第35卷第16期中国电机工程学报V ol.35 No.16 Aug. 20, 2015 4184 2015年8月20日Proceedings of the CSEE ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.16.022 文章编号：0258-8013 (2015) 16-4184-14 中图分类号：TM 315
故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述
年珩，程鹏，贺益康
(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027)
Review on Operation Techniques for DFIG-based Wind Energy
Conversion Systems Under Network Faults
NIAN Heng, CHENG Peng, HE Yikang
(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)
ABSTRACT: Recently, grid-connected operations of doubly fed induction generators (DFIG) based wind energy conversion systems (WECS) under fault grids, especially the conditions of voltage dips and swells, negative sequence disturbances and harmonic distortions, have been the hot spot issues. From the viewpoint of grid codes and reliable operations, focused on the uninterrupted operation, the network support and the friendly connection, the key operation techniques of DFIG system were discussed under severe faults for a short time and light ones for a long time. Besides, the current investigation situation on the DFIG system was introduced, and then, the research tendency of DFIG system control considering the grid faults and disturbances was presented.
KEY WORDS: doubly fed induction generator (DFIG); fault grid; abrupt voltage changes; negative sequence voltage disturbance; harmonic distortion; grid code
摘要：近年来，双馈感应风力发电系统在故障电网特别是电压骤变、负序扰动、谐波畸变下的运行控制技术，已成为风力发电系统中的研究热点。该文从各国风电并网规范、风机高效并网运行角度出发，列举了双馈风电机组在不脱网运行技术、电网支撑能力和友好并网技术等领域的关注焦点，探讨了电网短时严重故障和长期轻微故障中双馈风电机组运行的关键问题与核心技术，比较了现有双馈风电系统的控制方案，并预测了其发展趋势，给出了潜在的研究方向。
关键词：双馈感应风力发电机；故障电网；电压骤变；负序扰动；谐波畸变；并网规范
0 引言
随着风力发电技术及风电装备制造水平的快速发展，风能已经成为最具规模化应用前景和商业化开发潜力的可再生能源。根据我国于2012年发
基金项目：国家自然科学基金项目(51277159)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277159).布的《可再生能源“十二五”规划》的总体目标，到2015年，各类可再生能源在能源消费中的比重要达到9.5%以上，其中累计并网运行风电容量达1亿kW，海上风电为500万kW[1]。因此，促进风电产业科学发展、实现风电场的合理布局已成为我国保障能源安全和优化能源结构的重要抉择。然而，受限于可再生能源开发密集区与用电负荷中心区域的逆向分布特点，导致了处于电网末端大型风电场的电能需通过高压远距离输电走廊才能送达负荷中心[2]，这种风电能量的大规模集中输送方式易造成风电机组并网运行安全故障。近年来，甘肃玉门风电场、宁夏贺兰山风电场等大规模风电场脱网事故，暴露了大型风电场的集中接入方式给电力系统安全、稳定、高效运行带来的冲击与挑战[3-4]。
为提升电网对风电的接纳能力、规范风电机组并网运行方式，世界各国纷纷制定出台了相应的风电并网接入导则，对风电机组运行的安全性、稳定性提出了严格要求[5-8]，主要体现在以下方面：1）风电系统应能有效抵御电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时及长期电网故障；2）风电机组应为电网提供必要的电压、频率支持，增强电网稳定性。我国立足于本国电网结构、可再生能源配比等实际情况，在广泛征求风电设备制造商、风电场运营商等各方面意见的基础上，于2012年颁布实施了《风电场接入电力系统技术规定》，要求风电机组在20%的机端电压条件下实现不脱网连续运行至少625ms，同时能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的并网电压谐波畸变率，并为故障电网提供无功电流支持[5]。可以预见，在不久的将来，风电机组将由原来单纯自身保护的受端系统，逐渐转变为含有辅助服务功
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能的有源系统，并具备对存在电压骤变、负序扰动、谐波畸变的典型电网环境的适应和主动抵御能力，以及友好并网运行能力。
双馈风力发电系统采用双馈感应电机(doubly fed induction generator，DFIG)作为发电机，由于其具有励磁变流器容量小、成本低、可变速恒频运行等优势而成为风电场中的主流发电系统，并占据70%~80%的装机比例。考虑到双馈发电机定子与电网直接相连以及其励磁变流器控制能力有限等实际情况，双馈发电系统并不具有坚强的抗电网扰动能力。然而，并网规范对风电机组在电网故障下的运行提出了具体的要求与约束，要求风电机组不仅要有效抵御外部电压扰动，还应主动支撑故障电网的恢复[5-8]。
因此，本文以双馈风电系统为研究对象，以电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时严重及长期轻微电网故障为研究背景，以风电场并网规范技术指标为具体要求，列举电网故障下双馈风电系统运行技术的关注焦点，综述电网故障下双馈风电系统的有效控制方案，并对双馈风电系统研究的发展趋势作出预测。
1 双馈风电变流器运行技术关注焦点
1.1 概要
目前，随着风电机组装机容量的日增以及制造技术的不断成熟，各国的风电并网规范也在做相应的改进性、完善性和预防性更新，其中高电压穿越准则、动态无功电流支持已被写入丹麦、澳大利亚等国风电并网技术规范[6-7]。因此，本节结合不同国家的风电并网规范，阐述电网故障下双馈风电变流器运行的典型技术要求与关注焦点。
1.2 不脱网运行技术
早期的风电并网规范对风电机组故障穿越运行能力的考察集中在低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)方面。从电压骤降幅度、并网运行时间两方面来看，英国、美国分别要求风电机组能够在并网点电压跌落至15%额定值时持续并网运行140ms和625ms不脱网，而澳大利亚要求在电压跌落为零的条件下持续运行120ms不脱网，即实现零电压穿越(zero voltage ride through，ZVRT)[7]。我国要求风电机组在20%的机端电压条件下不脱网连续运行至少625ms，可见我国的风电并网规范要求相对保守。与电压骤降相对应，电压骤升也是一种常见的电网故障。在2011年2月甘肃酒泉风机脱网事故中，由于局部无功过剩致使电压骤升，进
而导致54%的风机出现过电压保护而脱网[8-10]。目前，澳大利亚、丹麦等国已将高电压穿越(high voltage ride through，HVRT)要求写入并网规范。表1给出
了不同国家低电压与高电压故障穿越规范要求的
技术指标，这也是风电并网规范对并网风力发电机
组的最基本要求。
表1世界各国风电并网技术规范
Tab. I Modern grid codes of different countries
国家
电压骤降电压骤升
