小波熵证据的信息融合在电力系统故障诊断中的应用new

1、 本文由李涛自由翱翔贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 第卷 第 期 年 月 日 中 国 电 机 工 程 学 报 ， 文章编号： ? （ ? ） 中图分类号 ： ； 文献标识码 ： 学科分类号 ： 小波熵证据 的信息融合在 电力系统 故 障诊 断 中的应 用 符 玲 ，何正友 ，麦瑞坤，钱清泉 ，张 鹏 （南交通 大学电气工程 学院，四川省 成都市 ； 电力系统保护与动态安全监控 教育部重点实验室（ 华北电力大学） ，北京市 昌平区 ） ， ， ， ， （ ， ； ， ， ， （ ） ， ， ， ， ） ： 件 、恢 复 系 统

2、正 常 运行 的首 要 前提 ，具 有 重要 意 义 。该文 从 ， 信息融合的角度出发， 出利用多种小波熵测度的融合来解 提 决 电力系 统 故 障 诊 断 问题 。 小波 熵 测 度 由于结 合 了 小波 变 换 ， ； 和信息熵理论的优势 ，能快速准确地提取线路故障特征 ，但 由于故 障 的 不确 定 性和 多 样性 ，依靠 单 一 的小 波熵 测度 诊 断 故障可能出现诊断困难或诊断失真等问题， 因此提出采用 证据理论对多种小波熵进行信息融合，并采用范数加权平均 的方法来建立基本可信度分配，以基本可信数 的决策方法来 实现故障模式诊断。基于 和 的仿真证明，该 方 法 能提 高 对故

3、障诊 断结 果 的支 持度 及 故 障诊 断 的准 确性 和 ， 实时 陛，是故障模式定量诊断的一种可行性新方法。 关 键 词 ：故 障诊 断 ；信 息 融 合 ；小波 熵 ；证 据理 论 ；基 本 可 ， 信 度 分 配 引 言 随着 技术 的进步 ， 电力系统 故障实 时诊 断取得 了长足 发展 ，但在 线快速准 确 的故 障诊断 问题 依然 悬 而未 决 。特别 是在系统发 生复杂故 障或保护 和开 关存在较 多误动 、拒动等 不确定情况 下 ，故 障诊断 变 得更加 困难 。 现有 的故障诊 断系统通 常是基于监 控和数据 采 集系 统所提 供的保 护和开关信息来实现故 障诊 断， 】

4、 ， ： ； ； ； ； 摘要： 电力系统中快速准确的故障诊断是事故后隔离故障元 基 金项 目：国家杰 出青 年科学 基（ ；四川 省杰 出青年基 ） （ ） ；教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 项 目（ ） 。 但 由于 电力 系统存在 的诸多 不确定因素 ，使 目前基 于开 关和保护信 息 的诊 断方法 已不能取得满 意的效 果 ，因此 有必要利 用新 的信 息源 。继 电保护 技术 的 进步 以及故 障录波 信息 网的建 立使大 量录波信 息 （ ） 的综合利用成为现实，从而为故障诊断提供了可行 维普资讯 第 期 符 玲 等 ： 小波 熵 证 据 的 信 息 融合

5、在 电力 系 统故 障诊 断 中 的应 用 的信 息源 电流 、 电压等 故 障 电气量 。 由于 当电力系统 发生故 障时 ，首 先是故 障元件 的电气量发 生变化 ，其次 引起 保护动 作 ，最 后才动 作相 应 的开关 ，因此 利用保 护和 开关信 息进 行诊 断 就不 能直接 利用故 障信息 。另外 由于 保护和 开关 的 某些 拒动 、误 动 以及 信道干扰 造成 的信 息丢 失等 因 素 的影 响，使基于保 护开 关信息 的诊 断系统 诊断 正 确 率低 ，常 出现诊 断无 果或诊 断错 误 的情 况 而 。 利 用故 障录 波 电气量 进行 故障诊 断能避免继 电保护 因此 在表

