電氣工程

基于集成經驗模態分解和峭度準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：滾動軸承是機械設備中應用最廣泛，同時也是最易損壞的零部件之一，對滾動軸承故障的準確診斷對于保障設備安全運行具有重要意義。當軸承部件表面出現局部損傷時，會產生周期性的脈沖力，并激起各部件的高頻固有振動，從而產生高頻調制現象，因此通過適合的共振解調方法有效地提取低頻調制信息是準確診斷滾動軸承故障的關鍵。方法：共振包絡解調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，經包絡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解調的關鍵環節。集成經驗模態分解（EEMD）是一種自適應的時頻信號分析方法，并有效減小了EMD分解中模態混疊的影響。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，根據峭度最大準則，選取IMF分量進行包絡解調分析，根據包絡譜診斷滾動軸承故障類型。該方法可以自適應地完成中心頻率及濾波頻帶的選取，減小人為因素干擾。結果：在滾動軸承實驗臺上完成了滾動軸承內圈、外圈局部損傷模擬實驗，將基于EEMD與峭度準則的包絡解調方法用于軸承故障信號分析，以驗證方法的有效性。對軸承內圈、外圈故障信號的分析結果表明，在包絡譜上準確得到了故障信號的轉頻、內（外）圈故障特征頻及其倍頻、轉頻與內圈故障頻率的調制邊帶等特征信息，準確獲得了故障特征信息。同時，通過與EMD分解結果的對比，驗證了EEMD有效地抑制了模態混疊現象。結論：提出了基于EEMD與峭度準則的包絡解調方法，并應用于實際軸承故障信號分析。利用EEMD的自適應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分量進行包絡解調分析，不僅抑制了EMD方法中的模態混疊現象，而且避免共振解調方法中中心頻率及濾波頻帶選取所帶來的誤差，具有良好的自適應性。對滾動軸承內圈、外圈故障信號分析結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：中國電機工程學報, 2012, 32(11): 106-111

入選年份：2015

一類電力系統魯棒優化問題的博弈模型及應用實例

梅生偉，郭文濤，王瑩瑩，等

摘要：目的：經濟調度是電力系統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對維持電力系統源-荷平衡及安全穩定運行提出了新的挑戰。本文借鑒魯棒控制的思想，將聚納風力發電以及電動汽車的電力系統經濟調度問題建模為魯棒優化問題，并通過二人零和博弈模型及算法進行求解。所得策略下的調度成本對波動的風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對不確定性的啟發，提出應對風電出力不確定性的電力系統經濟調度的魯棒優化模型，可描述為系統調度員和大自然之間的二人零和博弈，其中調度員控制發電機出力、電動汽車充放電策略，以及風電場參考出力，大自然控制實際風功率，優化目標是極小化最壞風電出力下的調度成本。該魯棒優化問題可描述為如下極小-極大型二人零和博弈（1）。其中x是表征系統潮流的狀態變量，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，G（x，u，w）≤0是耦合約束。模型（1）中，調度員通過控制變量u極小化支付函數，而大自然通過控制w極大化支付函數。此博弈的均衡即為魯棒調度策略。在魯棒優化模型（1）的基礎上，研究了聚納風力發電以及電動汽車的電力系統經濟調度問題，其物理意義可理解為：由于調度員不能準確預測風電出力，一種雖然保守但絕對安全的方法即為針對可能出現的最壞風電出力場景安排發電計劃，從而能夠從容應對任何可能出現的情況，保證系統安全運行。通過求解該模型，可以得到對風功率波動具有魯棒性的調度策略，即在風電出力的最壞場景中調度成本最低。結果：在IEEE 9節點系統的4號節點和7號節點分別加入風電場和電動汽車集中充電站。對所提模型和方法進行驗證。計算結果表明：（1）調度員計劃的風電場參考出力和大自然給出的最壞情況下可用風功率截然不同，最壞風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對；（2）最壞風功率往往在預測邊界處取值，因為不確定集合W為多面體，優化目標與約束條件均為線性函數，故極值在極點處取得；（3）低負荷時段的電價也較低，電動汽車在這些時段充電可達到削峰填谷的目的；（4）當考慮到風電波動性與再調度成本時，魯棒調度策略對應的成本在統計意義下優于傳統調度策略。結論：本文提出了不確定環境下決策的魯棒優化問題的二人零和博弈模型及其均衡的求解算法，并將之應用于電力系統經濟調度問題，避免了需要精確預測風電出力等困難，同時發揮了電動汽車負荷在削峰填谷方面的優勢。盡管魯棒調度策略具有保守性，但可以保證系統運行可靠性。通過提高風電出力預測精度可降低魯棒調度策略的保守性。