骤降幅度/%并网时间/s 骤升幅度/% 并网时间/s 澳大利亚100 0.12 30 0.06 丹麦 80 0.5 20 0.1 英国 85 0.14 — — 美国 85 0.625 — — 中国 80 0.625 — —
在实际电网中，常有大功率设备启动、电网短
路故障等发生，这些因素造成了电压短时骤降这类
最常见的电网故障。文献[11-12]指出，双馈风力发
电机转子过电压峰值常在电压骤变后第一个周期内
出现，其峰值大小由转子电压稳态分量和直流暂态
分量之间的相位决定，当二者相叠加时最大，而相
抵消时最小；短路电流则由与电压骤变幅度成正比
的暂态分量和与其成反比的稳态分量构成，与故障
类型、故障点位置以及控制系统等因素密切相关。
此外，电压骤升作为另一种常见的电网故障，时常
发生在电网故障切除、局部无功过剩的情况下。文
献[13]指出，在电压骤升条件下也会出现直流侧过
压现象，但与电压骤降时因发电机电流冲击而产生
的机理不同，电压骤升时的直流侧过压主要是由于
这种故障下网侧变换器的Boost升压电路工作条件
难以满足所引起的。文献[14-15]指出，电网电压骤
升也会引起剧烈的转子电流过渡过程；同时，由于
工作点实际电压的抬升，电机磁路会出现饱和、励
磁电感下降等负面效应，进而加剧电流冲击。
这些双馈变流器不脱网运行能力的研究为深
入探讨双馈发电机暂态特性提供了重要信息，并为
分析和确定双馈变流器安全运行区域提供了参考
依据，进而为设计科学合理的LVRT与HVRT相互
衔接、相互配合的有效控制方案奠定基础。
1.3 电网支撑能力
在风电装机比例较高的德国、澳大利亚等国，
并网规范除了要求风电机组能主动抵御外部电网
扰动外，还要求风电机组能为电网稳定提供支持，
4186 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
特别是为电压恢复提供必要的有功、无功支持[8-9]。
澳大利亚并网规范要求，风电机组有功功率在故障切除后100 ms 内恢复至95%的定额，德国则要求故障切除后风电机组以至少每秒20%额定功率的变化率进行恢复，而我国风电并网规范则要求自故障清除时刻开始，以至少每秒10%额定功率的变化率恢复至故障前的值。考虑到故障切除瞬间可能会出现机端高电压现象，并网规范对有功功率恢复时间要求越短，意味着对风电机组控制能力的要求越高。
有功功率调节有助于稳定电网频率，而无功功率调节则有助于稳定电网电压幅值。因此，很多国家的并网规范对电网故障期间无功电流的输出也做出了明确的规范，如图1所示。以澳大利亚风电并网规范为例，要求风电场电压在90%~110%范围内波动时，风电机组无功功率接受风电场中央控制器调节；风电场电压低于90%或者高于110%时，风电机组按照电压每骤变1%，输出不小于4%的无功电流的标准对电网电压进行快速补偿[8]。这意味着，当电网电压低于75%时风电机组输出的无功电流须达到额定值。为方便表述，定义每1%无功电流与每1%电压骤变幅度的比值为无功电流补偿比k 。因此，澳大利亚标准要求无功电流补偿比至少为4 (即A 区域)[8]，而德国要求其最小为2(即A 、B 区域)[7]，我国风电并网规范中则要求k ≥1.5(即A 、B 、C 区域)[5]。此外，对于无功电流响应的约束时间也各不相同，例如德国并网导则要求无功电流响应时间应小于20 ms ，西班牙标准则要求其响应应在2个电压周期内完成，而我国风电并网规范则要求无功电流的响应时间小于75 ms 。这里需要注意的是，受到变流器容量的限制，电网故障期间很难同时满足有功、无功功率的输出要求。对此，澳大利亚、中国均要求优先输出无功电流，而西班牙、英国则要求先满足有功电流的要求[6, 8]。
电压/pu
无功电流/p u
图1 无功电流要求规范 Fig. 1 Grid requirements of
reactive currents among different countries
由于有功功率的快速恢复有助于电网频率的稳定，而无功电流的集中补偿可有助于故障电压的恢复，对它们进行要求就意味着风电机组应具有高效的电网电压、频率支撑与调节能力，这也是未来双馈风电变流器研究的又一个关注焦点。 1.4 友好并网技术
在实际电网中，由于电网的单相、两相接地故障、相间短路、单相供电电气化铁路的运行、拖动变流器的不控整流方式等因素，均会造成三相电压不平衡以及低次谐波畸变，因此我国风电标准要求风电机组能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的电压谐波畸变率。
然而，双馈风电系统作为独立发电单元，需确保高品质电能质量输出。根据GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》要求：正常运行时，其电压偏差应在标称电压的-3%~+7%范围内；公共连接点注入电流谐波应满足GB/T 14549-1993的要求。文献[16-17]指出，在负序以及谐波电压扰动的条件下，双馈风电系统输出电流存在明显的不平衡以及谐波畸变，并且较大的不平衡电流可能会导致电压偏差超出指定范围，同时严重谐波畸变的电流也无法满足并网规范对于谐波注入电流的要求。文献[9,18-19]指出网侧变流器在实现直流侧电压稳定、单位功率因数运行外，还能向电网提供无功补偿、谐波抑制等一系列辅助服务功能。其中，文 献[18]通过调节网侧变流器输出无功电流，实现对并网点负序电压的抑制，可降低其电压偏差以满足并网规范的技术要求。文献[19]通过对网侧变流器控制实现有源滤波器的辅助功能，可确保双馈风电系统高正弦度电流输出，以满足并网规范对于注入电流谐波的要求。因此，充分利用网侧变流器辅助服务功能，可最大限度提升双馈风电系统输出特性，以满足风电并网规范的技术要求。
同时，为确保长期稳定的并网发电运行，双馈风电系统还需在不平衡、谐波电网下确保自身机械、电气设备长期使用的可靠性。文献[16-17]指出在正序、负序以及谐波电压、电流的相互作用下，会造成严重的转矩脉动，加剧双馈发电系统齿轮箱以及传动轴系的疲劳，甚至引起机舱和塔筒的振荡，同时所引起的直流电压的剧烈波动使电容温度上升、电解液挥发，造成电解电容性能降低与使用寿命缩短等负面效应。文献[16]将转子侧直流电流前馈到有功轴电流环路共同构成有功电流指令，以降低电容电压波动。文献[20]在电流闭环回路构造
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了带通滤波器和超前–滞后调节器前馈回路，以消除转矩脉动。尽管风电并网规范并未对此提出相应的技术考核指标，然而从提高风电机组机械、电气设备的可靠性以及延长风电变流设备使用寿命的角度考虑，降低转矩脉动、稳定电容电压也是十分必要的。
因此，具有友好并网运行技术的双馈风电系统应具备可调控负序以及谐波电流，实现并网点电能质量的统一控制的能力，也可降低电机转矩脉动、稳定电容电压，以提高机械、电气设备的可靠性，这也是双馈风电技术的研究方向之一。
2 电网短时严重故障时双馈风电变流器运行技术
2.1 关键问题
目前，双馈机组对电网电压骤变的主动适应与抵御能力，已被认为是风电机组并网运行的最重要、最基本的要求。然而，受双馈变流器容量的限制，在电网电压骤变时双馈变流器保护的主导思想是限制转子过电流与直流过电压，必要时可采用额外的硬件保护措施以释放多余能量，以此确保双馈风电变流器的安全及风电机组的不脱网运行。
已有大量文献针对电网电压骤变时，双馈电机的暂态运行过程进行分析。这些研究表明：定子磁链的暂态分量、负序分量(仅限于不对称故障)是导致双馈电机定、转子过电流的主要原因[21-22]。因此，双馈风电系统故障穿越技术的难点在于如何通过抑制定子磁链的暂态分量、负序分量来有效限制故障发生后1~2个周期内的严重电流冲击。
此外，对已具备故障穿越工作模式的双馈风电变流器而言，如何快速、准确的实现不同工作模式的切换，并触发外部硬件保护措施，也是确保双馈风电变流器安全、双馈风力机组不脱网运行的关键。
针对以上电网短时严重故障的控制难点与关键问题，近年来国内外研究者提了大量的改进控制方案和相应的故障穿越技术。综合起来大体可以划分为3类，下文对其展开叙述。
2.2 现有控制技术
2.2.1 励磁强化措施