6、征 信号 特征 时就具 有不 同的物理 意义 。 小波 能量熵 小波 能量熵 是对被分 析信号 在各频 段上 的能 量 分 布作 出的一个 统计分析 ，它 以小波变 换 的尺度 系 数 为基准对 信号能 量进 行划分 ，最终 以一个定量 的 熵 值来 反映信号 能量在 频域上 的分布 复杂度 。 文献 中定义 的小波 能量熵 算法 可 以计算 任 意时 间窗 内的小 波能谱熵 ，即能根据需 求反映某 一 时间 内被 分析信 号 的能量在各频 段上 的分布特征 ， 并且能 定量地反 映信号 能量分布 的复杂 度 。由于 考 虑 了时域空 间和 频率空 间 的对应 关系 ，小波 能谱 熵 用 于

7、电力 故障诊 断 中故 障信号 的特 征提取 ，能直 观 过程 中的干 扰 ，能直接利 用故 障信 息特别 是故 障后 的高频 暂态分 量 来分析 故障 。 本文基 于故 障后 的电气信息量 ，考虑 故障 高频 暂态分量 的存在 ， 用小波熵 来提取 故 障信 号特征 。 利 同时考虑 到故障 的多样性 、不确 定性 以及 故障 间联 系 的复杂性 ，凭 借单一 的故障特 征量和诊 断方法 难 获得故 障信 号 的能量分 布信息 ，在信息 融合 的数 据 融合和 特征融 合阶段 达到应 有 的融 合效果 。 小波奇 异熵 。 奇 异 值 分 解 （ ， 以完成诊 断任务 ，故 比较 合理地 联

8、想到采 用信 息融 合技术来 进行 多征 兆信 息融合诊 断 】 。因此 ， 文 本 提 出了利用多种 不 同小波 熵来 分别提取 故障特征 量 作为独立 证据体 ，再利用 证据 理论 有机地融 合 各证据 ，最后利用 基于融合 可信数 的决策得 出故 障 诊断结论 。该诊 断理论 方面有利 于故 障特 征 的准 确提取 ，另一方 面有利 于从不确 定的故 障信 息 融合 中得到 正确 的诊 断决策 ，从而提 高 了电力系统 故障 ） 论 能简 捷地 提 取被 分 析矩 阵 的基 本模 态 特 理 征， 小波 奇异熵 正是利用 理 论 的该 优势来提 取 被分析信 号 的小 波变换 系数矩 阵

9、特征 ，从而反 映被 分析信 号 的时频分布特 征 的 。 小 波奇异熵 能定量 区分具有 不 同时频分布 的信 号 ，并 且信号越 复杂 、不确 定性越大 ，量化 的小波 诊断 的精 度与准确 度 ，并能满足 诊断实 时性要 求 。 仿真算例证 明了理论推导 的正确性 及该诊 断方法 的 可行性 。 奇异熵 值就越大 。故 障信号 由于含有丰 富 的高频 暂 态分量 ，其在 时频空 间上 的分布 复杂度 很高 ，从 而 利用小波 奇异熵 能有效 地检测和 量化其 故障程度 。 小波时频 熵 小波 时频熵 是对被 分析信号 的小波 变换系数矩 各 类 小波 熵 对 故 障特 征 的表征 小 波

10、熵 的概 念 小波变 换可 以在 频域 和时域 同时 定位 分析 非平 稳时变信 号 ，在此 基础上 定义 的各类 小波熵 是小 波 变 换和信 息熵原 理相 结合 的产物 】 ，它 结合 了小 ¨ 波 变换在 处理不规 则异常信 号 中的独特优 势和信 息 阵 ，分 别从 时间和频率 的角度进 行能量 统计分析 ， 从而得 到 个相 关联 的熵值 ： 一个具有 频率遍历 性 ， 反映被 分析信号 各 时刻 的频率 复杂度 ；另一个具 有 时间遍历 性 ，反 映被分析 信号在 各频段 上的时 间分 布规律 。 因此 ，对于 电力系统 中的故 障，小波 时频 熵值能 直观反 映信号在

