基本信息
- 項目名稱：
- 牽引供電智能故障診斷系統(tǒng)--基于模型的故障診斷系統(tǒng)的研究及應(yīng)用
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品首次在國際上采用當前最先進的故障診斷理論——基于模型故障診斷理論,開發(fā)出牽引供電智能故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)在線監(jiān)測牽引變電所供電情況，及時有效地捕捉到系統(tǒng)故障信息，定位故障元件、故障位置并解釋故障原因，智能語音提示維護人員的的維護操作，并對繼電保護的動作行為進行評價。本作品的創(chuàng)新點在于以牽引變電所電流、電壓為主要診斷信息，以斷路器和繼電保護為輔助診斷信息，結(jié)合定性仿真和模糊數(shù)學(xué)的思想處理牽引供電系統(tǒng)的動態(tài)、不確定信息，并對系統(tǒng)采用動態(tài)分層診斷，在多項式時間內(nèi)產(chǎn)生診斷解，改善基于模型故障診斷理論候選解空間大、計算復(fù)雜性、不能處理動態(tài)、不確定性等缺點。本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用保證了牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的供電，提高故障查找的自動化和智能化水平，避免了由于牽引供電系統(tǒng)故障，導(dǎo)致的列車晚點、乘客滯留時間長而引起一系列經(jīng)濟損失，具有廣泛的應(yīng)用前景和社會效益。
- 詳細介紹：
- 本作品對牽引擴能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障以及繼電保護等方面做了深入而細致的研究，首次在國際上將基于模型診斷方法應(yīng)用到牽引供電系統(tǒng),建立了牽引供電系統(tǒng)的智能故障診斷系統(tǒng)。針對牽引供電系統(tǒng)動態(tài)、不確定性、反饋的特點，對基于模型診斷理論做了以下探索：將定性仿真、模糊數(shù)學(xué)與基于模型故障診斷系統(tǒng)的理論相結(jié)合，實現(xiàn)對動態(tài)、不確定系統(tǒng)抽象表示；通過對系統(tǒng)元件、結(jié)構(gòu)的抽象和對抽象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將觀測值增加到輸入值部分，將反饋系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成非反饋系統(tǒng);在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型中應(yīng)用稀疏矩陣，建立動態(tài)分層模型，將模糊識別理論與一致性原理、溯因理論相結(jié)合，實現(xiàn)對不確定性系統(tǒng)動態(tài)分層的模糊診斷，解決了動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的故障診斷難題, 并大大縮減了解空間。 根據(jù)本文改進的基于模型診斷方法，以牽引變電所和牽引網(wǎng)作為研究對象，將母線和饋線電壓互感器、電流互感器測量數(shù)據(jù)作為觀察值，以系統(tǒng)繼電保護信息為輔助故障信息，結(jié)合系統(tǒng)各元件以及電力機車的已知參數(shù), 構(gòu)造了牽引供電系統(tǒng)的動態(tài)不確定性模型，開發(fā)出牽引供電故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和診斷。診斷系統(tǒng)不僅能迅速診斷出故障、定位故障元件，智能語音提示維護人員的的維護操作，而且還有以下有優(yōu)點： 解決了牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)施繼電保護誤動和拒動的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生的問題。診斷系統(tǒng)在繼電動作反應(yīng)前診斷出故障，可以通過故障信息判斷繼電保護是否誤動或拒動。特別是識別出繼電保護不能產(chǎn)生動作的異相故障，為牽引供電系統(tǒng)可靠性提供了保護。 可以有效識別出永久性故障。