基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統

王明明

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300163）

目前，傳統三相配電線路故障診斷系統的診斷方法包括物理診斷方法和信號診斷方法。三相配電線路物理故障診斷方法的原理是通過故障線路傳遞出光、熱量、輻射強度等其他物理屬性，對三相配電線路的運行狀態進行判斷，完成故障診斷[1]。三相配電線路的物理屬性是易受到外界環境干擾，使其變化規律發生改變，導致三相配電線路故障狀態數據真實性較差，從而導致故障診斷結果不準確[2]。

為此，三相配電線路診斷領域通常通過識別線路運行信號，完成配電線路運行狀態診斷的初次提取，將故障信號中存在一定冗余和無效的信號頻段進行有效處理，在沒有特定技術約束下，該方法診斷精度也達不到預期效果。因此，文中通過多特征融合技術，集成三相配電線路故障運行過程中具有代表性的特征作為故障診斷約束，完成故障診斷。

1 故障診斷系統硬件設計

基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統硬件如圖1 所示。

圖1 故障診斷系統硬件結構圖

1.1 電子互感器

基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統硬件區域的電子互感器工作任務是對電路基本參數進行測試。為了提升系統的運行效率，硬件區域選擇HD-8 系列的電子互感器。其器件采用CS86 芯片，可以實時更新線路的電壓值和電流值，通信采用西門子系列的GPRS和GSM 通信模塊，維持電子互感器的通信功能。為了提高電子互感器與硬件系統內部其他設備的連接性能，選擇YD7 航空插口，此插口防塵防水，具有較高的性能。電子互感器的外殼采用XH-87 裝置，對于其他設備的輻射防護等級為IP65，具有獨立接地保護功能[3-5]。電子互感器如圖2所示。

圖2 電子互感器

1.2 電路控制器設計

電路控制器的工作任務是提高系統在采集線路故障數據中瞬時線路停運問題，此過程不影響線路正常運行，硬件系統采用PO 電路控制器協作系統工作。控制器主要由單機片、零序濾波電路以及HUD電能計量芯片組成。電路控制器設計天線固定端口。為了排除外界其他信號的干擾，控制電路自身將三相配電線路的控制回路和輸入信號隔開，維持線路內電信號的正常運行[6-7]。電路控制器如圖3 所示。

圖3 電路控制器工作原理圖

1.3 電源設計

電源為系統提供運行能量，為了提高系統電源工作周期時長，選擇容值為3 300 pF、耐壓為4.2 kV/分鐘的YU-90 電源模型，此電源對電資源能量的分解為100%，對于系統其他設備的損傷輻射程度最低[8]。電源模塊可根據實時情況完成固定電壓等級自動調節，可調節電壓范圍為2.5～60 V，運行有效電壓為3 V。電源模型采用型號為CS837 系列的AD 模數轉換芯片，電壓的工作功率采用VRMS 調頻，模塊的超低漂移量為±1 V，如圖4 所示。

圖4 電源內部工作電路示意圖

1.4 處理器設計

處理器是硬件系統運行基礎，文中選擇性價比較高的麒麟系列HYD-3 處理器。處理器單核睿頻可高達4.8 GHz，采用8 核心16 線程運行模式，器件基本運行頻率為9.8 GHz。處理器光刻為14 nm，可提高處理響應速率，處理器工作頻率為65 W，降低系統運行開銷，提高系統工作速度[9-10]。

2 系統軟件設計

2.1 多特征融合算法分析

多特征融合算法在三相配電線路故障診斷系統中可提高特征認證識別度。數據庫內包括三相配電線路故障的多種特征，利用算法將其集成在數據庫內，一方面多特征融合算法可以提高配電線路故障診斷的預測性，另一方面根據三相配電線路故障診斷行為特點，選擇低層特征融合算法，以便達到提高線路故障診斷準確度的目的[11-12]。多特征融合算法的結構示意圖如圖5 所示。

圖5 多特征融合算法結構示意圖

2.2 三相配電線路信號特征提取

信號的熵是三相配電線路故障信號的主要表現屬性，熵表示信號模量中新信號產生的概率，熵的數值越大，表示信號數據的復雜度越大，頻率信息越多，熵越低代表信號的周期更變速度快，頻譜較窄。文中分析了三相配電線路故障特征信號的提取，選擇不同尺度的小波變換算法完成操作[13-14]。首先識別配電線路中電流信號，識別公式如下所示：

