（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ea c c o m p l i s h m e n to fh i 【曲v o l t a g en e t w o r ka n dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h e g r i d s ，t h ef a u l t so fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n et h r e a t e nt h ep o w e rs y s t e m s s e c u r i t y a n ds t a b i l i t ys e r i o u s l y f a u l td i s p o s a la n dr e s t o r a t i o na r eb a s e do nt h ec o r r e c td i a g n o s i s r e s u l t s s oh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ef a u l td i a g n o s i sa n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r e v e r yi m p o r t a n t f o rs e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s f a u l tr e c o r d e ri n f o r m a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ff a u l td i a g n o s i s ，o n es i n g l ef a u l t r e c o r d e rc a l ln o ti m p l e m e n tc o m p l e xf a u l td i a g n o s i s c h i n ae l e c t r i cp o w e rs y s t e m s d a t an e t ( c e d n e oi sc o n v e n i e n tf o rt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ef a u l tr e c o r d e r s h o w e v e r n o w a d a y sp o w e rs y s t e m sa u t o m a t i o nd e v i c e sa r en o td e s i g n e df o rn e t w o r k a p p l i c a t i o n a ne m b e d d e d p o w e rs y s t e m sd y n a m i cr e c o r d e r ( e p s d r ) i s p r o p o s e d a n dd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi ss u i t e dt on e t w o r ka p p l i c a t i o n r e s e a r c ha n d a n a l y s i so fh i 曲v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n ef a u l td i a g n o s i sb a s e do ne p s d ri si n v o l v e d i ut h et h e s i sa l s o t h em a i nt a s k so ft h et h e s i sa r ea sf o u o w s ： 1 r e s e a r c ha n d a n a l y s i s t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y ( i n c l u d e e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , e m b e d d e do s ，e m b e d d e de t h e m e t ) a n di t sa p p l i c a t i o n i n p o w e rs y s t e m s 2 p r o p o s e a l le m b e d d e dp o w e r s y s t e m sd y n a m i c r e c o r d e r 3 d e s i g n a g e n e r a ld a t a - p r o c e s s i n gp l a t f o r m w h i c hi ss u i t e dt on e t w o r k a p p l i c a t i o nf o r a u t o m a t i o nd e v i c e s 4 d e s i g na i l e m b e d d e dp o w e rs y s t e m sd y n a m i cr e c o r d e rb a s e do ng e n e r a l d a t a - p r o c e s s i n gp l a t f o r m 5 。