes r, der Zuordnung des jeweils um den Betrag der zeitlichen Verschiebung Δt (vgl. Fig. 5b) geänderten Zeitwertes T zu dem entsprechenden Zahlenwert r, der Bil­ dung eines Wertepaares (T, r), Speichern des Wertepaares und gegebenenfalls dessen graphische Darstellung, wird nun so oft durchlaufen, bis das Wertefenster 25 nicht mehr weiter um den vorbestimmten Zeitbetrag Δt entlang der Zeitachse versetzt werden kann.

Die graphische Darstellung aller im Rahmen eines Verfahrensdurchlaufs ermittelten Wertepaare (T, r) in einem Koordinatensystem ergibt eine neue Art von Wertekurve 27, welche in Fig. 6 gezeigt ist.

Mittels Bestimmung und Auswertung der relativen Häufigkeiten der jeweiligen Zahlen­ werte r und deren zugehöriger Verteilungsfunktion wird in einem siebten Schritt 7 ein Schwellenwert S ermittelt, der in Fig. 6 zu sehen ist und welcher eine Klassifizierung in gestörte und ungestörte Signalwerte erlaubt. Der Schwellenwert S wird hierbei derart ermittelt, daß auf den am häufigsten auftretenden Zahlenwert r noch ein empirisch er­ mittelter Prozentsatz seines eigenen Wertes aufaddiert wird, beispielsweise 25%, bzw. der am häufigsten auftretende Zahlenwert r mit einem empirisch ermittelten Faktor b multipliziert wird, beispielsweise mit 1,25, was den vorgenannten 25% entspricht. Dem­ gemäß ergibt sich für den Schwellenwert S folgende Relation

S = b . r_h,

wobei r_h der am häufigsten vorkommende Zahlenwert r und b der empirisch ermittelte Faktor ist.

Durch diese Eingruppierung läßt sich in einem achten Schritt 8 eine binäre Darstellung der Wertepaare (T, r) sowie gegebenenfalls in einem weiteren Schritt 11 eine als Funk­ tion 28 (vgl. Fig. 7) bezeichnete graphisch binäre Darstellung der gegebenen Wertekur­ ve 27 erzeugen, indem wie in Fig. 7 gezeigt bei jedem Wertepaar, dessen Zahlenwert r kleiner als der Schwellenwert S ist, der Zahlenwert r auf Null und bei allen anderen Wertepaaren der Zahlenwert r auf Eins gesetzt wird. Auf diese Weise werden sog. binä­ re Wertepaare, bestehend aus jeweils einem Zeitwert und dem dazugehörigen binären Zahlenwert, gebildet. Diese werden in einem neunten Schritt 9 auf dem Datenspeicher 14 gespeichert und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt 11 graphisch als Funktion 28 auf der Anzeigeeinrichtung 21 dargestellt.

Dieses Vorgehen führt zu einer hinreichend genauen Kennzeichnung der verrauschten oder formveränderten Bereiche der abgesuchten Zeitreihe.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, nach Speichern eines Wertepaares T, r im Datenträger 14 im Schritt 4, alle bis dahin gespeicherten Werte­ paare T, r in einem weiteren Verfahrensschritt 10 graphisch als Wertekurve 27 auf der Anzeigeeinrichtung 21 darzustellen, so daß nach Durchlaufen des Verfahrens alle Wertepaare T, r als Wertekurve 27 auf der Anzeigeeinrichtung 21 sichtbar sind.

Ebenso lassen sich nach Durchlaufen des Verfahrens in einem weiteren Verfahrens­ schritt 11 alle binären Wertepaare graphisch als Funktion 28 auf der Anzeigeeinrichtung 21 darstellen. Alternativ oder in Kombination hierzu lassen sich vorteilhaft auch alle Wertepaare T, r als Wertekurve 27 gemeinsam mit allen binären Wertepaaren als Funktion 28 graphisch in einem Diagramm sowie gegebenenfalls gemeinsam mit dem Schwellenwert S, wie in Fig. 7 zu sehen, graphisch in einem Diagramm auf der Anzei­ geeinrichtung 21 darstellen.

Auch eine in Fig. 8 gezeigte graphische Darstellung sowohl der Zeitreihe 15 oder des Signalverlaufs 26 als auch aller Wertepaare T, r als Wertekurve 27 sowie aller binären Wertepaare als Funktion 28 übereinander angeordnet in jeweils einem Diagramm auf der Anzeigeeinrichtung 21, gegebenenfalls auch mit eingezeichnetem Schwellenwert S, wäre zum Zwecke eines direkten Vergleichs der verschiedenen Kurven von Vorteil.

Sowohl der Ablauf als auch die Wirkungsweise des Verfahrens lassen sich anhand der in Fig. 8 dargestellten und mit weißem Rauschen 29 behafteten Lastkurve 30 eines 300 MVA Leistungstransformators weiter verdeutlichen.

