基于多元狀態(tài)感知監(jiān)測技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測

曹海歐，孟屹華，黃 翔，崔 玉，潘 琪

(1.江蘇省電力有限公司 電力調(diào)度控制中心，南京 210000； 2.江蘇省電力有限公司 蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

快速滅弧開關(guān)是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的控制與保護元件，也是變電站內(nèi)電氣動作與機械動作最頻繁的部件，快速滅弧開關(guān)的安全、可靠運行對電力系統(tǒng)具備至關(guān)重要的作用。快速滅弧開關(guān)以空氣為絕緣介質(zhì)，滅弧能力強，成本低，便于維修，結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于中、高壓電力系統(tǒng)中，功能等同于斷路開關(guān)[1]。現(xiàn)有代表方法主要包括基于支持向量機的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法與基于PHM(fault prediction and health management，故障預(yù)測與健康管理)技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法。基于支持向量機的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機器學(xué)習(xí)算法，它可以對快速滅弧開關(guān)故障進行良好的分類，從而為故障診斷技術(shù)向智能化方向發(fā)展提供了新的思路[2]。介紹了支持向量機分類算法，并將其應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation neural network，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))分類方法進行了比較。基于PHM技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法是在故障預(yù)測和健康管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種智能快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測和診斷的方法，利用最小冗余最大相關(guān)原則，對原始特征集進行降維處理，得到最佳故障特征子集；實現(xiàn)快速滅弧開關(guān)故障診斷。然而，由于快速滅弧開關(guān)的數(shù)量較多，以往監(jiān)測方法既浪費時間，又耗費較高的費用。為此，如何有效地監(jiān)測快速滅弧開關(guān)故障，是保障電力系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵[3]。

現(xiàn)有快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累，在大數(shù)量快速滅弧開關(guān)情況下存在著故障監(jiān)測實時性差的缺陷，為此提出基于多元狀態(tài)感知監(jiān)測技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法研究，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供更加有效的保障[4]。

1 快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法研究

1.1 快速滅弧開關(guān)多元狀態(tài)感知

為了保障快速滅弧開關(guān)在線監(jiān)測的全面性，利用多元狀態(tài)感知監(jiān)測技術(shù)獲取快速滅弧開關(guān)多元振動信號。

快速滅弧開關(guān)每個組成部分結(jié)構(gòu)的差別顯著，故障特征的可觀測性與特征量也存在著較大的不同，為此，將振動傳感器合理地布置在開關(guān)各個組成部分，即可得到快速滅弧開關(guān)多元故障監(jiān)測點位置[5]。

快速滅弧開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速滅弧開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

振動傳感器選取PCB公司生產(chǎn)的352C33型振動傳感器，其參數(shù)如表1所示。

表1 振動傳感器參數(shù)表

將80個振動傳感器均勻地分布在快速滅弧開關(guān)的八個部分，每個部分分布10個振動傳感器，以此為基礎(chǔ)，感知快速滅弧開關(guān)多元狀態(tài)[6]。

1.2 開關(guān)多元振動信號處理

通過多元狀態(tài)感知監(jiān)測技術(shù)獲得了快速滅弧開關(guān)多元振動信號，因開關(guān)所處環(huán)境的影響，且震動傳感器會帶來一定干擾，容易造成多元開關(guān)振動信號噪聲。為了精確地監(jiān)測快速滅弧開關(guān)故障，需要處理開關(guān)多元振動信號[7]。

目前的多元振動信號去噪方法主要有傅里葉分析法、低通濾波法等，它們都會導(dǎo)致噪聲信號有用部分的丟失，因此本文采用小波變換來處理開關(guān)多元振動信號[8]。切換多階振動信號具有非平穩(wěn)性，常規(guī)噪聲為高頻成分，而小波變換能對信號的低頻、高頻部分進行分解，保持信號本身的結(jié)構(gòu)特征[9]。

基于小波變換方法的開關(guān)多元振動信號降噪處理示意圖如圖2所示。

圖2 原始信號頻譜圖與降噪信號頻譜圖對比

具體開關(guān)多元振動信號診斷方法步驟如下。

步驟一：小波包分解開關(guān)多元振動信號。通過時域到頻域的變換，確定多元振動信號的分解層次和小波基，對原始多元振動信號進行N層小波包分解。需要注意的是，多元振動信號具有衰減振蕩特點，在時域內(nèi)具備緊致性，則在頻域內(nèi)具備衰減性的小波基[10]。

步驟二：采用門限閾值形式量化處理小波包分解系數(shù)[11]。常規(guī)情況下，閾值分為硬閾值與軟閾值。若閾值過大，有用信號特征會丟失；若閾值過小，噪聲濾除效果差。

