氣體絕緣金屬封閉開關設備運輸振動風險評估算法設計與系統實現

方 舟 劉 輝 張 偉 張冰冰

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710016）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）是電網關鍵設備，其運輸質量是影響后期運行可靠性的重要因素。由于高電壓工程往往地處偏遠、路況惡劣，一旦在裝卸、運輸過程中受到超標沖擊，很可能發生部件錯位、密封性能下降或機械特性偏移，增加運營成本與安全隱患[1]。

為了及時反饋運輸質量并提供相關證據，在變電站工程項目中的大型設備發運階段配備三維運輸沖擊記錄儀，配合可視化系統軟件進行狀態監測與分析[2-4]。由于缺乏面向GIS 的公認行標，制造商與承接單位通常參考變壓器標準，以各向3g加速度作為安全閾值進行判斷[5]。GIS 運輸振動監測不僅需要針對性的參考標準與采集儀器，也需要高質量的評估算法及配套系統軟件。

硬件電路受無線信號、白噪聲等影響，可能誤將偶發干擾波形上送并生成沖擊事件[6]；某些并未產生足夠沖擊破壞能量的振動由于波形中個別節點超出3g閾值而被判定為沖擊事件，則可能造成不必要的返廠檢修；對運輸與裝卸引發的振動予以區分也有助于明確責任的歸屬。基于以上三點，本文針對不同的振動波形樣本進行特征提取與來源分析，設計出一套運輸振動識別與風險評估算法，并在此基礎上開發出完整的監測系統軟件，實現GIS 運輸振動事件的實時監控、準確記錄與客觀分析，增強對運輸過程的監督，為責任界定提供具有說服力的依據，通過積極預防提高運輸質量[7]。

1 評估算法構建

超出允許范圍的機械沖擊事件會對電力設備造成可見或潛在的損害，其嚴重程度可以通過加速度峰值與持續時間來表征。電力變壓器動輒百噸，平板拖車車身長、輪胎多、運輸時速較低、轉向平緩，一旦檢測到3g以上振動，幾乎可以認定釋放了較高的能量，誤診或自恢復概率較低。相比而言，GIS作為包含斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器、互感器等設備的模塊化組合體，通常采用按間隔拆分、運輸至現場安裝的模式[8-9]，諸如對接面三維軸線偏差等考察參數可復現，應結合電壓等級、安裝單元類型、內部鏈接復雜度等要素綜合衡量。

在實際運輸過程中，由于環境的復雜性，采集到的波形都屬于寬頻帶隨機振動。分析一次振動事件的性質與危害，不僅需要單純的幅值、閾值比較，還應進行振動波形的特征挖掘與樣本匹配，為不同來源的事件給出針對性的結論與處理建議。GIS 設備的運輸振動波形可分為幅值特征與形態特征兩部分來描述，其中，幅值特征包括加速度a、速度變化Δv；形態特征包括時域統計特征與頻域分布特征。

劇烈的機械振動伴隨著能量的快速轉移，被認為是設備受損的主要來源。在正常的行駛速度區間內，沖擊能量與速度變化近似呈正相關（見式（1）），可以由主方向上沖擊脈沖最大振幅的半正弦部分，即兩個過零點之間所經歷的域來評估。事實上，當Δv低于耐受值時，由于材料屈服強度隨應變速率升高，即使a較高，也不足以造成設備損壞；當a數值很低時，如果Δv是以物體能接受的程度發展，短時間內也不會導致損害。然而，當a與Δv同時超標時，動能的吸收量就有可能超出材料的最大應變能，從而出現損害[10]。

電子式加速度傳感器捕捉的振動事件，主要包括下列類型：

1）運輸沖擊。由于運輸載具突然加速、急停、轉向或碰撞顛簸而出現的水平和豎直方向的機械振動。公路運輸中，發生頻率位于3～100Hz，由于路面對垂直振動的縱波傳遞集中在15～20Hz 區間，Z軸的幅值會整體向較低頻率一側略微偏移[11]。運輸沖擊加速度的時域、頻域典型波形分別如圖1 和圖2 所示。其中，時域波形譜圖展示1s 內振動加速度相對值，橫坐標每個采樣點對應0.005s，下同。

圖1 GIS 運輸沖擊時域波形

圖2 GIS 運輸沖擊頻域波形

2）裝卸沖擊。如起重設備故障或誤操作導致的GIS 急墜或撞擊，發生概率較低，但后果較為嚴重，能量主要集中在2～20Hz 頻帶內。裝卸沖擊加速度的時域、頻域典型波形分別如圖3 和圖4 所示。

