电力系统故障诊断中的智能化方法及其应用

电力系统故障诊断中之智能化方法及其应用

马玉良 　赵光宙

（浙江大学　杭州　310027）

    摘  要　本文较详细地阐述了粗糙集理论、人工神经网络、模糊集理论之发展及其在电力系统故障诊断领域中之应用，并对其他一些智能方法进行了简要介绍[阳光电子学校维修专家友情提示]。这些方法为电力系统之故障诊断开辟了新之有效途径[阳光电子学校维修专家友情提示]。
    关键词　粗糙集理论　神经网络　模糊集理论　故障诊断

1　引言
　　故障诊断是一门综合性技术，它涉及现代控制论、信号处理与模式识别、计算机科学、人工智能、电子技术、统计数学等学科[阳光电子学校维修专家友情提示]。现代故障诊断技术已有30多年之发展历史，但作为一门综合性之新学科——故障诊断学——还是近些年发展起来之[阳光电子学校维修专家友情提示]。从不同之角度出发有多种故障诊断分类方法，这些方法各有特点[阳光电子学校维修专家友情提示]。概括地讲，故障诊断方法可以分为两大类：基于数学模型之故障诊断方法和基于人工智能之故障诊断方法［1］[阳光电子学校维修专家友情提示]。本文着重对粗糙集理论、人工神经网络、模糊集理论之发展及其在故障诊断（尤其是电力系统之故障诊断）中之应用做了较全面之阐述，并且对其他一些方法如小波理论、遗传算法等进行了介绍，说明了它们在故障诊断中之应用潜力[阳光电子学校维修专家友情提示]。
2　粗糙集理论
　　粗糙集理论是波兰华沙理工大学之Z．Pawlak教授于1982年提出之一种处理不完整性和不确定性问题之新型数学工具[阳光电子学校维修专家友情提示]。由于 初关于粗糙集理论之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之重视，研究地域仅局限于东欧一些国家[阳光电子学校维修专家友情提示]。直到1990年前后，由于该理论在数据之决策和分析、模式识别、机器学习与知识发现等方面之成功应用，才逐渐引起了世界各国学者之广泛关注[阳光电子学校维修专家友情提示]。1991年Z．Pawlak之专著《粗糙集——关于数据推理之理论》（Rough Sets——TheoreticalAspects of Reasoning about Data）之问世，标志着粗糙集理论及其应用之研究进入了活跃时期[阳光电子学校维修专家友情提示]。1992年在波兰召开了关于粗糙集理论之第一届国际学术会议[阳光电子学校维修专家友情提示]。1995年ACM Communication将粗糙集列为新浮现之计算机科学之研究课题[阳光电子学校维修专家友情提示]。目前，粗糙集理论已成为信息科学 为活跃之研究领域之一[阳光电子学校维修专家友情提示]。同时，该理论还在医学、化学、材料学、地理学、管理科学和金融等其他学科得到了成功之应用［2］[阳光电子学校维修专家友情提示]。
　　粗糙集方法以对观察和测量所得数据进行分类之能力为基础，不仅为信息科学和认知科学提供了新之科学逻辑和研究方法，而且为智能信息处理提供了有效之处理技术［3］[阳光电子学校维修专家友情提示]。其主要思想就是在保持分类能力不变之前提下，通过知识约简，导出问题之决策或分类规则[阳光电子学校维修专家友情提示]。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之不确定性，而且与这一领域传统之模糊集合论处理不精确数据之方法也不相同，它无需提供问题所需处理之数据集合之外之任何先验信息，因此对问题之不确定之描述和处理是比较客观之[阳光电子学校维修专家友情提示]。在Pawlak之粗糙集模型中，人们感兴趣之对象之集合（有限集）称为论域，论域中之任何子集称为概念或范畴，并且论域中之任何概念族称为关于论域之知识［4］[阳光电子学校维修专家友情提示]。论域中之对象或元素可以用可利用之信息（或知识库中之知识）来描述[阳光电子学校维修专家友情提示]。当两个不同之对象具有相同之描述时，称这两个元素是不可区分之[阳光电子学校维修专家友情提示]。所有具有相同之描述之元素构成了一个等价类，所有等价类构成了这个论域之一个划分[阳光电子学校维修专家友情提示]。任意给定论域之一个子集，人们不一定能用知识库中之知识来精确地描述，这时就用关于这个集合之一对上、下近似来描述[阳光电子学校维修专家友情提示]。
