电气工程

基于集成经验模态分解和峭度准则的滚动轴承故障特征提取方法

胡爱军，马万里，唐贵基

摘要：目的：滚动轴承是机械设备中应用最广泛，同时也是最易损坏的零部件之一，对滚动轴承故障的准确诊断对于保障设备安全运行具有重要意义。当轴承部件表面出现局部损伤时，会产生周期性的脉冲力，并激起各部件的高频固有振动，从而产生高频调制现象，因此通过适合的共振解调方法有效地提取低频调制信息是准确诊断滚动轴承故障的关键。方法：共振包络解调是工程中常用的滚动轴承故障振动信号分析方法，基本原理是通过以共振频率为中心频率的带通滤波器滤波后，经包络分析获得轴承故障的特征频率。滤波中心频率及滤波带宽的选择是包络解调的关键环节。集成经验模态分解（EEMD）是一种自适应的时频信号分析方法，并有效减小了EMD分解中模态混叠的影响。本文采用EEMD将轴承故障信号分解得到一系列的IMF分量，分别计算各IMF的峭度，根据峭度最大准则，选取IMF分量进行包络解调分析，根据包络谱诊断滚动轴承故障类型。该方法可以自适应地完成中心频率及滤波频带的选取，减小人为因素干扰。结果：在滚动轴承实验台上完成了滚动轴承内圈、外圈局部损伤模拟实验，将基于EEMD与峭度准则的包络解调方法用于轴承故障信号分析，以验证方法的有效性。对轴承内圈、外圈故障信号的分析结果表明，在包络谱上准确得到了故障信号的转频、内（外）圈故障特征频及其倍频、转频与内圈故障频率的调制边带等特征信息，准确获得了故障特征信息。同时，通过与EMD分解结果的对比，验证了EEMD有效地抑制了模态混叠现象。结论：提出了基于EEMD与峭度准则的包络解调方法，并应用于实际轴承故障信号分析。利用EEMD的自适应性将包含滚动轴承故障信息的高频成分从原来的信号中分离开来，选取峭度最大的IMF分量进行包络解调分析，不仅抑制了EMD方法中的模态混叠现象，而且避免共振解调方法中中心频率及滤波频带选取所带来的误差，具有良好的自适应性。对滚动轴承内圈、外圈故障信号分析结果表明所述方法可以得到清晰的故障特征信息，能够完成对滚动轴承的精确诊断。

来源出版物：中国电机工程学报, 2012, 32(11): 106-111

入选年份：2015

一类电力系统鲁棒优化问题的博弈模型及应用实例

梅生伟，郭文涛，王莹莹，等

摘要：目的：经济调度是电力系统运行的基本问题之一。具有间歇性和波动性的可再生能源大量并网对维持电力系统源-荷平衡及安全稳定运行提出了新的挑战。本文借鉴鲁棒控制的思想，将聚纳风力发电以及电动汽车的电力系统经济调度问题建模为鲁棒优化问题，并通过二人零和博弈模型及算法进行求解。所得策略下的调度成本对波动的风电出力具有较强的鲁棒性。方法：受鲁棒控制理论采用二人零和博弈应对不确定性的启发，提出应对风电出力不确定性的电力系统经济调度的鲁棒优化模型，可描述为系统调度员和大自然之间的二人零和博弈，其中调度员控制发电机出力、电动汽车充放电策略，以及风电场参考出力，大自然控制实际风功率，优化目标是极小化最坏风电出力下的调度成本。该鲁棒优化问题可描述为如下极小-极大型二人零和博弈（1）。其中x是表征系统潮流的状态变量，u是控制变量，可行域为U，w表示大自然（不确定性）的策略，可行域为W。J（u，w）是支付函数，G（x，u，w）≤0是耦合约束。模型（1）中，调度员通过控制变量u极小化支付函数，而大自然通过控制w极大化支付函数。此博弈的均衡即为鲁棒调度策略。在鲁棒优化模型（1）的基础上，研究了聚纳风力发电以及电动汽车的电力系统经济调度问题，其物理意义可理解为：由于调度员不能准确预测风电出力，一种虽然保守但绝对安全的方法即为针对可能出现的最坏风电出力场景安排发电计划，从而能够从容应对任何可能出现的情况，保证系统安全运行。通过求解该模型，可以得到对风功率波动具有鲁棒性的调度策略，即在风电出力的最坏场景中调度成本最低。结果：在IEEE 9节点系统的4号节点和7号节点分别加入风电场和电动汽车集中充电站。对所提模型和方法进行验证。计算结果表明：（1）调度员计划的风电场参考出力和大自然给出的最坏情况下可用风功率截然不同，最坏风功率曲线往往波动较大，因此必须安排充足的备用容量加以应对；（2）最坏风功率往往在预测边界处取值，因为不确定集合W为多面体，优化目标与约束条件均为线性函数，故极值在极点处取得；（3）低负荷时段的电价也较低，电动汽车在这些时段充电可达到削峰填谷的目的；（4）当考虑到风电波动性与再调度成本时，鲁棒调度策略对应的成本在统计意义下优于传统调度策略。结论：本文提出了不确定环境下决策的鲁棒优化问题的二人零和博弈模型及其均衡的求解算法，并将之应用于电力系统经济调度问题，避免了需要精确预测风电出力等困难，同时发挥了电动汽车负荷在削峰填谷方面的优势。尽管鲁棒调度策略具有保守性，但可以保证系统运行可靠性。通过提高风电出力预测精度可降低鲁棒调度策略的保守性。

