電氣工程

基于集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和峭度準(zhǔn)則的滾動軸承故障特征提取方法

胡愛軍，馬萬里，唐貴基

摘要：目的：滾動軸承是機械設(shè)備中應(yīng)用最廣泛，同時也是最易損壞的零部件之一，對滾動軸承故障的準(zhǔn)確診斷對于保障設(shè)備安全運行具有重要意義。當(dāng)軸承部件表面出現(xiàn)局部損傷時，會產(chǎn)生周期性的脈沖力，并激起各部件的高頻固有振動，從而產(chǎn)生高頻調(diào)制現(xiàn)象，因此通過適合的共振解調(diào)方法有效地提取低頻調(diào)制信息是準(zhǔn)確診斷滾動軸承故障的關(guān)鍵。方法：共振包絡(luò)解調(diào)是工程中常用的滾動軸承故障振動信號分析方法，基本原理是通過以共振頻率為中心頻率的帶通濾波器濾波后，經(jīng)包絡(luò)分析獲得軸承故障的特征頻率。濾波中心頻率及濾波帶寬的選擇是包絡(luò)解調(diào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。集成經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）是一種自適應(yīng)的時頻信號分析方法，并有效減小了EMD分解中模態(tài)混疊的影響。本文采用EEMD將軸承故障信號分解得到一系列的IMF分量，分別計算各IMF的峭度，根據(jù)峭度最大準(zhǔn)則，選取IMF分量進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，根據(jù)包絡(luò)譜診斷滾動軸承故障類型。該方法可以自適應(yīng)地完成中心頻率及濾波頻帶的選取，減小人為因素干擾。結(jié)果：在滾動軸承實驗臺上完成了滾動軸承內(nèi)圈、外圈局部損傷模擬實驗，將基于EEMD與峭度準(zhǔn)則的包絡(luò)解調(diào)方法用于軸承故障信號分析，以驗證方法的有效性。對軸承內(nèi)圈、外圈故障信號的分析結(jié)果表明，在包絡(luò)譜上準(zhǔn)確得到了故障信號的轉(zhuǎn)頻、內(nèi)（外）圈故障特征頻及其倍頻、轉(zhuǎn)頻與內(nèi)圈故障頻率的調(diào)制邊帶等特征信息，準(zhǔn)確獲得了故障特征信息。同時，通過與EMD分解結(jié)果的對比，驗證了EEMD有效地抑制了模態(tài)混疊現(xiàn)象。結(jié)論：提出了基于EEMD與峭度準(zhǔn)則的包絡(luò)解調(diào)方法，并應(yīng)用于實際軸承故障信號分析。利用EEMD的自適應(yīng)性將包含滾動軸承故障信息的高頻成分從原來的信號中分離開來，選取峭度最大的IMF分量進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，不僅抑制了EMD方法中的模態(tài)混疊現(xiàn)象，而且避免共振解調(diào)方法中中心頻率及濾波頻帶選取所帶來的誤差，具有良好的自適應(yīng)性。對滾動軸承內(nèi)圈、外圈故障信號分析結(jié)果表明所述方法可以得到清晰的故障特征信息，能夠完成對滾動軸承的精確診斷。

