風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動鏈的無傳感器故障診斷方法研究

項目采用無傳感器診斷方法，針對DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)主要部件進(jìn)行故障診斷研究。根據(jù)Hertz彈性體碰撞理論和齒輪動力學(xué)方程建立軸承和齒輪扭矩計算模型，并以扭矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動聯(lián)立DFIG發(fā)電機(jī)電氣模塊，建立機(jī)電聯(lián)合仿真模型并進(jìn)行各種條件下的仿真分析；采用普通電動機(jī)和通用變頻器，建立一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障模擬實驗臺，對齒輪和滾動軸承等傳動鏈部件的典型故障進(jìn)行各種工況下的故障模擬試驗與驗證。仿真和實驗表明：發(fā)電機(jī)定子電信號可以有效地響應(yīng)機(jī)械故障的高低頻信息，但其中耦合有大量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁諧波頻率成分，不易識別。提出了一種瞬時解調(diào)功率的預(yù)處理信號方法，抑制勵磁諧波，突出故障頻率成分；提出了調(diào)制單邊帶移頻解調(diào)的故障特征提取技術(shù)，抑制軸承等高頻沖擊扭矩信號產(chǎn)生的電信號過調(diào)制現(xiàn)象。另外，對EMD和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分類等高級信號處理方法也做了深入研究。在此基礎(chǔ)上，研制了一臺基于DSP的“電機(jī)電壓、電流信號采集與診斷儀”，用于現(xiàn)場驗證試驗。申請發(fā)明專利2項(目前處于公示階段)，已授權(quán)實用新型專利8項。發(fā)表期刊EI收錄論文4篇；國際會議EI檢索論文6篇，ISTP檢索 4篇；已發(fā)表待檢索IEEE國際會議論文3篇。培養(yǎng)碩士研究生8名。

目前，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)檢測與故障技術(shù)應(yīng)用基本上還是空白，原因是常規(guī)的振動診斷方法存在著傳感器數(shù)量多、安裝不便、數(shù)據(jù)傳輸與采集困難等問題，缺乏一個面向整機(jī)的、簡便易行的綜合性診斷方法，為此，提出了一種基于發(fā)電機(jī)電流信號分析的診斷方法─無傳感器故障診斷方法。以傳動鏈的動態(tài)扭矩傳遞模型為主線，建立從風(fēng)輪、傳動鏈部件到發(fā)電機(jī)的動力學(xué)和電氣數(shù)學(xué)模型，研究機(jī)組傳動系統(tǒng)主要部件故障信息在電機(jī)電流信號中的機(jī)電耦合響應(yīng)與故障檢測原理，分析電流信號中機(jī)械故障信息、電氣故障和控制信息的交叉和耦合作用，并進(jìn)行模擬試驗臺驗證。在此基礎(chǔ)上，采用瞬時導(dǎo)納法和EMD等方法，研究電流信號中的微弱機(jī)械故障特征提取、識別與診斷方法，探討綜合故障定量評價與預(yù)測模型。項目研究既可豐富和擴(kuò)展無傳感器故障診斷方法的理論及應(yīng)用，也能解決振動檢測方法在風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)用中遇到的技術(shù)瓶頸，因此具有重要的學(xué)術(shù)研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測技術(shù)與故障診斷研究》研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。介紹了機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)，包括葉片的監(jiān)測、傳動鏈系統(tǒng)的監(jiān)測、絕緣系統(tǒng)的監(jiān)測等；研究了集團(tuán)級遠(yuǎn)程診斷，包括診斷平臺構(gòu)建方案研究，診斷平臺編碼設(shè)計，各類在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口規(guī)范設(shè)計等；研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組cMs，研究了故障診斷技術(shù)，分析了機(jī)組故障數(shù)據(jù)庫及故障KPI診斷方法，對電氣絕緣故障、機(jī)組控制系統(tǒng)故障等進(jìn)行KPI計算。

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測技術(shù)與故障診斷研究》適合于從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的科技人員參考使用，也可供高等院校風(fēng)能動力工程、新能源發(fā)電、能源動力類專業(yè)的師生學(xué)習(xí)參考。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法

Feighbaum教授 于1968年開發(fā)了第一個專家系統(tǒng)((Expert System)并且具體說明專家系統(tǒng)是一種智能的計算機(jī)程序，它通過使用知識與推理過程，求解那些需要專家的知識才能求解的高難度問題。自從70年代人們將專家系統(tǒng)引入到電網(wǎng)的故障診斷領(lǐng)域，基于該方法的故障診斷應(yīng)用較為成功。專家系統(tǒng)在電網(wǎng)故障診斷中的典型應(yīng)用可以歸結(jié)為:首先建立故障信息知識庫，并用自然語言建立產(chǎn)生式規(guī)則;然后基于對這一產(chǎn)生式規(guī)則的理解，知識工程師將知識表示成機(jī)器語言并通過人機(jī)接口儲存到知識庫中;故障發(fā)生時，將故障信息輸入到推理機(jī)，推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前輸入的故障信息，運(yùn)用知識庫中的知識，按一定的策略進(jìn)行推理，從而識別出故障元件。

