基于改進(jìn)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)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(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島　266590；2.福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州　350118)

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基于改進(jìn)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)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(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島266590；2.福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州350118)

摘要：為能夠根據(jù)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確診斷斷路器故障，提出了一種基于改進(jìn)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法的故障診斷方法。該方法將Sakoe-Chiba窗與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法相結(jié)合，以分合閘線圈電流為分析對(duì)象，從中提取斷路器分合閘機(jī)構(gòu)中的潛在故障信息，為斷路器狀態(tài)檢修提供依據(jù)。設(shè)計(jì)了斷路器分合閘線圈電流采集電路，并通過(guò)實(shí)際電流信號(hào)采樣分析驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：斷路器； 故障診斷； 動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整； Sakoe-Chiba窗

網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)中，高壓斷路器是極其重要的主設(shè)備之一。為保障高壓斷路器可靠運(yùn)行，斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越得到重視，同時(shí)也對(duì)斷路器的故障診斷方法提出了更高的要求。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2004年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，275 373臺(tái)7.2～550 kV高壓斷路器共故障392次，其中拒動(dòng)故障占到了總數(shù)的23%[1]。分合閘線圈是啟動(dòng)斷路器分閘和合閘動(dòng)作的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，分合閘線圈出現(xiàn)故障極易引起斷路器發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，從而導(dǎo)致重大安全事故。實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘線圈故障診斷是保證斷路器可靠運(yùn)行的重要手段。本文提出了一種基于改進(jìn)的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)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(wù)是采集線圈電流，從中獲得分合閘機(jī)構(gòu)的故障信息。參考文獻(xiàn)[2]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波方法從測(cè)得的線圈電流信號(hào)中找到畸變點(diǎn)，進(jìn)而推斷故障點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[3]利用粗糙集-支持向量機(jī)的故障診斷策略，該診斷過(guò)程需要進(jìn)行較復(fù)雜的訓(xùn)練樣本提取。以上2種方法在斷路器故障診斷中應(yīng)用較多，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，處理結(jié)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(xiàn)[4]對(duì)圖1所示的電流波形各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)分合閘線圈的狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并使用小波分析結(jié)合動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法進(jìn)行診斷故障。該故障診斷方法合理，但是其分析對(duì)象不符合分合閘線圈的實(shí)際電流波形。

圖1　典型的分合閘線圈電流波形

在實(shí)際運(yùn)行中，斷路器驅(qū)動(dòng)電源大多是由50 Hz交流電經(jīng)橋式電路整流而來(lái)，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(nèi)高壓真空斷路器正常動(dòng)作時(shí)的分閘線圈電流波形如圖2所示，很明顯針對(duì)該波形不適合用參考文獻(xiàn)[4]中的方法進(jìn)行故障分析。本文介紹了添加Sakoe-Chiba窗的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)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(diǎn)即可進(jìn)行故障診斷。

圖2　實(shí)際運(yùn)行的斷路器分閘線圈電流波形

2　DTW算法原理

DTW算法來(lái)源于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的思想，它的目標(biāo)是構(gòu)造代價(jià)矩陣，通過(guò)特定的約束條件找出2個(gè)時(shí)間序列曲線間的最優(yōu)路徑[5]。該算法能很好地處理動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有計(jì)算速度快、結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。

假設(shè)有2組由時(shí)間序列描述的特征R和T，其中R作為參考時(shí)間序列，長(zhǎng)度為m，如式(1)所示；T作為測(cè)試時(shí)間序列，長(zhǎng)度為n，如式(2)所示。

(1)

(2)

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

(3)

從代價(jià)矩陣中找到一個(gè)使元素間累計(jì)距離最小的路徑，以達(dá)到2組序列的最佳匹配。R與T之間的規(guī)整路徑f的累計(jì)代價(jià)函數(shù)可表示為Df(R,T)，它是關(guān)于局部代價(jià)度量D(·)的加權(quán)和，即

(4)

式中：Q為所有規(guī)整路徑的個(gè)數(shù)；riq，tjq分別為第q條規(guī)整路徑對(duì)應(yīng)的參考時(shí)間序列R和測(cè)試時(shí)間序列T中的元素。

R與T之間的最優(yōu)規(guī)整路徑f*就是累計(jì)代價(jià)函數(shù)取得最小值時(shí)的路徑，于是DTW距離度量公式為

(5)

最優(yōu)規(guī)整路徑f*可以通過(guò)以下遞歸公式得到，代價(jià)矩陣第1行的元素為

(6)

代價(jià)矩陣第1列的元素為

(7)

代價(jià)矩陣中除第1行和第1列外的其他元素為

(8)

按照正向計(jì)算與反向?qū)?yōu)的原則，從點(diǎn)(1,1)到點(diǎn)(m,n)計(jì)算累計(jì)代價(jià)矩陣，從點(diǎn)(m,n)到點(diǎn)(1,1)尋找最優(yōu)規(guī)整路徑[6]。最后以測(cè)試時(shí)間序列為x軸，參考時(shí)間序列為y軸建立坐標(biāo)系。若測(cè)試數(shù)據(jù)正常，最優(yōu)規(guī)整路徑表現(xiàn)為近似45°的直線；若測(cè)試數(shù)據(jù)異常，最優(yōu)規(guī)整路徑會(huì)出現(xiàn)明顯的偏移，向上偏移表示測(cè)試時(shí)間序列有超前量，向下偏移表示有滯后量，當(dāng)出現(xiàn)與縱軸垂直的部分時(shí)，表示出現(xiàn)多余的折點(diǎn)。

