基本信息
- 项目名称：
- 牵引供电智能故障诊断系统--基于模型的故障诊断系统的研究及应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品首次在国际上采用当前最先进的故障诊断理论——基于模型故障诊断理论,开发出牵引供电智能故障诊断系统。该系统在线监测牵引变电所供电情况，及时有效地捕捉到系统故障信息，定位故障元件、故障位置并解释故障原因，智能语音提示维护人员的的维护操作，并对继电保护的动作行为进行评价。本作品的创新点在于以牵引变电所电流、电压为主要诊断信息，以断路器和继电保护为辅助诊断信息，结合定性仿真和模糊数学的思想处理牵引供电系统的动态、不确定信息，并对系统采用动态分层诊断，在多项式时间内产生诊断解，改善基于模型故障诊断理论候选解空间大、计算复杂性、不能处理动态、不确定性等缺点。本系统的开发应用保证了牵引供电系统安全、稳定的供电，提高故障查找的自动化和智能化水平，避免了由于牵引供电系统故障，导致的列车晚点、乘客滞留时间长而引起一系列经济损失，具有广泛的应用前景和社会效益。
- 详细介绍：
- 本作品对牵引扩能供电系统结构、故障以及继电保护等方面做了深入而细致的研究，首次在国际上将基于模型诊断方法应用到牵引供电系统,建立了牵引供电系统的智能故障诊断系统。针对牵引供电系统动态、不确定性、反馈的特点，对基于模型诊断理论做了以下探索：将定性仿真、模糊数学与基于模型故障诊断系统的理论相结合，实现对动态、不确定系统抽象表示；通过对系统元件、结构的抽象和对抽象系统结构的调整，将观测值增加到输入值部分，将反馈系统转化成非反馈系统;在系统结构模型中应用稀疏矩阵，建立动态分层模型，将模糊识别理论与一致性原理、溯因理论相结合，实现对不确定性系统动态分层的模糊诊断，解决了动态系统结构的故障诊断难题, 并大大缩减了解空间。 根据本文改进的基于模型诊断方法，以牵引变电所和牵引网作为研究对象，将母线和馈线电压互感器、电流互感器测量数据作为观察值，以系统继电保护信息为辅助故障信息，结合系统各元件以及电力机车的已知参数, 构造了牵引供电系统的动态不确定性模型，开发出牵引供电故障诊断系统，实现对牵引供电系统的实时监测和诊断。诊断系统不仅能迅速诊断出故障、定位故障元件，智能语音提示维护人员的的维护操作，而且还有以下有优点： 解决了牵引供电系统的重要设施继电保护误动和拒动的现象经常发生的问题。诊断系统在继电动作反应前诊断出故障，可以通过故障信息判断继电保护是否误动或拒动。特别是识别出继电保护不能产生动作的异相故障，为牵引供电系统可靠性提供了保护。 可以有效识别出永久性故障。本系统结合模糊定性理论和贝叶斯分类器提出鉴别一种瞬时性故障和永久性故障方法，防止系统发生永久性故障自动重合闸损坏供电系统。 本系统的开发应用大大减轻牵引变电所工作人员的劳动强度，避免了对经验丰富的工作人员的依赖，缩短了线路故障维修时间，提高了故障查找的自动化和智能化水平，具有很强的实用性和广泛的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：针对牵引供电系统因故障而导致列车不正常运行, 甚至造成安全事故的现状，本项目研发出牵引供电智能故障诊断系统，用于在线监测和诊断牵引供电系统。 基本思路：本项目采用母线、馈线电压和电流为主要故障诊断信息，继电保护动作为辅助诊断信息，根据基于模型故障诊断理论建立智能故障诊断系统。针对牵引供电系统动态、不确定性、反馈的特点，本项目对基于模型故障诊断理论做出一些探索，使其可以对牵引供电系统进行有效诊断，解决该理论不能诊断反馈、动态系统的不足。 创新点和关键技术： 1.首次将基于模型诊断方法应用到牵引供电系统，采用电压、电流为故障诊断信息, 避免由于继电保护拒动或误动等错误信息导致无解的情况。 2. 针对牵引供电系统的动态性、不确定性、反馈性的特点，结合定性仿真和模糊数学的思想提出适合牵引供电系统的半定量表示方法,实现对不确定系统故障状态识别。通过调整抽象系统结构实现对反馈系统的诊断。 3. 融合现代智能诊断理论的精髓, 创造性地提出了一种新的动态分层诊断算法，实现对跨层次系统元件进行动态分解和抽象，有效地解决了因系统结构动态性而造成的难解性并大大缩减了解空间。 4. 结合模糊定性理论和贝叶斯分类器，提出鉴别一种瞬时性故障和永久性故障的方法较好地解决了因系统发生永久性故障自动重合闸损坏供电系统的问题。 主要技术指标：迅速捕捉故障状态，在0.001s范围内；故障诊断效率高，能够在多项式时间内（0.003s）产生诊断结果；故障诊断准确率达99.1%。
科学性、先进性