專家系統(tǒng)將專家的知識應(yīng)用于電網(wǎng)故障診斷，可以保證診斷系統(tǒng)的實時性和有效性，但是基于知識的本質(zhì)和實現(xiàn)故障診斷的原理沒有變，因此當(dāng)前專家系統(tǒng)還存在著不足：(1)專家知識是人為移植到計算機(jī)的，所以難以建立完備的知識庫；(2)容錯性差，對于保護(hù)和斷路器的誤動作及知識庫中不包含的情況，很難給出正確的判斷；(3)系統(tǒng)的維護(hù)難度非常大，知識庫要經(jīng)常根據(jù)實際情況進(jìn)行更新。

未來的研究中將專家系統(tǒng)與其他智能技術(shù)相結(jié)合是一種有效的方式，取長補(bǔ)短，彌補(bǔ)專家系統(tǒng)本身的缺陷。有研究將模糊集理論與專家系統(tǒng)結(jié)合，通過對電壓和電流值以及保護(hù)和斷路器信息進(jìn)行模糊推理，能夠有效地改善專家系統(tǒng)容錯性差的問題。也有采用一種適用于電網(wǎng)故障診斷的整個協(xié)同式專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，并且將其與多智能體技術(shù)相結(jié)合，克服了單一專家系統(tǒng)的局限性，增強(qiáng)了對復(fù)雜故障實時診斷的推理能力 。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network)是一種模擬神經(jīng)系統(tǒng)來進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型，主要是基于輸入和輸出關(guān)系建立起來的，并由大量簡單的處理單元(神經(jīng)元)廣泛互連而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Υ罅康挠?xùn)練樣本進(jìn)行分析推理，得到一般規(guī)律，從而能對未知的或無法預(yù)測的故障信息進(jìn)行分析判斷。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域，其中最具代表性的是BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

有研究給出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)故障診斷中的典型應(yīng)用:將保護(hù)器和斷路器的動作信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，可能發(fā)生的故障情況作為輸出，以此來建立診斷模型;通過大量的故障實例形成訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本集;訓(xùn)練過程中，網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點加輸入信號，此信號向前傳播，并不斷根據(jù)當(dāng)時的節(jié)點活化函數(shù)、連接加權(quán)系數(shù)和給定值進(jìn)行相應(yīng)計算，此過程即為學(xué)習(xí)過程;在學(xué)習(xí)結(jié)束前，若前向計算的輸出與期望的輸出之間存在誤差，則將誤差信號反向傳播，調(diào)整權(quán)值和值，直到輸出滿足要求。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，而且具有容錯能力強(qiáng)、魯棒性好、非線性映射和并行分布處理等特點。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還存在如下缺陷：(1)需要大量的訓(xùn)練樣本以供學(xué)習(xí)，但獲取完備優(yōu)質(zhì)的樣本十分困難；(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在診斷過程中被看成是“黑箱”，缺乏對自身行為的解釋能力；(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不善于處理啟發(fā)式的規(guī)則。未來對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)故障診斷方法的研究重點還是在選取有價值的訓(xùn)練樣本、給予診斷過程解釋能力、使適用于大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷等方面。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network)是一種用來表示和推理不確定性知識的模型，它將概率論的相關(guān)知識與圖形理論相結(jié)合，具有較為嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，對解決復(fù)雜電網(wǎng)由于不確定因素引起的故障等問題具有明顯作用。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)故障診斷的研究還處于初期階段，但是發(fā)展的較為迅速。文獻(xiàn)采用分層遞歸的思想，利用粗糙集理論對電網(wǎng)故障信息進(jìn)行分層挖掘，達(dá)到屬性優(yōu)選，然后通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，成功識別出故障元件。結(jié)合監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)信息，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了故障情況的提前預(yù)測。也有文獻(xiàn)基于元件建模，通過設(shè)置各節(jié)點的先驗概率，使得故障信息經(jīng)過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后，得到各元件發(fā)生故障的概率，以此識別故障元件，若采用某個值作為判斷條件，可同時對一個或多個元件的故障進(jìn)行有效診斷。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的診斷模型清晰直觀，對于不確定和不完備信息可以進(jìn)行良好的診斷決策，然而，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點賦值需要大量的實際觀察或統(tǒng)計分析方法來確定，而且貝葉斯網(wǎng)的訓(xùn)練屬于NP難度問題，處理復(fù)雜問題時將變得非常困難。未來該領(lǐng)域的研究將主要集中在如何實現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的自動建模，如何將其與信息融合理論相結(jié)合等方面。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法