3）短時無損振動。加速度波形中個別數據點接近或達到閾值，但速度變化較小，未積蓄至設備損壞級別能量的低損害概率振動。這類振動的發生頻率與運輸沖擊接近，但衰減較快，幅值通常在100ms以內回落到平穩行駛時的數值，如圖5 和圖6 所示。

圖4 GIS 裝卸沖擊頻域波形

圖5 GIS 短時無損振動時域波形

4）偶發干擾。由于噪聲信號、供電不穩定等因素導致的干擾事件，其波形隨機性較強，主要為直流、低頻分量，集中在0～2Hz 區間內，呈現顯著異于常規振動事件的形態學特征，如圖7 和圖8 所示。

圖6 GIS 短時無損振動頻域波形

圖7 偶發干擾時域波形

圖8 偶發干擾頻域波形

明確一次沖擊事件的類型對風險評估有重要意義，而進行準確匹配分類的主要依據是振動波形特征。經過對大量不同類型樣本的歸納與量化，本文算法在時域統計特征部分，選取正負均衡測度、幅值平均變化率、幅值前20%臨界值、過零點數目，而在頻域統計特征部分，選取離散傅里葉變換（discrete Fourier transform, DFT）頻譜的分布特征，包括2～25Hz、25～50Hz、50～100Hz 峰均值以及直流分量，上述參數均采用相對值。將一次加速度峰值超過設定門限的沖擊事件的波形特征向量輸入分類器，經過反復的已知樣本集訓練并通過一致性驗證后，即可用于未知沖擊事件的評估，輸出向量即為上述4 個類型，包括運輸沖擊、裝卸沖擊、短時無損振動、偶發干擾。

本文選擇的分類器算法為粒子群算法（particle swarm optimization, PSO）-反向前饋（back propagation, BP）人工神經網絡（artificial neural networks, ANN）算法。首先進行粒子群算法迭代，不斷更新歷史最優位置與全局最優位置使輸出向量位于近似全局最優點附近；再經過反向前饋算法迭代，利用梯度下降法達到迅速收斂[12-13]。當方均誤差與分類誤差同時低于預期允許值時，終止該階段迭代。訓練與泛化過程中，通過不斷調整網絡參數，可使識別準確率趨于理想水平。保存此時的權值、閾值矩陣可用于對未知類型的運輸沖擊事件進行分析識別。神經網絡采用Sigmod 型激勵函數，見式（2），算法流程如圖9 所示。

式中：net 為求和節點數值；x1,x2,… ,xn為輸入向量各成員，即各項振動特征參數；w1,w2, …,wn為二維權值矩陣對應某一輸出類別的列向量成員；b為一維閾值矩陣對應某一輸出類別的數值；y為神經元輸出，即某一輸出類別的概率。

圖9 振動風險評估算法流程

為了形成高可信度、高可復用度的權值閾值矩陣文件，算法構建階段整合來源于試驗獲取、客戶提供等途徑的已知運輸沖擊事件數據樣本共65 組，其中45 組數據用于訓練，20 組用于泛化，兩部分數據皆涵蓋了上述四種輸出類型，比例分布均衡。最終，訓練環節正確率為100%，泛化環節正確率為95%，模式識別效果理想，具有較高的應用價值。學習與識別運行界面如圖10 所示。

圖10 振動信號神經網絡學習與識別運行界面

對于一次完整運輸任務的日志報告，若無觸發超閾值事件或僅含有偶發干擾信號，則標記為“良好”；若觸發事件另含有短時無損振動，則標記為“容許”；若觸發少于3 次的運輸沖擊，振幅超出閾值均不足50%，且未觸發裝卸沖擊事件，則標記為“參數復檢”；否則標記為“建議返修”。

2 軟件功能設計

系統功能主要分為通用技術模塊、通信解析模塊、節點監控模塊與分析評估模塊四部分。

通用技術模塊用于保障系統穩定運行。工作人員可管理傳感器設備、車輛、地圖及運輸任務等信息，并根據實際情況對各項運行參數進行統一配置。

通信解析模塊主要負責完成與下位機的通信。在運輸任務執行前，向記錄儀發出存儲體擦除及時鐘對時指令，完成初始化操作；運輸途中或抵達后接收并解析來自串口緩存的通信報文，將三維沖擊事件時間、地圖坐標、原始波形信號整合至數據庫。

