一種智能柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

林昱奐，胡嘉銘，戴偉力，黃波

（廣東電網有限責任公司廣州番禺供電局，廣州 511452）

引言

配電網柱上開關實現(xiàn)配網架空線路負荷分段、故障隔離、三遙等功能，是智能配電網實現(xiàn)故障自愈、故障定位的重要設備[1-3]。隨著智能電網的發(fā)展，對配電開關的智能化和可靠性的運行要求也越來越高。根據我國相關電力部門的統(tǒng)計，配電開關設備的大多數故障是由操作機構引起的，由于操作機構的安裝不當、銹蝕、長時間運行導致的老化等眾多原因，都有可能導致配電開關拒分合、儲能電機和分合閘線圈燒毀等事故，嚴重時可能導致更大級別的電網事故[4-6]。

配網線路供電可靠性要求越來越高，對柱上開關的安裝維護與運行可靠性也提出了更高的要求[7]。本文研究一種智能柱上開關的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于機器學習的柱上開關的絕緣、溫度的狀態(tài)評估和故障診斷技術，同時基于機器學習需求，開發(fā)數據采集解決方案、數據預處理算法技術，實現(xiàn)柱上開關的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

1 智能柱上開關總體設計

1.1 智能柱上開關功能

柱上開關具備隔離開關、負荷開關、斷路器及熔斷器的功能，裝于10 kV架空配電線路中戶外電桿上的開關，用于城郊及農村配電網中，用于分斷、閉合、承載線路負荷電流及故障電流的機械開關設備[8,9]。隨著智能化水平不斷提高，柱上開關除了具備分斷、閉合、承載線路負荷電流及故障電流的基本功能外，還具備故障診斷、防開路功能等先進功能[10-12]，具體包括：

1）智能柱上開關功能需求日趨復雜，涉及電流、電壓采樣和開關狀態(tài)獲取等采集環(huán)節(jié)、狀態(tài)判斷、人機交互、狀態(tài)輸出和通信等多個功能，需采用功能強大的處理器，才能高效完成上述功能。同時針對柱上開關安裝于戶外容易老化和長時間運行容易損壞問題，尤其柱上開關接口開路失效問題，需專門研究對應的防開路插頭。

2）柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷影響因素多，常規(guī)的單量判斷方法不容易有效識別不同工況下柱上開關的真實運行狀態(tài)。因此，需結合大數據技術，基于數據驅動方式，通過對柱上開關數據的全面收集、處理、分析和高級應用，實現(xiàn)柱上開關準確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

1.2 系統(tǒng)總體設計

為了更好實現(xiàn)柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，本文提出的智能柱上開關的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)同樣包含一次系統(tǒng)設備與二次系統(tǒng)設備，如圖1所示。

配電線路的柱上開關一般由包含直接參與電能傳輸的一次電氣設備與負責控制與信息傳輸的二次設備構成，如開關控制器智能控制單元。

一次系統(tǒng)包含開關本體部分，及其配置的電流傳感器、電壓傳感器、環(huán)境監(jiān)測等各類傳感器，通過信號線連接到二次設備中，通過信號采集設備即設備中的端子排將測量信號集中并輸出。

在系統(tǒng)中連接一次與二次系統(tǒng)的設備是智能矩形航空插頭，保證開關控制器與開關本體的可靠連接與標準化信息交互。同時本文提出的智能矩形航空插頭可實現(xiàn)一次設備的可視化監(jiān)測。

智能柱上開關的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中負責數據處理的是智能化二次系統(tǒng)。智能矩形航插從一次系統(tǒng)收集數據，并將其傳遞給饋線終端開關控制器，并將數據進一步傳遞到智能化信號處理系統(tǒng)做進一步分析。智能化信號處理系統(tǒng)是本文提出的智能監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的“大腦”，主要負責將柱上開關的運行信息進行數據預處理，并將預處理后的數據通過機器學習進行開關狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。

2 智能終端硬件設計

本文研發(fā)的智能柱上開關，以F28335數字信號控制器為核心，進行智能柱上開關智能終端設計，如圖2所示。柱上開關智能終端由主控制器電路、信號輸入電路、控制輸出電路、通信接口電路、人機交互電路與可視化防開路矩形航空插等模塊構成。