Ausgangspunkt bildet hier eine zuvor über einen Zeitraum von zwei Tagen aufgezeich­ nete Lastkurve 30, anhand derer nach oben beschriebenem Verfahren zunächst alle Wertepaare (T, r) berechnet und anschließend als Wertekurve 31 graphisch dargestellt werden. Sich hieran anschließend werden die relativen Häufigkeiten des Zahlenwertes r ausgewertet und der Schwellenwert S ermittelt. Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt nun eine binäre Umwandlung der Wertepaare (T, r) und deren graphisch binäre Dar­ stellung 32, in Abhängigkeit des zuvor bestimmten Schwellenwertes S. Dieses Vorge­ hen führt letztlich zu einer eindeutigen zeitlichen Kennzeichnung und Eingrenzung der verrauschen Signalbereiche der Lastkurve 30, wodurch es dem Anwender ermöglicht wird diesen zeitlich erfaßten Bereich innerhalb der ursprünglichen Zeitreihe 15 oder des ursprünglichen Signalverlaufs 26 wiederzufinden und gegebenenfalls weiterzuverarbei­ ten.

Claims (19)

1. Verfahren zur Ermittlung von verrauschten oder formveränderten Bereichen in einer als Zeitreihe bezeichneten Folge einer Anzahl einander zeitlich zugeordneter Signal- oder Zahlenwerte mittels einer Datenverarbeitungsanlage (13) mit mindestens einem Datenspeicher (14) zur dauerhaften Speicherung von Daten, einem Zwischen- bzw. Arbeitsspeicher (17) zur kurzfristigen Zwischenspeicherung von Daten, einer zen­ tralen Prozeßeinheit (18), einer Dateneingabeeinrichtung (20) und einer Anzeigeein­ richtung (21) zur graphischen Darstellung entsprechender Daten und Parameter (19), wobei nach Durchführung vorbereitender Maßnahmen (v1, v2) zur Eingabe der zuvor abgespeicherten Zeitreihe (15) sowie das Verfahren betreffende Parameter (19),