本系統(tǒng)結(jié)合模糊定性理論和貝葉斯分類器提出鑒別一種瞬時性故障和永久性故障方法，防止系統(tǒng)發(fā)生永久性故障自動重合閘損壞供電系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用大大減輕牽引變電所工作人員的勞動強度，避免了對經(jīng)驗豐富的工作人員的依賴，縮短了線路故障維修時間，提高了故障查找的自動化和智能化水平，具有很強的實用性和廣泛的應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計目的：針對牽引供電系統(tǒng)因故障而導(dǎo)致列車不正常運行, 甚至造成安全事故的現(xiàn)狀，本項目研發(fā)出牽引供電智能故障診斷系統(tǒng)，用于在線監(jiān)測和診斷牽引供電系統(tǒng)。 基本思路：本項目采用母線、饋線電壓和電流為主要故障診斷信息，繼電保護動作為輔助診斷信息，根據(jù)基于模型故障診斷理論建立智能故障診斷系統(tǒng)。針對牽引供電系統(tǒng)動態(tài)、不確定性、反饋的特點，本項目對基于模型故障診斷理論做出一些探索，使其可以對牽引供電系統(tǒng)進行有效診斷，解決該理論不能診斷反饋、動態(tài)系統(tǒng)的不足。 創(chuàng)新點和關(guān)鍵技術(shù)： 1.首次將基于模型診斷方法應(yīng)用到牽引供電系統(tǒng)，采用電壓、電流為故障診斷信息, 避免由于繼電保護拒動或誤動等錯誤信息導(dǎo)致無解的情況。 2. 針對牽引供電系統(tǒng)的動態(tài)性、不確定性、反饋性的特點，結(jié)合定性仿真和模糊數(shù)學(xué)的思想提出適合牽引供電系統(tǒng)的半定量表示方法,實現(xiàn)對不確定系統(tǒng)故障狀態(tài)識別。通過調(diào)整抽象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對反饋系統(tǒng)的診斷。 3. 融合現(xiàn)代智能診斷理論的精髓, 創(chuàng)造性地提出了一種新的動態(tài)分層診斷算法，實現(xiàn)對跨層次系統(tǒng)元件進行動態(tài)分解和抽象，有效地解決了因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)性而造成的難解性并大大縮減了解空間。 4. 結(jié)合模糊定性理論和貝葉斯分類器，提出鑒別一種瞬時性故障和永久性故障的方法較好地解決了因系統(tǒng)發(fā)生永久性故障自動重合閘損壞供電系統(tǒng)的問題。 主要技術(shù)指標：迅速捕捉故障狀態(tài)，在0.001s范圍內(nèi)；故障診斷效率高，能夠在多項式時間內(nèi)（0.003s）產(chǎn)生診斷結(jié)果；故障診斷準確率達99.1%。
科學(xué)性、先進性
- 國內(nèi)外開發(fā)的大部分電力系統(tǒng)故障診斷智能系統(tǒng)大都是基于專家系統(tǒng)，這些系統(tǒng)故障判斷的依據(jù)主要是SCADA系統(tǒng)或者事件順序記錄裝置所提供的斷路器位置信息和保護繼電器的動作信息。然而，由于保護繼電器和斷路器本身可能的不正確動作和這些開關(guān)量信號在傳輸和采集過程中會出錯甚至丟失，將導(dǎo)致專家系統(tǒng)出現(xiàn)推理失誤、無解等情況。本項目將為避免專家經(jīng)驗而提出的基于模型智能故障診斷算法應(yīng)用到鐵路牽引供電系統(tǒng), 以實時監(jiān)測的牽引變電所電流、電壓值為主要故障診斷信息，以斷路器和繼電器動作信息為輔助故障診斷信息，建立牽引供電系統(tǒng)的智能故障診斷系統(tǒng)，較好地克服了專家系統(tǒng)的不足,并促進了基于模型故障診斷理論的發(fā)展，使其可以處理動態(tài)、不確定及反饋系統(tǒng)，并在多項式時間內(nèi)產(chǎn)生故障集，解決了基于模型診斷理論的診斷算法候選空間大和計算復(fù)雜性的缺陷，其技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。實踐證明, 該系統(tǒng)能快速、準確、全面地診斷故障, 該系統(tǒng)框架可以擴展應(yīng)用到輕軌、地鐵等領(lǐng)域,具有良好的應(yīng)用前景,其社會效益和經(jīng)濟效益十分可觀。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獎勵： 1.廣東省第十屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎。 2.2007-2008我校第三屆本科生科技創(chuàng)新工程項目一等獎； 根據(jù)作品，已在核心期刊上發(fā)表兩篇文章，錄用一篇： 1.李冰,姚鋒,鐘煒,黃元亮.基于模型診斷的發(fā)展與展望[J].世界科技研究與發(fā)展,2008,30(2):156-160. 2.黃元亮，李冰.不確定性推理中確定性傳播[J].計算機仿真.2008,7:133-137. 3.肖騰蛟，黃元亮，李冰.電力狀態(tài)與估計[J].世界科技與發(fā)展,2009,31期.