圖1 柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計框架圖

1）主控制器所選用的F28335采用哈弗控制器構建，具有浮點功能，可以高效實現(xiàn)柱上開關狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷涉及的復雜算法，同時該控制器具有高效的總線結構、豐富的緩存、存儲空間和通信接口，可以方便進行柱上開關二次系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和擴展。

2）信號輸入電路包括電流、電壓等模擬量輸入和開關狀態(tài)等數字量輸入。

柱上開關模擬量有反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的電流和電壓外，還包括了開關操作涉及的儲能電源。由于模擬量信號的精度要求較高，這直接影響到開關狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷算法的準確性，因此，模擬量采集回路做了精心設計，上述電流、電源和儲能電源信號，接入采樣電路后，進行信號調理，過濾掉高頻噪聲和其他干擾信號。由于高性能模數轉換器（AD）價格較為昂貴，而F28335自身配備了高精度的高速AD模塊，因此，選用F28335內部AD模塊將模擬量離散化基礎上，進行數據采集。

開關量輸入模塊相對簡單，主要是采用光耦隔離芯片進行外界信號隔離，避免電磁環(huán)境的干擾。本文將開關狀態(tài)等數字量信息接入到高速光耦隔離芯片，經光耦隔離后輸入到F28335主控制器的對應管腳。

3）隨著數字電網和電力物聯(lián)網技術的發(fā)展，對電力智能終端通信的要求也越來越高。所設計的柱上開關智能終端同時采用有線通信網絡和無線通信網絡混合組網的靈活通信方式。

有線通信網絡方面，考慮到F28335主控制器內置CAN通信控制模塊，而CAN控制器局域網具有簡單易用、組網方便、抗干擾性強等優(yōu)點。因此，本文所設計的有線通信網絡主要基于CAN通信。同時，F(xiàn)28335主控制器預留了多個UART接口，也將其靈活擴展成RS232/RS485等電力經典的傳統(tǒng)通信方式。

有線通信網絡方面，考慮柱上開關位置分布較為廣泛、分散，不容易自組網，因此所設計的柱上開關智能終端采用公網提供的GPRS無線方式。由于無線通信模塊采用外接插件式的方式實現(xiàn)，隨著5G通信的逐漸普及，智能終端可以方便地更新到5G等新一代通信網絡。

4）所設計的智能終端具有良好的人機界面方式，人機界面不僅可以實時顯示柱上開關運行狀態(tài)和方便地查看柱上開關各種參數的設置，還可以通過鍵盤、觸摸屏實現(xiàn)友好的人機交互。智能終端液晶顯示屏在正常情況下可以實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)和測量數據，當柱上開關運行狀態(tài)異常時給出告警信號，方便運行人員及時了解運行狀態(tài)。

柱上開關涉及大電流開斷，且長時間在戶外運行容易老化問題。為了保證柱上開關操作的可靠性，專門研發(fā)可視化防開路矩形航空插，方便現(xiàn)場運行人員直觀觀察開關操作過程變化，并可在異常情況時實時發(fā)現(xiàn)問題，使得柱上開關整個操作過程更加安全、可靠。

采用可視化防開路矩形航空插，開關在插合過程中，當動作機構還未接觸時，插頭端保持在短路狀態(tài)，進一步插入過程中，動作機構觸發(fā)動作，電流經公母插針形成閉合回路，整個電路無開路狀態(tài)，提高了帶電操作的安全性。

所研發(fā)的可視化防開路矩形航空插，可以確認航空插頭進行了可靠的短接，即防開路，然后再拔下航空插頭，提高帶電更換終端的安全性。

3 智能化算法設計

柱上開關狀態(tài)受設備型號、運行環(huán)境、動作情況等多種影響，靠單一監(jiān)測信息難以準確定位柱上開關故障。鑒于此，本文結合當前人工智能技術的發(fā)展，研究了基于機器學習的智能柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