采用優(yōu)化技術(shù)(Optimization Methods)的故障診斷方法是一種基于數(shù)學(xué)模型的求解方法。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種優(yōu)化算法，可以將其應(yīng)用到電網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域，而且優(yōu)化算法在電網(wǎng)規(guī)劃等方面也有較好的應(yīng)用。常用的優(yōu)化算法包括:遺傳算法，模擬退火算法和蟻群算法，還有較新的算法如交叉嫡算法。

優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)故障診斷的方法是考慮故障元件與保護(hù)器和斷路器的動作關(guān)系，將電網(wǎng)故障診斷問題表示為使目標(biāo)函數(shù)最小化的0-1整數(shù)規(guī)劃問題，然后通過優(yōu)化算法求解該問題的最優(yōu)解。有文獻(xiàn)基于小生境遺傳算法，并結(jié)合粗糙集理論，來求取決策表約簡，從而抽出診斷規(guī)則，提升了對不完備信息的分析能力。

基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，用常規(guī)的優(yōu)化算法即能夠?qū)崿F(xiàn)而且能夠在診斷信息不全面的條件下，給出局部和全局最優(yōu)的多個診斷結(jié)果。不過該方法還存在的問題是：(1)目標(biāo)函數(shù)的確定比較困難；(2)優(yōu)化算法的多次迭代，導(dǎo)致診斷時間過長；(3)優(yōu)化算法在尋優(yōu)的過程中存在隨機(jī)因素，可能導(dǎo)致丟失最優(yōu)解。所以選擇更全面的診斷模型以及采用合適的優(yōu)化算法來提高診斷的準(zhǔn)確性和實時性是該領(lǐng)域未來研究的重要方向。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于支持向量機(jī)的故障診斷方法

統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論是一種專門研究有限樣本情況下機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)律的理論，為研究統(tǒng)計模式識別和更廣泛的機(jī)器學(xué)習(xí)問題建立了一個較好的理論框架。Vapnik等人根據(jù)對統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的研究，提出了支持向量機(jī)(Support Vector Machine)這種全新的模式識別算法，有效地改善了傳統(tǒng)分類方法的缺陷，具有充足的理論依據(jù)。它在文本分類、故障診斷、手寫識別等領(lǐng)域中獲得了較多的應(yīng)用。

故障診斷問題從本質(zhì)上來說就是一種分類問題，而支持向量機(jī)對于有限樣本狀況下的分類問題具有較強(qiáng)的針對性。有文獻(xiàn)通過將粒子群優(yōu)化算法與支持向量機(jī)相結(jié)合來進(jìn)行故障診斷。由于在支持向量機(jī)算法中，核函數(shù)參數(shù)選擇的好壞直接影響到診斷結(jié)果的準(zhǔn)確度，而文中采用的方法能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的動態(tài)選取，達(dá)到優(yōu)化診斷結(jié)果的目的 。

支持向量機(jī)基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論，有效地改善了傳統(tǒng)分類方法的缺陷，具有充足的理論依據(jù)，對解決有限樣本的模式識別問題具有很高的適用性。下一步的研究重點在于如何改進(jìn)算法，使診斷過程快速并滿足實時性的要求以及處理大電網(wǎng)故障診斷、參數(shù)的選擇等問題。該技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)用起步較晚，隨著研究的加深，該方法有望成為電網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域的實用方法之一。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于模糊集理論的故障診斷方法

美國自動控制專家L A Zadek于1965年首次提出“模糊集合”的概念，并引入“隸屬函數(shù)”來描述差異的中間過渡。模糊集理論(Fuzzy set Theory)將信息模糊化，首先系統(tǒng)獲取的信息組成的集合可以看成一種經(jīng)典集合，按照某種對應(yīng)法則將集合中的元素映射到 [0，1]這一區(qū)間，這樣集合中的每一個元素在0和1之間都對應(yīng)一個實數(shù)，這個實數(shù)可以表明其隸屬于0或1的程度，按照以上對應(yīng)法則組成的函數(shù)就是隸屬度函數(shù)，該理論就是以隸屬度函數(shù)為基礎(chǔ)建立的。在電網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域發(fā)展的早期，人們對專家系統(tǒng)應(yīng)用在故障診斷領(lǐng)域做了較多的研究，然而很少考慮到信息的不確定性，從而導(dǎo)致診斷的不精確。有文獻(xiàn)針對電力系統(tǒng)故障診斷問題中的不確定信息給出解決方法，將模糊集理論應(yīng)用在電網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域，通過將故障信息模糊化，不僅可以減小數(shù)據(jù)信息的存儲空間，也能提升診斷精度和容錯性。

