电力电子电路故障的ST和QNN诊断

变 换 可 以表 示 为 ：
为 了便 于实现 ，首先需将 变换离散化。借助傅立叶变换的离散方法，设 Ⅳ是采样点数 目，离散
（ ｍ等 争 … 芝 字 ， － ０
其 中 ｋｍ＝０１ …． ． ， ｎ ，…． １ 当 ｎ ， ，， Ｎ １ ２ ＝１ ２ Ｎ． ， ＝０时 ： 其 中 ， ｅ丁ｍ 一ｘ２ ２ ２
Ｗｌ Ｗ２ ｌ Ｗ ３＿ Ｉ ＿
图 １ 四层 神经 网络 结构 图
从而使定位更加准确 。这种 策略就能够 精确反映 出特征 向量 与故 障类之 间的对应 关系，从而提高 了故障诊断率 。 量 子 神 经 网络 的 结 构［１如 图 １所 示 。它 包 括 输 入 层 ，第 一 隐层 ，第 二 隐层 和 输 出层 。设 系统 的 ８１ ，
快 、性 能更 高 ，鲁棒 性更 好 的特 点 ，且故 障诊 断准 确率 更 高 。
１
引 言
电 力 电子 设 备 广 泛 应 用 于 各 个 行 业 中 ，发 挥 着 非 常 重 要 的作 用 。 随着 设 备 的复 杂 性 的增 加 ， 电力
电子 设 备 的 故 障 判 别 难 度 也 不 断 提 高 。从 实 际运 行 情 况 来 看 ， 电力 电子 设 备 故 障大 部 分 表 现 为 功 率 开 关 器 件 的 损 坏 。由 于 故 障 发 生 后 ，其 保 护 电路 会 在 非常 短 暂 的 时 间 内切 断主 电路 的运 行 ，从 而 使 得 故 障状 态信 息 变 得 难 以获 取 ，需 人 工 查 找 故 障 位 置 并排 除故 障 ，对 特 殊 故 障难 以做 到及 时准 确 定 位 。因
流 电路的 ２ 种故 障进行 诊断；文献［］ 出了一种改进 的带扰动项 的 Ｐ Ｏ算法 ；文献 ［ 采用基于模糊 ２ ２提 Ｓ ３ ］
推 理 的 分类 器 融 合 方 法 ，诊 断 电力 电子 电路 参 数 故 障 ；文 献 ［】 ４建立 了基 于 混 杂 系统 理 论 的 电力 电子 电 路 数 学 模 型 ，将 电 路 的 各个 运 行 状 态 抽 象 为 离 散 事 件 ；文 献 ［］ 用 支 持 向量 及 机 进 行 诊 断 ；文 献 ［，］ ５采 ７８ 分 别 采 用 小 波 神 经 网络 和 量 子 神 经 网络 进 行 诊 断 。 随 着 整 流 装 置 复 杂 程 度 的提 高 ，故 障种 类 也 随之 增 多， 经 网络 结 构 更 复 杂 ，学 习收 敛 速 度 更 慢 、 神 记 忆 不 稳 定 ，不 能 保 证 收 敛 到 全 局 最 小 点 ，不 利 于 实 时性 强 的 电 力 电子装 置 故 障诊 断 。 同 时 ， 当波 形 发 生 较 严 重 畸 变 时 ，实 际波 形 与 样 本 波 形 相 距 甚 远 ， 易 导致 分 类 界 线模 糊 出现 误 诊 断 。 量 子 神 经 网络 ［ １将 量 子 力 学 的思 想 引入 神 经 网络 的研 究 当 中 ，是 经 典 神 经 网络 的延 伸 ，在 保 持 ９１ －】
电力 电子 电路 故 障 的 Ｓ Ｔ和 ＱＮＮ诊 断
尹新 ， 谭 阳红 １， 孙 义 闯 ２ ， ２
（ ． 南 大 学 电气 与 信 息 工 程 学 院 ，湖 南 长 沙 ４ ０ １ ；２ Ｓｈ ｏ ｏ Ｅ ｇｎ ｅｉｇａ ｄＴ ｃｎ ｌｇ， ｉｅｓｙｏ Ｈｅｔ ｒｓｉ ， Ｋ） １湖 １０ ２ ． ｃ ｏ ｌ ｆ ｎ ｉｅｒ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｕｎｖ ｒｉ ｆ ｒ ｏｄｈｒ Ｕ ｎ ｔ ｆ ｅ
自动检 测抽样 数 据 中存在 的模 糊性 ，并能够 自适应 的学 习量 化存 在 的模糊 性 的故障 诊断方 法 ，因此 量子 神经 网络 具备
一