文献[23-24]从双馈电机暂态过渡过程分析入手，提出了一种“主动消磁”的控制策略。其基本思路是：重新设计转子电流指令，使之具有抵消双馈电机定子磁链暂态分量与负序分量的能力。这种控制策略可以衰减暂态磁链、抵消负序磁链，从而可显著降低电网电压骤变瞬间双馈电机产生的过电流效应，因此受到了广泛的关注与应用。在暂态、负序转子电流指令的计算环节中，文献[23]仅给出一个经验系数，而虚拟阻抗技术[25]、自调节系数K T(0 为加快电流调节器的动态响应实现对故障瞬间电流的有效控制，文献[31-32]引入了转子电流瞬态前馈项，以期最大限度降低转子瞬态电流；也有研究人员基于反馈校正理论，将虚拟电阻技术[33-34]、虚拟电抗技术[25]引入双馈变流器电流控制闭环；而文献[35-36]则分别采用电流矢量滞环、线性反馈环替代原有电流PI闭环环节，确保电流的快速响应。 此外，针对传统电流闭环环节存在的不足，一些学者相继提出直接电流矢量控制策略[37]、转子磁链矢量控制策略[38]、电流鲁棒控制策略[39]、线性二次型电流控制策略[40]等先进的双馈变流器运行技术。为了增强网侧变流器对直流侧电压控制的有效性和抗干扰能力，文献[41]采用直流侧电流前馈方法，加快网侧变流器输出电流响应，平抑直流侧电压骤变。然而，这些方法受到双馈变流器容量的限制，在发生更为严重的电网故障时无法有效实现穿越运行，需采用额外的硬件保护措施。 2.2.2 等效阻抗提升 为限制电网严重故障时定子磁链暂态分量、负序分量可能产生的定、转子过电流，最简单、有效的做法是接入限流电阻，提升整个机组的等效阻抗，以此实现故障穿越运行。 目前，最常采用的方法是撬棒(Crowbar)保护措施[41]，它利用限流电阻来短接双馈电机转子绕组、旁路双馈变流器，同时也为转子浪涌电流提供回 4188 中国电机工程学报第35卷 路。图3给出适合双馈电机的多种Crowbar保护装置拓扑结构，其中根据所用开关器件的类型，可划分为被动式与主动式Crowbar保护装置。 图2(a)中旁路电阻用于释放多余能量[42]。如采用电阻、电容串联回路替代原有纯电阻回路[43]，可更为有效地限制转子浪涌电流。然而，由于这种Crowbar保护装置由于采用半控型晶闸管器件，需在转子电流过零点时才能关断，因此不能满足电流在一定阈值下立即关断并重启双馈变流器以快速输出无功电流的要求，此时需采用主动式Crowbar 保护装置。图2(b)、(c)分别给出了二极管桥型、全控桥型主动Crowbar保护装置，其中二极管桥型Crowbar由于其控制简单、成本低等特点，而成为主流型Crowbar保护装置[44-46]。 (a) 反并联晶闸管带旁路电阻型(b) 二极管桥型(c) 全控桥型 图2适用于双馈电机的Crowbar保护装置Fig. 2 Schematic diagrams of Crowbar protetions 需要注意的是，Crowbar保护装置的切除时刻选择对提高双馈风电系统故障穿越能力十分关键。文献[47-48]指出，在交流故障恢复后切除Crowbar 保护装置，可有效解决电网恢复时刻过电流与过电压问题，但这样一来就无法在电网故障期间提供无功电流支持，不符合并网规范要求。文献[27]以“主动消磁”电流参考值是否低于最大双馈变流器容许电流作为Crowbar装置切除的依据，以缩短Crowbar 保护装置投入的时间。文献[45]给出了一种在固定时间内可多次投切的Crowbar投切控制策略。由于Crowbar保护装置动作期间机侧变流器暂停工作，双馈电机将以感应电机模式运行，会从电网吸收大量无功功率。针对这一问题，文献[49]提出控制网侧变流器使其工作在无功静止发生器状态的方案，以此向电网提供无功功率，文献[46]则将机侧变流器断开与双馈电机转子绕组的连接而与电网直接相连接，与网侧变流器一起共同向电网提供无功功率。文献[50]采用串联与并联转子限流电阻相结合的保护措施，有助于机侧变流器快速恢复对电机的控制。文献[51]则提出采用双馈电机定子侧接入限流电阻的方法，由于其可直接为由电压骤变所产生定子磁链暂态分量提供足够的阻尼，因而与转子侧接入限流电阻的保护方式相比较而言，定子侧接入限流电阻的保护方式更具优势。 在直流电容两侧并联卸荷电阻也是一种简单、常用的双馈风电变流器故障穿越运行的保护措施，即斩波器(Chopper)保护装置。文献[52-53]采用了Chopper装置限制直流侧过电压。在故障发生瞬间，机侧变流器封锁脉冲信号，转子过电流通过机侧变流器反并联二极管给直流母线电容充电，并导通卸荷电阻。然而，这要求机侧变流器反并联二极管电流容量约为额定工作电流的5~7倍[53]。此外，可采用Crowbar与Chopper协同保护措施以实现转子故障电流的分流[54]，此时Crowbar电路以限制转子过电流作为主要目标，而Chopper电路以限制直流过电压为主要目标。为尽可能抑制定、转子绕组过电流，并降低对电网的瞬态冲击，需选择较大的Crowbar电阻，但较大的电阻可能会导致交流侧电压超出钳位电压而向直流侧电容充电，此时触发Chopper电阻以限制直流侧过电压。此外，文献[55]采用直流侧并联超级电容、超导磁储能、电池灯储能模块的方法，强化系统不间断运行能力，然而由于该方案成本高，并未得到大量应用。 2.2.3 机端电压支撑 由于双馈风机组定子磁链暂态分量、负序分量是由机端电压骤变所产生，因此如果能对机端电压提供有效的支撑，即可方便平抑磁链的暂态及负序分量，实现双馈电机的故障穿越运行。 采用动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)对机端电压进行支撑是当前一种典型的串联电压补偿保护措施，其拓扑结构如图3所示。文献[56-57]采用注入变压器输入DVR产生的所需电压，确保了故障前后双馈电机机端电压基本相等。然而，这种机端电压完全补偿的方法对DVR容量提出了较高的要求。考虑到双馈电机自身可以抵御一定的电压骤变，文献[58]提出仅在电压骤变后较短的时间内进行补偿，以此支撑机端电压以安全电压变化率来进行平滑下降，从而可极大程度地降低DVR容量。而文献[59]采用外部电容作为直流侧储能单元，以此减缓电压变化率。文献[60]采用了定子侧串联网侧变换器的电压支撑方式，其实质是电压串联补偿方式的一种改进，即将电压串联补偿装置中电容与双馈变流器的直流电容共用，实现电压 第16期 年珩等：故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 4189 图3 采用动态电压恢复器的保护装置拓扑结构 Fig. 3 Schematic diagrams of DVR protections 完全补偿；然而，由于3个变流器共用同一个直流电容，对电容容量及其耐压提出了严格的要求。 与串联电压补偿相对应，也可利用固有线路感抗实现对机端电压的并联电流补偿。文献[61-62]给 出了电压骤变条件下双馈电机无功电流的调节机制、输出极限、分配原则以及相应控制方案；然而，受到双馈变流器容量的限制，无法提供保持机端电压恒定所需的无功电流。文献[63-64]利用同步补偿器(STATCOM)、静止无功补偿器(SVC)来输出所需的无功电流，为机端电压提供动态支持，并指出STATCOM 可提供更灵活的无功电流输出以及更宽的控制带宽。此外，还有学者提出采用超导电流限制器磁储能系统[65]、压缩空气储能系统[66]等特殊拓扑结构，可同样维持相对稳定的机端电压。 采用具备机端电压支撑功能的保护装置，可有效改善与强化双馈电机在严重电网故障时的不脱网运行能力。与等效阻抗强化的保护措施相比，机端电压支撑方式由于故障发生前后机端电压基本不变，因此可使双馈电机获得更好的运行特性。然而，这种典型的保护措施需添加额外的变流器、储能装置以及滤波系统等设备，极大地增加了系统建设成本以及设计复杂性。 总体来看，现有故障穿越技术主要由励磁技术强化、等效阻抗提升和端部电压支撑三大类技术构成，这三类典型技术并不是相互独立、相互抵触，而是相互衔接、相互配合的。在实际应用中应根据不同工作状态、风场装机容量、并网电压特性等因素，将这三类技术有机结合，能够以更低成本获得更优的风力机组运行特性。 3 电网长期轻微故障时双馈风电变流器运行技术 3.1 关键问题 近年来，随着不可逆交流调速系统、不可控整流器、单相供电的电力机车传动系统等电力电子设备在电力系统中的广泛应用，局部电网出现了负序 电压扰动、低次谐波畸变等不利因素。然而，我国 并网规范要求，并网运行风电机组应能承受长期的2%电压不平衡以及4%的谐波畸变率。因此，需在双馈变流器控制方案设计中考虑电压负序分量、谐波分量的作用，以实现双馈风电系统更可靠、更稳定运行。 从控制系统层面来看，在电网处于长期轻微故障条件下，双馈变流器控制方案中电压同步信号检测和变流器控制策略设计是其两个关键问题。 如何快速、准确地追踪电网同步信号是识别故障类型和获取控制基准的重要基础，也是合理安排系统有功、无功功率配比的前提。因此，在电网出现不平衡、谐波畸变时，要求控制系统所采用的先进锁相技术具备频率偏差的适应能力、相位快速响应能力以及负序和谐波分量的辨别能力。 在长期处于不平衡、谐波畸变的电网环境中，电压、电流同时含有正序、负序基频分量以及谐波分量，如不能采用相应的控制策略，就会出现电流谐波畸变、功率波动、转矩抖动等负面效应。为获得双馈风电系统高品质电能输出能力以及友好并网运行目标，所采用的变流器控制策略就变得十分重要，也是目前双馈风电变流器的研究热点。 3.2 现有控制技术 3.2.1 电网同步信号检测 目前，基于同步坐标系的锁相环(synchronous reference frame phase-locked loop ，SRF-PLL)技术由于具有良好的动态性能、较高的控制带宽，因而在电压同步信号检测中得到了广泛的应用。典型的锁相环环节由鉴相器(phase detector ，PD)、环路滤波器(loop filter ，LP)和压控振荡器(voltage controlled oscillator ，VOC)三部分构成，图4给出了SRF-PLL 的基本结构。 由图4可见，SRF-PLL 是一个闭环控制系统，通过调节误差信号为零达到获取电压矢量的实际相位目的。