e s t a b l i s ht h ef r a m e w o r ko fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ed i a g n o s i sb a s e do n e p s d r t h es t u d i e si nt h et h e s i ss h o wt h a tt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sa p r o p e ra p p r o a c h t or e a l i z et h en e t w o r ka u t o m a t i o nd e v i c e sw i t hl o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e t h e y a l s os h o wt h a tt h ee p s d ri sar e l i a b l ei n f o r m a t i o ns o u r c ef o rf a u l td i a g n o s i ss y s t e m a n dt h a tw i l li m p r o v et h ed i a g n o s i sl e v e lg r e a t l y k e y w o r d s ：e m b e d d e d t e c h n o l o g y , e t h e r n e ld y n a m i cr e c o r d e r ，f a u l td i a g n o s i s 诚信申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 妻壳 日期：如牛年弓月了1 日 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 高压输电线路故障诊断概述 随着超高压电力系统的构成、大电网问的互联以及西电东送项目的实施，输电线路系统 设备的故障对电力系统安全运行的威胁越来越严重，国际上几次著名大停电事故足以说明。 特别是2 0 0 3 年8 月1 4 日，发生在美国东部包括纽约市在内以及加拿大部分地区的停电事 故，是美国有史以来最大规模的停电事故，每天经济损失达3 0 0 亿美元。如此大规模事故 的罪魁祸首就是克利夫兰的一条输电线路发生的故障，由此引发的连锁反应导致了这次灾难 性的事故，专家称之为“电力系统灾变”。输电线路系统设备是指输电线路、线路断路器、 继电保护及其控制系统。由电力系统的运行经验可知输电线路的故障占重要比例。其次， 由于线路断路器的频繁动作，相应的故障率也很高。另外保护装置由于元件性能老化或干 扰等原因而引起的误动、拒动或越级动作，或由于保护、断路器动作性能的不协调或异常而 引起的故障问题也时有发生的。电力系统故障时的正确恢复处理，必须是建立在对故障正确 诊断的基础上，这就是国内外对电力系统故障诊断课题研究重视的原因。为此，对输电线路 系统设备的故障综合诊断和性能分析是极为重要的。 高压输电线路故障诊断内容主要包括：当线路发生故障后，判断故障线路、故障类型、 故障相别、故障地点等，结合实际的电气量对保护动作、断路器分合闸、重合闸动作的正确 性进行评价。系统运行人员利用故障诊断的结论对事故进行处理，迅速排查故障，恢复供电， 保障电力系统的安全运行。 高压输电线路故障诊断的一般方法是：利用调度中心s c a d a 系统提供的断路器的状态 信息和运行参数运用人工智能技术确定故障的区域，通过动态故障记录装置( 简称录波器) 判断具体的故障类型、相别、距离等。 i 1 2 电力系统动态故障记录装置概述 l 1 2 t 故障记录装置 为了有效地分析电力系统的各种事故，以便准确地判明原因、区分责任、制定措施和改 进工作，需要有一种特殊的自动监测记录设备，迅速真实完整地记录电力系统故障暂态过程 的模拟信号波形和开关动作时序，并能对故障特征量进行必要地分析，这种自动记录设备就 是电力系统动态故障记录装置，简称故障录波器。类似与飞机上安装的“黑匣子”用于记 录e 机在失事前的重要数据，可以将这种动态记录装置形象地称为电力系统的“黑匣子”。 l 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 随着电力工业的发展，电力系统的规模和复杂性不断增加对电力系统及其设备运行的 安全性要求不断提高，故障录波分析装置在事故分析中的作用越来越重要。近年来它在我国 的应用越来越普遍，已经成为了变电站和发电厂必备的安全设备。故障录波分析装置被广泛 使用的主要原因，除了电力系统安全运行的要求外，还与计算机技术的发展密切相关。正是 因为采用了微机和数字信号处理技术，使传统录波器从概念上、结构上和性能上均发生了根 本的变化，使其实现了故障记录和故障分析的双重功能，从而使其成为整个电力信息系统的 重要组成部分。 