電力系統(tǒng)故障診斷中的智能化方法及其應(yīng)用

電力系統(tǒng)故障診斷中之智能化方法及其應(yīng)用

馬玉良 　趙光宙

（浙江大學(xué)　杭州　310027）

    摘  要　本文較詳細(xì)地闡述了粗糙集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論之發(fā)展及其在電力系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域中之應(yīng)用，并對其他一些智能方法進行了簡要介紹[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。這些方法為電力系統(tǒng)之故障診斷開辟了新之有效途徑[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
    關(guān)鍵詞　粗糙集理論　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　模糊集理論　故障診斷

1　引言
　　故障診斷是一門綜合性技術(shù)，它涉及現(xiàn)代控制論、信號處理與模式識別、計算機科學(xué)、人工智能、電子技術(shù)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)等學(xué)科[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。現(xiàn)代故障診斷技術(shù)已有30多年之發(fā)展歷史，但作為一門綜合性之新學(xué)科——故障診斷學(xué)——還是近些年發(fā)展起來之[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。從不同之角度出發(fā)有多種故障診斷分類方法，這些方法各有特點[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。概括地講，故障診斷方法可以分為兩大類：基于數(shù)學(xué)模型之故障診斷方法和基于人工智能之故障診斷方法［1］[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。本文著重對粗糙集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論之發(fā)展及其在故障診斷（尤其是電力系統(tǒng)之故障診斷）中之應(yīng)用做了較全面之闡述，并且對其他一些方法如小波理論、遺傳算法等進行了介紹，說明了它們在故障診斷中之應(yīng)用潛力[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
2　粗糙集理論
　　粗糙集理論是波蘭華沙理工大學(xué)之Z．Pawlak教授于1982年提出之一種處理不完整性和不確定性問題之新型數(shù)學(xué)工具[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。由于 初關(guān)于粗糙集理論之研究主要集中在波蘭，因此當(dāng)時并沒有引起國際計算機界和數(shù)學(xué)界之重視，研究地域僅局限于東歐一些國家[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。直到1990年前后，由于該理論在數(shù)據(jù)之決策和分析、模式識別、機器學(xué)習(xí)與知識發(fā)現(xiàn)等方面之成功應(yīng)用，才逐漸引起了世界各國學(xué)者之廣泛關(guān)注[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1991年Z．Pawlak之專著《粗糙集——關(guān)于數(shù)據(jù)推理之理論》（Rough Sets——TheoreticalAspects of Reasoning about Data）之問世，標(biāo)志著粗糙集理論及其應(yīng)用之研究進入了活躍時期[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1992年在波蘭召開了關(guān)于粗糙集理論之第一屆國際學(xué)術(shù)會議[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1995年ACM Communication將粗糙集列為新浮現(xiàn)之計算機科學(xué)之研究課題[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。目前，粗糙集理論已成為信息科學(xué) 為活躍之研究領(lǐng)域之一[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。同時，該理論還在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、地理學(xué)、管理科學(xué)和金融等其他學(xué)科得到了成功之應(yīng)用［2］[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
　　粗糙集方法以對觀察和測量所得數(shù)據(jù)進行分類之能力為基礎(chǔ)，不僅為信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)提供了新之科學(xué)邏輯和研究方法，而且為智能信息處理提供了有效之處理技術(shù)［3］[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。其主要思想就是在保持分類能力不變之前提下，通過知識約簡，導(dǎo)出問題之決策或分類規(guī)則[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。它與統(tǒng)計方法處理不確定問題完全不同，不是采用概率方法描述數(shù)據(jù)之不確定性，而且與這一領(lǐng)域傳統(tǒng)之模糊集合論處理不精確數(shù)據(jù)之方法也不相同，它無需提供問題所需處理之?dāng)?shù)據(jù)集合之外之任何先驗信息，因此對問題之不確定之描述和處理是比較客觀之[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。在Pawlak之粗糙集模型中，人們感興趣之對象之集合（有限集）稱為論域，論域中之任何子集稱為概念或范疇，并且論域中之任何概念族稱為關(guān)于論域之知識［4］[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。論域中之對象或元素可以用可利用之信息（或知識庫中之知識）來描述[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。當(dāng)兩個不同之對象具有相同之描述時，稱這兩個元素是不可區(qū)分之[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。所有具有相同之描述之元素構(gòu)成了一個等價類，所有等價類構(gòu)成了這個論域之一個劃分[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。任意給定論域之一個子集，人們不一定能用知識庫中之知識來精確地描述，這時就用關(guān)于這個集合之一對上、下近似來描述[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