种 固有 的模糊 性 ，能将 不确 定性 数据 合 理 的分配 到各 故障 模式 中 。实验 结果表 明：本文 提 出的方 法具 有收 敛速度 更 关 键词 。故障 诊断 ；脉波 整 流 电路 ；量子 计算 ；神 经 网络 ； 电力 电子 电路 中 圈分 类号 ｔ Ｎ ７ １ Ｔ １ 文 献标 识码 ｔ Ａ
科 研 业 务 费 资 助
１ ４
电路与系统学报
第１ ６卷
２ Ｓ变换
做为时频变换的工 具之一 ，Ｓ变换 在信号处理 中有着重要 的作用。虽然傅立叶变 换可 以分别
从时域或频域分析信号 ，但却无法直接将两者有机结合起来 ；短时窗傅立叶变换的窗函数 是固定的， 不利于观察 ；韦格纳分布清晰度高 ，但最大 的缺点是有交叉项 （ｒｓ． ｒ 。若一个信号是 由数个信 ｃｏｓ ｅ ｔ ｍ） 号成份组合 而成，那么使用韦格纳分布来分析时就会受到两两信 号成份之 间的交叉项干扰 。ｓ转换 的 计 算 原 理 与 韦 格 纳 分布 不 同 ，是 直 接 对 信 号 进 行 转 换 ，不 会 有 交 叉 项 的 问题 。 Ｓ 转 换 的 计 算 方 式 与加 伯转换的形式有 点类似 ，加伯转换与 Ｓ转换同样 没有交叉项 问题 ，但 Ｓ变换的清晰度高于加 伯转换； Ｓ变换具有 多种分辨率 ，克服 了短时 窗傅立叶变换 固定分辨率的不足 。小波 转换可 以视 为对信 号对小 波做相关，而 ｓ 变换可 以视 为小波转换 的相位校正 （ ｈｓ ｒ ｃ ｏ ） ｐ ａｅ ｏｒ ｔ ｎ 。在小波变换 中，观 察窗 口为时 ｃ ｅｉ 间． 分解尺度 ，并不是严格意义上的时间． 频率表达 。而 ｓ 变换 的观察 窗 口为 时间． 频率，提供 的频率信
不 难 得 到 （ 的频 谱 函数 为 ： ｆ ）
（） ４ （） ５
（ ＝二 厂 』 厂 』 ， ＝二（ ） ） ｆ
可 逆 的话 ，信 号 的原 函数 即可 以表 示 为 上 式 的反 变 换 ，即
因此 ，本文得到一个很有意思的结论：信 号 （ 的频谱就是其 谱对 时间的积分 。如果 （ ｆ ） 的频谱
（ ８）
ｃ＝ （ ，・ 刀 ］ ， 。 是函的谱 ］ 号ｆ离傅叶换因，散 变可过速 窗数频， 是 的散立变，此离 ｓ换通快 信 ）
（ ９）
第 ４期
尹新等 ：电力电子电路故障的 Ｓ Ｔ和 Ｑ ＮＮ诊断
１ ５
傅 立 叶变 换 实 现 快 速 运 算 。
３
量 子神 经 网络
果 的 同 时 ，避 免 了韦 格 纳 分 布 具 有 的交 叉 项 的 问题 ¨ Ｊ 。
本 文 提 出一 种 将 Ｓ变 换 和 量 子 神 经 网络 相 结 合 的新 方 法 。首先 ，采 用 主 元 分 析 和 Ｓ变 换 对 各 故 障 模 式 的 时 间 一 率特 性 进 行 提 取 ，并 将 其 差 别 最 大 化 。再 量 子 神 经 网络 进 行 诊 断 ，实验 结 果 表 明 ：本 文 频
（ ｆ ） ＝
（ ）ｌ￣ ｚ ｄ ｉｆ Ｉ ｔ２ ， ｎ ｆ ｅｄ ３
（ ６ ）
（） ７
从 （ ）不 难 知 道 ， 信 号 的 谱 是 复 数 ， 因此 ， 谱 可 以 写 为 ： １
Ｓ ，）Ｉｒ ） ‘ （厂＝ （ｆｅ ｒ ｓ，ｌ ， 其中， （厂ｌ 谱的复频特性， （厂ｌ 谱的相频特性。 ｆ） ， 是 ｆ） ， 是
其 中 ， （ ， ｆ －ｏ（是 待 分 析 信 号 ，ｆ ｆ ∈（ ，３ ） 。 ０） ， 别为时间和频率。 厂分 其窗函数 ｗ 足 ： （满
（） １
ｆ 是 高 斯 窗 函数 的 中心 和 宽 度 ，窗 函 数 为 分
ｗｔ ） （厂 ＝ ，
Ｉ， Ｉ
（） ２
ｅ ２ ，ｋ＞０ ｋ ２
一
（） ３
Ｋ～ ｚ 死
由 （ ） 知 ，窗 函 数 的 宽度 是可 以 调节 的 ，它 随着 厂 ｋ的变 化 而 变 。因此 ，信 号 （ ，ｆ ＿。Ｏ ３ 可 和 ｆ ∈（ｏ，） ） ０
的 变 换 可 以表 示 为 ：
ｆ ， ＝二（二 （ｆ）ｅ￣ｔ 二 ， ｆＪ ） ｗ—，ｄ－ ｄ ） ｆ ｆ ｆ ｒａ ｊ