1 1 2 2 电力系统动态故障记录装置基本要求 一般来讲，电力系统故障录波分析装置的任务是在电力系统发生扰动或出现异常时，对 由此引起的暂态过程、动态过程、异常变化过程以及各种自动化设备的动作行为进行完整全 面真实的记录，要求记录的数据包含足够的信息供进一步分析之用。换言之，故障录波装置 的工作特点是扰动时启动，记录变化过程。这和电力系统中装设的另一类稳态检测装置是完 全不同的，尽管目前这类装置扩展了一定信息追忆功能，二者的区别是前者能描述暂态过程 而后者反映稳态过程。随着技术的发展，故障录波也可以作为稳态记录的装置。 按照正确响应暂态过程的任务特点，并依据电力部门有关规定，电力系统故障动态记录 的基本要求主要有以下几条： ( 1 ) 录波的真实性 录波数据应不失真地反映一次系统的各种变化。当系统发扰动时，各种状态变量的变 化范围可能很大。例如发生短路时电压突然降低到接近零伏，电流突然上升至额定电流的几 倍到几十倍；发生振荡时，不仅电流、振荡中心电压会周期性剧烈变化，频率也会大大偏离 正常值。记录波形应保证在输入量大范围变化时的线性度。 故障暂态波形中含有丰富的谐波成份和衰减直流分量，应考虑足够宽的频带来保证正 确记录所关心的各种频率分量。一旦发生系统故障，各种自动装置会相继动作如继电保护、 安全自动装置、强行励磁、断路器辅助接点均会发生接点变位。不仅要记录各个开关变位， 而且要求正确记录各个开关变位的时间顺序一一称作开关变位顺序记录。为此一般要求开关 量输入的时序分辨率优于1m s 。 ( 2 ) 过程的完整性 录波数据应能包含对扰动发生前后全过程的信息；尤其当系统连续发生扰动时，应能 无遗漏地记录每次扰动前后全过程的信息同时对相关所有输入量进行全面记录，要求故障 2 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研宄 录波分析装置有足够大的信息容量。 ( 3 )动作的可靠性 规定要记录的扰动应完整记录；要求不拒动不误动。 ( 4 ) 信息的规范性 对下故障录波分析装置要求数据记录格式符合国际上的和我国的有关统一规范，保 证便于故障分析和信息交换。 ( 5 ) 时序的统一性 各个输入通道的数据记录以及不同录波装置的数据记录应在时间上同步，并有明确 的时标，这样的数据才有综合分析的价值。目前大范围的时间同步可以采用g p s 。 综上所述，动态故障记录装置在满足故障信息记录的基本要求的同时，还应做到信 息安全、输出多样、结构合理、调试简单、界面友好、启动灵活、自检有效、联网方便。 1 2 国内外研究现状 高压输电线路故障诊断，与发电机、变压器故障诊断构成了电力系统故障诊断的主要内 容，国内外有关专家和学者做了许多的研究和探索，并取得了大量的成果。 故障诊断是指系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣 化状态发生的部位或元件，以及预测状态劣化的发展趋势等。犹如医疗诊断，是指医生借助 各种手段对人体进行检查化验，然后根据医学理论确定诊断对象是否患病和患有何种疾病的 过程。诊断就是由现象判断本质，由当前预测未来，由局部推测整体的过程。在：l 程技术领 域，也要根据系统和设备各种可测量的物理现象和技术参数的检测来推断设备是否正常运 转，判断发生故障的原因和部件，预测潜在故障的发生等等。 故障诊断的基本思想一般可以这样表述：设被诊断对象全部可能发生的状态( 包括正常 和故障状态) 组成状态空间s ，它的可观测量特征的取值范围构成特征空间y ，当系统处 于某一状态s 时，系统具有确定的特征y ，即存在映射g ： g ：s y 反之，一定的特征也对应确定的状态，即存在映射f ： f ：y s 如果f 和g 是双映射函数，即特征空问的状态空间存在对一的单满射，则由特征向 撬可唯一确定系统的状态，反之亦然。故障诊断的目的在于根据可测量的特征向最来判断系 统处于何种状态，也就是找出映射f 。 若系统可能发生的状态是有限的例如可能发生n 种故障，这时把正常系统所处的状 3 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 态称为s o ，把存在不同故障的系统所处的不同状态称为s 1 ，s 2 ，s 。当系统处于 状态s l 时，对应的可测量特征向量为y f = c y n ，y m ) 。故障诊断是由特征向量y = ( y ，y ，曲求出它所对应的状态s 的过程。因为一般的故障状态并非绝对清晰的，有一定 的模糊性，因此它所对应的特征值也在一定范围内变动，在这种情况下，故障诊断就成为按 特征向量对被测系统进行分类的问题或对特征向量进行状态的模式识别问题，因此，故障诊 断实质上是一类模式分类问题。 故障诊断的过程主要有三个步骤：第一步是检测设备状态的特征信号：第二步是从所检 测的特征信号中提取征兆；第三步是根据征兆和其它诊断信息来识别设备的状态，从而完成 故障诊断。 电力系统故障诊断经历了从传统诊断到智能诊断的过程，利用继电保护和断路器动作信 息识别故障元件和故障区域。随着信号处理技术和人工智能技术的迅速发展，特别是知识工 程、专家系统和人工神经网络在诊断领域中的应用，迫使人们对智能诊断问题进行更加深入、 系统的研究。所谓的诊断系统的智能就是它可有效地获取、传递、处理、再生和利用诊断信 息，从而对具有给定环境下的诊断对象进行有效状态识别和状态预测的能力。