11、任意 时刻 和任意 频率上 的信 息特征 ，从而实 现对信 号 的分类 ，在故 障检测与 诊 断领域 具有较 好 的应 用潜 力 。 小波距 离熵 熵 对信号 复杂程度 的统计特 性 ，故相 对于 其它传统 的故 障特 征表 征方 式（ 如频 谱 、功率谱 、谱 熵等 ） ， 小波熵 既可 以表征信 号复 杂度在 时域 的变 化情况 ， 也可 以表征 信号在 频域 的诸 多特征 ，因此 小波熵 在 非平 稳时变 信号 的故 障信 息表征方 面 ，具有 独特 的 优势 。同时，小波熵 已经在 机械故 障诊 断等 领域获 得 了一些成 功应用 ” ，因此将其 引入 电力系统 故 障诊断 中将 具有

12、较 好 的应 用前景 。 。文献 小波距 离熵考 虑 了小波变换 系数矩 阵 内部存在 的互信 息关系 ，并参照 关联距离 的定义 ，将互信 息 的计算 方法引入 其 中，从而 能顾 及被分 析信号 内部 存在 的联系和约 束 ，并 以距离熵 的形式 定量地表 达 定义 了不 同的熵测度 来表 征不 同信 号 ，如 小波 能量 熵 、小波 奇异熵 、小波距 离熵 、小波 时频 熵等 。 由 于 各类小波 熵测度 是基于 不 同原 理和处 理算法 的 ， 出来 。电力故 障信号饱 含故 障信 息 ，利 用小波距 离 熵能有 效提取故 障信 息并反 映信 息 内部 的联 系， 因 此可利 用其来提

13、 取 故障信 号的特 征 。 维普资讯 中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 不 同小波熵 能从不 同角度 反映 故障信号 的时频 式 一 （） 中 （ ） 分布统计特 征 ，因此能为故 障诊断提供 基本前提 。 但 是 由于 故障 信 息存 在 一 定 的不 确 定性 和 不 完 备 性 ，特别 是当信息在传送 过程 中发生错误 或损 失的 式（） （） 证 据理论 的核心 ， 、 是 通过 它可 以 把 若干条独 立 的证 据组合起 来 。 称 为冲突 因子 ， 情 况下 ，并不是每 一类 小波熵都 能完整地 反映信 号 的时频特性 。针对不 同类 型 的信 号 ，不 同的小波熵 算 法

14、体现 出不同的特 点和 优势 ，如对 于 时变 信号 ， 可 能小波 能量熵 更有优势 ；而对 于频变信 号 ，可 能 小波奇异熵更 能表征信号特 点 。仅 依靠某 一小波熵 来进 行故障诊 断虽然也取得 了较好 的效果 ，但 孓 针对 电力系统这 样 的复杂 系统 ，采 用单一 小波熵对 故障信 号进行特 征提取来诊 断故障 ，就 难 以应对 信 号 的不确 定和多变性干 扰 ，从而 无法保 证诊 断的正 确性和可 靠性 ；但 如果利用 多种 小波熵 来分析故 障 当 ，表示这 若干 条证据 一致或部 分一致 ，这 。 时可给 出证据 组合结 果 ；当 。 ，表 示这些证 时 据 是完全 矛

15、盾 的，这时不能 用证据理论进 行组合 。 越 大表示证据 冲突越严 重 ，在 实际应用 中 ，为避 免 违 背 常理 的 组合 结 论 出现 ，通 常 给 设定 一 阈 值 ，当 大 于该阈值 时，则认 为证据冲突 过大造成 组合 没有实 际意义 ，因此需要重 新寻找证 据或采用 修 正的 组合 理论【 。 基 于基本 可信度 的决策 基 于 证 据融合 的故障决策 通常应满足 ：故 信号 ，诊 断结果又可 能出现不一 致甚至 完全矛盾 的 情况， 从而给故 障的直观诊 断带来新 的 困难 。因此 ， 如何找到 一种综合 的方 法来对提 取到 的多个小波熵 信息进行分析 ，从而得 出可信度

