基于改進動態時間規整算法的斷路器故障診斷

蔣志浩，　于群，　董驪

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266590；2.福建工程學院 信息科學與工程學院， 福建 福州　350118)

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基于改進動態時間規整算法的斷路器故障診斷

蔣志浩1，于群1，董驪2

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266590；2.福建工程學院 信息科學與工程學院， 福建 福州350118)

摘要：為能夠根據斷路器狀態監測數據準確診斷斷路器故障，提出了一種基于改進動態時間規整算法的故障診斷方法。該方法將Sakoe-Chiba窗與傳統動態時間規整算法相結合，以分合閘線圈電流為分析對象，從中提取斷路器分合閘機構中的潛在故障信息，為斷路器狀態檢修提供依據。設計了斷路器分合閘線圈電流采集電路，并通過實際電流信號采樣分析驗證了所提方法的有效性。

關鍵詞：斷路器； 故障診斷； 動態時間規整； Sakoe-Chiba窗

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1005.013.html

0　引言

在電力系統中，高壓斷路器是極其重要的主設備之一。為保障高壓斷路器可靠運行，斷路器狀態監測技術越來越得到重視，同時也對斷路器的故障診斷方法提出了更高的要求。根據國家電網公司2004年統計數據，275 373臺7.2～550 kV高壓斷路器共故障392次，其中拒動故障占到了總數的23%[1]。分合閘線圈是啟動斷路器分閘和合閘動作的關鍵機構，分合閘線圈出現故障極易引起斷路器發生拒動或誤動，從而導致重大安全事故。實現斷路器分合閘線圈故障診斷是保證斷路器可靠運行的重要手段。本文提出了一種基于改進的動態時間規整(Dynamic Time Warping，DTW)算法的斷路器故障診斷方法。

1　故障診斷方法比較

斷路器分合閘線圈故障診斷的主要任務是采集線圈電流，從中獲得分合閘機構的故障信息。參考文獻[2]采用BP神經網絡和小波方法從測得的線圈電流信號中找到畸變點，進而推斷故障點。參考文獻[3]利用粗糙集-支持向量機的故障診斷策略，該診斷過程需要進行較復雜的訓練樣本提取。以上2種方法在斷路器故障診斷中應用較多，但計算過程復雜，處理結果不夠直觀。

典型分合閘線圈電流波形如圖1所示。參考文獻[4]對圖1所示的電流波形各個時刻對應分合閘線圈的狀態進行了詳細分析，并使用小波分析結合動態時間規整算法進行診斷故障。該故障診斷方法合理，但是其分析對象不符合分合閘線圈的實際電流波形。

圖1　典型的分合閘線圈電流波形

在實際運行中，斷路器驅動電源大多是由50 Hz交流電經橋式電路整流而來，整流后的電流幅值往往不恒定，而是以類似正弦半波周期性變化。ZN63A(VS1)型12 kV戶內高壓真空斷路器正常動作時的分閘線圈電流波形如圖2所示，很明顯針對該波形不適合用參考文獻[4]中的方法進行故障分析。本文介紹了添加Sakoe-Chiba窗的動態時間規整算法，并提出了基于該算法的斷路器故障診斷方法，該方法不需要提取臨界點即可進行故障診斷。

圖2　實際運行的斷路器分閘線圈電流波形

2　DTW算法原理

DTW算法來源于動態規劃的思想，它的目標是構造代價矩陣，通過特定的約束條件找出2個時間序列曲線間的最優路徑[5]。該算法能很好地處理動態過程，具有計算速度快、結果直觀的優點。

假設有2組由時間序列描述的特征R和T，其中R作為參考時間序列，長度為m，如式(1)所示；T作為測試時間序列，長度為n，如式(2)所示。

(1)

(2)

構造一個m×n階的代價矩陣D，矩陣元素D(i,j)為ri和tj的歐氏距離，即

(3)