　　鉴于粗糙集理论在处理不确定、不完备信息上之优越性，已经有不少研究人员把它引入到故障诊断系统中[阳光电子学校维修专家友情提示]。例如文献［5］［6］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之错误或不完整警报信号[阳光电子学校维修专家友情提示]。提出之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[阳光电子学校维修专家友情提示]。电力系统之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之决策表方法[阳光电子学校维修专家友情提示]。基本思想是把保护和断路器之动作信息作为对故障分类之条件属性，考虑各种湖南阳光电子学校维修专家认为：也许发生之故障情况并建立决策表（类似于ANN故障诊断之训练样本集），删除多余属性后抽取出诊断规则[阳光电子学校维修专家友情提示]。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，警报处理之任务就是对送至控制中心之警报信息进行合理之解释，判断出引起警报之事件[阳光电子学校维修专家友情提示]。利用诊断信息之冗余性，通过避开丢失或错误之警报来处理不完备警报信息[阳光电子学校维修专家友情提示]。文献［7］是将粗糙集方法应用于旋转机械（如燃气轮发电机组）之故障诊断中，旋转机械故障诊断其实质也是模式分类问题[阳光电子学校维修专家友情提示]。文中以振动特征频谱为依据，提出了一种基于粗糙集理论之旋转机械故障诊断方法，该方法不但可以直接从完备之故障频谱特征样本集中导出正确之诊断结论，而且还能从不完整之故障频谱特征样本集中导出满意之诊断结论[阳光电子学校维修专家友情提示]。它揭示了故障特征频谱信息之冗余性，为在不完整征兆信息下之旋转机械故障诊断提供了新之思路[阳光电子学校维修专家友情提示]。文献［8］针对内燃机之运行状态监测和故障诊断，在故障诊断专家系统之基础上，引入粗糙集理论，并以信息系统属性值表为主要工具，对专家系统中之规则进行约简并剔除不必要之属性，揭示了故障诊断信息中内在之冗余性，降低了故障诊断专家系统构成之复杂性，并建立了简化后之决策规则[阳光电子学校维修专家友情提示]。
3　人工神经网络
　　人工神经网络是近些年发展起来之十分热门之交叉学科，它涉及生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有着非常广泛之应用背景，这门学科之发展对目前和未来之科学技术之发展将有重要之影响［9］[阳光电子学校维修专家友情提示]。人工神经网络就是采用物理可实现之系统来模仿人脑神经细胞之结构和功能之系统[阳光电子学校维修专家友情提示]。它是由很多处理单元有机地联接起来，进行并行地工作，它之处理单元十分简单，其工作则是“集体”进行之，它之信息传播、存贮方式与神经网络相似，它没有运算器、存贮器、控制器这些现代计算机之基本单元，而是相同之简单处理器之组合[阳光电子学校维修专家友情提示]。它之信息是存贮在处理单元之间之连接上，因而，它是与现代计算机完全不同之系统[阳光电子学校维修专家友情提示]。
　　人工神经网络之发展可以追溯到一个世纪前，它之发展经历了初始发展期、低潮期、复兴期和高潮期四个阶段[阳光电子学校维修专家友情提示]。1890年，美国生理学家W．James出版了《生理学》一书，该书首次阐明了有关人脑之结构和功能，以及一些相关学习、联想记忆之基本规则[阳光电子学校维修专家友情提示]。半个世纪以后，W．S．McCulloch和W．A．Pitts提出了神经元之 原始 简单之模型—MP模型，将神经元当作一个功能逻辑单元对待，为以后进一步之研究提供了依据[阳光电子学校维修专家友情提示]。1949年D．O．Hebb发表论著《行为自组织》，提出了很多有价值之观点，这对以后神经网络之结构和算法都有很大之影响[阳光电子学校维修专家友情提示]。1958年F．Rosenblatt定义了一个称为感知器（Perceptron）之具有三层结构之神经网络，这是第一个

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