模糊集理論的特點就是可以處理信息的不確定性，然而基于模糊集理論的故障診斷方法還面臨著一些弊端：(1)隸屬函數(shù)的建立沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)；(2)可維護(hù)性差，當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，模糊知識庫和隸屬度也要做相應(yīng)的變化；(3)大規(guī)模電網(wǎng)的模糊診斷模型建立困難。在實際應(yīng)用中，常常將模糊集理論與其他智能方法相結(jié)合(如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)等)，用來分析不確定性信息對診斷系統(tǒng)的影響，提升診斷精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯性。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于Petri網(wǎng)技術(shù)的故障診斷方法

Petri網(wǎng)是德國科學(xué)家Carl Adam Petri 于1960到1965年提出的一種數(shù)學(xué)模型，它利用目標(biāo)系統(tǒng)中元件之間的關(guān)系來構(gòu)建有向圖的組合模型，從而能夠準(zhǔn)確地表示離散事件發(fā)生的順序、并發(fā)和沖突的關(guān)系。印度學(xué)者 Jenkensl和Khincha在1992年首先將Petri網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)的建模中，在這之后Petri網(wǎng)在電力系統(tǒng)的很多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，并顯示出了其良好的應(yīng)用前景。電網(wǎng)的故障可看成是離散事件，而Petri網(wǎng)是對離散事件組成的系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析的理想工具。

Petri網(wǎng)方法能夠定性或定量地對系統(tǒng)中事件發(fā)生的各種過程采取準(zhǔn)確的分析，同時還具有圖形化的結(jié)構(gòu)表示等優(yōu)點，是對離散事件進(jìn)行動態(tài)建模和分析的有效方法，不過還有一些尚需深入的問題存在，主要是：(1)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄U(kuò)大，易導(dǎo)致建模時發(fā)生信息組合爆炸的情況；(2)電網(wǎng)多重故障時，診斷結(jié)果不夠理想；(3)對于保護(hù)和斷路器拒動或誤動時產(chǎn)生的錯誤信息不能很好地分析識別。未來的研究中，將高級的Petri網(wǎng)用于復(fù)雜電網(wǎng)的故障診斷是一種有效的措施 。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于信息融合技術(shù)的故障診斷方法

信息融合(Information fusion)技術(shù)實際上是一種多源信息的綜合技術(shù)，通過對來自不同數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行分析和智能化合成，獲得被測對象及其性質(zhì)的最佳一致估計，從而產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全的估計和決策。采用該方法的電網(wǎng)故障診斷已顯示出了明顯的優(yōu)勢。

采用信息融合技術(shù)將開關(guān)量與電氣量等來自不同數(shù)據(jù)源的信息綜合利用，可以極大地提高診斷系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性，有效地避免由于故障信息的不確定性而導(dǎo)致的錯誤診斷。信息融合技術(shù)在今后的研究中，重點將放在解決如何選取合適的信息融合方法以及如何在實際中融合更多方面的信息，這會使得電網(wǎng)故障診斷水平上升到一個新高度。

電網(wǎng)故障診斷的智能技術(shù)基于MAS的故障診斷方法

多智能體(Multi-Agent System， MAS)技術(shù)是分布式人工智能技術(shù)的重要分支，它是一種將計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和分布式思想相結(jié)合的軟件工程技術(shù)，能夠?qū)⒛繕?biāo)問題轉(zhuǎn)變成在邏輯上或物理上分離的多個Agent，可分別針對每個Agent來解決問題，而且各個Agent之間相互協(xié)調(diào)信息得到最終結(jié)果，節(jié)約了數(shù)據(jù)和資源。文獻(xiàn)將MAS技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)的故障診斷中，先將診斷系統(tǒng)智能分解，再通過軟件技術(shù)來協(xié)調(diào)各Agent中的信息并得出診斷結(jié)果，滿足了準(zhǔn)確性和實時性的要求。有文獻(xiàn)提出一種基于智能識別系統(tǒng)的MAS技術(shù)。MAS實現(xiàn)了控制過程的在線自適應(yīng)識別和實時的進(jìn)行離線故障診斷，同時可以適應(yīng)和克服大規(guī)模電網(wǎng)的復(fù)雜性。

為減小傳動鏈誤差對加工精度的影響，可采取下列措施：（1）減少傳動鏈中的元件數(shù)目，縮短傳動鏈，以減少誤差來源。（2）提高傳動元件，特別是末端傳動元件的制造精度和裝配精度。（3）消除傳動鏈齒輪間存在的間隙。（4）采用誤差校正機(jī)構(gòu)來提高傳動精度。