步驟三：對開關(guān)多元振動信號進行小波包逆變換重構(gòu)[12]。

步驟四：依據(jù)小波包逆變換重構(gòu)結(jié)果診斷故障。

1.3 開關(guān)多元振動信號特征因子提取

在快速滅弧開關(guān)運行過程中，零件間或零件間發(fā)生多次碰撞和摩擦，振動信號的極值時刻能夠反映零件的故障信息，是快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測的關(guān)鍵[13]。

提取開關(guān)多元振動信號特征因子，最核心的步驟是求取多元振動信號的包絡(luò)過程，提取振動信號極值時刻[14]。設(shè)定此研究多元振動信號最小間隔為0.3 s，振動信號幅值閾值為2 m/s2。

以獲取的開關(guān)多元振動信號極值時刻為基礎(chǔ)，構(gòu)建開關(guān)多元振動信號能量矩陣，為了更好地提取開關(guān)多元振動信號特征因子[15]，基于時間軸計算IMF(inherent mode function，固有模態(tài)函數(shù))能量特征，具體特征因子提取過程如下：

首先，計算IMF能量特征與多元振動信號的相關(guān)系數(shù)，表示為：

(1)

公式(1)中，ρ表示的是相關(guān)系數(shù)；ci(t)表示的是IMF能量特征；μci表示的是IMF能量特征系數(shù)；s(t)表示的是多元振動信號；μs表示的是多元振動信號系數(shù)；σci與σs分別表示的是IMF能量特征與多元振動信號的參與分量。

快速滅弧開關(guān)狀態(tài)主要分為8種，分別為正常狀態(tài)、高壓故障、低壓故障、導(dǎo)電臂松動、連桿松動、觸頭松動、底座螺栓松動以及槽鋼松動[16]。依據(jù)公式(1)提取主要的IMF分量，計算每個構(gòu)成部分與多元振動信號之間的相關(guān)系數(shù)，具體數(shù)值如表2所示。

表2 每個IMF分量與振動信號的相關(guān)系數(shù)表

依據(jù)表2數(shù)據(jù)，計算IMF分量的能量距，計算公式為：

(2)

公式(2)中，k表示的是采樣點；Δt表示的是采樣周期；Ci表示的是IMF時間序列[17]。

1.4 多元特征因子融合

以上述提取的開關(guān)多元振動信號特征因子為基礎(chǔ)，單路振動信號特征因子很難明確快速滅弧開關(guān)故障的位置，為此融合多元特征因子[18]。

為了形象表示振動信號特征因子，采用曲線圖形式描述振動信號特征因子，如圖3所示。

圖3 振動信號特征因子曲線圖

如圖3所示，IMF能量距可以反映出IMF能量空間分布情況以及反映IMF能量的大小，有助于快速滅弧開關(guān)故障的定位[19]。對于快速滅弧開關(guān)來說，不同故障的多元特征因子存在著顯著的差距。但是，某些振動信號特征因子差別較小，導(dǎo)致多元特征因子融合后的特征向量精準(zhǔn)性較差，為此，需要對其進行一定的優(yōu)化[20]。

快速滅弧開關(guān)故障位置的融合規(guī)則是：利用特征加權(quán)優(yōu)化多元特征因子[21]，輸入多元特征因子樣本集，在集合中選擇一個樣本，計算其與其他樣本之間的歐式距離，以此為基礎(chǔ)，判斷樣本的差異性，若差異性較大，保留該特征因子，反之，則刪除該特征因子。將保留的振動信號特征因子融合，最終輸出多元特征權(quán)重向量W[22]。

1.5 快速滅弧開關(guān)故障診斷

首先，訓(xùn)練開關(guān)正常狀態(tài)與故障樣本數(shù)據(jù)，得到k+1個超球面，其中，k表示的是故障類型數(shù)量；1是開關(guān)正常狀態(tài)數(shù)量。若數(shù)據(jù)不屬于k+1個超球面內(nèi)，則將認(rèn)為開關(guān)屬于“Else”故障，以此來補充快速滅弧開關(guān)故障類型，為后續(xù)的監(jiān)測提供幫助[23]。這種方式還可以提升監(jiān)測方法在故障類別不完備的情況下監(jiān)測的精準(zhǔn)性。

在快速滅弧開關(guān)故障診斷過程中，評判函數(shù)為:

(3)

式(3)中，R表示的是k+1個超球面空間；a表示的是常數(shù)。則開關(guān)故障決策值為：

(4)

