基于綜合判斷法的高壓開關(guān)設(shè)備機械特性在線監(jiān)測技術(shù)

許 挺，向新宇，劉偉浩，錢少鋒，陳 煒，尤 敏，陳巧勇，湯 明

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人民物質(zhì)水平的提高，對電量的需求越來越大，使得電力系統(tǒng)也在不停地擴張。為了保證電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、可靠地運行，國家提出了堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，因此也對電力系統(tǒng)中配套監(jiān)控設(shè)備提出了更高的設(shè)計要求。電網(wǎng)工程能夠安全、穩(wěn)定地運行，與大量高壓開關(guān)設(shè)備的使用密不可分。科研人員發(fā)現(xiàn)，在歷年高壓開關(guān)設(shè)備重大事故中，機械結(jié)構(gòu)故障、SF6泄漏、避雷器性能降低、斷路器觸頭接觸不良等故障是主要誘因。為保障供電的安全、可靠、穩(wěn)定，監(jiān)測并解決高壓開關(guān)設(shè)備潛在的故障刻不容緩[1-5]。

高壓開關(guān)設(shè)備是用來控制輸配電過程中電流的通斷，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。高壓開關(guān)設(shè)備中集成了高壓隔離開關(guān)、斷路器、驅(qū)動電機、操作機構(gòu)、避雷器等設(shè)備部件，很多零部件集成在一起，空間很小，因此對于開關(guān)設(shè)備三相間的絕緣特性有很高的要求，目前較多的高壓開關(guān)設(shè)備使用SF6氣體進行絕緣。據(jù)統(tǒng)計，斷路器故障70%來自于機械結(jié)構(gòu)，例如因油脂凝固導(dǎo)致斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)卡澀、分合閘速度降低、電機線圈燒毀等現(xiàn)象時有發(fā)生，上述故障不僅會給社會造成經(jīng)濟損失，同時也會對用戶的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅[6-10]。

斷路器機械特性直接反映其工作狀態(tài)，目前基本上采取定期離線式檢測方法對斷路器進行檢修與維護。隨著國家提出建設(shè)智能電網(wǎng)的要求，高壓開關(guān)設(shè)備的智能化已成為必然的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)離線式的檢修方式已經(jīng)越來越不能滿足實際需求。為此本文提出一種基于綜合判斷法的高壓開關(guān)設(shè)備機械特性在線監(jiān)測技術(shù)，利用加速度振動判斷斷路器剛分和剛合點，結(jié)合位移傳感器解決了斷路器觸頭開距和超程在線監(jiān)測的難題，同時提出多層感知機的斷路器觸頭超程狀態(tài)自動識別方法，實現(xiàn)對斷路器觸頭磨損狀況的實時監(jiān)測，滿足供電公司為防止誤判需要雙驗證的要求；提出基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)機械特性在線監(jiān)測方法，解決了斷路器存在機構(gòu)卡澀、線圈斷線、分合閘速度降低等在線監(jiān)測難題，可真正實現(xiàn)由計劃檢修到在線監(jiān)測的轉(zhuǎn)變[11-15]。

1 基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)機械特性監(jiān)測方法

針對斷路器故障，本文提出一種基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)機械特性監(jiān)測方法，可以準確判斷斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)是否存在卡澀、線圈是否斷線等缺陷[6-8]。

通常斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)采用220 V 直流電機，為了測量電磁驅(qū)動線圈電流，本文采用穿心式霍爾電流傳感器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過微處理器A/D 采集，便可以準確得出電磁驅(qū)動機構(gòu)線圈電流的大小，并可繪制出電流-時間曲線。電磁驅(qū)動機構(gòu)線圈電流一般為1～2 A，線圈電流-時間曲線如圖1 所示，圖中A 點表示電磁驅(qū)動機構(gòu)連桿出現(xiàn)移動，儲能彈簧也會隨之發(fā)生相應(yīng)的形變；C 點和D 點表明電磁驅(qū)動機構(gòu)連桿到達最大位移處；E 點表示到達最大位移處；F 點表示主控觸頭開始動作；G 點表示輔助觸頭也開始動作；H 點表示電磁連桿恢復(fù)，儲能彈簧無形變。

圖1 斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)線圈電流-時間曲線

分析圖1 可得： B 點位置變高，表示驅(qū)動電流增加，說明斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)存在卡澀，如果沒有電流曲線，或者電流曲線突然消失，表明電機線圈斷線；G 點向右移動表明機構(gòu)動作時間較長，電磁驅(qū)動機構(gòu)卡澀。