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 出售軟件
作品可展示的形式
- 實物模型 、現(xiàn)場演示 、圖片、錄像。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 根據(jù)基于模型故障診斷理論對單個元件建模的特點，本項目采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的跨平臺語言——JAVA語言建立智能故障診斷系統(tǒng)，并可以根據(jù)變電所類型設(shè)置相關(guān)參數(shù)。將本系統(tǒng)安裝到變電所監(jiān)控計算機上，即可實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)進行在線監(jiān)測和故障診斷。本系統(tǒng)具有安裝使用簡單方便，成本小，維護費用少，可移植性好等優(yōu)勢。如果變電所進行改造，只需軟件維護人員增加元件描述類函數(shù)或者修改參數(shù)即可。而且本系統(tǒng)可以迅速、及時產(chǎn)生診斷結(jié)果并語音智能提示維護人員進行的維護操作。本系統(tǒng)可以對傳統(tǒng)的鐵路供電系統(tǒng)、地鐵和輕軌的供電系統(tǒng)以及過山車等用電力牽引的娛樂設(shè)施進行在線監(jiān)測和診斷。該系統(tǒng)的使用，可以減少排除故障的成本和因故障造成的經(jīng)濟損失，在安全性和穩(wěn)定性方面有特殊的貢獻，因此具有廣泛的推廣前景。從2005年到2020年，我國將新建鐵路19800公里，這正是將該系統(tǒng)推向市場的最佳時機，市場需求量十分巨大。還可以作為中國自主研發(fā)的知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，銷售給其他非洲、東南亞國家，其帶來的經(jīng)濟效益不可估量。
同類課題研究水平概述
- 基于模型診斷方法起源于七十年代，它是為克服專家系統(tǒng)依賴專家經(jīng)驗缺乏推理過程的缺陷而被提出來的新興智能診斷方法，它避免了對領(lǐng)域知識的依賴性，被許多專家學(xué)者評價為診斷理論和技術(shù)上的革命?；谀Ｐ凸收显\斷理論對靜態(tài)系統(tǒng)診斷已經(jīng)成熟，然而對于復(fù)雜多變的動態(tài)、不確定性系統(tǒng)，基于模型故障診斷理論仍然不成熟，沒有應(yīng)該到實際領(lǐng)域。近二十余年中，基于模型的診斷理論在國內(nèi)的發(fā)展僅限于理論研究，基本上沒有實際應(yīng)用成果，其在國外得到迅速發(fā)展，而且被廣泛運用于如下領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了幫助醫(yī)生診斷與修復(fù)外傷治療的TrauAID系統(tǒng)；經(jīng)濟領(lǐng)域，Hamscher成功地把基于模型診斷理論應(yīng)用于財會審計上，開發(fā)出陣決策系統(tǒng)CROSBY；航天領(lǐng)域，比較著名的應(yīng)用是Livingstone系統(tǒng)。這組人工智能軟件使“深空一號”探測器在沒有地面控制人員指揮的情況下做出了一些重要的決定，還使“深空一號”探測器自我診斷飛行器的故障并發(fā)出更正指令。 經(jīng)過調(diào)研，未見任何國內(nèi)外有關(guān)基于模型的牽引供電智能故障診斷系統(tǒng)的文獻和報道，國內(nèi)外開發(fā)了許多電力系統(tǒng)故障診斷的智能系統(tǒng)，其中大部分是專家系統(tǒng)。特別是在監(jiān)視類專家系統(tǒng)方面，取得了一些有價值的理論研究成果。這些開發(fā)出來的專家系統(tǒng)，功能上包括故障診斷、報警處理、事故評價以及故障恢復(fù)控制。其中，故障診斷專家系統(tǒng)是利用電站監(jiān)控系統(tǒng)的斷路器和保護系統(tǒng)的繼電器的動作信息，根據(jù)保護的范圍和斷路器的位置，在電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中搜索故障區(qū)域。但是由于保護和斷路器動作信息的通道信號易受干擾，而且它們本身也存在誤動、拒動的情況，使專家系統(tǒng)由于輸入信息不真實或不完備而出現(xiàn)推理失誤、無解等情況，因此基于這些信息的專家系統(tǒng)存在診斷結(jié)果可信度不高的缺點。為了解決這些問題，一些專家系統(tǒng)就利用保護和斷路器之間的邏輯約束關(guān)系，來補充缺少的信息，矯正錯誤的信息，但是準確度仍然不高。 本項目采用母線電壓、電流為故障診斷信息，以繼電保護信息和斷路器信息為輔助診斷信息，首次將基于模型診斷方法應(yīng)用到牽引供電領(lǐng)域，這無論是對于基于模型診斷方面還是對于牽引供電領(lǐng)域，都具有非凡的意義。