然而，由于负序以及谐波分量的干扰，鉴相器的输出存在以2倍频和6倍频为主的低频波动，导致传统SRF-PLL 检测精度受到了极大的影响。因此，一些研究者给出了大量改进SRF-PLL 控制方案，这些方案最大的不同在于鉴相器以及环 鉴相器PD 环路滤波器LP 图4 锁相环基本结构 Fig. 4 Basic scheme of a conventional PLL 4190 中国电机工程学报第35卷 路滤波器的改进。 在鉴相器设计中，文献[25, 41]采用“T/4”延时法和低通滤波器来提取正序基频电压分量。然而，这种方法的动态响应慢，特别是“T/4”延时法会使电压骤变发生后的T/4时间内检测结果产生较大误差。文献[41, 67]采用构造微分方程组的方法，使之在一个采样周期内完成正、负序电压基频以及谐波分量的计算，但所用微分方法会放大噪声，降低计算精度。文献[68]采用级联延迟信号消除法，可快速消除负序以及谐波分量对基频分量的影响。文献[69-71]采用滤波器提取法，分别利用方波发生器、复系数积分器和2阶广义积分器以提取正序基频分量，进而通过环路滤波器和压控振荡器即可获得电网同步信号。 此外，也可以通过合理设计改进环路滤波器，来确保电压同步信号的快速准确检测。由于传统PI 环路滤波调节器的滞后性，文献[72]提出了基于快速傅里叶变换的FFT-PLL技术，但电压相位跳变时重新锁定的耗时较长。文献[41]则采用电压相位角前馈补偿技术，可快速锁定电压矢量的实时相位。文献[73]提出了谐振式PLL技术，该方法在传统PI 环路滤波器基础上增加两个谐振频率分别为2倍和6倍电网频率的自适应谐振调节器，可在不涉及正序基频分量提取的前提下具有较高的频率和相位检测精度。然而，为了降低核心芯片计算负担以及对外围辅助电路采样精度的要求，可采用硬件PLL 技术。文献[74]提出了一种全数字硬件锁相环(all digital phase locked loop，AD-PLL)，可在电网长期轻微故障下实现电网同步信号快速检测。 总体来看，为从不平衡及谐波电网快速准确提取电压同步信息，可从鉴相器设计、环路滤波器优化两方面入手，对电网同步信号检测环节进行结构改进与性能提升，使其具备负序以及谐波电压的抗扰性、频率和相位检测的快速性、控制结构实现的便捷性，并为风力机组并网运行提供准确的电网信息，这也是目前风力发电技术中研究的热点问题。 3.2.2 变流器控制技术 文献[16, 17, 75]指出，在电网电压存在负序与谐波分量时，如不采取有效的控制措施，会造成定转子电流高度不平衡与谐波畸变、转矩严重抖动、电容电压波动剧烈等负面效应。因此，有必要对双馈风电系统的控制系统进行合理改进与综合提升，以期最大限度降低负序以及谐波电压扰动所带来的负面效应。 电流矢量控制(vector control，VC)策略作为最基础、最常见的双馈变流器控制方式，得到了大量的关注与广泛的应用。文献[67, 75]在建立含有负序电压以及谐波电压扰动条件下的双馈电机精确数学模型的基础上，分析正、负序基频以及谐波电压、电流之间的相互关系，提出了以下几种可供选择的运行目标：1）转子电流对称无畸变；2）定子电流对称无畸变；3）有功功率平稳无脉动；4）电机转矩稳定无抖动。基于对称分量法，文献[76]在多重旋转坐标系中利用低通滤波器提取负序、5次以及7次谐波分量，并采用比例–积分(PI)电流调节器，但该方案存在电流控制中嵌入相序分离、控制延时等问题。针对这些问题，文献[77-79]基于谐振器的典型频率选择特性，分别提出了采用比例–积分–谐振电流调节器[77]、比例–谐振电流调节器[78]、矢量比例积分电流调节器[79]等相应解决方案。然而，这些控制方案在负序以及谐波电流指令计算中，仍涉及负序以及谐波磁链、电流的分离与提取。为完全避免磁链、电流的分离。文献[80-81]采用直接谐振控制技术，构造额外谐振闭环对被控分量进行直接控制，从而避免负序与谐波电流指令的计算，并完全消除负序与谐波分量的提取。但需要注意的是，在负序以及谐波电压扰动下，由于电容电压存在明显波动，而导致机侧和网侧变流器之间的解耦性能明显下降。为抑制电容电压波动，文献[16, 41]将机侧变流器直流电流以前馈项形式与直流电压环输出相叠加共同构成网侧变流器电流指令，但该方法需要检测机侧变流器直流侧电流。文献[81-82]分别利用谐振器构造闭环直接对电容电压、电流进行控制，即可降低电容电压波动。此外，双馈风电变流器中网侧变流器在保证直流侧电压稳定的同时，也可控制其输出的负序以及谐波电流分量，并补偿双馈电机定子输出电流以实现更为优化的整机对外运行特性。文献[78]提出了3个可供选择的网侧变流器辅助控制目标：1）正弦且平衡的总输出电流；2）稳定无脉动的总有功输出；3）稳定无脉动的总无功输出。从并网要求规范以及自身运行要求角度来考虑，机侧变流器以消除电机转矩抖动为目标，而网侧变流器以消除系统有功功率脉动为目标[75, 77-78]，同时可间接降低直流侧电压波动，因此，双馈风电变流器常采用此协同控制方案。 直接功率控制(direct power control，DPC)策略由于实施简单、对参数依赖小等优点，而被应用于双馈风电变流器控制方案中。开关表直接功率控制 第16期年珩等：故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 4191 (looking-up-table DPC，LUT-DPC)策略以有功、无功功率作为被控量，采用滞环控制器及开关表的控制方式，然而其存在采样频率高、开关频率不确定、电流谐波频带宽等问题[41]，实际应用时需作改进。一些文献采用细化电压矢量扇区[83]、优化开关表设计[84]、改进电压矢量选择[85]等方式来提升LUT-DPC的控制性能。为获得稳定开关频率，目前应用较多的是基于空间矢量调制的直接功率控制(space vector modulation DPC，SVM-DPC)策略。文献[86-87]分别采用比例调节器、滑模调节器等获取相应的电压参考值，结合SVM调制选择合适的电压矢量及作用时间，并生成可直接控制功率管的开关函数。而文献[88]设计含有SVM调制环节的无源功率控制器，可直接获取相应的开关函数。为了消除负序以及谐波电压所带来的电流畸变、输出功率波动、电机转矩抖动等负面影响，文献[86, 89]根据上述控制目标计算相应的功率辅助指令，并采用P+R调节器、PI+R调节器来获取相应的电压指令。文献[90-91]将直接功率控制与电流矢量控制相结合，构造辅助谐振控制模块以降低负序以及谐波电压分量带来的负面影响。 此外，还可采用基于模型预测的电流控制[92]、功率控制[93]、转矩控制[94]等先进控制技术用作新型无差拍控制策略，使之具有较为理想的稳态及动态响应性能，这已在双馈风电变流器控制中获得初步应用。 4 分析与讨论 总体来看，随着风力发电接入电力系统比例的不断增加，风电将成为未来电网中的重要电源，此时更要求其具有提供必要的辅助服务功能，使之从纯自身保护的无源受端系统逐渐转变为具有电网辅助服务功能的有源送端系统。 从系统功能的角度来看，由于双馈风电系统常处于电压骤变、负序扰动、谐波畸变的局部电网中，这就要求双馈变流器应具有强大的低/高压穿越能力、高效的故障电网支撑能力，以及优化的友好并网运行能力。 从电流频域的角度来看，由于多发电单元与电网之间会存在谐波交互，并考虑到局部电能质量治理的需求，则要求双馈变流器应具有处理正序基频、负序基频与谐波电流的能力。 从控制设计的角度来看，为确保并网电流的有效、精确控制与调节，锁相环环节与变流器核心控制器应具有典型的频率适应能力、快速的动态响应特性、高精度的电流跟踪等高性能控制能力。 因此，可对原有双馈风电变流器进行硬件改造与软件提升，使其结构更合理、功能更多样、性能更优化，具有对存在电压骤变、负序扰动、谐波畸变的局部输电网典型故障环境的适应和主动抵御能力以及友好并网运行能力，系统框图如图5所示。 图5一种电网故障适应型双馈风电系统框图 Fig. 5 A suitable frame for DFIGs 需要指出的是，现有的高/低压故障穿越技术、无功电流补偿、负序与谐波电流抑制等主要是针对接入大电网的单台风力发电机而言，尚缺乏对弱交流电网下多台典型风力发电机的不脱网可控对策以及多台并网风力发电机对弱交流电网稳定性的研究。在短路比小于3.0的弱交流电网条件下，典型并网风电机组的运行控制稳定性评估，确保多种故障下机组端部电压与功率稳定的暂态故障优化控制研究等，都将是未来风电研究领域的热点问题。同时，探索多台不同类型并网风电机组在构造有源送端网络方面的优化配置组合以及相应的先进控制方案，以期最大限度发挥大规模风电机组的潜在优势，也是未来风电研究领域的关注焦点。 此外，直流输电方式作为一种新型并网技术，可实现广域大范围内能源结构的优化配置、大规模新能源发电的可靠接入，因而成为大容量、远距离风电场并网的优选方式[95-96]。目前，已有文献对双馈风电系统直流接入方式进行初步研究，并可大体分为电机交流侧经AC/DC变换器接入、变流器直流侧经DC/DC变换器接入两大类[97-98]。此外，面向直流输电的先进并网拓扑结构与控制系统，以及其对既有电力系统构架的影响还有待进一步的研究与开发，这也是风力发电领域未来发展的新方向。 