　　鑒于粗糙集理論在處理不確定、不完備信息上之優(yōu)越性，已經(jīng)有不少研究人員把它引入到故障診斷系統(tǒng)中[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。例如文獻［5］［6］把粗糙集理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷和警報處理，嘗試應(yīng)用粗糙集理論來處理因保護裝置和斷路器誤動作、信號傳輸誤碼而造成之錯誤或不完整警報信號[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。提出之方法以決策表作為主要工具，直接從故障樣本集中導(dǎo)出診斷規(guī)則[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。電力系統(tǒng)之故障診斷可以用一個模式分類問題來描述，很適合應(yīng)用粗糙集理論之決策表方法[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。基本思想是把保護和斷路器之動作信息作為對故障分類之條件屬性，考慮各種湖南陽光電子學(xué)校維修專家認(rèn)為：也許發(fā)生之故障情況并建立決策表（類似于ANN故障診斷之訓(xùn)練樣本集），刪除多余屬性后抽取出診斷規(guī)則[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。警報處理也是一個模式分類問題，每一個事件對應(yīng)著一組特征警報集，警報處理之任務(wù)就是對送至控制中心之警報信息進行合理之解釋，判斷出引起警報之事件[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。利用診斷信息之冗余性，通過避開丟失或錯誤之警報來處理不完備警報信息[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。文獻［7］是將粗糙集方法應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械（如燃?xì)廨啺l(fā)電機組）之故障診斷中，旋轉(zhuǎn)機械故障診斷其實質(zhì)也是模式分類問題[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。文中以振動特征頻譜為依據(jù)，提出了一種基于粗糙集理論之旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方法，該方法不但可以直接從完備之故障頻譜特征樣本集中導(dǎo)出正確之診斷結(jié)論，而且還能從不完整之故障頻譜特征樣本集中導(dǎo)出滿意之診斷結(jié)論[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。它揭示了故障特征頻譜信息之冗余性，為在不完整征兆信息下之旋轉(zhuǎn)機械故障診斷提供了新之思路[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。文獻［8］針對內(nèi)燃機之運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，在故障診斷專家系統(tǒng)之基礎(chǔ)上，引入粗糙集理論，并以信息系統(tǒng)屬性值表為主要工具，對專家系統(tǒng)中之規(guī)則進行約簡并剔除不必要之屬性，揭示了故障診斷信息中內(nèi)在之冗余性，降低了故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)成之復(fù)雜性，并建立了簡化后之決策規(guī)則[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
3　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近些年發(fā)展起來之十分熱門之交叉學(xué)科，它涉及生物、電子、計算機、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科，有著非常廣泛之應(yīng)用背景，這門學(xué)科之發(fā)展對目前和未來之科學(xué)技術(shù)之發(fā)展將有重要之影響［9］[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是采用物理可實現(xiàn)之系統(tǒng)來模仿人腦神經(jīng)細(xì)胞之結(jié)構(gòu)和功能之系統(tǒng)[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。它是由很多處理單元有機地聯(lián)接起來，進行并行地工作，它之處理單元十分簡單，其工作則是“集體”進行之，它之信息傳播、存貯方式與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似，它沒有運算器、存貯器、控制器這些現(xiàn)代計算機之基本單元，而是相同之簡單處理器之組合[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。它之信息是存貯在處理單元之間之連接上，因而，它是與現(xiàn)代計算機完全不同之系統(tǒng)[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。
　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之發(fā)展可以追溯到一個世紀(jì)前，它之發(fā)展經(jīng)歷了初始發(fā)展期、低潮期、復(fù)興期和高潮期四個階段[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1890年，美國生理學(xué)家W．James出版了《生理學(xué)》一書，該書首次闡明了有關(guān)人腦之結(jié)構(gòu)和功能，以及一些相關(guān)學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶之基本規(guī)則[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。半個世紀(jì)以后，W．S．McCulloch和W．A．Pitts提出了神經(jīng)元之 原始 簡單之模型—MP模型，將神經(jīng)元當(dāng)作一個功能邏輯單元對待，為以后進一步之研究提供了依據(jù)[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1949年D．O．Hebb發(fā)表論著《行為自組織》，提出了很多有價值之觀點，這對以后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之結(jié)構(gòu)和算法都有很大之影響[陽光電子學(xué)校維修專家友情提示]。1958年F．Rosenblatt定義了一個稱為感知器（Perceptron）之具有三層結(jié)構(gòu)之神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這是第一個

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