来源出版物：中国电机工程学报, 2013, 33(19): 47-56

入选年份：2015

智能电网调度控制技术国际标准体系研究

辛耀中

摘要：目的：总结十多年来我国在智能电网调度和智能变电站实施相关国际标准方面的经验与教训，深入分析IEC 61970、IEC 61850、IEC 62351等现行主流标准存在的问题，探索提出由“通用安全架构、通用通信协议、通用模型描述、通用服务界面”构成的智能电网运行通用标准体系。方法：结合我国在智能电网调度运行和智能变电站方面的大量工程实践，剖析相关国际标准体系和现行主流标准存在的主要问题，根据特大电网运行控制的业务需求，适应计算机和通信等技术发展趋势，提出解决问题的基本思路和主要措施。结果：（1）研究阐明了从IEC TC57现行的复杂标准体系到简化标准体系，再到智能网的FICC（Function，Information，Communication，Component）三维立体标准体系，进而到通用标准体系的技术发展趋势，并分别深入论证了通用模型描述标准、通用通信协议标准、通用服务界面标准、通用网络安全防护标准。（2）通用模型描述标准以IEC 61970等系列标准为基础，解决公用模型CIM效率较低、偏离公用初衷、非面向对象描述、电网模型与变电站模型不协调等问题，以高效简洁的CIM/E自描述语言为工具，以电力系统一次设备和拓扑结构为脊椎骨架，以各业务专用数据模型为肋骨分支，自然构成统一电网模型，模型结构稳固、分支灵活、面向对象、维护方便、交换简单、新老兼容、可持续发展。（3）通用通信协议标准以IEC 61850通信协议为基础，解决其设备兼容性、合并单元、配置及维护、以太网结构、通信效率、采集同步等问题，将其通信服务直接映射到TCP/IP或以太网协议栈上，吸收IEC 60870-5-104等协议面向对象的实时数据传输机制，增加自定义通信服务和自定义报文结构的功能，确保更加灵活的系统维护功能与实时数据传输功能分离，建立调度控制中心、变电站、发电厂等之间统一的通信协议，逐步实现“即插即用”。（4）通用服务界面标准以IEC 62541的服务体系架构为基础，吸收IEC 61850的60种变电站通信服务，以IEC 61970-401和402为基础拓展调度控制中心的通用服务，采用《电力系统简单服务接口规范》描述服务列表及参数格式，采用CIM/G支持图形化的服务访问界面，逐步实现覆盖电网调度控制中心、变电站和发电厂的动态通用服务体系。（5）通用网络安全防护标准以我国电力二次系统安全防护体系为基础，增加IEC 62351和IEC 62541系列标准的数据通信安全措施，建立以边界防护为主的结构安全框架，按等级保护要求保障所有业务系统和设备本体安全，基于可信计算技术实现全系统的安全免疫，对核心业务系统进行数据、系统、场所、业务等冗余备份及物理防护，对核心业务进行全系统、全过程、全人员的安全管理，构建不断发展的动态安全防护体系。结论：建立基于“通用安全架构、通用通信协议、通用模型描述、通用服务界面”的智能电网调度控制技术的通用国际标准体系，在技术上是可行的，在工程上是急需的，可以适用于发电、输电、配电、用电等各个领域，也适用于设备、现地、厂站、调度、企业、市场等各个层级。将对世界智能电网和智能变电站的发展产生重要影响，将促进电力系统自动化领域的重大技术进步，使电力系统运行更安全可靠、更经济高效、更绿色环保。

来源出版物：电网技术, 2015, 39(1): 1-10

入选年份：2015