16、较高 的诊 断结果 就 成为 问题 的关键 。 从信息 融合 的角度 出发 ，考虑 到 证据组合 障类别应 具有最大 的可信度 ；某故 障类 别 的可信 度 值 与其他类别的可信度值 的差必须大于某一阈值 。 因 此 ， 设 ， ， 且 （ ） ） 【 （ （ ， ， （ ） ， ） （ （ ， ） ， 且 ） 若 满足 条件 ： ， ， 理论所 具有 的不 确定推 理融合特 征 ，本文提 出了基 于小波熵证据 的信息融合方 法 ，通 过综合 多个证据 信 息，得 出可靠 的融合 结果 。 【） ） 一 （ （ 至 于得 到模棱 两可 的决策 。 基 于范数 加权 平均 的基本 可信 度分配

17、（ 一 ） 则 即为决策 结果 ， 中日和 为根据 实际应用预 其 置 的阈值 ， 是 为了保证对 成立 的信任度 足够 大 ， 是 为了保 证决策 结果具有 足够 的区 分度 而不 证 据 融合 模 型 基 本理论 定义 设 为故障诊 断的识别框架 ，且 包含 类故障状态 ，若集 函数 。 【， （ 的幂 为 由 的叙 述可知 ，证据理论 的融合是 以基 本 可信度 分配 函数 为基础 的 ，因此 不 同的可信度 分配 函数会产 生不 同的推理模 型 ，从而 影响推 理模 型 的 复杂性 。为简化 不确定性 的推理模 型 ，本文 以小波 熵提取得 到 的信 号特征值 为基础 构造基本可信度

18、分 配 函数 。设 类 故障状况 对应 的 类 小波熵构成 一 个 维 的向量 ， 则第 故障 的第 类小波熵对 类 集） 满足条件： 且： ）足 ， ， （） （ ， ， （ ） 。 。 其 中 表示第 故障状态 ， 就 叫故障识别框 类 则 架 上 的基本可信 度分配 ； （ ） 为 ， 称 的基本可 信数 。 （ 表征对第 类故 障状态 不 ） 确 定 性 的度 量 或 对第 故 障 状 态 本 身 的支 持 度 类 大小 。 应的基本 可信度 定义 为 定义 设 嘲， 一 是 上 的 基本 可 信度 ， 类 分配 ，那么组合 后 的基本可 信度分配 为各可 信度分 配 函数 的 正交

19、和 嘲 ，用 公 式表 示 为 （ ） 式 中： 户 ； ， ； ， ， 为第类小波熵 证 据体 的模糊 不确定度 ，是根据 历史经验 或统计数据 来设 ； 第 波熵 二范 平 定的 ： 表示 类小 值的 数 方， 目的是为 了通 过范数 计算来突 出各类故 障状况下 同 类 小波 熵值之 间 的距 离 ，从而更 好地反 映提取 的故 障特 征 。式（） 定义 的基本可信度 分配是 基于二范数 （ ， （ ） （） ， ） ， ， ， ， 维普资讯 第 期 符 玲 等 ： 小 波 熵 证 据 的 信 息 融 合 在 电 力 系 统故 障诊 断 中 的应 用 加权平均 的方法 来构造 的 ，它能

20、根 据小波 熵特 点合 理、 简捷 地构造 出各类 故障 下各类 小波熵 的可 信度 。 综 上所述 ，本文在 故 障诊断过 程 中，首先 利用 各类小波 熵对 故障信 号提取 故障特 征并 以此 作为证 定 度均 为零 以直 观 比较 ，并 以任两类 小波熵 作 为 待 融合 的证据 。 通过 式（） 的可 信度 分配和 式（） （） 、 的证据 组合 原则 ，再根 据式（） 定 的决策条 件 ，并 规 设 且 ，可得诊 断结 果如表 所示 。 表 故障类型识别 的小波熵证据融合结果 据体 ；然后对 各类 故障特 征 向量进 行范数 加权 平均 处理 ，并将 处理后 的结果 作为各证 据体