其中，N表示線路的有效距離；M表示線路切割的測試段個數；表示電流頻率；n表示小波變換系數。

然后識別線路內各信號節點之間信號頻率的稀疏特征向量[15]，完成三相配電線路信號的提取。提取信號頻率特征的公式如下所示：

其中，xij表示第j層小波系數對應頻段離散信號的幅值；sj表示能量算子；ο表示共軛函數。

最后將提取的三相配電線路特征帶入線路線性負載特征系數表中進行查詢，查看此線路信號是否為故障信號。線路線性負載特征系數表如表1 所示。

表1 線路線性負載特征系數表

三相配電線路故障頻率暫態如圖6 所示。

圖6 三相配電線路故障頻率暫態示意圖

2.3 三相配電線路故障診斷

在三相配電線路故障診斷信號特征提取基礎上，文中完成基于多特征融合的三相配電線路故障診斷流程的分析，具體流程如下所示：

首先調用系統硬件設備完成三相配電線路基本數據的采集，然后將采集到的數據進行預處理，保證采集數據精度。

根據上述特征提取三相配電線路故障信號特征，完成診斷配電線路信號提取。提取完成后及時對信號進行校驗，如果信號為正常信號，則停止診斷，直接輸出結果；如果信號不是正常信號，那么系統自動存儲信號，并且繼續完成線路故障診斷流程。

最后將提取的三相配電線路故障信號和獲取的相關數據信息進行集成計算，得到配電線路故障特征值，將故障特征值與配電線路故障信號頻段，在系統多特征故障數據庫中進行約束查詢，最后輸出三相配電線路故障診斷結果。如果在數據庫內不存在對應線路故障，那么以三相配電線路故障提取的故障信號特征為查詢目標[16]，將線路故障特征值進行分解對照查詢，檢索到相線路故障即可。診斷集成計算公式如下所示：

其中，γj表示主成分分析的特征值；γk表示配電線路內信號頻率和電流信號的關系。

3 試驗分析

為了檢驗設計的基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統的工作效率和診斷精度，搭建了三相配電線路故障模擬環境，利用基于DSP 低壓測試的三相配電線路故障診斷系統（傳統診斷系統1）和基于單向接地分析的三相配電線路故障診斷系統（傳統診斷系統2）作為對照系統，共同完成試驗測試，保證測試的有效性。

為了保證試驗測試的可靠性，文中分別設計超負載故障的三相配電線路、電弧故障的三相配電線路以及正常狀態三相配電線路作為測試樣本，提高試驗測試的難度。在試驗測試前，分別模擬搭建相同線路環境，搭建完成后，同一時間觸發3 個系統，將3 個三相配電線路與3 個系統相互連接，開始試驗，當3 個系統全部向中心計算機提交診斷報告后，結束試驗，整理試驗數據和試驗場地，完成試驗數據的分析。經過試驗數據的整理，試驗系統數據表如2所示。

表2 實驗數據表

通過以上試驗的基本數據可以得出，設計的三相配電線路故障診斷系統完成3 個線路狀態的診斷時間最短，傳統診斷系統2的診斷時間最長。設計的系統在完成任務時間內，系統電源消耗量最低，由于傳統診斷系統2 診斷時間最長，影響此系統的電池消耗量也最多，此數據反映設計的電池器件功能，電池可以將能量最大化。基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統運行負載峰值的比重也最低，在相同任務量下，系統運行的負載比重越大，代表系統單次可容納數據的規模越小，系統的運行基礎不穩定。

分析診斷系統的工作效率不僅僅要分析系統完成任務的時間，還要分析系統對于任務完成的準確度，得到的結果如圖7 所示。

觀察圖7 可以明顯地對比出，設計的基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統和傳統診斷系統1 對于任意3 個狀態的配電線路的診斷的誤差相比之下較低，且呈現下降的趨勢，但所設計系統的診斷誤差低于傳統診斷系統1，傳統系統2的診斷誤差始終高于文中系統的診斷誤差和傳統診斷系統1的誤差，驗證了文中系統診斷的精度較高。

圖7 試驗測試對比結果圖

綜上所述，基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統的工作效率、診斷準確度、精度全部達到了預期設計的目標，具有應用價值，可以投入使用。

4 結束語

通過文中方法完成基于多特征融合的三相配電線線路故障診斷系統的設計。在系統硬件區域，電源、處理器、主板為系統提供基本運行環境，電子互感器和電路控制器與系統的軟件區域進行交互，兩者相互調用，完成三相配電線路的故障診斷。對比傳統的故障診斷系統，設計系統的診斷方法一方面制定特定的信號處理流程，既減少系統的工作量，又為系統后期對三相配電線路故障診斷分析提供真實穩定的數據，以便集成高精度的三相配電線路故障診斷系統；另一方面將目前存在三相配電線路故障的特征進行集成歸納處理，提高系統對于故障狀態的三相配電線路故障狀態的響應速度，提高系統工作效率。通過文中設計，可以促進三相配電線路故障診斷系統的發展。