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131 ELECTRONICS WORLD技术交流 基于多传感器信息融合的电力设备故障诊断方法 昆明供电局 李 进 张 萌 【摘要】当前如何有效实现电力设备故障诊断以及如何提高故障诊断的准确率是一个热点研究课题。本文将多传感器信息融合理论应用在电 力设备的故障诊断，所研究算法包含三个指标参数，分别是温度、温度差和温度变化率。通过利用传感器在等时间段测量设备的温度，然后 计算出温度差和温度变化率，最后利用这三个指标参数使用数据融合系统的方法综合判断该设备是否发生故障。这个方法可以使电力设备故 障诊断更加精确，减少误报率，并且在很大程度上减少冗余信息。 【关键词】信息融合；故障诊断；神经网络 0 引言 随着我国国民经济的发展和人民物质生活水平的不断提高，对 电力需求越来越大，促使电网不断扩大。同时，各行各业对电网供 电的安全性、可靠性要求也越来越高，高压输变电设备的安全运行 己成为影响电力系统安全、稳定、经济运行的重要因素。 我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，前期阶段是了解设 备诊断技术的重要性，设备故障诊断技术的相关理论研究比较多， 以快速傅里叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以电力设备 故障诊断为主要目标。后期阶段以现代化管理的需要为前提，出现 了诊断技术迅速发展的局面，以模式识别、智能化专家故障检测系 统及其计算为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究，从实际生 产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论，研究出了世界水平 的电力设备状态监测与故障诊断系统。 当前设备故障诊断方法的研究现状主要有：（1）基于专家系统的故 障诊断；（2）基于贝叶斯网络的故障诊断；（3）基于支持向量机的故障 诊断；（4）基于模糊集理论的故障诊断等等。本论文主要讨论基于多传 感器信息融合的电力设备故障诊断方法，此方法可以使电力设备故障诊 断更加精确，减少误报率，并且在很大程度上减少冗余信息。 1 神经网络基本理论 多源信息融合，主要是指利用计算机进行多源信息的处理， 从而得到可综合利用信息的理论和方法，其中也包含对自然界人和 动物大脑进行多传感信息融合机理的探索。信息融合研究的关键问 题，就是提出一些理论和方法，对具有相似或不同特征模式的多源 信息进行处理，以获得具有相关和集成特性的融合信息。 多传感器数据融合技术就像人脑综合处理信息一样，充分利 用多个传感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使 用，把多传感器在空间或时间上冗余或互补信息依据某种准则来进 行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。 图1 数据融合系统 神经网络模型分为3层，3个输入节点分别为电力设备的温度T、温 度差和温度变化率，根据经验和对比中间层设为8个节点， 输出层为2个节点，分别为发生故障和没发生故障，如图2所示。它含 有输人层、输出层以及处于输入输出层之间的中间层。中间层有单层 或多层，由于它们和外界没有直接的联系，故也称为隐层。在隐层中 的神经元也称隐单元。隐层虽然和外界不连接，但是，它们的状态则 影响输入（X）输出（Y）之间的关系。这也是说，改变隐层的权系数 W、V，可以改变整个多层神经网络的性能。 图2 神经网络结构模型 2 BP算法基本过程 BP算法实质是求取误差函数的最小值问题。这种算法采用非线性 规划中的最速下降方法，按误差函数的负梯度方向修改权系数。 误差函数e的定义：取期望输出和实际输出之差的平方和为误 差函数，则有： 其中：Yi是输出单元的期望值； 是实际输出，假设第m层是 输出层。 由于BP算法按误差函数e的负梯度方向修改权系数，故权系数 Wij的修改量和e: 其中：为学习速率，即步长。 BP算法执行的步骤如下： 1）对权系数Wij置初值。对各层的权系数Wij置一个较小的非零 随机数，但其中。 2）输入一个样本，以及对应期望 。 3）计算各层的输出 对于第k层第i个神经元的输出Xik，有： 4）求各层的学习误差 对于输出层有k=m，有： 对于其他各层，有： 5）修正权系数Wij和阀值 用式时有： 6）当求出了各层各个权系数之后，可按给定指标判别是否满 足要求。如果满足要求，则算法结束；如果未满足要求，则返回 3）执行。