2 觸頭開距和超程在線監(jiān)測

2.1 斷路器觸頭剛分和剛合點的判斷

斷路器由于經(jīng)常在滿負荷下開斷，勢必造成觸頭磨損，進而導(dǎo)致觸頭接觸面積減小，最終引發(fā)斷路器觸頭發(fā)熱，嚴重時會使開關(guān)設(shè)備燒毀。為了解斷路器觸頭磨損情況，供電公司目前均是采用停電離線檢測的方法，需要將斷路器從開關(guān)柜上拆除，然后停電進行離線檢測，這種檢測方法不但不能及時發(fā)現(xiàn)斷路器觸頭磨損情況，而且停電也給用戶帶來經(jīng)濟損失，同時還需要大量的人力和物力投入。

斷路器工作狀態(tài)如圖2 所示，為驗證本文所提加速度振動法的正確性，利用傳統(tǒng)離線電壓激勵法判斷剛分和剛合點來進行對比試驗。

進行離線式電壓激勵法試驗時，在斷路器回路加入5 V 直流激勵電壓源，為減小斷路器回路電流，在斷路器回路串聯(lián)一個2 kΩ 的電阻，并形成回路，采用示波器跟蹤電阻兩端的電壓信號，斷路器分合閘操作時，通過曲線的跳變，判斷出剛分和剛合點，薄膜傳感器會在斷路器剛分和剛合點瞬間發(fā)生形變，在剛分和剛合點處引起電壓信號的突然變化，根據(jù)電壓變化拐點，進而判斷剛分和剛合點。

圖2 斷路器工作狀態(tài)示意

采用加速度振動法和傳統(tǒng)電壓激勵法在觸頭剛分、剛合點處均發(fā)生了明顯的電壓信號跳變，從而驗證了加速度振動法獲取剛分、剛合點的可行性。

2.2 斷路器觸頭開距和超程在線測量

斷路器的總行程=開距+超程[9-10]，若獲得總行程，再結(jié)合剛分和剛合點就可以獲得開距和超程的具體數(shù)值。位移傳感器測量原理如圖3 所示。

圖3 斷路器位移傳感器測量原理

2.3 基于多層感知機的斷路器觸頭超程狀態(tài)識別

為進一步獲得運行中的斷路器觸頭磨損情況，本文又提出基于多層感知機的斷路器超程模式識別新方法，以達到供電公司防止誤判需雙驗證（利用不用方法或不同原理對同一事件進行驗證）的要求。加速度振動傳感器采集多組斷路器分合閘加速度振動信號，通過Python 中的多層感知機函數(shù)提取振動信號特征，構(gòu)造特征量，并建立觸頭超程狀態(tài)（偏大、正常、偏小）數(shù)學模型；斷路器分合閘動作后，將采集到斷路器動作加速度振動信號傳送到觸頭超程狀態(tài)自動識別數(shù)學模型中，實現(xiàn)斷路器觸頭超程狀態(tài)的自動識別[11-12]。

2.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知機

（1）多層感知機

感知機是一種線性分類器，屬于判別模式。另外一種是生成模式，通過輸入特征信號，利用超平面將輸入的特征信號分為兩類甚至多類，感知機是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM（支持向量機）信息處理的基礎(chǔ)。

對于一個輸入信號，假如輸入信號為X?Rn，輸入空間是Y={+1，-1}，其中X={X1，…，Xn}，Xi為一個特征向量，。

定義從輸入到輸出的空間函數(shù)f（x）=sign（wx+b）為感知機，w 為感知機的比例權(quán)重，b 為偏置值，。

感知機最終得到的結(jié)果是在一個平面上，將各個類的點區(qū)分開。對于二維或者多維的平面，通過一條直線，或者多條直線對坐標系中的點進行區(qū)分，對于已經(jīng)給出的一個點的坐標，或者是一個特征向量，便可以通過二維圖來確定這個點的類別。

（2）多層感知機算法實現(xiàn)

模型、策略和算法是多層感知機的三大要素。根據(jù)感知機的數(shù)學模型，便可以實現(xiàn)感知機算法和學習策略，具體步驟為：

步驟1，確定需要初始化的w 和b。

步驟2，從訓(xùn)練中隨機選取點（xi，yi），則預(yù)測值為sign（w·xi+b）。

步驟3，在預(yù)測過程中，如果準確率較低，或者是不正確，即sign（w·xi+b）≤0，則更改w 和b的值，繼續(xù)預(yù)測。

步驟4，重復(fù)迭代步驟2 和步驟3，直至預(yù)測結(jié)果小于期望誤差。

步驟5，輸入未知點（xi+1，yi+1）的特征向量xi+1，yi+1=sign（w·xi+1+b）。在步驟3 中，通過更新w 和b的值，一般采用所有誤差點到超平面的總距離，即，其中M 為所有誤差點的集合。