到目前为止， 国内外在故障诊断方面越来越多地采用了计算智能和知识工程的工具和方法，如基于专家系 统、人工神经网络、粗糙集理论、遗传算法、p e t r i 网技术、模糊逻辑的诊断识别方法及各 方法之间的交叉等，这些方法备有其特点，在电力系统故障诊断方面都有一定的理论研究和 实际应用基础。以下分别作简要的介绍。 1 2 1 故障诊断的算法“制 1 2 1 1 专家系统 专家系统( e x p e r ls y s t e m 简称e s ) 是一种智能计算机程序，这种计算机程序使用知 识与推理过程，求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题。根据这个定义我 们可以知道：专家系统本质上是一个( 或一组) 计算机程序，它能借助人类的知识采取一定 的搜索策略并通过推理的手段去解决某一特定领域的困难问题。为了完成专家系统最基本的 功能，一个专家系统起码要包含三个组成部分：知识库、推理机及人机接e l ，一个成熟的专 家系统还要增加另外三个组成部分：全局数据库、知识获取部分、解释部分，其结构如图 1 1 所示。其基本工作原理：在知识库创建和维护阶段，领域专家与知识工程师合作通过知 识获取子系统对知识库进行操作；在诊断阶段，用户通过人机接口将征兆信息传送给推理机， 推理机根据诊断的需要，检索知识库中的各条知识或继续向用户要求更多的征兆信息，诊断 4 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 结果通过人机接口返回给用户。 知识库是一个独立的实体，它存储的知识通过程序来提取和管理。 推理机是专家系统的组织控制机构，它根据当前的输入数据( 如系统运行时的各种征 兆) ，运用知识库中的知识，按一定的策略进行推理，以达到要求的目标。 全局数据库或称为动态数据库是_ = i j 于存储所诊断问题领域内原始特征的信息、推理过 程得到的各种中间信息和解决问题后输出结果信息的存储。 知识获取子系统是专家系统和领域专家、知识工程师的接口。通过它与领域专家和知识 工程师的交互，使知识库不仅可获得知识。而且可使知识库中的知识得到不断的修改、充实 和提炼，从而使系统的性能得到不断的改善。 图1 1 专家系统的一股结构 f i g1 1 t h e g e n e r a ls t r u c u u e o f e x p e r ts y s t e m 解释子系统能够对推理过程作出解释，可以解释推理路线和为什么要询问那些特征信息 数据，而且还可以解释推理得到的确定性结论。在专家系统中设置解释子系统是专家系统与 传统计算机程序不同的一个重要特色。其目的是使用户更容易接受系统的整个推理过程和所 得出的结论，同时也为系统的维护和专家经验知识的传授提供方便。 人机接口有时被称作用户界面，是专家系统和用户之间进行信息交换的媒介。它常以爿 户熟知的手段( 如自然语言、图形、表格等) 与用户进行交互，把用户的信息转换成系统的 内部表示形式，然后由相应的部件去处理并把内部的信息显示给用户。 专家系统的核心是知识。知识库中拥有知识的数量和质量决定了一个专家系统的解决问 题的能力。因此，建造一个专家系统首先是要获取专业领域中的大量概念、事实、芡系和方 法，包括人类专家处理实际问题时的各种启发性知识，以构造一个内容丰富的知识库。 5 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 对于专家系统来说，知识库的建立是整个系统设计的“瓶颈”，它的质量直接决定了整 个专家系统的质量。 运用专家系统技术进行电力系统故障诊断，由于e s 的问题求解是基于问题域原理知识 和专家的启发经验知识相结合，问题域中的求解树是知识组合而构成的，e s 推理是属于图 搜索的决策树，知识网络中的多个知识树仅能用强制方法组合成相应的搜索树，因而搜索树 是不可任意组合的，它的联想推理也是有局限的，知识的自学习和自组织能力较差。当输入 实时信息集中带有干扰信息时，或遇极不寻常的事故信息序列时，都无法正确地诊断故障， 往往会使问题求解陷入无穷递归，即死解。这个问题是难以克服的。具体归纳传统的专家系 统存在以下缺点： ( 1 ) 知识获取的“瓶颈”问题。 ( 2 ) 知识难以维护。 ( 3 )知识窄台阶。 ( 4 )推理能力弱。 ( 5 )实用性差。 ( 6 )不精确推理不适合解决模糊问题。 为此研究用人工神经网络( 简称a n n ) 的模式识别及函数拟合的性能，来实现电力系统故 障诊断是很有应用潜力的。 1 2 1 2 人工神经网络 人 t 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 简称a n n 或神经网络) 是近些年发展起来 的十分热门的交叉学科，它涉及生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有着非常广泛的 应用背景，这门学科的发展对目前和未来的科学技术的发展将有重要的影响。人工神经网络 就是对生物神经系统的模拟。采用物理可实现的系统来模仿人脑神经细胞的结构和功能的系 统。它是由大量简单的处理单元( 称为神经元) 广泛互联而形成，进行并行的工作。它的信 息传播和存储方式与神经网络相似，没有运算器、存储器、控制器这些传统计算机的基本单 元。它的信息是存储在处理单元之间的连接上，与传统的计算机系统完全不同。 利用人二 神经网络进行故障诊断的基本原理是：将故障警报信息进行数字量化作为神 经网络的输入量，神经网络的输出量代表故障诊断的结果。