來源出版物：中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(11): 106-111

入選年份：2015

一類電力系統(tǒng)魯棒優(yōu)化問題的博弈模型及應(yīng)用實例

梅生偉，郭文濤，王瑩瑩，等

摘要：目的：經(jīng)濟調(diào)度是電力系統(tǒng)運行的基本問題之一。具有間歇性和波動性的可再生能源大量并網(wǎng)對維持電力系統(tǒng)源-荷平衡及安全穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)。本文借鑒魯棒控制的思想，將聚納風(fēng)力發(fā)電以及電動汽車的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題建模為魯棒優(yōu)化問題，并通過二人零和博弈模型及算法進(jìn)行求解。所得策略下的調(diào)度成本對波動的風(fēng)電出力具有較強的魯棒性。方法：受魯棒控制理論采用二人零和博弈應(yīng)對不確定性的啟發(fā)，提出應(yīng)對風(fēng)電出力不確定性的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度的魯棒優(yōu)化模型，可描述為系統(tǒng)調(diào)度員和大自然之間的二人零和博弈，其中調(diào)度員控制發(fā)電機出力、電動汽車充放電策略，以及風(fēng)電場參考出力，大自然控制實際風(fēng)功率，優(yōu)化目標(biāo)是極小化最壞風(fēng)電出力下的調(diào)度成本。該魯棒優(yōu)化問題可描述為如下極小-極大型二人零和博弈（1）。其中x是表征系統(tǒng)潮流的狀態(tài)變量，u是控制變量，可行域為U，w表示大自然（不確定性）的策略，可行域為W。J（u，w）是支付函數(shù)，G（x，u，w）≤0是耦合約束。模型（1）中，調(diào)度員通過控制變量u極小化支付函數(shù)，而大自然通過控制w極大化支付函數(shù)。此博弈的均衡即為魯棒調(diào)度策略。在魯棒優(yōu)化模型（1）的基礎(chǔ)上，研究了聚納風(fēng)力發(fā)電以及電動汽車的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題，其物理意義可理解為：由于調(diào)度員不能準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)電出力，一種雖然保守但絕對安全的方法即為針對可能出現(xiàn)的最壞風(fēng)電出力場景安排發(fā)電計劃，從而能夠從容應(yīng)對任何可能出現(xiàn)的情況，保證系統(tǒng)安全運行。通過求解該模型，可以得到對風(fēng)功率波動具有魯棒性的調(diào)度策略，即在風(fēng)電出力的最壞場景中調(diào)度成本最低。結(jié)果：在IEEE 9節(jié)點系統(tǒng)的4號節(jié)點和7號節(jié)點分別加入風(fēng)電場和電動汽車集中充電站。對所提模型和方法進(jìn)行驗證。計算結(jié)果表明：（1）調(diào)度員計劃的風(fēng)電場參考出力和大自然給出的最壞情況下可用風(fēng)功率截然不同，最壞風(fēng)功率曲線往往波動較大，因此必須安排充足的備用容量加以應(yīng)對；（2）最壞風(fēng)功率往往在預(yù)測邊界處取值，因為不確定集合W為多面體，優(yōu)化目標(biāo)與約束條件均為線性函數(shù)，故極值在極點處取得；（3）低負(fù)荷時段的電價也較低，電動汽車在這些時段充電可達(dá)到削峰填谷的目的；（4）當(dāng)考慮到風(fēng)電波動性與再調(diào)度成本時，魯棒調(diào)度策略對應(yīng)的成本在統(tǒng)計意義下優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)度策略。結(jié)論：本文提出了不確定環(huán)境下決策的魯棒優(yōu)化問題的二人零和博弈模型及其均衡的求解算法，并將之應(yīng)用于電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度問題，避免了需要精確預(yù)測風(fēng)電出力等困難，同時發(fā)揮了電動汽車負(fù)荷在削峰填谷方面的優(yōu)勢。盡管魯棒調(diào)度策略具有保守性，但可以保證系統(tǒng)運行可靠性。通過提高風(fēng)電出力預(yù)測精度可降低魯棒調(diào)度策略的保守性。