第 １ ６卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ４月
文 章 编号 ： １０ ．２ ９（０ ０ —０ ３０ ０ ７０ ４ ２ １） ４０ １ —６ １
电路与系统 学报
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＲＣＵＩ ０Ｆ ＣＩ ＴＳ ＡＮＤ ＹＳ Ｍ Ｓ Ｓ ＴＥ
Ｖ０ ．６ Ｎｏ ４ １ １ ．
Ａｕ ｕ ｔ ２ １ ｇ ｓ， ０ １
摘要 。电力 电子 电路 的故 障模 式 间普遍 存在 交叉 重叠 ，针 对这 种现 象 ，本 文提 出了将 ｓ变 换和 量子 神经 网络 相结
合 的新 方法 。首先 ，采 用主 元分 析和 Ｓ变换 对各 故 障模式 进行 特 征提 取 ，由于 Ｓ变 换 的窗函数 宽度 随着 频率 的变化 而
变 化 ，能提 取各 故 障的 时 间一 频率 特性 ，并将 它们 的差 别最 大化 。再用 量子神 经 网络进 行诊 断 ，由于量子 神经 网络 能够
此 ， 减 少 对 人 工 判 断 的依 赖 ，研 究 在 线 智 能 故 障诊 断方 法 具 有 重要 意 义 。
神 经 网络 技 术 具 有 不 需 明确 故 障模 型 、强 大 的 自学 习 能力 和 具有 一 定 鲁 棒 性 的突 出优 点 ，近 年 来 在 电 力 电子 电路 故 障 诊 断 中被 广 泛 应 用 ］文 献 ［］ Ｂ 。 １将 Ｐ网络 与波 形 分 析 法 相 结合 用 于 对 三 相 桥 式 整
作 为 量 子 计 算 与 经 典 神 经 网络 相 结合 的产 物 ，量 子 神 经
网 络 ［ １能够 自动 检 测 抽 样 数 据 中 存 在 的模 糊 性 ， 并 能够 自 ８１ －】 适 应 的学 习量 化 存 在 的模 糊 性 。 如 果 某特 征 向量 正 好 处 在 多 个 交 叉 类 的边 界 ，量 子神 经 网络 会 把 这 个 它 分 配 到 包 含 这 个 特 征 向量 的所 有 类 中 ，而 不 是单 纯 地 把 它 归 结 于 某 一 类 中 ，
提 出的方法具有收敛速度更快 、性 能更高 ，鲁棒性更好 的特 点，且故障诊 断准确率更 高。
收稿 日期 ｔ ０ ００ －３ ２ １ —８２ 修订 日期 ：２ １－９Ｏ ０ ００ 一１ 基 金 项 目 ｔ 国家 自然 科 学 基金 （ ０ ７０ ２ ６ ８ ６ ２ ）； 高 技 术 与 发 展 基 金 （ ０ ６ ０ Ａ１４ ；湖 南省 自然基 金 （ ７Ｊ １ ２ ２ ０ ＡＡ ４ ０ ） ０ Ｊ６ ３ ）； 中 央 高 校 基 本
换 可 以视 为 小 波 转 换 的相 位 校 正 ，其 窗 函数 宽度 随着 频 率 的 改 变 而 调整 ， 能提 供 比小波 变 换 更 为 直 接 的频 率 信 息 。而 且 ，ｓ 变 换 具 有 多 种 分 辨 率 ，对 噪 声不 敏 感 ， 在直 接 对 信 号进 行 转 换 获 得 高清 晰 度 结
经 典 神 经 网络 优 点 的 同 时 ，它 利 用 量 子 计 算 的并 行 计 算 特 性 ， 使得 量 子 神 经 网络 比经 典神 经 网络 具 有 更 强 的 并 行 处 理 能 力 ［ｌ ， 能 处 理 更 大 的数 据 集 ，在 数 据 处 理 方 面 具 有 前 所 未 有 的潜 在 优 势 。 Ｓ 变 ９刚 ’
息 比小波 变 换 更 为直 接 。而 且 ， 由于 Ｓ变 换 对 噪声 不 敏 感 ，常 被 用 作 信 号 分 析 的 工 具 ， 已广 泛 应 用 于
医疗 图像处理、地理信 息处理和 电气 工程等众 多领域 。 Ｓ变 换 【】 达 式 为 ： ｌ的表 ３
Ｓ ， ＝ （ （ ｆ ） 妒ｔ （ｆ ｆ ｆ ｆ ，Ｐ ｄ ｒ） ） — 厂 ｗ