首先对神经网络进行训练学习， 即将特定故障对应的警报模式作为样本建立较全的样本库，然后用所有的样本对神经网络 进行训练，这样就可以将样本库的知识以网络的形式存储在神经网络的连接权中，虽后，通 6 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 过神经网络输入最的计算就可以完成故障诊断。故障诊断中神经网络所采用的模型大多为 b p 模型，这主要是由于对b p 模型的研究比较成熟，使用比较可靠。文献 1 0 】较早提出了 用b p 模型进行警报处理和故障诊断的方法，该方法将警报信息作为神经网络的输入量，故 障作为神经网络的输出量，用于识别电网发生的故障，缺点是不能用于火规模系统。文献 【1 1 】【1 2 1 提出了基于分层分布式的神经网络故障诊断方法，适于大规模电网故障的诊断。虽 然神经网络在电力系统中的应用领域较广泛，但目前大多数尚处于实验阶段，离实际应用还 有一定的距离。 通过向环境学习获得知识并改进自身性能是神经网络的一个重要特点。在一般情况下， 陛能的改善是按照某种预定的规则通过调节自身参数( 如权值和阀值) 随时间逐步达到的。 学习方式主要有：有导师学习、无导师学习和强化学习。 ( 1 ) 有导师学习如图1 2 所示。这种学习方式需要外界存在一个“导师”，它可 以对给定一组输入提供希望的输出结果这组己知的输入输出数据成为 学习样本模式，可以根据希望的输出与实际输出之间的差值( 误差信号) 来 调节系统参数。 图1 2 有导师学习框图 f i g l 2 t h e l e a r n i n g f r a m e w i t h t h e t e a c h e r ( 2 ) 无导师学习如图1 3 所示。无导师学习时不存在外部教师，学习系统完全按 照环境提供数据的某些统计规律来调节自身参数或结构( 这是一种自组织过 程) 以表示外部输入的某种固有特性。 图1 3 无导师学习框图 f i g1 3 t h e l e a r n i n g f r a m e w i t h o u t t h e t e a c h e r 7 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 ( 3 ) 强化学习强化学习介于上述两种情况之间，如图1 4 所示。外部环境对系统输出 结果只给出评价信息，而不给出正确答案。学习系统强化那些受奖的动作来改善自 己的性能。 圈1 4 强化学习框图 f i g1 4t h er e i n f o r c e a n e n t - l e a r n n gf r a m e 人工神经网络的信息处理能力包括两方面的内容：神经网络信息存贮能力和神经网络 的计算能力。传统的冯诺依曼型计算机中，计算与存贮是完全独立的两个部分。这两个独 立部分存贮器与运算器之间的通道，就成为提高计算机计算能力的瓶颈，并且只要这两 个部分是独立存在的，这个问题就始终存在。神经网络模型从本质上解决了传统计算机的这 个问题。它将信息的存贮与信息的处理完善地结合在起。这是因为神经网络的运行是从输 入到输出的值传递过程。在值传递的同时也就完成了信息的存贮与计算。 文献【1 - 1 0 】都是研究人工神经网络用于高压输电线路故障诊断的。这些研究尚存在某 些局限性。对电力系统故障区的分析是依据故障时断路器和保护动作信息，而断路器和保护 可以有不正确或错误动作。由此得到的只能是对故障区的估计，作为事故恢复处理的依据是 不充分的。文献【5 】提出e s 和n n 的混合系统，首先依据断路器和保护的动作信息，e s 的 原理进行系统故障区的估计，进一步依据相关的故障电压和电流波形信息用n n 模型获得故 障类型、简单复合故障、故障距离，最后由传统故障分析软件包进行校核。该系统提高了 故障分析的准确性，但对于断路器和保护性能而引起的不正确动作仍难于分析，诊断结果仍 含有不确定性因素。 1 2 1 3 粗糙集理论 粗糙集理论是波兰华沙理工大学的z p a wi a k 教授于19 8 2 年提出的一种处理不完整性 和不确定性问题的新型数学工具。由于最初关于租糙集理论的研究主要集中在波兰，因此当 时并没有引起国际计算机界和数学界的重视，研究地域仅局限于东欧一些国家。直到1 9 9 0 年前后，由于该理论在数据的决策和分析，模式识别、机器学习与知识发现等方面的成功应 崩， 才逐渐引起了世界各国学者的。泛关注。1 9 9 1 年z p a wl a k 的专著粗糙集荚 8 嵌入武电力系统动态记录装置及故障诊断研究 于数据推理的理论( r o u g hs e t s - - t h e o r e t i c a la s p e c t s o fr e a s o n i n ga b o u td a t a ) 的问 世，标志着粗糙集理论及其应用的研究进入了活跃时期。1 9 9 2 年在波兰召开了关于粗糙集 理论的第一届国际学术会议。1 9 9 5 年a c mc o m m u n i c a t i o n 将粗糙集列为新浮现的计算机 科学的研究课题。目前，粗糙集理论己成为信息科学最为活跃的研究领域之一。粗糙集方法 以对观察和测量所得数据进行分类的能力为基础，不仅为信息科学和认知科学提供了新的科 学逻辑和研究方法，而且为智能信息处理提供了有效的处理技术。