節點監控模塊支持目錄索引模式與地圖索引模式，使用OpenStreetMap 在線地圖模塊，在線節點以不同指示圖標直觀地呈現在地圖的相應坐標處，方便運維人員快速了解節點的當前狀態及是否按預期路線、運輸進度執行。

分析評估模塊的主要任務是對運輸任務全程設備所受沖擊情況進行診斷與評估。目標任務的振動事件信息以統計圖表、時域波形圖、頻譜等形式直觀呈現，并根據用戶需求進行特征提取、自定義條件過濾、事件類型與風險評估等后處理操作。當存在符合高危運輸振動幅值、沖擊能量、波形特征等指標的事件時，系統認定本次運輸存在安全隱患，并作出告警指示。用戶還可查閱歷史數據，并將監測信息導出生成報表進行歸檔存儲或打印。

GIS 運輸振動監測系統功能結構與流程如圖11所示。

圖11 GIS 運輸振動監測系統功能結構與流程

3 系統實現

振動監測分為主動模式與被動模式。休眠狀態下，節點每5min 一次主動采集并存儲三維加速度峰值與位置信息。當發生超出閾值的振動事件時，節點從休眠狀態下被喚醒，采集后續1～4s 的加速度波形，并通過通用分組無線服務技術（general packet radio service, GPRS）同步至遠程端。

考慮到產品用戶與使用條件的差異，狀態監測系統分為在線與離線兩種工作模式，采用面向Windows 操作系統的客戶端模式，基于WPF 框架開發。為保證軟件的易用性、可移植性與訪問質量，采用規格化XML 存儲事件數據與目錄。

遠程端上位機軟件根據振動事件波形，分析判斷沖擊類型，并結合加速度趨勢、實時位置路況，向司機或運維人員發出降速、下車檢查等指令。離線數據為偏遠、出境任務無信號、長途海運集裝箱金屬屏蔽等情況提供了備份保障，可就地通過串口上傳至便攜計算機，與遠程端數據互為驗證。

實時與離線報文格式均采用Modbus 通信協議，系統將盡可能多的后處理工作交給上位機完成，一方面降低了記錄儀的功耗，另一方面確保一旦需要未經修正的原始數據，可以由通信報文準確還原。離線模式下，狀態監測系統通過串口線與沖擊記錄儀直接交互；在線模式下，系統軟件對GPRS 轉發設備進行指令與數據的收發。轉發設備與記錄儀的通信邏輯類似于手機短信，所以系統運行不依賴互聯網接入。

4 應用驗證

現場應用時的在線監測模塊運行界面如圖12所示，數據段起點為陜西省西安市，終點為青海省格爾木市，行程約1 600km，歷時22 天。三維運輸沖擊記錄儀以不同朝向安裝于設備底座或包裝箱內壁，全程實時監測顯示，未發生高危或超標運輸沖擊事件。GIS 機身的貼壁式一次性沖擊記錄標簽指示未超標，為本次監測結果提供了有效參照與驗證。

圖12 在線監測模塊運行界面

為進一步驗證算法有效性，駕駛轎車搭載沖擊記錄儀進行模擬振動測試。就近選取單次行程約1km、途中設有數個減速帶的環線區域，小型轎車以正常速度駛過時會產生較明顯的振動。經過20 次連續環繞行駛以及出發前固定裝置時人為施加的外力振動，離線數據顯示，減速帶附近路段產生多次事件記錄，多數為短時無損沖擊，個別次數為存在隱患的超標運輸振動，而位于出發點的人為施加振動被識別為裝卸振動。離線監測模塊運行界面如圖13 所示。

圖13 離線監測模塊運行界面

5 結論

通過設計與應用高壓開關運輸振動風險評估算法與系統軟件，以信息化手段實現了GIS 運輸的全過程實時監控與風險預測。含有大容量樣本數據支撐的智能分析，能有效彌補GIS 參照變壓器運輸標準帶來的不確定性，其客觀性與準確程度較單純的閾值對比法有顯著提升。該系統出具的評估報告與處理建議，能夠清晰呈現振動的時間、方位、性質、詳細參數與損毀風險，為制造商與用戶提供具有說服力的憑據，便于做出責任界定，避免因敏感診斷導致的不必要的返廠檢修，增強了對運輸過程的監督，進而通過積極預防以提高運輸質量。