5 结论 本文以风电并网规范为技术要求，以主流机型双馈风电系统为研究对象，对电网故障下双馈风电 4192 中国电机工程学报第35卷 系统运行技术关注焦点以及相应的解决方案进行综述，可得如下结论： 1）双馈风电系统运行系统不但应具备并网规范所要求的不脱网运行能力及电网支撑能力，还应同时具备友好的并网发电能力，以确保高品质电能质量输出以及自身机械、电气设备的高可靠性。 2）电网短时严重故障所产生的定子磁链暂态分量、负序分量是导致定、转子过电流的主要原因，可采用励磁技术强化、等效阻抗提升、机端电压支撑等措施加以改善。实际中可将三者有机结合，并根据机组工作状况、实际装机容量、并网点电压特性等具体因素，科学合理地设计故障控制方案。 3）电网长期轻微故障所含有电压、电流的正序基频分量、负序基频分量以及谐波分量之间的相互作用，是导致电机转矩脉动、直流电压波动、输出电流畸变、并网电压波动等负面效应的根本原因，可通过改进电压同步信号检测环节以及变流器控制策略实现双馈风电系统友好的并网运行。 4）现有故障电网下双馈风力发电系统运行技术主要针对接入大电网的单台风力机组，而尚未深入研究低短路比的弱交流电网中多台风力机组故障穿越技术、控制系统性能及其暂态稳定性。同时，探索多台风力机组等分布式发电单元之间相互影响，优化配置不同类型的发电单元，以期最大限度发挥多台风力机组的潜在优势。此外，研究面向直流输电的双馈风电系统先进并网拓扑结构以及控制技术，也将是未来风力发电领域的研究热点。 参考文献 [1] 国家能源局．可再生能源“十二五”发展规划[R]．北 京：国家能源局，2012． Natianl Energy Adminstration．Renewable energy development of the Twelfth Five-year Plan[R]．Beijing： Natianl Energy Adminstration，2012(in Chinese)． [2] 刘振亚，张启平．国家电网发展模式研究[J]．中国电机 工程学报，2013，33(7)：1-8． Liu Zhenya，Zhang Qiping．Study on the development mode of national power grid of China[J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(7)：1-8(in Chinese)． [3] 徐海亮，章玮，贺益康，等．双馈型风电机组低电压穿 越技术要点及展望[J]．电力系统自动化，2013，37(20)：8-15． Xu Hailiang，Zhang Wei，He Yikang，et al．A review on low voltage ride-through technologies and prospect for DFIG wind turbines[J]．Automation of Electric Power Systems，2013，37(20)：8-15(in Chinese)．[4] 张丽英，叶挺路，辛耀中，等．大规模风电接入电网的 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2.The Information College of Inner Mongolia University of Technological, Inner Mongolia, Hohhot 010080） Abstract Based on the overview of typical literatures at home and abroad, this research focused on the four methods of failure diagnosis of transmission lines, namely, Impedance method, Intelligent method such as Neural Network Theory and Fuzzy Theory, Wavelet Theory and Traveling Wave method. And based on the synthesis of the four methods, this research suggested that simulation should be conducted to the failure models of transmission line by applying Wavelet Entropy Principle and the results of the simulation should be analyzed in order to identify the failure types; and the failure simulation should be conducted by the single traveling wave distance-testing method of wavelet entropy, and the results of the simulation should be analyzed in order to realize failure location. Key words ：failure diagnosis ；impedance method ；intelligent algorithm ；the Wavelet Theory ；the traveling wave method 超高压输电线路是电力系统的命脉，它担负着传送电能的重任，其安全可靠运行是电网安全的根本保证。输电线路在实际运行中经常发生各种故障，如输电线路的鸟害故障[1]、输电线路的风偏故障等[2]，及时准确地对输电线路进行故障诊断就显得非常重 要。国家电网公司架空送电线路运行规程明确规定 “220kV 及以上架空送电线路必须装设线路故障测 距装置”[3-4]。由于我国幅员辽阔，地形地貌的多样 性致使输电线路工作环境极为恶劣，输电线路发生 故障导致线路跳闸、电网停电，对电力系统安全运 行造成了很大威胁，所以，在线路发生故障后迅速 准确地进行故障诊断，减少因故障引起的停电损失， 降低寻找故障点的劳动强度，尽最大可能降低对整 个电力系统的扰动程度，确保电力系统的安全可靠稳定运行具有十分重要的意义。本文在总结前人的基础上，重点论述了超高压输电线路的4种故障诊断方法，建议采用小波熵原理对输电线路故障类型 进行故障识别，利用基于小波熵的单端行波测距方法实现故障定位。 1 输电线路故障诊断 当输电线路发生故障时，早先的故障定位通常是由经验丰富的运行人员在阅读故障录波图的基础上，综合电力用户提供的信息，进行预测、判断可能出现的故障位置，然后派巡线人员通过查线确认故障位置并及时排除故障。在电力市场竞争日渐激 智能电网技术及装备专刊·2010年第8期 21 电力系统故障的智能诊断综述 李再华1 刘明昆2 （1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.北京供电公司海淀供电分公司，北京 100086） 摘要 电力系统是人类制造的最复杂的系统，故障诊断是现代复杂工程技术系统中保障其可靠运行的非常重要的手段，故障的智能诊断是该领域的热点和难点。本文综述了电力系统故障的智能诊断技术的发展现状，总结了几种常用的智能技术在故障诊断应用中存在的若干问题以及解决这些问题的相关新技术。最后，展望了智能诊断技术的发展趋势：以专家系统为基础，融合其他先进的智能技术，以提高诊断的速度和准确度，及其对电力系统发展的适应性，逐步实现在线诊断。 关键词：电力系统；智能故障诊断；专家系统；发展趋势 Review of Intelligence Fault Diagnosis in Power System Li Zaihua 1 Liu Mingkun 2 （1.China Electric Power Research Institute ，Beijing 100192； 2. Haidian branch Company, Beijing Power Supply Company, Beijing 100086） Abstract Power system is the most complex system by man-made in the world, fault diagnosis is a kind of very important methods to ensure the reliable operation of modern complex engineering system. Intelligence fault diagnosis (IFD) is the hot and difficult subject in this field. The paper reviews the actual state of development of IFD in power system, and then summarizes some existing