來源出版物：中國電機工程學報, 2013, 33(19): 47-56

入選年份：2015

智能電網調度控制技術國際標準體系研究

辛耀中

摘要：目的：總結十多年來我國在智能電網調度和智能變電站實施相關國際標準方面的經驗與教訓，深入分析IEC 61970、IEC 61850、IEC 62351等現行主流標準存在的問題，探索提出由“通用安全架構、通用通信協議、通用模型描述、通用服務界面”構成的智能電網運行通用標準體系。方法：結合我國在智能電網調度運行和智能變電站方面的大量工程實踐，剖析相關國際標準體系和現行主流標準存在的主要問題，根據特大電網運行控制的業務需求，適應計算機和通信等技術發展趨勢，提出解決問題的基本思路和主要措施。結果：（1）研究闡明了從IEC TC57現行的復雜標準體系到簡化標準體系，再到智能網的FICC（Function，Information，Communication，Component）三維立體標準體系，進而到通用標準體系的技術發展趨勢，并分別深入論證了通用模型描述標準、通用通信協議標準、通用服務界面標準、通用網絡安全防護標準。（2）通用模型描述標準以IEC 61970等系列標準為基礎，解決公用模型CIM效率較低、偏離公用初衷、非面向對象描述、電網模型與變電站模型不協調等問題，以高效簡潔的CIM/E自描述語言為工具，以電力系統一次設備和拓撲結構為脊椎骨架，以各業務專用數據模型為肋骨分支，自然構成統一電網模型，模型結構穩固、分支靈活、面向對象、維護方便、交換簡單、新老兼容、可持續發展。（3）通用通信協議標準以IEC 61850通信協議為基礎，解決其設備兼容性、合并單元、配置及維護、以太網結構、通信效率、采集同步等問題，將其通信服務直接映射到TCP/IP或以太網協議棧上，吸收IEC 60870-5-104等協議面向對象的實時數據傳輸機制，增加自定義通信服務和自定義報文結構的功能，確保更加靈活的系統維護功能與實時數據傳輸功能分離，建立調度控制中心、變電站、發電廠等之間統一的通信協議，逐步實現“即插即用”。（4）通用服務界面標準以IEC 62541的服務體系架構為基礎，吸收IEC 61850的60種變電站通信服務，以IEC 61970-401和402為基礎拓展調度控制中心的通用服務，采用《電力系統簡單服務接口規范》描述服務列表及參數格式，采用CIM/G支持圖形化的服務訪問界面，逐步實現覆蓋電網調度控制中心、變電站和發電廠的動態通用服務體系。（5）通用網絡安全防護標準以我國電力二次系統安全防護體系為基礎，增加IEC 62351和IEC 62541系列標準的數據通信安全措施，建立以邊界防護為主的結構安全框架，按等級保護要求保障所有業務系統和設備本體安全，基于可信計算技術實現全系統的安全免疫，對核心業務系統進行數據、系統、場所、業務等冗余備份及物理防護，對核心業務進行全系統、全過程、全人員的安全管理，構建不斷發展的動態安全防護體系。結論：建立基于“通用安全架構、通用通信協議、通用模型描述、通用服務界面”的智能電網調度控制技術的通用國際標準體系，在技術上是可行的，在工程上是急需的，可以適用于發電、輸電、配電、用電等各個領域，也適用于設備、現地、廠站、調度、企業、市場等各個層級。將對世界智能電網和智能變電站的發展產生重要影響，將促進電力系統自動化領域的重大技術進步，使電力系統運行更安全可靠、更經濟高效、更綠色環保。

來源出版物：電網技術, 2015, 39(1): 1-10

入選年份：2015