基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷

龍全喜

（滕州高級技工學(xué)校，山東棗莊 277599）

0 引言

電網(wǎng)設(shè)備故障診斷是電網(wǎng)設(shè)備定期檢修和故障檢修的重要前提，快速準(zhǔn)確地診斷是保障電力設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。通過采集故障數(shù)據(jù)，提取故障特征，找出發(fā)生故障的設(shè)備并分析原因，使電網(wǎng)運(yùn)維人員能夠更加快速準(zhǔn)確地對電網(wǎng)二次設(shè)備進(jìn)行診斷和維修[2]。電力設(shè)備的長期運(yùn)行會使設(shè)備運(yùn)行的安全性下降，隨即導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障的情況變多[3]。傳統(tǒng)的電力設(shè)備診斷方法診斷時間過長，其診斷技術(shù)已不再適用于目前的電力設(shè)備。因此，快速準(zhǔn)確地診斷出各個設(shè)備的故障，進(jìn)行設(shè)備維修與更新，避免發(fā)生嚴(yán)重的事故，基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷的研究十分必要。提出基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷。處理電網(wǎng)二次設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，拓展數(shù)據(jù)庫告警信息，分析異常警報(bào)。基于多源圖像信息提取故障特征，利用紅外圖像和泄漏電流波形圖像，獲得多種故障特征。

1 基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷

1.1 處理電網(wǎng)二次設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)

在電力輸送的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下，考慮控制二次回路，以及電網(wǎng)的負(fù)荷能力，出于安全性的考慮，實(shí)行嵌入式的二次設(shè)備監(jiān)測[4]。利用傳感器對二次設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過電信號傳輸，得到原始二次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并對可能發(fā)生的故障提前制定預(yù)防性解決方案。以電網(wǎng)系統(tǒng)中的告警和變位報(bào)文等為監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的主要研究對象，二次設(shè)備的監(jiān)測分為分布式和集中式兩種，電力設(shè)備的運(yùn)行具有不同的狀態(tài)，對報(bào)文的處理按照相應(yīng)的序列規(guī)則，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對告警特征進(jìn)行分類，以保證報(bào)文不被中斷，避免發(fā)生誤報(bào)的情況。首先要過濾掉已經(jīng)檢修過的信息，對存在誤報(bào)或信息不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決多次告警的問題。在告警中嵌入動作保護(hù)模式，擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫告警信息，完成在線告警信息處理，分析出漏報(bào)與誤報(bào)的異常警報(bào)，總結(jié)電網(wǎng)中各二次設(shè)備的故障原因，形成故障問題診斷思路。

1.2 基于多源圖像信息提取故障特征

電力設(shè)備紅外圖像和泄漏電流波形圖像含有豐富的設(shè)備信息，通過提取不同的故障特征，分析不同特征下的電力二次設(shè)備故障診斷原理，為故障診斷打下基礎(chǔ)。以互感器為例，在其拍攝過程中容易受到紅外設(shè)備及外部噪聲干擾，使紅外圖像中有大量脈沖噪聲等。紅外拍攝時受到線路的影響導(dǎo)致圖像不清晰，需要對紅外圖像進(jìn)行降噪，對關(guān)鍵部位進(jìn)行分割提取。二次設(shè)備溫度特征是設(shè)備故障診斷普遍使用的特征量，其本身特征明顯、直觀，容易獲取。像素溫度分布較廣，為了更好地提取表征互感器故障狀態(tài)的特征量，需要得到互感器的關(guān)鍵部位具體溫度。選取互感器的最大值和最小值，以最大溫升和平均溫度作為互感器故障診斷的有效特征量。紋理特征較為明顯，也是常見的提取特征量，由于互感器的表面溫度不同，使圖像中的顯示區(qū)域的亮度也有所不同，當(dāng)區(qū)域之間具有較大的溫差時，這些區(qū)域邊界紋理特征明顯，為紋理特征的互感器故障診斷提供了可能。通過灰度—梯度共生矩陣對紋理特征進(jìn)行提取，其處理過程公式：

式（1）和（2）分別為梯度和灰度的歸一化處理，式中（X，Y）和w（X，Y）分別為像素點(diǎn)（X，Y）的梯度值和灰度值，其中qmax和wmax分別為最大梯度值和灰度值，Kq和Kw是梯度級與灰度級最大值。式（3）為歸一化的灰度—梯度矩陣，式中Bi和Bi是原圖像大小，R′（m，n）是共生矩陣R 第（m，n）個像素點(diǎn)的值。根據(jù)共生矩陣提取紅外圖像參數(shù)。泄漏電流波形圖像信息在采集和傳輸過程中會有部分噪聲混入真實(shí)信號中，是影響信號檢測和分析的重要因素，其中白噪聲對泄漏電流信號影響最大，它是降噪重點(diǎn)。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對泄漏電流進(jìn)行去噪，其原理是按照信號的上下波動趨勢分別在不同的尺度條件下分解成特征信息不同的本征模態(tài)函數(shù)，再進(jìn)行降噪，降噪后大多數(shù)噪聲干擾已被濾除，但也存在著高頻部分真實(shí)信號特征信息誤去除的情況，因此，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法與小波閾值去噪相結(jié)合，能夠避免泄漏電流信息的丟失。利用等值附鹽密度與互感器泄漏電流的關(guān)系，提取有效反映互感器污穢故障的特征量。對泄漏電流進(jìn)行時域分析時，其有效值是普遍研究的特征量，針對自然條件下的泄漏電流信號，其有效值公式為：

