基于溫變的煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障診斷方法

姜效星

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

東曲煤礦原有變電站高壓設(shè)備故障診斷系統(tǒng)落后，維護(hù)、維修困難，無法實現(xiàn)高壓電氣設(shè)備故障的有效、實時診斷。本文對東曲煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障診斷方法進(jìn)行研究，達(dá)到變電站高壓電氣設(shè)備高效、連續(xù)、穩(wěn)定運行的目的。

1 溫變故障分析

煤礦變電站高壓電氣設(shè)備運行時由于電壓、電流的波動會引起不同程度的溫變效應(yīng)，導(dǎo)致電氣安全隱患和故障。高壓電氣設(shè)備的溫變效應(yīng)來源主要有電阻損耗溫變、電介質(zhì)損耗溫變以及鐵磁損耗溫變等，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生溫變反應(yīng)。

煤礦變電站高壓電氣設(shè)備的溫變故障有外部故障、內(nèi)部故障兩種。外部故障為可直接觀測的設(shè)備部位熱故障，如長期裸露接頭接觸不良引起過熱，連接件壓接不良或因氧化、腐蝕、灰塵等引起的局部過熱，因表面污穢或絕緣性降低造成過熱故障[1-4]。內(nèi)部故障為封閉在電氣設(shè)備內(nèi)部的電氣回路故障，如由于內(nèi)部電氣連接不良、絕緣老化、開裂或脫落等引起的缺油、放電、鐵損增大等。

煤礦變電站高壓電氣設(shè)備溫變故障危害極大，會導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能、機械性能、導(dǎo)體接觸性能降低，導(dǎo)致嚴(yán)重的高壓電氣設(shè)備安全事故。

2 溫變故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光纖光柵工作原理

以10 ms 長裸光纖照射，在光纖纖芯中發(fā)生折射，光波導(dǎo)內(nèi)移動的前向?qū)０l(fā)生耦合并向后反射及Bragg 反射。光纖Bragg 光柵的光學(xué)特征變量為Bragg 波長λB、反射光譜帶寬λΔB以及反射率R的最大值tanh2（KL），其中L為光柵長度，K為調(diào)制程度常數(shù)。當(dāng)光柵受外界溫度升降、應(yīng)力大小改變時，光纖的折射率、柵距也會隨之改變并產(chǎn)生軸向應(yīng)變力，Bragg 的波長隨溫度的變化呈線性增長或者減少[5-6]。以光纖光柵原理制成的光纖光柵傳感器既可傳感、也可傳輸，可構(gòu)成獨立的傳感體系，檢測技術(shù)為光電，傳輸方式為光信號，處理技術(shù)為高速數(shù)字技術(shù)，且不帶電，抗干擾能力強，可工作于有害的惡劣環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

以光纖光柵傳感器為基礎(chǔ)的煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如圖1，采用復(fù)合復(fù)用技術(shù)，設(shè)計多通道并列通行的光纖光柵傳感監(jiān)測方案，在提高監(jiān)測效率的同時增加傳感容量，達(dá)到實時、精確監(jiān)測的目的。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)由ASE 光源、F-P 濾波器、耦合器、光纖光柵傳感器陣列、多通道信號采集器、系統(tǒng)控制器等組成。F-P 濾波器可將ASE 寬帶光源調(diào)窄并完成波長掃描。多通道信號采集器會采集符合Bragg 反射條件的光波，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電壓放大、電壓過濾及調(diào)整，將采集并處理后的電壓數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制器。該電壓數(shù)據(jù)即為光柵波長的移動值，通過該值可計算各位置的溫度。

圖1 溫變故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3 溫變故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋、可實現(xiàn)輸入與輸出間非線性映射關(guān)系的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，常用于故障診斷。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型如圖2，分為輸入層、隱含層以及輸出層三層結(jié)構(gòu)，其中，x1、x2...xn為輸入值，y1、y2...ym為輸出值，ω1、ω2...ωi為鍵結(jié)值。數(shù)據(jù)經(jīng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型學(xué)習(xí)、訓(xùn)練后對鍵結(jié)值進(jìn)行調(diào)優(yōu)，降低輸出值的系統(tǒng)誤差。該網(wǎng)絡(luò)按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄟM(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力較強。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型

3.2 D-S 證據(jù)理論

根據(jù)D-S（Dempster-Shafer）證據(jù)理論可知，概率不必滿足可加性且具有表達(dá)不確定性的能力，可將信任留給識別框架。D-S 證據(jù)理論的核心概念有識別框架、信任函數(shù)、合成規(guī)則三部分。

1）識別框架

定義參數(shù)θ，可能的取值集合為I，則定義I為識別框架。D-S 證據(jù)理論的基本概率分配為：定義Mass 函數(shù)m（·）為基本概率分配函數(shù)，由2I映射至[0,1]，且滿足式（1）、（2），A為識別框架I的集合。