• a) in einem ersten Verfahrensschritt (1) ein Wertefenster (25) mit einer festgeleg­ ten Anzahl von Signalwerten aus einem, in Abhängigkeit der Zeit aufgezeich­ neten Signalverlauf (26) oder einer Zeitreihe (15) herausgegriffen wird,
• b) in einem zweiten Schritt (2) mit Hilfe eines Autokorrelationsverfahren ein den Störanteil des Signalbereichs des Wertefensters (25) beschreibender Zahlen­ wert r ermittelt wird,
• c) in einem dritten Schritt (3) dem beschreibenden Zahlenwert r ein Zeitwert T, der die zeitliche Position des Wertefensters (25) relativ zur Zeitachse der Zeitreihe (15) oder des Signalverlaufs (26) wiedergibt, zugeordnet wird und ein Zeit­ wert/Zahlenwert-Wertepaar T, r gebildet wird,
• d) in einem vierten Schritt (4) das Wertepaar T, r auf dem Datenspeicher (14) ge­ speichert wird,
• e) nach einer Abfrage (5) der weiteren Verschiebbarkeit des Wertefensters (25) und gegebener Verschiebbarkeit in einem sechsten Schritt (6) das Wertefenster (25) schrittweise um jeweils einen vorbestimmten Zeitbetrag Δt entlang der Zeitachse der Zeitreihe (15) oder des Signalverlaufs (26) versetzt und durch Wiederholung des zweiten Schritts (2) der Zahlenwert r erneut ermittelt wird,
• f) im wiederholten dritten Schritt (3) dem beschreibenden Zahlenwert r jeweils der um den Betrag der zeitlichen Verschiebung Δt geänderte Zeitwert T' = T + Δt zugeordnet wird und somit jeweils ein neues Wertepaar T, r mit T = T' gebildet wird,
• g) im wiederholten vierten Schritt (4) das neu gebildete Wertepaar T, r gemein­ sam mit den zuvor berechneten Wertepaaren auf dem Datenspeicher (14) ge­ speichert wird,
• h) die zweiten bis sechsten Schritte (2-6) so lange durchlaufen werden, bis das Wertefenster (25) zeitlich nicht weiter um den vorbestimmten Zeitbetrag Δt ver­ setzt werden kann,
• i) dann in einem siebten Schritt (7) durch Bestimmung und Auswertung der rela­ tiven Häufigkeiten der jeweiligen Zahlenwerte r ein Schwellenwert S ermittelt wird,
• j) in einem achten Schritt (8) bei jedem Wertepaar T, r der Zahlenwert r mittels des Schwellenwertes S in eine binäre Darstellung überführt wird und damit aus jedem Wertepaar ein binäres Wertepaar, bestehend aus einem Zeit- und einem zugeordneten binären Zahlenwert, gebildet wird, welches eine deutliche Kenn­ zeichnung der zeitlich gestörten Signalbereiche bewirkt und
• k) in einem neunten Schritt (9) alle binären Wertepaare auf dem Datenspeicher (14) gespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der beschreiben­ de Zahlenwert r dem Betrag der Differenz der Autorrelationskoeffizienten r(0) und r(1) entspricht und gegeben ist durch r = r(0) - r(1).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Durchlaufen des Verfahrens ein Wertefenster (25) mit einer minimalen Anzahl von min­ destens vier Signalwerten verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Betrag der schrittweisen zeitlichen Verschiebung Δt des Wertefensters (25) dem zeitlichen Abstand zweier unmittelbar aufeinanderfolgenden Signalwerte ent­ spricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wertefenster (25) zu Beginn des Verfahrens entweder am zeitlichen Ende oder am Anfang der aufgezeichneten Zeitreihe (15) oder des Signalverlaufs (26) positioniert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Positionierung des Wertefensters (25) am Ende der Zeitreihe (15) oder des Signal­ verlaufs (26) seine schrittweise zeitliche Verschiebung Δt in Richtung abnehmender Zeitwerte entlang der Zeitachse der Zeitreihe (15) oder des Signalverlaufs (26) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Positionierung des Wertefensters (25) am Anfang der Zeitreihe (15) oder des Si­ gnalverlaufs (26) seine schrittweise zeitliche Verschiebung Δt in Richtung zunehmender Zeitwerte entlang der Zeitachse der Zeitreihe (15) oder da Signalverlaufs (26) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Signalwerteanzahl des Wertefensters (25) die Genauigkeit der zeit­ lichen Eingrenzung der Störung beeinflußt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Schrittweite der zeitlichen Verschiebung Δt die Genauigkeit der zeitlichen Eingrenzung der verrauschten oder formveränderten Bereiche der Zeitreihe (15) oder des Signalverlaufs (26) beeinflußt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach Speichern eines Wertepaares T, r im Datenträger (14) im vierten Schritt (4), alle bis dahin gespeicherten Wertepaare T, r in einem weiteren Verfahrensschritt (10) gra­ phisch als Wertekurve (27) auf einer Anzeigeeinrichtung (21) dargestellt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Schwellenwerts S im siebten Schritt (7) dadurch erfolgt, daß der am häufigsten auftretende Zahlenwert r, im Folgenden mit r_h bezeichnet, mit einem empirisch ermittelten Faktor b multipliziert wird, so daß gilt:
S = b . r_h.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation des Schwellenwertes S die Genauigkeit der zeitlichen Eingrenzung der verrauschten oder formveränderten Bereiche der Zeitreihe (15) oder des Signalver­ laufs (26) verändert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Wertepaar T, r, dessen Zahlenwert r kleiner als der Schwellenwert S ist, im achten Schritt (8) der Zahlenwert r auf Null gesetzt wird und bei allen anderen Wer­ tepaaren T, r der Zahlenwert r auf 1 gesetzt wird, wodurch binäre Wertepaare, beste­ hend aus jeweils einem Zeitwert und einem binären Zahlenwert, gebildet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens alle Wertepaare T, r als Wertekurve (27) gra­ phisch auf der Anzeigeeinrichtung (21) dargestellt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens in einem weiteren Verfahrensschritt (11) alle bi­ nären Wertepaare graphisch als Funktion (28) auf der Anzeigeeinrichtung (21) darge­ stellt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens alle Wertepaare T, r als Wertekurve (27) ge­ meinsam mit allen binären Wertepaaren als Funktion (28) graphisch in einem Dia­ gramm auf der Anzeigeeinrichtung (21) dargestellt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens alle Wertepaare T, r als Wertekurve (27) ge­ meinsam mit allen binären Wertepaaren als Funktion (28) sowie dem Schwellenwert S graphisch in einem Diagramm auf der Anzeigeeinrichtung (21) dargestellt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens sowohl die Zeitreihe (15) oder der Signalverlauf (26), alle Wertepaare T, r als Wertekurve (27) als auch alle binären Wertepaare als Funktion (28) in jeweils einem Diagramm graphisch auf der Anzeigeeinrichtung (21) übereinander angeordnet dargestellt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen des Verfahrens sowohl die Zeitreihe (15) oder der Signalverlauf (26), alle Wertepaare T, r als Wertekurve (27) mit eingezeichnetem Schwellenwert S als auch alle binären Wertepaare als Funktion (28) in jeweils einem Diagramm gra­ phisch auf der Anzeigeeinrichtung (21) übereinander angeordnet dargestellt werden.