21、的基 本可信 度分配 ， 、以形 成彼此 独立 的证据 ；最后运 用证 据融 合理论 的决策规 则 ，对各证 据进行 决策 级融合 ，形 故 障类 型 证据 及融 合 相 相 相 决 策结果 成 一个 新 的综 合证据 ，实现 对故 障 的准确 诊 断 。故 障诊 断流程 如 图 所示 。 构造 诊断框 架 形成故 障 空间 一 选 择录 波 电气量 进 行消 噪预 处理 数据 级 融合 磊 ? 从 表 的仿真 结果可 以看 出 ，对 小波熵 进行证 提取 故 障特征 形成 证据 实体 特 征 级融合 ： 据 融合 后提 高 了对各 类 故障 的支 持率 。就 相接地 故 障而 言 ， 通过

22、证据 融合 后故 障支持率提 高到 ， 提 高 了对 相发 生故 障的信 任程度 ； 相接 地 故 对 障而言 ，由于 故 障时刻 、故障 时线路状 况 的影响 ， 分 配基 本可 信度 形 成独 立 的证据 证 据 理 查 决策 级融合 小波 能量 熵对 故障特 征进行 提取 后产 生 了对各 相 的 故 障支 持率都 相 当的状 况 ，因此 无法很 好地 区分故 障相 ，但经 证据 融合 后 ，对 相 的故 障支持 率达到 了 以上 ，因此 可 以很 好地得 到 选相 结果 。 论 圜 ； 图 小波熵证据融合 故障诊 断流程 表 所示 的仿真 结果表 明 ，任 两类 小波熵证 据 经过 融

23、合 ，都 能 以更 高 的信任 度支 持故 障相 ，并 同 时 削弱对 非故 障相 的支 持程度 ，从而改 善 了诊 断 困 难 的状况 。大量 不 同工况下 的仿真 验证 了基于 小波 熵证 据融合 方 法 的正确可 行性 。 基于小波熵证据融合的故 障诊 断仿真 电力输 电网故障 类型识 别仿 真 以 电力系 统输 电线路 中单相 接地 故障 的识别 为 例进行 说 明。高压输 电线 路保护 中 的单相重 合 闸要 求快速 正确 的单相 故障识 别 ，但 基于稳 态量 的传统 识别方 式 限制 了识 别速度 ，而且 易受 中性 点运 行方 式 的影 响 ，而利用 暂态分 量 中的故障信 息

24、来 识别 故障则 具有优势 。小波熵特 有 的优势 决定 了可 以 利用其 对暂态量 进行 统计分 析 。当单相接 地故 障发 生时 ，故障相 由于叠 加 了故 障分量 ，因此有着 比非 故障相 更为丰 富的暂态 高频成 分 ，其时频 分布相 对 于非故 障相也更 为复杂 ，故利用 小波熵 对 故障相 和 非故障相 暂态分 量进行 统计 的结果必 然不 同 。 以各 相 电压为 信息源 ，小波 变换选取 基小 波 ，取 前 电力配 电网故 障选线 仿真 我 国配 电网基本采 用小 电流接地 方 式 ，发 生单 相接地 故 障时 的故障 电流较微 弱 ，因而 使基于稳 态 量 的选 线技 术在

25、实际应 用 中效 果均 不理想 。由于 故 障暂态 量 比稳 态量大 若干 倍【 ，基 于暂态 电压 电流 ¨ 的选线 方法 因其灵 敏度较 高且 不受接地 方 式影响 而 逐渐受到青睐 。 但暂态信号不稳定、 特征提取困难、 弱 故 障时暂态 量太 小 ，使基于 暂态量 的故 障选线仍 存在 困难 。 波熵 由于能对 暂态信 号进 行统计 分析 ， 小 因此 能有 效捕 捉故 障分量 。而基 于小波 熵证据 的信 息 融合更 是利 用 了各 类 小波熵测 度在信 号 处理 中的 特 点 以及 证据 融合 理论 的推理优 势 ，因此 使基于暂 态量 的故 障选 线更具 可行 性 。以