- 国内外开发的大部分电力系统故障诊断智能系统大都是基于专家系统，这些系统故障判断的依据主要是SCADA系统或者事件顺序记录装置所提供的断路器位置信息和保护继电器的动作信息。然而，由于保护继电器和断路器本身可能的不正确动作和这些开关量信号在传输和采集过程中会出错甚至丢失，将导致专家系统出现推理失误、无解等情况。本项目将为避免专家经验而提出的基于模型智能故障诊断算法应用到铁路牵引供电系统, 以实时监测的牵引变电所电流、电压值为主要故障诊断信息，以断路器和继电器动作信息为辅助故障诊断信息，建立牵引供电系统的智能故障诊断系统，较好地克服了专家系统的不足,并促进了基于模型故障诊断理论的发展，使其可以处理动态、不确定及反馈系统，并在多项式时间内产生故障集，解决了基于模型诊断理论的诊断算法候选空间大和计算复杂性的缺陷，其技术水平处于国际领先地位。实践证明, 该系统能快速、准确、全面地诊断故障, 该系统框架可以扩展应用到轻轨、地铁等领域,具有良好的应用前景,其社会效益和经济效益十分可观。
获奖情况及鉴定结果
- 奖励： 1.广东省第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。 2.2007-2008我校第三届本科生科技创新工程项目一等奖； 根据作品，已在核心期刊上发表两篇文章，录用一篇： 1.李冰,姚锋,钟炜,黄元亮.基于模型诊断的发展与展望[J].世界科技研究与发展,2008,30(2):156-160. 2.黄元亮，李冰.不确定性推理中确定性传播[J].计算机仿真.2008,7:133-137. 3.肖腾蛟，黄元亮，李冰.电力状态与估计[J].世界科技与发展,2009,31期.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 出售软件
作品可展示的形式
- 实物模型 、现场演示 、图片、录像。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 根据基于模型故障诊断理论对单个元件建模的特点，本项目采用面向对象程序设计的跨平台语言——JAVA语言建立智能故障诊断系统，并可以根据变电所类型设置相关参数。将本系统安装到变电所监控计算机上，即可实现对牵引供电系统进行在线监测和故障诊断。本系统具有安装使用简单方便，成本小，维护费用少，可移植性好等优势。如果变电所进行改造，只需软件维护人员增加元件描述类函数或者修改参数即可。而且本系统可以迅速、及时产生诊断结果并语音智能提示维护人员进行的维护操作。本系统可以对传统的铁路供电系统、地铁和轻轨的供电系统以及过山车等用电力牵引的娱乐设施进行在线监测和诊断。该系统的使用，可以减少排除故障的成本和因故障造成的经济损失，在安全性和稳定性方面有特殊的贡献，因此具有广泛的推广前景。从2005年到2020年，我国将新建铁路19800公里，这正是将该系统推向市场的最佳时机，市场需求量十分巨大。还可以作为中国自主研发的知识产权产品，销售给其他非洲、东南亚国家，其带来的经济效益不可估量。
同类课题研究水平概述
- 基于模型诊断方法起源于七十年代，它是为克服专家系统依赖专家经验缺乏推理过程的缺陷而被提出来的新兴智能诊断方法，它避免了对领域知识的依赖性，被许多专家学者评价为诊断理论和技术上的革命。基于模型故障诊断理论对静态系统诊断已经成熟，然而对于复杂多变的动态、不确定性系统，基于模型故障诊断理论仍然不成熟，没有应该到实际领域。近二十余年中，基于模型的诊断理论在国内的发展仅限于理论研究，基本上没有实际应用成果，其在国外得到迅速发展，而且被广泛运用于如下领域：医学领域出现了帮助医生诊断与修复外伤治疗的TrauAID系统；经济领域，Hamscher成功地把基于模型诊断理论应用于财会审计上，开发出阵决策系统CROSBY；航天领域，比较著名的应用是Livingstone系统。这组人工智能软件使“深空一号”探测器在没有地面控制人员指挥的情况下做出了一些重要的决定，还使“深空一号”探测器自我诊断飞行器的故障并发出更正指令。 经过调研，未见任何国内外有关基于模型的牵引供电智能故障诊断系统的文献和报道，国内外开发了许多电力系统故障诊断的智能系统，其中大部分是专家系统。特别是在监视类专家系统方面，取得了一些有价值的理论研究成果。这些开发出来的专家系统，功能上包括故障诊断、报警处理、事故评价以及故障恢复控制。其中，故障诊断专家系统是利用电站监控系统的断路器和保护系统的继电器的动作信息，根据保护的范围和断路器的位置，在电网拓扑结构中搜索故障区域。但是由于保护和断路器动作信息的通道信号易受干扰，而且它们本身也存在误动、拒动的情况，使专家系统由于输入信息不真实或不完备而出现推理失误、无解等情况，因此基于这些信息的专家系统存在诊断结果可信度不高的缺点。为了解决这些问题，一些专家系统就利用保护和断路器之间的逻辑约束关系，来补充缺少的信息，矫正错误的信息，但是准确度仍然不高。 本项目采用母线电压、电流为故障诊断信息，以继电保护信息和断路器信息为辅助诊断信息，首次将基于模型诊断方法应用到牵引供电领域，这无论是对于基于模型诊断方面还是对于牵引供电领域，都具有非凡的意义。