3.1 機器學習算法簡介

作為人工智能的重要研究分支，機器學習在近些年來受到了越來越廣泛的關注。目前機器學習的主要方向可以分為以下三點[13]：

1）面向任務型，即在既定的任務下，完善或優(yōu)化任務目標。

2）模擬認知型，即以模擬人類學習行為作為研究方向，尋求解決問題的方法。

3）算法研究型，即從理論層面出發(fā)，學習研究基礎算法。

目前機器學習算法主要包括決策樹法、隨機森林算法、人工神經網絡算法、支持向量機法和關聯(lián)規(guī)則算法等[14]。其中決策樹法可靈活修剪枝葉，同時對根節(jié)點設置不同置信度的決策標準，對數據分析及分類問題具有較高的靈活性和可解釋性。

決策樹法常用自頂向下的貪婪算法，每個節(jié)點選取分類效果最佳的屬性繼續(xù)拆分，直至分類屬性用完或決策樹可有效分類訓練集。本文選取ID3算法，并以信息增益率IR最大作為最優(yōu)分類特征的選取標準。設特征樣本為X（X=[x1，x2，…，xm]），特征樣本輸出集合為Y（Y=[y1，y2，…，yn]）。其中m表示樣本數，n表示輸出分類數。則信息增益率IR可表示為：

式中：

HX（Y）—特征熵；

I（X，Y）—信息增益，分別如下式示。

式中：

p(yi)—特征樣本輸出為yi的概率。

3.2 基于機器學習算法的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法

基于機器學習算法的柱上開關狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法，采用了數據驅動方法，對數據進行數據層、樣本層、決策層和應用層四個維度不斷深化的處理，以更精準揭示柱上開關狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷結果。

具體的柱上開關狀態(tài)診斷流程如圖3所示，分析流程涵蓋數據層、樣本層、決策層和應用層。通過智能分布式監(jiān)測設備，采集開關的環(huán)境信息、臺賬信息、運行信息與動作信息。基于大數據清洗技術，剔除信息異常的個體樣本，形成樣本庫。提取樣本特征，作為決策網絡輸入層，得到特征樣本診斷結果。并根據診斷結果實現(xiàn)故障告警與消除。

基于決策樹法的開關狀態(tài)診斷模型如圖4所示，選取決策樹法作為機器學習的基礎算法，以智能化信號處理系統(tǒng)采集的柱上開關特征量，包括環(huán)境溫度濕度、通斷電流、動作次數限制、運行電壓電流、通斷次數、通斷平均時間等作為算法輸入層，以開關正常、開關損壞、操作機構老化、電流過大、異常發(fā)熱等作為算法輸出層，進一步構建決策網絡。

圖3 柱上開關狀態(tài)診斷流程

圖4 基于決策樹法的柱上開關狀態(tài)診斷模型

4 應用

現(xiàn)場運行環(huán)境下的配電開關受環(huán)境影響和長時間的穩(wěn)態(tài)運行，會出現(xiàn)腐蝕老化和潤滑劑失效等現(xiàn)象，造成操作機構的機械性能下降，同時配電開關多次操作也會因機械磨損和電磨損造成操作機構的機械性能下降，這些性能變化趨勢在目前普通的檢修和檢測手段下，很難發(fā)現(xiàn)問題。

本文研發(fā)的智能柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，已投入某地市局供電現(xiàn)場使用。經過初步的算例驗證，本文研發(fā)的智能柱上開關狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，能夠對柱上開關運行狀態(tài)進行較好評定，及時揭示了柱上開關運行狀態(tài)。現(xiàn)場應用過程中也發(fā)現(xiàn)，由于當前智能柱上開關可用的數據樣本還偏少，對所采用的基于機器學習的柱上開關狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷評估的準確性與真實性還有待進一步驗證。

5 結語

柱上開關作為一種重要的智能配電網設備，正朝著智能化的方向發(fā)展。本文研發(fā)了一種智能柱上開關的狀態(tài)監(jiān)測與故障系統(tǒng)，以期更好揭示開關的運行狀態(tài)，該系統(tǒng)具有下述三個明顯特點：

1）采用F28335數字信號處理器為核心構建了功能強大的智能終端，可處理復雜算法；

2）采用可視化防開路矩形航空插防開路，提高可靠性和安全性；

3）采用機器學習算法進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，具有較好識別準確性。