從代價矩陣中找到一個使元素間累計距離最小的路徑，以達到2組序列的最佳匹配。R與T之間的規整路徑f的累計代價函數可表示為Df(R,T)，它是關于局部代價度量D(·)的加權和，即

(4)

式中：Q為所有規整路徑的個數；riq，tjq分別為第q條規整路徑對應的參考時間序列R和測試時間序列T中的元素。

R與T之間的最優規整路徑f*就是累計代價函數取得最小值時的路徑，于是DTW距離度量公式為

(5)

最優規整路徑f*可以通過以下遞歸公式得到，代價矩陣第1行的元素為

(6)

代價矩陣第1列的元素為

(7)

代價矩陣中除第1行和第1列外的其他元素為

(8)

按照正向計算與反向尋優的原則，從點(1,1)到點(m,n)計算累計代價矩陣，從點(m,n)到點(1,1)尋找最優規整路徑[6]。最后以測試時間序列為x軸，參考時間序列為y軸建立坐標系。若測試數據正常，最優規整路徑表現為近似45°的直線；若測試數據異常，最優規整路徑會出現明顯的偏移，向上偏移表示測試時間序列有超前量，向下偏移表示有滯后量，當出現與縱軸垂直的部分時，表示出現多余的折點。

3　DTW算法改進

雖然DTW算法可以通過非線性對齊來計算2組時間序列元素之間的相似度，但是在某些情況下，DTW算法會將一個時間序列上的一點映射到另一條時間序列上相隔時間較長的區間，這就造成了病態規整[5]。為避免發生病態規整，需要對規整路徑添加約束條件。由于好的規整路徑都分布在代價矩陣對角線周圍，可以在對角線兩側設置邊界，使路徑只在這一窗口中移動，這樣還可達到減少計算量的目的。

最常用的全局約束條件是添加Sakoe-Chiba窗和Itakura平行四邊形窗，如圖3所示。參考文獻[7]采用Itakura窗作為約束條件，但在實際應用中發現Itakura平行四邊形窗對路徑起點和終點的搜索路徑過窄，容易造成起點和終點路徑規整不準確。而Sakoe-Chiba窗在全局都可實現等寬度搜索，其搜索路徑更加合理。本文采用Sakoe-Chiba窗作為約束條件，不僅避免了病態規整，而且減少了計算量和數據存儲空間。

(a) Sakoe-Chiba窗 (b) Itakura平行四邊形窗

圖3全局約束限制規整路徑的范圍

Sakoe-Chiba窗的約束條件為

(9)

h是約束邊界在y方向上離對角線的高度，也是約束邊界在x方向上離對角線的寬度。根據多次測試情況得出，將Sakoe-Chiba窗的邊界寬度設置為10即可包括所有的偏移路徑。Sakoe-Chiba窗的參數方程為

(10)

4　分合閘線圈電流采集方式

高壓斷路器分合閘線圈一般都采用直流電磁鐵[8]。本文采用HCS-2.5E閉環霍爾電流傳感器采集分合閘線圈電流信號。該型傳感器具有精度高、線性度好、反應速度快、性價比高的特點，額定輸入2.5 A時的額定輸出為25 mA，測量范圍為0～3.6 A。該電流傳感器不僅可將大電流變成小電流，還可實現線圈電流和電路板電信號的隔離，提高了測試電路的抗干擾能力。分合閘線圈電流采集電路如圖4所示。傳感器輸出的電流信號經電阻R1后轉換為ADC可以處理的電壓信號。R2、R3，C1、C2，以及LM358組成了二階有源濾波電路，用于消除高頻干擾。

圖4　分合閘線圈電流采集電路

5　實驗驗證

使用所設計的分合閘線圈采集電路對ZN63A(VS1)型12 kV戶內高壓真空斷路器的分閘線圈電流信號進行采集。斷路器正常動作的分閘線圈電流波形如圖5所示，分閘線圈鐵芯運動空行程變長的電流波形(簡稱故障波形1)如圖6所示，鐵芯卡滯的電流波形(簡稱故障波形2)如圖7所示。