其主要思想就是在保持分 类能力不变的前提下，通过知识约简，导出问题的决策或分类规则。它与统计方法处理不确 定问题完全不同不是采用概率方法描述数据的不确定性，而且与这一领域传统的模糊集合 论处理不精确数据的方法也不相同，它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信 息，因此对问题的不确定的描述和处理是比较客观的。在p a w l a k 的粗糙集模型中，人们 感兴趣的对象的集合( 有限集) 称为论域，论域中的任何子集称为概念或范畴，并且论域中的 任何概念族称为关于论域的知识1 。论域中的对象或元素可以用可利用的信息( 或知识库 中的知识) 来描述。当两个不同的对象具有相同的描述时，称这两个元素是不可区分的。所 有具有相同描述的元素构成了一个等价类，所有等价类构成了这个论域的一个划分。任意给 定论域的一个子集，人们不一定能用知识库中的知识来精确地描述。这时就用关于这个集合 的一对上、下近似来描述。鉴于粗糙集理论在处理不确定、不完备信息上的优越性已经有 不少研究人员把它引入到故障诊断系统中。例如文献【1 2 】把粗糙集理论应用于电力系统故障 诊断和警报处理，尝试应用粗糙集理论来处理因保护装置和断路器误动作、信号传输误码而 造成的错误或不完整警报信号。提出的方法以决策表作为主要工具，直接从故障样本集中导 出诊断规则。电力系统的故障诊断可以用一个模式分类问题来描述，很适合应用粗糙集理论 的决策表方法。基本思想是把保护和断路器的动作信息作为对故障分类的条件属性，考虑各 种可能发生的故障情况并建立决策表( 类似于a n n 故障诊断的训练样本集) ，删除多余属性 后抽取出诊断规则。警报处理也是一个模式分类问题，每一个事件对应着一组特征警报集， 警报处理的任务就是对送至控制中心的警报信息进行合理的解释，判断出引起警报的事件。 利用诊断信息的冗余性，通过避开丢失或错误的警报来处理不完备警报信息。文献【13 】是 将粗糙集方法应用于旋转机械( 如燃气轮发电机组) 的故障诊断中旋转机械故障诊断其实 质也是模式分类问题。文中以振动特征频谱为依据，提出了一种基于粗糙集理论的旋转机械 故障诊断方法，该方法不但可以直接从完备的故障频谱特征样本集中导出正确的诊断结论， 而且还能从不完整的故障频谱特征样本集中导出满意的诊断结论。它揭示了故障特征频谱信 息的冗余性t 为在不完整征兆信息下的旋转机械故障诊断提供了新的思路。文献【1 4 】针对 9 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 内燃机的运行状态监测和故障诊断，在故障诊断专家系统的基础上，引入粗糙集理论并以 信息系统属性值表为主要工具，对专家系统中的规则进行约简并剔除不必要的属性，揭示了 故障诊断信息中内在的冗余性降低了故障诊断专家系统构成的复杂性并建立了简化后的 决策规则。 1 2 1 4 模糊集理论 1 9 6 5 年，美国学者l a z a d e h 在“i n f o r m a t i o n a n dc o n t r o l ”上首先提出了模糊集 合的概念， 其论文“f u z z ys e t s ”开创了模糊数学及其应用的新纪元。这一开创性的工作 不仅拓宽了普通数学的基础， 而且提高了数学理论在技术科学中的实用性。自模糊集理论 创立以来，逐步得到了发展和完善，其应用成果也产生了巨大的经济效益。基于模糊逻辑和 控制的产品得到了广泛的应用，如模糊照相机、模糊洗衣机、模糊空调机等民用产品，还有 诸如模糊自动火车运行系统、模糊自动集装箱吊车操纵系统等工业方面的应用。从1 9 9 2 年 以来， i e e e 决定每年举办一次f u z z yi e e e 会议，这说明模糊集理论进入了全面发展的 时代。在模糊集理论发展的初期，它在电力系统中的应用是十分有限的，这主要是因为电力 系统的工程师首先考虑的是电力系统的可靠性，对模糊逻辑还持有怀疑态度。但随着这一理 论的不断发展完善，它在电力系统中的应用领域也越来越广泛，例如：静态稳定控制、暂态 稳定预测、机组运行规划、负荷预测、系统故障定位和诊断、电气设备的故障诊断、负荷频 率控制和预测、负荷建模、安全分析与控制等。在近些年的研究中，有人将模糊集理论引入 绝缘诊断领域并取得了一定的成果。文献f 1 5 】将模糊集理论运用到变压器的诊断中，运用模 糊关系矩阵来建立变压器的诊断模型，将故障现象和故障原因建立在矩阵中，通过输入和输 出关系米进行诊断。文献 1 6 】将模糊辨识应用于变压器的绝缘诊断中，井在模糊诊断模型 中引入了最小二乘法，减少了人为因素对模型的干扰。文献【17 】将模糊集理论用于电气设 备故障诊断专家系统中，对模糊集理论与专家系统相结合并应用于电气设备的故障诊断作了 有益的探索。然而，在模糊集理论中，由于隶属度的获取复杂系统的模糊模型的建立、辨 识，语言规则的获取、遗：蛊、修改等理论和方法还不够完善，使该理论的应用受到了限制。 从目前情况来看将模糊集理论与人工智能中的专家系统、神经网络等相结合不失为解决这 一困难的好方法。 其他方法 故障诊断中的智能方法除了以上介纲的四种以外，还有其他一些方法，比如：小波分 析、分形理论、遗传算法等，这些学科分支的发展及其不断完善，为故障诊断技术开拓了新 1 n 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 的途径。