根據(jù)最小梯度下降法，wi+1=wi+ηyixi，bi+1=bi+ηyi，η 為梯度下降速度。根據(jù)以上步驟，便可以構(gòu)建多層感知機的數(shù)學學習模型，在本文中通過Python 語言來實現(xiàn)多層感知機函數(shù)。

2.3.2 多層感知機對超程狀態(tài)的識別

結(jié)合2.1 中采集到的加速度振動信號，經(jīng)過去除噪聲處理之后，得到的加速度信號如圖4、圖5 所示，其中圖4 為斷路器合閘觸頭加速度振動信號，圖5 為斷路器分閘觸頭加速度振動信號。

圖4 斷路器合閘觸頭加速度振動信號

圖5 斷路器分閘觸頭加速度振動信號

根據(jù)斷路器設(shè)計參數(shù)可知，觸頭超程狀態(tài)不能超過4.2 mm 而且不能小于3.3 mm。觸頭超程狀態(tài)可分為三類： 正常狀態(tài)（3.3 mm≤超程≤4.2 mm）、偏大狀態(tài)（超程＞4.2 mm）和偏小狀態(tài)（超程＜3.3 mm）。文中共選取了100 組斷路器的動作數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其中34 組為正常狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，33 組為偏大狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，33 組為偏小狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)共有2 500 個點。利用多層感知機分類時，偏大狀態(tài)分類標簽為1，正常狀態(tài)分類標簽為2，偏小狀態(tài)分類標簽為3。通過多層感知機數(shù)學模型對100組數(shù)據(jù)進行迭代，最終運行結(jié)果顯示，迭代準確率為95.2%，如圖6 所示。

3 超程現(xiàn)場試驗測試

為真實反映現(xiàn)場運行斷路器的實際工作狀況，將斷路器置于與之配套的開關(guān)柜內(nèi)，搭建了振動信號數(shù)據(jù)采集平臺，如圖7 所示。

圖6 斷路器觸頭超程狀態(tài)準確率

圖7 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集平臺

為驗證數(shù)學模型的準確性，隨機選取5 組超程偏大狀態(tài)、5 組超程正常狀態(tài)、5 組超程偏小狀態(tài)動作加速度振動信號作為識別樣本，樣本預(yù)測結(jié)果如圖8 所示。

圖8 多層感知機預(yù)測結(jié)果

數(shù)據(jù)預(yù)測主要程序代碼如下所示：

圖8 中，空心點為斷路器觸頭超程實際狀態(tài)，實心點為預(yù)測值，經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)，多層感知機預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果完全一致，說明本文采用的多層感知機對斷路器觸頭超程狀態(tài)的識別具有很高的準確性，進而保證了對斷路器觸頭超程狀態(tài)識別的準確性。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)外處理斷路器觸頭磨損、機構(gòu)卡澀、線圈斷線等缺陷還基本局限于離線式停電檢修方式，而本文研究了高壓開關(guān)設(shè)備機械特性在線監(jiān)測技術(shù)，利用霍爾電流傳感器對斷路器電磁驅(qū)動機構(gòu)線圈電流進行實時監(jiān)測，根據(jù)其電流波形中所含信息，判斷電磁驅(qū)動機構(gòu)動作時是否存在卡澀、脫扣、斷桿等故障；利用振動傳感器準確獲取斷路器觸頭動作剛分和剛合點，并結(jié)合位移傳感器獲得觸頭動作位移；通過計算便可以準確得出斷路器觸頭總行程、開距和超程等數(shù)據(jù)，間接判斷斷路器觸頭磨損情況，并利用多層感知機對斷路器觸頭超程狀態(tài)進行識別，采用Python編程語言，調(diào)用多層感知機函數(shù)，通過大量斷路器動作加速度振動信號數(shù)據(jù)，對觸頭動作加速度振動信號進行學習，建立數(shù)學模型，對后期斷路器的動作加速度振動信號進行識別，識別出斷路器觸頭超程狀態(tài)，從而預(yù)判出斷路器觸頭磨損狀態(tài)。在傳統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合控制、監(jiān)測、通信等現(xiàn)代技術(shù)，使得開關(guān)設(shè)備具有自控制、自監(jiān)測和自診斷的功能，將智能化的高壓開關(guān)設(shè)備應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，不但會提高我國電力設(shè)備的智能化水平，還可以減少由于高壓開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障造成的經(jīng)濟損失，降低電力系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，因此，設(shè)計并研制智能化的高壓開關(guān)設(shè)備具有重要意義。