依據(jù)式(4)的結(jié)果，診斷快速滅弧開關(guān)的故障類型，診斷規(guī)則如表3所示。

表3 快速滅弧開關(guān)故障診斷規(guī)則表

綜上所述，實現(xiàn)了基于多元狀態(tài)感知監(jiān)測技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障的在線監(jiān)測，為快速滅弧開關(guān)的可靠運行提供保障，從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 仿真實驗分析

為了驗證提出快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法的實時性，設(shè)計仿真對比測試。現(xiàn)有代表方法主要包括基于支持向量機的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法與基于PHM技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法。為了展示提出方法的性能，利用對比研究方法，具體測試過程如下所示。

2.1 實驗測試準(zhǔn)備

為了保障測試的順利進行，首要的任務(wù)就是選取唯一的測試對象——電子電磁式快速滅弧開關(guān)。測試自變量為快速滅弧開關(guān)數(shù)量，范圍為30～150個。測試對象連接方法如圖4所示。

圖4 測試對象連接圖

如圖4所示，快速滅弧開關(guān)以并聯(lián)方式連接在電力系統(tǒng)中，這樣可以保障在某一個快速滅弧開關(guān)故障的情況下，電力系統(tǒng)可以利用其他的快速滅弧開關(guān)達(dá)到滅弧的目的，保障電力系統(tǒng)的順利運行。

依據(jù)圖4選取的測試對象——電子電磁式快速滅弧開關(guān)進行仿真對比測試，通過實時性表現(xiàn)方法的性能。

2.2 測試評估指標(biāo)選取

快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法的實時性決定著方法的監(jiān)測性能，實時性越好，表明方法的性能越好。快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法實時性主要由快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測時間決定，其計算公式為:

Ts=Ts1+Ts2+Ts3

(5)

式(3)中，Ts表示的是快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測時間；Ts1表示的是開關(guān)多元振動信號處理時間；Ts2表示的是多元特征因子融合時間；Ts3表示的是快速滅弧開關(guān)故障診斷時間。

常規(guī)情況下，快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測時間T越短，表明方法實時性越好，反之，則方法實時性越差。

2.3 開關(guān)多元振動信號處理時間分析

開關(guān)多元振動信號處理是開關(guān)故障在線監(jiān)測的第一步，也是方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過測試得到開關(guān)多元振動信號處理時間對比情況如表4所示。

表4 開關(guān)多元振動信號處理時間對比情況表

如表4數(shù)據(jù)顯示，提出方法的開關(guān)多元振動信號處理時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法，其最小值可以達(dá)到0.56 s。

2.4 多元特征因子融合時間分析

通過測試得到多元特征因子融合時間對比情況如表5所示。

表5 多元特征因子融合時間對比情況表

如表5數(shù)據(jù)顯示，提出方法的多元特征因子融合時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法，其最小值可以達(dá)到1.00 s，節(jié)省操作時間，多元針對信號處理效果較好。

2.5 快速滅弧開關(guān)故障診斷時間分析

通過測試得到快速滅弧開關(guān)故障診斷時間對比情況如表6所示。

表6 快速滅弧開關(guān)故障診斷時間對比情況表

如表6數(shù)據(jù)顯示，提出方法的快速滅弧開關(guān)故障診斷時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法，其最小值可以達(dá)到2.00 s。

3 結(jié)束語

快速滅弧開關(guān)具備良好的滅弧性能，可以防止電火花的產(chǎn)生。常用的快速滅弧開關(guān)主要有三種，分別為電子電磁式快速滅弧開關(guān)、油式快速滅弧開關(guān)與壓氣快速滅弧式負(fù)荷開關(guān)。國際大電網(wǎng)會議對快速滅弧開關(guān)的可靠性進行過世界范圍內(nèi)的調(diào)查，我國也對快速滅弧開關(guān)事故進行過大量的統(tǒng)計研究。經(jīng)過調(diào)查與研究表明，快速滅弧開關(guān)故障多數(shù)是由操作機構(gòu)導(dǎo)致的，以往對快速滅弧開關(guān)的監(jiān)測是在設(shè)備交接或者停電期間進行，通過快速滅弧開關(guān)狀態(tài)判斷，維修或者更換快速滅弧開關(guān)。提出方法的開關(guān)多元振動信號處理時間、多元特征因子融合時間與快速滅弧開關(guān)故障診斷時間均小于現(xiàn)有代表方法，表明提出方法的快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測時間較短，具備更好的實時性，可以為快速滅弧開關(guān)的可靠性、安全性提供更加有效的保障。但是，由于仿真對比測試快速滅弧開關(guān)數(shù)量取值范圍的有限性，導(dǎo)致測試具有一定的局限性，為此，需要對快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測方法進行進一步的優(yōu)化研究。