problems in application and new relation technology to resolve these problems. IFD technologies include expert system (ES), artificial neural network (ANN), decision-making tree (DT), data mining (DM), fuzzy theory (FT), Petri network (PN), support vector machine(SVM), bionic theory (BT), etc. To adopt these kinds of methods synthetically is very helpful to improve the intelligence of ES. At last, development trends of IFD are expected: based on ES, integrates with other advanced intelligence technologies, to heighten the speed and accuracy of fault diagnosis, and the adaptability to the development of power system, so as to realize online IFD gradually. Key words ：power system ；intelligence fault diagnosis ；expert system ；development trend 1 引言 电网的发展和社会的进步都对电网的运行提出了更高的要求，加强对电网故障的诊断处理显得尤为重要。随着计算机技术、通信技术、网络技术等的发展，采用更为先进的智能技术来改善故障诊断系统的性能，具有重要的研究价值和实际意义。 故障的智能诊断技术也被称为智能故障诊断技 术，包括专家系统（Expert System ，ES ）、人工神 经网络（Artificial Neural Network ，ANN ）、决策树（Decision Tree ，DT ）、数据挖掘（Data Mining ， DM ）、模糊论（Fuzzy Theory ，FT ）、Petri 网理论（Petri Network Theory ，PNT ）、支持向量机（Support Vector Machine ，SVM ）、仿生学理论（Bionics Theory ，BT ）的应用等，其中前四种技术得到了较多的研究，相对比较成熟和常用。本文对电力系统故障诊断领域的智能诊断技术的发展现状以及存在的问题进行综述，并对解决相关问题的方法进行了总结。 2 智能故障诊断技术发展现状 美国是对故障诊断技术进行系统研究最早的国家之一，1961年美国开始执行阿波罗计划后，出现了一系列设备故障，促使美国航天局和美国海军积 电力系统故障诊断算法概述 摘要：本文概述了目前电力系统故障诊断的算法研究现状，总结了当前的主流研究算法——专家系统法、模糊理论法、人工神经网络法、遗传算法、petri 网的方法、粗糙集理论、多代理系统、贝叶斯网络法以及近似熵算法，并对他们在电力系统故障诊断应用中存在的一些缺点做出了概括。 关键词：申力系统；故障诊断；专家系统；人工神经网络；溃传算法； 0引言 当前，电力系统在国民经济中的地位越来越突出，因而对电力系统的安全性、可靠性提出了更高的要求。现在电网的规模庞大，结构趋于复杂，区域之间的联系密切，对电力系统故障诊断的研究意义重大。电力系统故障诊断是通过各类保护装置产生的信息，基于一定的理论和经验来对故障发生的区段、故障元器件、故障性质作出快速、准确的处理。虽然国家电网的SCAD/EMS系统在电力系统故障的获取方面起到了一定的作用，但是电网故障时大量的信息远远超出了运行人员的能力，所以迫切的需要一套更加完整的智能电力系统故障诊断系统，实现对电网故障的自动快速诊断。 但是，电力系统中电力设备的种类繁多品种不一，保护装置配合的复杂性、电网结构的变化不确定性，导致了电网故障诊断是一个复杂的综合问题。近年来国内外许多学者提出了多种故障诊断的技术和方法，主要包括：专家系统法ES （Expert System）、模糊理论法ET（Fuzzy Theory）、人工神经网络法ANN （Artificial Neural Network）、遗传算法GA（Genetic Algorithms）、petri网法、粗糙集理论RST（Rough Set Theory）、多代理系统MAS（Multi-agentSystem）、贝叶斯法BN（belief network）以及近似熵算法。本文对上述方法归纳总结，阐述了各自在电力网中的故障诊断的应用，分析各种方法的特点，并对一些相关技术和方法的发展进行简要的介绍。 1电力系统故障诊断国内外研究发展现状 1.1基于专家系统的方法ES 专家系统ES(Expert System)是目前发展最早相对比较成熟的一种智能技术。它是一个智能计算机程序系统，内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，具有大量的专业知识与经验的程序系统，利用人类专家的知识和解决问题的方法 电力系统故障诊断的研究现状与发展趋势 随着我国经济建设的发展，电力的需求越来越大，电力系统的正常运行不仅关系到城乡百姓的生活质量，也关系到地区经济的发展。因此，提高电力系统故障诊断符合社会发展需求。本文将对电力系统故障诊断技术展开探讨，电力系统故障诊断现状和发展趋势进行分析。 标签：电力系统;故障诊断;现状;发展 电力系统故障产生的原因多种多样，气候的变化和人为因素都将导致电力系统故障的出现。今年来随着经济建设的发展，电网企业规模在不断扩大，电网结构越来越复杂，各个区域的联系也越来越紧密，故障的发生几率也在不断增加。加强电力系统故障诊断是确保电网企业正常运行的有效手段。 一、电力系统故障诊断概述 随着当前电网企业规模的不断扩大和业务量的增加，电网结构越来越复杂。在复杂的电网结构中，往往会由于各种因素的影响，在运行过程中发生各类故障。由于电网企业业务覆盖范围较大，故障的发生将给地区电力运营带来重要影响，因此，加强电力系统的故障诊断成为电网企业重要工作。变压器是电力系统的重要构成之一，是电力系统故障诊断中重点环节。在变压器故障诊断中，又有内部诊断和外部诊断之分，相比较而言，内部诊断更为复杂，主要对由于局部温度过高产生的故障和绝缘性能降低產生的故障进行诊断。 二、电力系统故障诊断的研究现状 从我国改革开放以来，我国电力系统故障诊断技术也在不断研究和探索中。由于我国此类工作开展较晚，依然存在较多的困难，但是在逐渐的探索中也取得了许多骄人的成绩，形成了一些符合我国电力系统实情的故障诊断理论。 （一）专家系统 1.专家系统的特点 我国电力系统诊断中专家系统理论被广泛应用，专家系统电力故障诊断利用了计算机技术，通过计算机程序对电力系统进行检测，具有较高的智能化特点，通过人工智能在一定的规则范围下进行推理，解决以往只有在专家层面才能够解决的现实问题。 2.专家系统的应用 随着我国电力技术的不断发展，电力系统所应用的设备越来越复杂，自动化程度越来越高，给电力系统故障诊断提出了更高的要求。专家系统充分发挥了自 故障诊断理论方法综述 故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。其中：故障检测是指与系统建立连接后，周期性地向下位机发送检测信号，通过接收的响应数据帧，判断系统是否产生故障；故障类型判断就是系统在检测出故障之后，通过分析原因，判断出系统故障的类型；故障定位是在前两部的基础之上，细化故障种类，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障恢复做准备；故障恢复是整个故障诊断过程中最后也是最重要的一个环节，需要根据故障原因，采取不同的措施，对系统故障进行恢复一、基于解析模型的方法 基于解析模型的故障诊断方法主要是通过构造观测器估计系统输出，然后将它与输出的测量值作比较从中取得故障信息。它还可进一步分为基于状态估计的方法和基于参数估计的方法，前者从真实系统的输出与状态观测器或者卡尔曼滤波器的输出比较形成残差，然后从残差中提取故障特征进而实行故障诊断；后者由机理分析确定系统的模型参数和物理元器件之间的关系方程，由实时辨识求得系统的实际模型参数，然后求解实际的物理元器件参数，与标称值比较而确定系统是否发生故障及故障的程度。基于解析模型的故障诊断方法都要求建立系统精确的数学模型，但随着现代设备的不断大型化、复杂化和非线性化，往往很难或者无法建立系统精确的数学模型，从而大大限制了基于解析模型的故障诊断方法的推广和应用。 二、基于信号处理的方法 当可以得到被控测对象的输入输出信号，但很难建立被控对象的解析数学模型时，可采用基于信号处理的方法。基于信号处理的方法是一种传统的故障诊断技术，通常利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，识别和评价机械设备所处的状态。