2）信任函數(shù)

定義T（·）為信任函數(shù)，在識別框架I下基于基本概率分配的信任函數(shù)定義為式（3）：

其中B為事件A的子集。

3）合成規(guī)則

合成規(guī)則的功能為合并多個信任函數(shù)，達(dá)到融合觀測數(shù)據(jù)的目的。假定有兩種數(shù)據(jù)檢測模式，基于事件A的基本概率分配函數(shù)分別定義為m1（A）、m2（A），則合成規(guī)則定義為式 （4）及式（5）：

其中：⊕為合成規(guī)則符號；m1（C）為檢測模式1 對事件C的基本概率分布函數(shù)；m2（D）為檢測模式2 對事件D的基本概率分布函數(shù)；K為歸一化系數(shù)，表征組合證據(jù)的沖突程度，K為1 表示2個證據(jù)完全相容，K為0 表示2 個證據(jù)完全沖突，0 ＜K＜1 表示兩個證據(jù)部分相容。

3.3 BP 與D-S 融合方案

煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障類型復(fù)雜、檢測難度大，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效實現(xiàn)故障映射關(guān)系且不依賴于模型，容錯性較好，通過大樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)可提高BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力并提高系統(tǒng)故障識別率。結(jié)合D-S 證據(jù)理論可清晰反映不確定數(shù)據(jù)信息且可有效表現(xiàn)推理規(guī)則的特點，將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S 證據(jù)理論融合對煤礦變電站高壓電氣設(shè)備溫變故障進(jìn)行分析并實現(xiàn)高效故障診斷。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S 證據(jù)理論特征融合結(jié)構(gòu)如圖3。首先，完成BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專一性訓(xùn)練；然后，將光纖光柵傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入至訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到各故障（無故障、短路故障、介損過大、絕緣損壞、內(nèi)部受潮、未知故障）的基本概率分配；最后基于D-S 證據(jù)理論進(jìn)行推理并獲得最終的融合結(jié)果。

圖3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S 證據(jù)理論特征融合結(jié)構(gòu)

4 試驗分析

4.1 試驗準(zhǔn)備

煤礦變電站光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖4，包括高壓開關(guān)柜、光纜終端盒、傳輸光纜、光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)以及監(jiān)控主機五個子系統(tǒng)。將光纖光柵傳感器布置于1#～3#高壓開關(guān)柜內(nèi)，對布置處溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，同時將溫度數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸光纜、光纜終端盒傳送至光纖光柵信號解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解析、計算和邏輯處理并在監(jiān)控主機中實時顯示。

在煤礦變電站1#～3#高壓柜內(nèi)部，光纖光柵傳感器布置如圖5，每個高壓開關(guān)柜內(nèi)各布置12 個光纖光柵溫度傳感器。可安裝于接觸點或者母排處，對以上各處溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。

圖5 煤礦變電站光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)布置

4.2 溫度檢測試驗

對煤礦變電站高壓電氣設(shè)備進(jìn)行溫變試驗并采集溫變數(shù)據(jù)，實際測試時設(shè)置三個布拉格光柵檢測反射光譜，利用三個光纖光柵傳感器對反射光譜進(jìn)行區(qū)分，解調(diào)后的部分高壓電氣設(shè)備實際溫度見表1。可將表1 中數(shù)據(jù)輸入至設(shè)計好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，作為基礎(chǔ)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。

表1 實時溫度分析報告

4.3 故障診斷試驗

根據(jù)D-S 證據(jù)理論對煤礦變電站高壓電氣設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)性跟蹤，并對設(shè)備故障以及故障類型進(jìn)行合理診斷。安裝在1#～3#高壓柜內(nèi)的光纖光柵傳感器實時獲取溫度差、電壓電流等數(shù)據(jù)，構(gòu)成信息源1、信息源2 以及信息源3。將信息源分別傳入設(shè)計的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練并提取特征數(shù)據(jù)，構(gòu)成特征子集1～3。采用D-S 證據(jù)理論決策方法對特征子集1-3 數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)性跟蹤，診斷結(jié)果見表2。設(shè)備未知故障概率持續(xù)降低，該故障診斷方案能夠很好地適應(yīng)煤礦高壓電氣設(shè)備的故障診斷。

表2 煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障類型診斷結(jié)果

5 結(jié)語

基于光纖光柵傳感器原理及工作特性設(shè)計的多通道并列式光纖光柵溫變監(jiān)測系統(tǒng)，用于煤礦變電站高壓電氣設(shè)備的溫變監(jiān)測及故障診斷，對監(jiān)測的溫變數(shù)據(jù)進(jìn)行BP、D-S 證據(jù)理論分析，有效診斷煤礦變電站高壓電氣設(shè)備故障狀態(tài)，消除高壓電氣設(shè)備運行過程中的安全隱患，提升了煤礦變電站高壓電氣設(shè)備運行的穩(wěn)定性、安全性。