3　DTW算法改進(jìn)

雖然DTW算法可以通過(guò)非線性對(duì)齊來(lái)計(jì)算2組時(shí)間序列元素之間的相似度，但是在某些情況下，DTW算法會(huì)將一個(gè)時(shí)間序列上的一點(diǎn)映射到另一條時(shí)間序列上相隔時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)間，這就造成了病態(tài)規(guī)整[5]。為避免發(fā)生病態(tài)規(guī)整，需要對(duì)規(guī)整路徑添加約束條件。由于好的規(guī)整路徑都分布在代價(jià)矩陣對(duì)角線周圍，可以在對(duì)角線兩側(cè)設(shè)置邊界，使路徑只在這一窗口中移動(dòng)，這樣還可達(dá)到減少計(jì)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(xiàn)[7]采用Itakura窗作為約束條件，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)Itakura平行四邊形窗對(duì)路徑起點(diǎn)和終點(diǎn)的搜索路徑過(guò)窄，容易造成起點(diǎn)和終點(diǎn)路徑規(guī)整不準(zhǔn)確。而Sakoe-Chiba窗在全局都可實(shí)現(xiàn)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(tài)規(guī)整，而且減少了計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

(a) Sakoe-Chiba窗 (b) Itakura平行四邊形窗

圖3全局約束限制規(guī)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(duì)角線的高度，也是約束邊界在x方向上離對(duì)角線的寬度。根據(jù)多次測(cè)試情況得出，將Sakoe-Chiba窗的邊界寬度設(shè)置為10即可包括所有的偏移路徑。Sakoe-Chiba窗的參數(shù)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(huán)霍爾電流傳感器采集分合閘線圈電流信號(hào)。該型傳感器具有精度高、線性度好、反應(yīng)速度快、性價(jià)比高的特點(diǎn)，額定輸入2.5 A時(shí)的額定輸出為25 mA，測(cè)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(shí)現(xiàn)線圈電流和電路板電信號(hào)的隔離，提高了測(cè)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(hào)經(jīng)電阻R1后轉(zhuǎn)換為ADC可以處理的電壓信號(hào)。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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用所設(shè)計(jì)的分合閘線圈采集電路對(duì)ZN63A(VS1)型12 kV戶內(nèi)高壓真空斷路器的分閘線圈電流信號(hào)進(jìn)行采集。斷路器正常動(dòng)作的分閘線圈電流波形如圖5所示，分閘線圈鐵芯運(yùn)動(dòng)空行程變長(zhǎng)的電流波形(簡(jiǎn)稱故障波形1)如圖6所示，鐵芯卡滯的電流波形(簡(jiǎn)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(duì)故障波形1進(jìn)行診斷，結(jié)果如圖8所示。由圖8可得，故障波形1在20～26 ms內(nèi)相對(duì)正常電流波形出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，在39～46 ms內(nèi)相對(duì)正常電流波形也出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象。其原因是延長(zhǎng)分閘線圈鐵芯運(yùn)動(dòng)的空行程后，在空行程增大的時(shí)間里分閘線圈電流繼續(xù)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(nèi)出現(xiàn)故障電流滯后于正常電流的情況。因?yàn)榉珠l時(shí)間變長(zhǎng)，所以分閘線圈電流被切斷的時(shí)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(gè)小波峰，用DTW算法對(duì)故障波形進(jìn)行最優(yōu)規(guī)整時(shí)，顯示為39～46 ms內(nèi)的滯后。

圖8　采用添加Sakoe-Chiba窗的DWT算法對(duì)故障波形1的診斷結(jié)果

采用添加Sakoe-Chiba窗的DTW算法對(duì)故障波形2進(jìn)行診斷的結(jié)果如圖9所示。在13～19 ms內(nèi)，故障波形相對(duì)正常波形出現(xiàn)明顯超前，之后基本相同。其原因?yàn)槟M鐵芯卡滯故障，在鐵芯卡滯時(shí)分閘線圈電流升高，卡滯結(jié)束后電流再回到正常。通過(guò)以上2個(gè)故障案例的分析可以得出，采用添加Sakoe-Chiba窗的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法可以準(zhǔn)確識(shí)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(duì)故障波形2的診斷結(jié)果

使用Itakura窗的DWT算法對(duì)故障波形1重新進(jìn)行診斷，結(jié)果如圖10所示。在42～46 ms內(nèi)，Itakura窗限制了最優(yōu)規(guī)整路徑，使其只能沿約束窗的邊界規(guī)整，規(guī)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(diǎn)(或起點(diǎn))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(duì)故障波形1的診斷結(jié)果

6　結(jié)語(yǔ)

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(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法診斷斷路器故障的方法。對(duì)實(shí)際電流的采樣分析結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)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(guī)整路徑的病態(tài)扭曲，也減少了計(jì)算量。該方法也可推廣到斷路器其他機(jī)構(gòu)的故障診斷中。

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文章編號(hào)：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(zé)任編輯：胡嫻。

作者簡(jiǎn)介：蔣志浩(1991-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，E-mail:jiangzhihao16@163.com。

中圖分類號(hào)：TD611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)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(jìn)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法的斷路器故障診斷[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：52-55.