基于信号处理的方法又分为基于可测值或其变化趋势值检查的方法和基于可测信号处理的故障诊断方法等。基于可测值或其变化趋势值检查的方法根据系统的直接可测的输入输出信号及其变化趋势来进行故障诊断，当系统的输入输出信号或者变化超出允许的范围时，即认为系统发生了故障，根据异常的信号来判定故障的性质和发生的部位。基于可测信号处理的故障诊断方法利用系统的输出信号状态与一定故障源之间的相关性来判定和定位故障，具体有频谱分析方法等。 三、基于知识的方法 在解决实际的故障诊断问题时，经验丰富的专家进行故障诊断并不都是采用严格的数学算法从一串串计算结果中来查找问题。对于一个结构复杂的系统，当其运行过程发生故障时，人们容易获得的往往是一些涉及故障征兆的描述性知识以及各故障源与故障征兆之间关联性的知识。尽管这些知识大多是定性的而非定量的，但对准确分析故障能起到重要的作用。经验丰富的专家就是使用长期积累起来的这类经验知识，快速直接实现对系统故障的诊断。利用知识，通过符号推理的方法进行故障诊断，这是故障诊断技术的又一个分支——基于知识的故障诊断。基于知识的故障诊断是目前研究和应用的热点，国内外学者提出了很多方法。由于领域专家在基于知识的故障诊断中扮演重要角色，因此基于知识的故障诊断系统又称为故障诊断专家系统。如图1.1 民航飞机故障诊断概述 民航飞机故障诊断的特点 1、故障诊断必须满足适航性的要求 民用航空，包括民用航空器的设计、制造、使用和维修均处十有关国际组织和I各国法规的严格控制之下。对飞机进行故障诊断的适航性要求主要体现在飞机。 2、故障征兆和I故障原因间不一定有明确的对应关系 飞机系统由30多个子系统组成，子系统之间相互关联。并目‘子系统又包含了多个分系统。在子系统内，层次之间的信息联系又是不确定的。例如A32。系列飞机的无线电导航系统、大气数据惯性基准系统(ADIRS、飞行管理、制导计算机系统(FMGCS、电子飞行仪表系统(EFIS)等都与飞行控制系统存在着数据通信。Ifn飞行控制系统内部的分系统之间又存在相互交联信号。由此可见，故障具有纵向传播和横向传播特性。较高层次系统的故障来源十底层次系统故障，同一层次上的不同系统之间在结构和功能上存在许多联系和祸合。 3、故障诊断涉及的结构层次有所提高 随着飞机模块化、集成化程度的提高，故障诊断的结构层次也相应提高。尤其是航线维护，当故障源查到某一部件层，就要求整体更换此部件来排除故障。即航线维护就是诊断到部件级，非兀件级。 4、诊断时间要求紧 航线维护是在航前、航后、短停期间进行。为了减少因航班延误带来的损失，要求航线维护在规定时间内完成。尤其是短停，时间要求紧。 5、航线可更换件维修的难点集中在诊断逻辑部分 飞机系统故障诊断的步骤主要为:首先要检测到故障特征信号并完成故障征兆的提取:这一步可由飞机的自检设备完成并显示征兆信息。在大多数情况下无须维修人员参与。其次根据故障征兆确定故障原因，此处是故障诊断的难点，尤其是对十疑难故障，BITE难以做到对故障的准确定位。 民航飞机故障诊断的知识来源 维修手册、维修大纲、可靠性分析报告}so]和专家经验是民航飞机故障诊断的主要知识来源。 1、维修手册 维修手册中包含了民航飞机的系统结构图、系统原理图、故障诊断步骤等信息，维修人员在使用时按自己的理解形成推理规则。维修手册内容主要包括传统的故障隔离和排除的全过程。由十维修手册是标准文件，未体现出飞机使用后的个体特征和环境差异，同时从维修手册中获取的规则往往比实际情况复杂。 2、维修大纲 维修大纲是民航飞机故障诊断依据的计划性文件，主要包含了部件的计划维修信息，包括故障发生的维修间隔、维修等级、计划维修项目、零部件的重要度等信息。通过维修大纲可以估计故障出现的时间，用这一时间与实际的工作时间比较，可以指导故障诊断。维修手册与维修大纲都是设计人员制订的。 3、可靠性报告 可靠性报告是由飞机制造商和航空公司定时发布的，是故障统计历史信息的 工程机械故障诊断方法综述 谢祺 机0801-1 20080534 【摘要】：机械设备的检测诊断技术在现代工业生产中的作用不可忽视,从设备诊断的基本方法、内容和技术手段等多方面对我国机械设备诊断技术的现状进行了综述,并在此基础上分析并提出了该技术在今后的发展趋势。 【关键字】：机械设备诊断技术发展趋势 引言 随着科学技术的发展,机械设备越来越复杂,自动化水平越来越高,机械设备在现代工业生产中的作用和影响越来越大,与其有关的费用越来越高,机器运行中发生的任何故障或失效不仅会造成重大的经济损失,甚至还可能导致人员伤亡。通过对设备工况进行检测,对故障发展趋势进行早期诊断,找出故障原因,采取措施避免设备的突然损坏,使之安全经济地运转,在现代工业生产中起着重要的作用。开展机械设备故障检测与诊断技术的研究具有重要的现实意义。本文试图对机械设备故障监测诊断的内容、方法的现状及发展趋势进行探讨。 1机械故障诊断技术的历史 早在60年代末，美国国家宇航局(NASA)就创立美国机械故障预防MFPG(Machinery Fault Prevention Group)，英国成立了机械保健中心(UK，Machineral Health Monitoring Center)。由于诊断技术所产生的巨大的经济效益，从而得到迅速发展。但各个工程领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同。例如一台机械设备因故障停机检修并不导致全厂生产过程停顿，或对产品质量产生严重的影响，它对故障诊断的需求性就不那么迫切。反之，就非要有故障诊断技术不可。目前监视诊断技术主要用于连续生产系统或与产品质量有直接关系的关键设备。 机械故障诊断技术发展几十年来，产生了巨大的经济效益，成为各国研究的热点。从诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的一些公司，如 Bently，HP等，他们的监测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平，不仅具有完善的监测功能，而且具有较强的诊断功能，在宇宙、军事、化工等方面具有广泛的应用。美国西屋公司的三套人工智能诊断软件（汽轮机TurbinAID，发电机GenAID，水化学ChemAID）对其所产机组的安全运行发挥了巨大的作用。还有美国通用电器公司研究的用于内燃电力机车故障排除的专家系统DELTA；美国NASA研制的用于动力系统诊断的专家系统；Delio Products公司研制的用于汽车发动机冷却系统噪声原因诊断的专家系统ENGING COOLING ADCISOR等。近年来，由于微机特别是便携机的迅速发展，基于便携机的在线、离线监测与诊断系统日益普及，如美国生产的M6000系列产品，得到了广泛的应用[2]。 英国于70年代初成立了机器保健与状态监测协会，到了80年代初在发展和推广设备诊断技术方面作了大量的工作，起到了积极的促进作用。英国曼彻斯特大学创立的沃森工业维修公司和斯旺西大学的摩擦磨损研究中心在诊断技术研究方面都有很高的声誉。英国原子能研究机构在核发电方面，利用噪声分析对炉体进行监测，以及对锅炉、压力容器、管道得无损检测等，起到了英国故障 电力变压器过热故障综合诊断 摘要：对电力变压器故障的常用诊断方法, 如油中溶解气体分析、绝缘试验、 油务试验及其它预防性试验等, 进行了全面论述, 重点分析和评价了这些故障诊断方法的有效性, 并对其未来发展方向, 提出了建议。 关键词：电力变压器故障诊断方法分析 引言 电力变压器是工矿企业中配电系统的枢纽设备,其运行可靠性直接关系到企业生产的安全与稳定。但由于电力变压器故障的原因复杂、多样且不明显,使得要准确地判断电力变压器故障类型相当困难。若能在电力变压器运行过程中通过某些检测和试验,及时有效的判断其状态,预先发现早期潜伏性故障,并避免某些重复、无必要的检修, 将对企业配电系统的安全经济运行产生重要的意义。ＤＧＡ(油中溶解气体分析)方法作为一种有效的油浸式电力变压器异常监测手段得到广泛的应用。在1997年颁布执行的《电力设备预防性试验规程》把油中溶解气体色谱分析放到了首位。 变压器易发生的故障基本可分两大类:①电性故障;②热性故障。电力变压器故障，从发展过程上可分两大类，即突发性故障和潜伏性故障，突发性故障发展过程很快，瞬间就会造 成严重后果，如雷击、误操作、负荷突变等，突发性故障具有偶然性，只能通过避雷器、继电保护等手段，使突发性故障被限制在最小的范围内。潜伏性故障一般有三种，即变压器内部局部放电，局部过热和变压器绝缘的老化。故障诊断主要是针对这些潜伏性故障的诊断预测。 1 变压器运行状态的主要测试与监测手段 当前我国变压器运行状态监测在相当程度上主要依据传统的预防性试验来实现，包括:电气试验和油务试验 1.1电气试验 (1)直流电阻的测t:直流电阻虽然是一个测试方法比较简单的实验，但它比较直观地确认绕组、引线、调压开关等导电回路是否正常，能发现绕组导线的焊接质t，引线接头是否拧 紧接触是否良好，调压开关触头接触是否良好等等。 (2)绝缘性能测试:通过绝缘电阻、吸收比、极化指数、介损、电容t(包括电容套管)、泄诵测试等实验可掌握变压器的绕组绝缘水平和铁心对地绝缘。 (3)有载调压开关特性测试:通过有载调压开关切换时间、周期、切换的波形测f可以掌握变压器的有载调压开关的性能是否良好。 (4)绕组变形测试和低电压短路阻抗的测试。可以掌握变压器出口短路后变压器绕组有否变形和移位。 (5)铁心接地电流测试。可判断变压器是否多点接地。 (6)远红外测沮:通过红外线测温可以随时掌握各出线引 线接触是否良好。 1.2油务试验 定期对变压器充油设备的油采样进行油色谱分析，通过油色谱分析判断变压 电力系统故障的智能诊断综述 发表时间：2016-06-30T14:34:41.580Z 来源：《电力设备》2016年第9期作者：李艳君蒋杰李玉玲李飞翔 [导读] 在电力系统中，设备故障诊断和厂站级的故障诊断经过了几十年的发展和改革，现今已经较为成熟，而电力系统层面的故障才刚刚开始。 李艳君蒋杰李玉玲李飞翔 （国网新疆检修公司新疆乌鲁木齐 830000） 摘要：常用的智能故障诊断技术有专家系统、人工神经网络、决策树、数据挖掘等，专家系统技术应用最广，最为成熟，但是也需要结合使用其他智能技术来克服专家系统技术自身的缺点。智能故障诊断技术的发展趋势主要有多信息融合、多智能体协同、多种算法结合等，并向提高智能性、快速性、全局性、协同性的方向发展。基于此，本文就针对电力系统故障的智能诊断进行分析。 关键词：电力系统；故障；智能诊断 引言 文章对电力系统故障的智能诊断进行了详细的阐述，通过对电力系统的简介，和对故障诊断的发展阶段进行了简要的分析，并阐述了电力系统故障的智能诊断实际应用存在的问题及对策，文章最后指出了电力系统故障的智能诊断的发展趋势。望文章的阐述推动电力系统故障的智能诊断的发展。 1电力系统概述 电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。电力系统的主要功能是将自然界中的能源，通过先进的发电动力装置，将能源转换为电能。在通过输电线路和变压系统，将电能传送到各个用户。为了实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。 2电力系统故障智能诊断技术及发展现状 2.1智能故障诊断技术 传统的故障诊断方法分为基于信号处理和基于数据模型，均需要人工进行信息的处理和分析，缺乏自主学习能力。随着人工智能技术这一新方法的产生及发展，为故障诊断提供了初步的自动分析和学习的途径。人工智能技术能够存储和利用故障诊断长期积累的专家经验，通过模拟人大脑的逻辑思维进行推理，从而解决复杂的诊断问题。 目前在电网故障诊断领域出现了包括专家系统、人工神经网络、决策树理论、数据挖掘、模糊理论、粗糙集理论、贝叶斯网络、支持向量机及多智能体系统等技术以及上述方法的综合应用。 目前，在对电网故障智能诊断领域的研究中，依靠单一智能技术的系统多，信息的综合利用研究较少，协同技术的研究应用更少；投入运行的诊断系统多为专家系统，但是离线运行的多，在线运行的很少。即使广泛投入使用的专家系统也同样存在着：（1）知识的获取和管理问题，难以获取较高适应度和准确度的知识。（2）推理的效率问题。（3）故障诊断的在线应用问题，目前仅限于离线故障诊断，该结论不能指导对电网的实际控制。（4）故障诊断的动态分析问题，缺乏故障的动态分析，从而屏蔽了很多有用的细节，尤其是各元件之间的相互关联关系等。基于以上问题，采用决策树方法可以对系统信息进行归类梳理，可以提高专家系统的速度；通过粗糙集方法建立清晰的数学模型；采用数据挖掘和关联性规则可以提高故障诊断分析的准确度。这几种方法的结合应用有助于提高故障诊断的智能水平、效率和准确度。 2.2电力系统故障智能诊断发展现状 电力系统连锁故障分析理论与应用中提到，电力系统故障智能诊断是相对传统的故障诊断而言的。在传统的故障诊断方法可划分为两类。其一是关于信号出路的方法。其二是数学模型的方法。这些都需要人为地区判断和分析，这些方法应用是没有自动化的处理能力。故障的智能诊断是将传统的方法，与当下先进的计算机技术有效的结合，形成的人工智能技术的新方法，对电力系统的故障进行智能的诊断，这是故障诊断技术发展的新时期。 3智能故障诊断面临的问题和对策 3.1智能故障诊断面临的问题 知识的获取和管理问题，也可以说是规则的表达和维护问题。知识是专家系统行为的核心，如何根据系统的变化，获取具有较高适应度和准确度的知识（规则）。对知识的一致性、冗余性、矛盾性和完备性进行检验、维护和管理，是专家系统亟需解决的首要问题。 推理的效率问题，也可以说是如何解决规则组合爆炸的问题。规则库的规模增大以后，搜索的运算量迅速增长，尽管人们提出了许多算法，规则组合爆炸的问题还是没有得到满意的解决。 故障诊断的在线应用问题。以往的故障诊断离线运行，只能告诉调度员已有故障是如何发展的，因为运行方式的多变性，离线故障诊断结论不一定能够指导调度员对电网的实际控制；只有做到在线运行，才能及时帮助调度员进行控制决策。 故障诊断的动态分析问题。以往的故障诊断只能进行静态分析，忽略了故障动态过程的大量有用的细节，尤其是采用了高速保护的大型电网，更加需要分析动态过程，例如快速相继开断过程中的顺序和相互关系、复杂故障中各元件之间的相互影响、电压崩溃的动态过程、运行方式切换或调度控制过程对电网的影响等。 3.2智能故障诊断面临问题的解决对策 对于知识的获取和管理问题，可以采用提高故障诊断系统的学习能力的方法，如 ANN、数据挖掘、仿生学方法等。这些智能方法都有其优点和局限性，需要有针对性地应用。 对于推理的效率问题，可以采用计算速度更快的计算机硬件和软件算法，通信速度更快的数据采集和传输手段；数据挖掘是从各种复杂故障中发现最常见的故障或分解出简单故障的有力手段；建立系统的故障案例库，可以降低决策分析的计算量，提高诊断推理的效率。 对于故障诊断的在线应用和动态分析问题，可以采用更能够反映电网实时运行状态的信息，如广域量测系统、高速保护信息系统和故障录波信息系统、稳定控制系统等提供的动态数据；实时进行电网的灵敏度分析，动态分析电网的健康状况；增量挖掘技术只处理实时的 中国自动化学会中南六省（区）２０１０年第２８届年会?论文集 机械故障诊断综述 Survey on Faults Diagnosis of Machine 赵宏伟１，２，张清华１，夏路易２，邵龙秋１（１广东石油化工学院 计算机与电子信息学院，广东 茂名５２５０００；２太原理工大学 信息工程学院，山西 太原０３００２４）摘要：本文较系统的介绍了故障诊断的基本过程、原理，在此基础上对故障诊断方法做了详细、系统的论述，并进一步对故障诊断技术的发展做了展望。 关键词：故障诊断；诊断原理；维修制度 Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｏｎ ｔｈａｔ ｂａｓｉｓ， ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｓ ｌｏｏｋｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： Ｆａｕｌｔｓ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ； Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ； ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ １ 引言 七十年代以来，计算机和电子技术飞跃发展，促使工业生产向现代化、机器设备向大型化、连续化、高速化、自动化发展。与此同时，现代化机械设备的应用一方面大大促进了生产的发展；另一方面也潜伏着一个很大的危机，即一旦发生故障所造成的直接和间接的损失将是十分严重。为解决这一问题，机械故障诊断技术孕育而出。这门新技术也是一门以高等数学、物理、化学、电子技术、机电设备失效学为基础的新兴学科。它的宗旨就是运用当代一切科技的新成就发现设备的隐患，以期对设备事故防患于未然。如今它已是现代化设备维修技术的重要组成部分，并且成了设备维修管理工作现代化的一个重要标志。 ２ 设备维修制度 目前，与故障诊断技术紧密相关的设备维修制度共有三种： （１）事后维修制度（ＰＯＭ）：这是一种早期的维修制度。主要特点是“不坏不修，坏了再修。”这种维修制度对发生事故难以预料，并往往会造成设备的严重损坏，既不安全且又延长了检修时间。 （２）预防维修制度（ＰＭ）：又称以时间为基础的设备维修制度（ＴＢＭ）或计划维修制度。这是一种静态维修制度，主要特点是当设备运行达到计划规定的时间或吨公里时便进行强制维修。它比前一种维修制度大大前进了一步，对于保障设备和人身安全，起到了积极作用。同时，这种维修制度也存在明显的缺陷，即过剩维修和失修的问题。以滚动轴承为例，同一型号的滚动轴承，其实际的使用寿命有时相差达数十倍。在预防维修制度行监测与诊断故障的方法，具体包括声音监听法、频谱分析法和声强法。 温度信号监测诊断技术包括物体温度的直接测量和热红外分析技术。实际工业中不恰当的温度变化往往意味着热故障的发生。从被测设备的某一部分的温 １３０飞机故障诊断
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