虽然这些方法的应用有些还不是很成熟，甚至仅仅是处于探讨阶段，但前景却是 光明的。下面就对这些方法及其应用作简要介绍。 1 2 1 _ 5 小波分析 小波分析是一种崭新的时频分析方法，具有良好的时频局部化特性和对信号自适应、 “变焦距”多尺度分析能力，适合于对非平稳信号的处理。小波分析是f o u r i e r 变换的突 破性进展，并发展了窗f o u r i e r 变换的局部化思想，它的窗宽随频率增高而缩小，符合 高频信号的分辨率较高的要求。小波分析的主要特点之一是具有用多重分辨率来刻划信号局 部特性的能力，从而它很适合探测在正常信号中出现的瞬态反常现象并展示其成分。目前， 小波分析已经成功地应用于机械设备的振动信号分析中，在电气设备的故障信号分析中， 小波分析也必将成为有力的工具。文献【18 】分析了电力系统故障暂态信号的奇异性，得出 其奇异性的特殊性，从而提出利用小波变换进行故障暂态信号奇异性检测的算法，保证了 奇异点的准确检测。文献【19 】建立了电压行波的故障特征和小波变换模极大值之间的联系， 为构造性能优良、可靠的行波测距和行波保护奠定了重要的数学基础。 1 2 1 6 遗传算法 遗传算法( g a ) 是一种新发展起来的优化算法，由美国学者h o l l a n d 于1 9 7 5 年首次提 出口q 。d e g o l d b e r g 教授1 9 8 9 年出版的“g e n e t i ca l g o r i t h m ”一书通常认为是对遗传 算法的方法、理论及应用的全面系统的总结。从1 9 8 5 年起，国际上开始举行遗传算法的国 际会议，以后则更名为进化计算的国际会议。遗传算法已经成为人们用来解决高度复杂问 题的一个新思路和新方法忙1 】。它依据适者生存、优胜劣汰的进化规则，对包含可能解的群 体进行基于遗传学的操作，不断生产新的群体并使群体不断进化，同时以全局并行搜索优 化群体中的最优个体以求得满足要求的晟优解。近年来，它在优化组合问题求解、机器学习、 模式识别、图像处理等领域己展现了它的应用前景和潜力i 越】。g a 以其能以较大概率求得 全局最优解、计算时间较少、具有较强鲁棒性等特点在电力系统中也得到了应用。文献【2 3 】 根据电力系统目前的实际运行情况和以后的发展，提出了一种合理利用采集信息( 即把采集 信息分为三层) ，运用遗传算法进行分层信息故障诊断的方法，实验证明此方法快速有效。 文献 2 4 】介绍了遗传算法在故障诊断专家系统的推理和自学习中的应用，克服了专家系统 存在的推理速度慢和先验知识很少情况f 知识获取困难的障碍，提高了专家系统的适应性。 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 1 2 1 7 分形理论 分形理论是美籍法国数学家b b m a n d e l b r o t 于上世纪七十年代创建的。1 9 6 7 年，他 发表在美国科学杂志上的论文英国的海岸线有多长中，首次阐明了他的分形思想， 1 9 7 3 年他在法兰西学院讲学时正式提出了分形几何的概念，1 9 7 5 年他的法文专著分形、 形状、机遇和维数的出版，是分形学理论诞生的标志。分形理论作为一个全新的科学领域， 从它诞生之日起，就有了跃足的发展，很有可能成为诊断领域中的一个新的有效工具。设备 故障诊断是通过测量反映设备运行状态的特征信号，并根据从特征信号中提取的征兆和其他 信息来识别设备的运行状态。然而，在实际现场测量的这些特征信号或参量是随时间变换的 不十分规则的函数其变化趋势也没有一个确定的函数关系。有些甚至是随机变化的信号。 这些特征信号在一定的尺度范围内部具有分形的特性，可以通过计算分维数来进行诊断。根 据分形理论，具有自相似性的系统可由局部信息量表示整体特性，因此，当监测参量有限 时，可以采用分形理论来解决。目前，分形理论在高压放电通路的识别中已有初步的应用， 在诊断领域中的应用研究还只是刚刚开始。文献【2 5 】是将分形理论用于电力设备局部放电模 式识别中，可以大大减少特征提取数量，并且将分形理论和小波变换、人工神经网络相结合， 可以提高局部放电模式识别的有效性和可靠性。 小结 由以上的介绍可得出：( 1 ) 专家系统、人工神经网络、粗糙集理论、模糊集理论等智 能方法在故障诊断领域已经得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益：小波分析、遗传 算法等方法也显示出了在故障诊断中的应用潜力。( 2 ) 这些方法并不是孤立的，在很多情况 下可以互相结合且能达到更好诊断的效果。( 3 ) 虽然上述智能方法在故障诊断领域得到了成 功应用，但这些理论本身还不是很成熟， 需要进一步完善，而且某些应用还只是处于探 讨和实验阶段，距离工程实际还有差距，因此无论是在理论研究还是工程应用方面都还有 很多工作要做。 1 2 2 电力系统动态故障记录装置”1 7 1 迄今为止，大量应用在电力系统中的故障动态记录是用于继电保护装置动作分析的故障 电流与电压波形记录。在引入微机技术以前。主要的故障波形记录方式有以下几种。 ( 1 ) 一些西欧国家中曾经k 期使用的印刷型故障波形记录装置，它运用了与图表记录仪 类似的原理，在不断匀速旋转浸油墨的滚筒上，用测量电流或电压的指针表头划出电流或电 压的波形t 确定发生故障后，当即记录纸压在滚筒上，将故障波形印刷在运动着的记录纸上 l2 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 这种印刷式的故障录波，设备简单维护也比较容易虽然精度不高，也不能反映高频分量， 但能够可靠地记录故障电流和电压基波分量波形。