26、 图 示 的四线三 所 相配 电线 路为研 究对 象 ，取 各线 的零序 电流 为信 息 个 尺度 上的小波 系数 来计算 故障后 半个 周波 内的 小波熵 值 ，得到各 相 的时频分布 特征 并 以此作为 信 息 融合 的证 据体 ，这里 假设各类 小波熵 的模糊不 确 源 ， 由图 可 知 ，故 障线路 故 障后 的零 序 电流 明显 维普资讯 中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 有别于健 全线路 ，因此计算 故障后半个 周波 内的小 波 熵值作 为证据 实体 ，并根据统 计经验设 小波奇 异 造成错 误 的诊 断结果 。但 通过证据 组合后 ，线路 的基本可信度增 大到 了 ，故障支

27、持 率被 极大地 突显 出来， 同时 非故 障线 路 的基 本可 信度 被 极大 削 弱 ，证据 的模糊 不确定度 也大为削减 ，利 用式（） 规 定的决策 条件就能很确定地诊 断为线路 故障 。 表 所 示的仿真 结果表 明，四类 小波 熵证据通 过 融合 ，极 大地提高 了故障支持 率 ，能完 全正确地 熵 、小波 能量熵 、小波 时频熵和 小波距 离熵 的模 糊 不 确定度 次 为 、 ，再根据 、 、 式 （）（） 介绍 的基 于小波熵 证据融合 的方法对 类 小 波熵 证 据 同 时融 合进 行 选 线 ，可 得 诊 断 结果 如 表 所示 。 选 出故障线路 ，避免 了依 靠单一证

28、 据判 断时 出现 的 诊断 困难 和诊 断错 误 问题 。仿真在 验证该 诊断方法 可行性 的 同时，也表 明了该方法依 靠故障 后半周波 的数据就 能诊 断故障 ，从 而还具有 一定的实 时性 。 大量 不 同工况 下的仿真 结果表 明 ，基于各类 小 图 小 电流 接 地 配 网 中接 地 故 障 示 意 图 波 熵证据 的信息融 合技术在 电力系统 故障诊断 中具 有 较好 的应 用前景 。在工业 实现 中，利 用故 障录 波 数据 ，计算 故障 电气量 的各类 小波熵值 作为诊断证 据 ，并通过 证据融 合的规则 ，就完全可 能实现正确 的故障诊 断。只是一些 具体 的技 术细节还

29、需进一 步 的现 场试 验研 究 。 结 论 研 究 了 种 小波熵 测度 和 证据理 论的应用 原理和优 势 ，提 出 了基于 小波熵测 度 的证据 融合在 电力 系统故 障诊断 中的应 用方案 ，得到如 下结论 ： （ ） 类小波熵 是小波变 换 、 各 信息熵 原理 以及 相关理论 的有机 结合 ，融 合 了三者 在信号处 理中 的 独特优 势 ， 因此 能有效提 取和分析 线路故 障暂态 信 。 息 ，达到 信息特 征融合 的 目的。 （） 利用证据 理论实现 多种 小波熵 测度 的融合 （）故障后 半周 波各 线路零 序 电流 可 以降低 故障诊 断结果的不确 定性 ，能提高对诊 断 结果 的支 持率 ，从而提 高故障 诊断 的准确 性 。 （） 基于 小波熵证据 的信 息融合方法 ， 电力 在 故障诊断 中能避 免偶然 因素的影 响，从而避 免了诊 断困难和误 诊断 。实例仿真 证实 了本文 方法 的正确 性 和可行性 ，当然该 方案在现 场 的应用 还需进一 步 试 验研究 。 图 各 线 路 零序 电流 表 配 电网故障选线的小波熵证据融合结果 参考文献 】 毕天妹 ，倪 以信 ，吴 复立 ，等 基