來源出版物：中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(19): 47-56

入選年份：2015

智能電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)體系研究

辛耀中

摘要：目的：總結(jié)十多年來我國在智能電網(wǎng)調(diào)度和智能變電站實施相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)方面的經(jīng)驗與教訓(xùn)，深入分析IEC 61970、IEC 61850、IEC 62351等現(xiàn)行主流標(biāo)準(zhǔn)存在的問題，探索提出由“通用安全架構(gòu)、通用通信協(xié)議、通用模型描述、通用服務(wù)界面”構(gòu)成的智能電網(wǎng)運行通用標(biāo)準(zhǔn)體系。方法：結(jié)合我國在智能電網(wǎng)調(diào)度運行和智能變電站方面的大量工程實踐，剖析相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)體系和現(xiàn)行主流標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問題，根據(jù)特大電網(wǎng)運行控制的業(yè)務(wù)需求，適應(yīng)計算機和通信等技術(shù)發(fā)展趨勢，提出解決問題的基本思路和主要措施。結(jié)果：（1）研究闡明了從IEC TC57現(xiàn)行的復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)體系到簡化標(biāo)準(zhǔn)體系，再到智能網(wǎng)的FICC（Function，Information，Communication，Component）三維立體標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)而到通用標(biāo)準(zhǔn)體系的技術(shù)發(fā)展趨勢，并分別深入論證了通用模型描述標(biāo)準(zhǔn)、通用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、通用服務(wù)界面標(biāo)準(zhǔn)、通用網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。（2）通用模型描述標(biāo)準(zhǔn)以IEC 61970等系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，解決公用模型CIM效率較低、偏離公用初衷、非面向?qū)ο竺枋?、電網(wǎng)模型與變電站模型不協(xié)調(diào)等問題，以高效簡潔的CIM/E自描述語言為工具，以電力系統(tǒng)一次設(shè)備和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為脊椎骨架，以各業(yè)務(wù)專用數(shù)據(jù)模型為肋骨分支，自然構(gòu)成統(tǒng)一電網(wǎng)模型，模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、分支靈活、面向?qū)ο蟆⒕S護(hù)方便、交換簡單、新老兼容、可持續(xù)發(fā)展。（3）通用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以IEC 61850通信協(xié)議為基礎(chǔ)，解決其設(shè)備兼容性、合并單元、配置及維護(hù)、以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)、通信效率、采集同步等問題，將其通信服務(wù)直接映射到TCP/IP或以太網(wǎng)協(xié)議棧上，吸收IEC 60870-5-104等協(xié)議面向?qū)ο蟮膶崟r數(shù)據(jù)傳輸機制，增加自定義通信服務(wù)和自定義報文結(jié)構(gòu)的功能，確保更加靈活的系統(tǒng)維護(hù)功能與實時數(shù)據(jù)傳輸功能分離，建立調(diào)度控制中心、變電站、發(fā)電廠等之間統(tǒng)一的通信協(xié)議，逐步實現(xiàn)“即插即用”。（4）通用服務(wù)界面標(biāo)準(zhǔn)以IEC 62541的服務(wù)體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，吸收IEC 61850的60種變電站通信服務(wù)，以IEC 61970-401和402為基礎(chǔ)拓展調(diào)度控制中心的通用服務(wù)，采用《電力系統(tǒng)簡單服務(wù)接口規(guī)范》描述服務(wù)列表及參數(shù)格式，采用CIM/G支持圖形化的服務(wù)訪問界面，逐步實現(xiàn)覆蓋電網(wǎng)調(diào)度控制中心、變電站和發(fā)電廠的動態(tài)通用服務(wù)體系。（5）通用網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以我國電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)體系為基礎(chǔ)，增加IEC 62351和IEC 62541系列標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信安全措施，建立以邊界防護(hù)為主的結(jié)構(gòu)安全框架，按等級保護(hù)要求保障所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和設(shè)備本體安全，基于可信計算技術(shù)實現(xiàn)全系統(tǒng)的安全免疫，對核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、場所、業(yè)務(wù)等冗余備份及物理防護(hù)，對核心業(yè)務(wù)進(jìn)行全系統(tǒng)、全過程、全人員的安全管理，構(gòu)建不斷發(fā)展的動態(tài)安全防護(hù)體系。結(jié)論：建立基于“通用安全架構(gòu)、通用通信協(xié)議、通用模型描述、通用服務(wù)界面”的智能電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)的通用國際標(biāo)準(zhǔn)體系，在技術(shù)上是可行的，在工程上是急需的，可以適用于發(fā)電、輸電、配電、用電等各個領(lǐng)域，也適用于設(shè)備、現(xiàn)地、廠站、調(diào)度、企業(yè)、市場等各個層級。將對世界智能電網(wǎng)和智能變電站的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，將促進(jìn)電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的重大技術(shù)進(jìn)步，使電力系統(tǒng)運行更安全可靠、更經(jīng)濟高效、更綠色環(huán)保。

來源出版物：電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(1): 1-10

入選年份：2015