这个学习过程，对于任一给定的样本和期 望输出都要执行，直到满足所有输入输出要求为止。 为了避免夸大不同数据的作用，便于统一管理，有必要对样本 数据进行归一处理。数据预处理是实现最初的不规则的输入数据规 范化，输入数据后处理到0,1之间。 （下转第140页） 万方数据 140 ELECTRONICS WORLD技术交流 数据为0，数据库中提取数据为空，或表格不存在等情况都是常见 的系统错误，经验丰富者对这些常见错误很有经验设计测试用例时 得心应手。然而无论何人都很难利用此法列出系统的所有错误，只 能尽可能的减少，而只利用此法做到万物一失的可能性几乎没有， 只能依靠经验值和敏锐的洞察力。为此，此法有一定的局限性，对 于初学者相对困难。 3.4 因果图示法 因果图示法是软件系统黑盒测试中常用的一种方法。测试人员 所绘制的因果图能比较清晰的描述输入条件与输入结果之间的因果 关系，是一种逻辑因果关系图，该图能帮助测试人员把注意力集中 在输入数据的条件判定上。 因果图示法是适合于在输入数据时存在多种输入条件组合的情 况下。我们一般根据输入数据的条件组合及相互的约束和输出结果 之间的因果关系，分析归纳所有的输入数据组合，为每一种组合设 计测试用例并检测输出结果。 此种方法适合于检测输入数据存在多种组合的条件之下。 因果图示法软件系统黑盒测试的步骤： （1）将软件系统的数据规格划分成多个可执行的片段，片段 量不易过于庞大。 （2）分析每一个片段的结果及原因。 （3）为分析出的每一种情况划画出因果示意图。 （4）跟踪示意图中的每一种数据变化情况，并由不同的数据 状态设计数据判定表。为数据判定表的每一种情况设计测试用例， 并进行测试。 4.测试方法分析结论 黑盒测试对于软件系统的测试来说至关重要，而进行黑盒测试 之前要做大量的数据准备调研及设计工作，力求保证数据的准确性 与完备性，而进行完整的黑盒测试需要进行多方因素的考虑，且要 根据软件系统的应用情况利用不同的方法进行测试，且往往多种方 法结合使用，才能满足软件系统测试需求，为此黑盒测试是一项系 统工作，也是值得我们深入研究的一项系统工程。 （上接第131页） 归一化表达式为： 反变换后可得： 其中，P是表示训练样本的编号；Ri是第i个样本的输入值；Xpi 是第i个输入值样本归一化后的值；min(Ri)是最小的样本输入值； max(Ri)是最大的样本输入值。 通过上述BP算法的步骤，把输入的三个参数经过中间层权值加 权，在某个误差的前提下得出输出一个最终结果（是否发生故障）。 3 结论 本文讨论了基于多变量的电力设备故障诊断方法，应用多变量 综合判断电力设备是否发生故障。主要步骤有：首先利用传感器测 量设备的温度，然后计算出温度差和温度变化率，最后利用这三个 指标参数使用数据融合系统的方法综合判断该设备发没发生故障。 这个方法可以使电力设备故障诊断更加精确，减少误报率，并且在 很大程度上减少冗余信息。 参考文献 1康耀红.数据融合理论及应用(第二版)M.西安:西安电子科技 大学出版社,2006. 2马明建.数据釆集与处理技术M.西安:西安交通大学出版 社,2006. 作者简介： 李进（1986），男，云南昆明人，大学本科，工程师，研究 方向：变电运行。 张萌（1989），女，云南昆明人，大学本科，助理工程师， 研究方向：变电运行。 （上接第134页） 种方式对供电线路进行全面监控。第二，学校师生的用电管理方 面。学生或教师私自使用大功率用电器、乱接电线的行为也会引发 供电线路运行故障，因此，学校管理人员应该加强对上述现象的合 理监管6。 3.电工培训对策 校园供电线路运行异常的监控及简单维修技术的应用主要是由 电工完成的。学校用电安全的高标准需求对电工供电线路的维修水 平提出了较高的要求。为了将供电线路引发的影响控制在最小范围 内，有效保障学校师生的安全，需要加强对电工维修技能的培训。 培训工作可以通过电工队伍的相互学习、继续教育以及引入外部培 训人员和专业电力维修人员等不同方式开展。当电工的维修技术水 平提升之后，整个校园供电线路的运行安全可以得到有效保障。 六、结论 作为学校电力系统中的重要组成要素，供电线路故障问题的产 生会对学校师生的人身安全不良影响。对此，需要应用故障点分析 技术、扩容技术以及停电技术等维修技术，对供电线路故障进行有 效处理，保证学校供电的连续性和安全性。除此之外，还应该通过 电工培训对策、用电安全管理优化对策等措施的应用对校园供电线 路故障进行有效预防。 参考文献 1陈宇.一种基于GPS/GPRS技术的校车管理系统D.电子科技 大学,2012. 2张震远.广州地铁线路维修管理模式研究D.华南理工大学,2012. 3张大波.基于状态监测与系统风