圖5　線圈電流正常波形

圖6　故障波形1

圖7　故障波形2

采用添加Sakoe-Chiba窗的DTW算法對故障波形1進行診斷，結果如圖8所示。由圖8可得，故障波形1在20～26 ms內相對正常電流波形出現明顯的滯后現象，在39～46 ms內相對正常電流波形也出現明顯的滯后現象。其原因是延長分閘線圈鐵芯運動的空行程后，在空行程增大的時間里分閘線圈電流繼續減小，而后在鐵芯撞擊分閘脫口器后電流再升高，致使在20～26 ms內出現故障電流滯后于正常電流的情況。因為分閘時間變長，所以分閘線圈電流被切斷的時間被延后。圖6所示的分閘線圈電流波形與正常電流相比，在最后多出一個小波峰，用DTW算法對故障波形進行最優規整時，顯示為39～46 ms內的滯后。

圖8　采用添加Sakoe-Chiba窗的DWT算法對故障波形1的診斷結果

采用添加Sakoe-Chiba窗的DTW算法對故障波形2進行診斷的結果如圖9所示。在13～19 ms內，故障波形相對正常波形出現明顯超前，之后基本相同。其原因為模擬鐵芯卡滯故障，在鐵芯卡滯時分閘線圈電流升高，卡滯結束后電流再回到正常。通過以上2個故障案例的分析可以得出，采用添加Sakoe-Chiba窗的動態時間規整算法可以準確識別斷路器分合閘線圈故障。

圖9　采用添加Sakoe-Chiba窗的DWT算法對故障波形2的診斷結果

使用Itakura窗的DWT算法對故障波形1重新進行診斷，結果如圖10所示。在42～46 ms內，Itakura窗限制了最優規整路徑，使其只能沿約束窗的邊界規整，規整路徑不正確，所以在斷路器分合閘線圈的故障診斷中，Itakura窗在終點(或起點)的約束與Sakoe-Chiba窗相比顯得不夠合理。

圖10　采用添加Itakura窗的DWT算法對故障波形1的診斷結果

6　結語

分析和比較了目前常用的斷路器故障診斷方法，提出了使用添加Sakoe-Chiba窗的動態時間規整算法診斷斷路器故障的方法。對實際電流的采樣分析結果表明，該方法可以準確判斷斷路器分合閘線圈的故障，添加Sakoe-Chiba窗作為約束條件，不僅避免了規整路徑的病態扭曲，也減少了計算量。該方法也可推廣到斷路器其他機構的故障診斷中。

參考文獻：

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文章編號：1671-251X(2016)08-0052-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.013

收稿日期：2016-03-23；修回日期：2016-06-24；責任編輯：胡嫻。

作者簡介：蔣志浩(1991-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統自動化，E-mail:jiangzhihao16@163.com。

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-08-03 10:05

Fault diagnosis of circuit breaker based on improved dynamic time warping algorithm

JIANG Zhihao1，YU Qun1，DONG Li2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.School of Information Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Abstract:In order to accurately diagnose the fault of circuit breaker according to its condition monitoring data, a fault diagnosis method of circuit breaker based on improved dynamic time warping algorithm was proposed. The method combines Sakoe-Chiba window with traditional dynamic time warping algorithm, takes opening/closing coil current as analysis object, and extracts potential fault information of the circuit breaker opening/closing mechanism, provides basis for condition maintenance of circuit breaker. Current acquisition circuit of opening/closing coil of breaker was designed, and the effectiveness of the proposed method was verified through actual current signal sampling and analysis.

Key words:circuit breaker; fault diagnosis; dynamic time warping; Sakoe-Chiba window

蔣志浩，于群，董驪.基于改進動態時間規整算法的斷路器故障診斷[J].工礦自動化，2016,42(8)：52-55.