在我国曾经少量试制和运行过。 ( 2 ) 在我国得到长期广泛使用的光线式录波器。它是依靠感光胶片米记录电气量的变化。 这种录波方式，能够记录到故障电流和电压中较低频率的高频分量利用特殊的振子，也可 以记录有功及无功功率量，但由于启动带延时，不能记录故障起始时刻约前半周的波形。这 种录波方式的最大弱点是：感光胶卷的长度有限、可靠性低、胶片冲洗复杂、无事故前记录 能力、无连续记录能力、没有分析及通信功能等，现在基本上已经退出了电力系统。 ( 3 ) 模拟量磁带记录仪。它是利用频率调制技术将模拟信号记录在磁带上。记录的磁 带可以回放，驱动示波器或描图仪观察记录的波形。这种记录仪在英国、意大利等国，从 7 0 年代后期开始作为系统较长期动态记录设备装设在若干重要电厂和枢纽变电所中。这种 记录方式，远方传输信息不方便，读取速度较慢。如果利用合适的硬件和软件，可将记录在 模拟磁带上的信号转为任何所需格式的数字记录。在我国，8 0 年代初曾少量引进用作试验 波形记录设备。 ( 4 ) 微机型故障录波装置。现代的电力系统动态记录装置是基于微型计算机和数字信号 处理技术的暂态信号高速测录分析系统它不仅克服上述光线录波器的不足，还能提供更多 的必需功能，如多种输出媒体( 打印机、显示器、磁盘及远方通讯等) 、简便易用的调试功 能、构成分部分散式录波分析系统、利用全球卫星定位系统( g p s ) 实现精确对时、多种 附加功能，如在线电能品质监视( 谐波、频率、电压) 等。 由于其性能优良，几乎所有的2 2 0 k v 以上的变电站都装有微机型故障录波装置。 目前的故障录波分析装置通常由采集记录装置和分析站两大部分组成。 采集记录装置一般安装在变电站或发电厂内。采集前端在微型计算机的控制下对输入 量进行数据采集，采集的数据既可存入数据存储单元( 如硬盘、电子盘) 供随时调用；又可 直接在输出设备上输出( 如监视器、打印机、软盘) ；也可经通讯接口送至分析站分析。 分析站对数据进行各种分析计算，提供事故分析结果。安装在本地采集记录装置的分 析站称作就地分析站，它可以通过总线方式、串行通讯方式、计算机局域网与采集前端进行 数据交换，也可以接受软盘等携带的数据文件 安装在异地( 如调度中心) 的分析站称作远 方分析站需要通过远程信道( 如电话线、局域网、微波通道、载波通道、光纤通道等) 与 采集记录装置交换数据。目前广泛使用调制解调器( m o d e m ) 通过电话线和微波通道米实 现远方数据传送。 故障录波分析装置的具体结构是多种多样的，在功能和性能指标上也存在较大的著异。 1 3 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 可以按以下方法进行分类。 1 2 2 1 按功能指标进行分类 ( 1 ) 简易型 通常以单片微处理器为核心构成，模拟量和开关量输入通道均不超过1 6 路，采样 率在8 0 0 h z 以下，一般只带有磁盘和打印输出，采用简易键盘和l e d 进行人机对话， 不含有专用的分析站( 可能附有简单的离线分析软件) 。 ( 2 ) 紧凑型 通常采用通用工业p c 机和单片机或数字信号处理器( d s p ) 构成，将数据采集、 控制操作和简单分析功能集于一体。模拟量和开关量通道数可通过增加插件扩充，一 般在3 2 路以上9 6 路以下，采样率不超过1 2 0 0 h z 1 2 2 2 按结构形式进行分类 ( 1 ) 集中式 录波装置对所有输入信号集中录波，要求二次电缆集中至录波屏。目前多数录波 分析装置是这种结构。 ( 2 ) 分布式 按一次设备安装地点就近分散配置采集装置。一般是把采集前置机分散，由p c 机通过通讯系统对各个前置机进行控制和接收数据。这样可以大量节省二次电缆，所 以分布式结构是一种很有发展前途的结构形式。目前一种趋势是在分散的保护控制设 备中增设录波功能，取代专用的采集前置机，笔者认为保护装置在不影响保护性能的 前提下，可以具备简单的录波功能，但不能取代专用的录波器。原因是，保护装置本 身的行为也是故障录波分析装置的一项重要内容，事故中如果保护装置自身的问题导 致录波丢失或拒动，那么这样的录波就失去了监视和记录的作用。分布式录波分析装 置的关键技术之一是时间同步技术( 同步启动、同步采集等) 。 ( 3 ) 便携式 采用轻便的结构，减少输入通递数和选用易接端子，主要用于现场调试和临时测 录。 1 4 嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究 1 2 2 3 按应用对象进行分类 ( 1 ) 变电站用故障录波分析装置 目前绝大多数故障录波分析装置都是以此为应用目标设计的实际达到的功能只 能对输电线路的故障进行记录和分析。 ( 2 ) 发变组故障录波分析装置 用于发电机、变压器组的故障录波分析装置。 1 2 2 4 国内外故障录波分析装置应用现状与存在问题 国外的故障录波器一般采用分散式结构标准模块化设计，可以分散安装在开关柜或保 护小室内，通过网络可以联到一台所级计算机或远传到调度中心。计算机配有通用分析软件 包，可集中进行数据处理。s i m e a sr 是西门子公司推出的智能化录波器，它可用于监视 发电机及超高压