式中Cf為泄漏電流的采樣值，N 為泄漏電流信號采樣點(diǎn)數(shù)。通過計(jì)算泄漏電流的有效值，將泄漏電流最大值作為絕緣子污穢故障診斷的有效特征量。通過對不同污穢程度的電流波形圖像進(jìn)行處理，互感器在不同污穢程度下的泄漏電流各次諧波呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，在重度污穢故障下的泄漏電流高次諧波變化更加明顯，因此將泄漏電流總的諧波畸變率作為互感器故障診斷的有效特征量。

1.3 建立多目標(biāo)優(yōu)化的故障診斷模型

通過多目標(biāo)優(yōu)化方法，將原有的規(guī)劃模型進(jìn)行分解重構(gòu)，建立帶約束的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對故障診斷問題向多目標(biāo)優(yōu)化問題的轉(zhuǎn)化，設(shè)置保護(hù)動作期望狀態(tài)。設(shè)e1為二次設(shè)備的u 的動作保護(hù)，e2為u 的近后備保護(hù)，e3為u 的遠(yuǎn)后備保護(hù)，h 為刀閘操作狀態(tài)，保護(hù)I（e3，u）為遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍內(nèi)的二次設(shè)備的鄰近設(shè)備集合，當(dāng)二次設(shè)備發(fā)生故障時，動作保護(hù)和近后備保護(hù)均拒動或鄰近設(shè)備集合發(fā)生故障時，遠(yuǎn)后備保護(hù)的動作期望為：

式中?代表邏輯運(yùn)算的或。在二次設(shè)備中一般設(shè)有互感器失靈保護(hù)，E（id）為所有驅(qū)動互感器id跳閘的動作集合，當(dāng)id拒動時，互感失靈保護(hù)應(yīng)該響應(yīng)，其動作期望為：

基于分析結(jié)果，形成可能故障區(qū)域，在故障區(qū)域中確定設(shè)備故障備集，并確定對應(yīng)的保護(hù)集合，對保護(hù)規(guī)則解析，進(jìn)行約束處理。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

以電網(wǎng)中二次設(shè)備的電壓互感器為研究對象，針對電壓互感器的3 種常見但難以發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，運(yùn)用提出的方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面分別針對電壓互感器的3 種故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)備故障分別是漂移偏差、固定偏差和變比偏差。突變類故障包括固定偏差、變比偏差等，如果變比發(fā)生突發(fā)性變化，互感器輸出信號波形也會隨之畸變。為簡化研究，設(shè)定3 種偏差較為緩慢的變化，對3 種故障信號進(jìn)行診斷和定位，仿真時間設(shè)為0.3 s，采樣頻率為12 kHz，且設(shè)定電壓互感器在同一時刻只發(fā)生一種故障，將故障發(fā)生時間設(shè)定在0.2 s，仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖1 所示。

圖1 3 種故障診斷仿真

由圖1 可知，在經(jīng)過降噪處理后，漂移偏差含有噪聲的原始信號變得光滑有效，可以看出在第0.2 s 時發(fā)生故障，與之前設(shè)定的故障發(fā)生時間一致，固定偏差性故障和變比偏差診斷過程與漂移偏差的診斷過程相同，其診斷結(jié)果與設(shè)定相同，說明故障診斷和定位有效，具有可行性。

上述診斷方法能夠有效去除噪聲干擾，較好地進(jìn)行漂移偏差性故障、固定偏差性故障、變比偏差性故障的識別判斷和檢測定位，仿真驗(yàn)證了本方法具有可靠性，能夠良好地進(jìn)行二次設(shè)備的故障診斷。

3 結(jié)束語

在已有研究的基礎(chǔ)上，在監(jiān)測設(shè)備故障的處理上有了一定的進(jìn)展，對于故障信息的采集以及設(shè)備故障的診斷取得了一定的研究成果，但還有許多問題需要在后續(xù)研究中不斷解決。如建立電網(wǎng)二次設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息采集平臺；在電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷中，綜合海量的多維信息，進(jìn)行多決策融合診斷；更深入研究電網(wǎng)二次設(shè)備的并發(fā)故障和多故障聯(lián)動現(xiàn)象，提出更加有效的診斷方法。