基于LSTM的高壓輸電電纜接頭溫度異常預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬超

（國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司，新疆昌吉 831100）

在供電系統(tǒng)中，由于接觸電阻、過(guò)載等因素，各連接部位溫度升高，使其在接頭處的絕緣性能降低，若發(fā)生故障時(shí)可能出現(xiàn)燃燒、坍塌現(xiàn)象，極易引起火災(zāi)，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)極大安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)蛊髽I(yè)被迫停產(chǎn)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。從事故原因來(lái)看，由于電纜中間接頭制作工藝不過(guò)關(guān)，接頭壓力不夠大，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)引起電纜接頭發(fā)熱，引起絕緣燒毀，從而引起嚴(yán)重的事故，因此必須從源頭上防止安全事故。同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)采集、預(yù)測(cè)、分析、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)故障進(jìn)行快速判斷，并進(jìn)行故障預(yù)警，以防止事故發(fā)生。因此，提出一種基于超高頻RFID 技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)通過(guò)使用RFID 技術(shù)向溫度傳感器中傳遞電纜接頭溫度，同時(shí)向用戶APP 中傳輸溫度信息，使維修人員及時(shí)查看異常情況；使用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，結(jié)合超文本傳輸協(xié)議請(qǐng)求方式訂閱云平臺(tái)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)電纜接頭溫度。在同類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中均會(huì)受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的影響，出現(xiàn)預(yù)警效果不佳的問(wèn)題，為此提出了基于LSTM 的高壓輸電電纜接頭溫度異常預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。長(zhǎng)短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）是針對(duì)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期依賴性而設(shè)計(jì)的一種時(shí)間周期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式，是一種類似于重復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)結(jié)構(gòu)。

1 高壓輸電電纜接頭溫度場(chǎng)分析

由于接頭部分和電纜部分的半徑不發(fā)生變化，所以通過(guò)參數(shù)電阻率來(lái)控制連接點(diǎn)接觸電阻[10-11]。為了方便分析接觸電阻對(duì)接頭電纜溫度場(chǎng)的影響，引入中間接頭和電纜部分單位長(zhǎng)度電阻比值系數(shù)c。

中間接頭和電纜部分線芯溫度隨比例系數(shù)變化關(guān)系如圖1 所示。

圖1 中間接頭和電纜部分線芯溫度隨比例系數(shù)變化關(guān)系

由圖1 可知，兩條直線相交點(diǎn)即為求解的比例系數(shù)，低于該系數(shù)時(shí)，電纜接頭能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行；高于該系數(shù)時(shí)，電纜接頭存在被擊穿隱患。

2 預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

由于電纜長(zhǎng)期處于高電壓、大電流的環(huán)境中，受到過(guò)載、絕緣老化、接頭失效等因素影響，使電纜溫度超出極限。若不能及時(shí)檢測(cè)出故障，將會(huì)對(duì)電纜壽命產(chǎn)生直接影響[12]。因此，采用LSTM 技術(shù)對(duì)高壓輸電電纜接頭溫度異常情況進(jìn)行報(bào)警，使操作人員能夠及時(shí)了解其工作狀態(tài)，從而提高電纜運(yùn)行安全性。

2.1 DS18B20溫度傳感器

DS18B20 溫度傳感器能夠?qū)⑷繑?shù)據(jù)集成到電路傳輸通道內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 DS18B20溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，DS18B20 溫度傳感器直接接入電容器中進(jìn)行供電，在此過(guò)程中使用三線制的方式。DS18B20 溫度傳感器在溫度作用下，減法計(jì)數(shù)器從預(yù)定數(shù)字開始計(jì)數(shù)，該數(shù)值會(huì)持續(xù)發(fā)生改變，直到降到0 為止，不再發(fā)生改變[13]。持續(xù)重復(fù)上述步驟，直到溫度寄存器數(shù)值均達(dá)到所測(cè)試的溫度為止。

2.2 預(yù)警終端

預(yù)警終端安裝在分接箱的線纜接頭上，用以測(cè)量電纜接頭的溫度和電流。因?yàn)榻泳€箱中有大量連接器，所以在每一個(gè)接口上都裝有一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的預(yù)警終端，這樣會(huì)產(chǎn)生投資大、拖延預(yù)警檢測(cè)失效的負(fù)面影響[14]。為此，使用了一種利用GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)各終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與處理的方法。由于預(yù)警終端和數(shù)據(jù)集中器都是感應(yīng)式供電，因此能夠很好地解決電力供應(yīng)困難的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)使用低功率短距離無(wú)線通信技術(shù)，解決了高電壓隔離問(wèn)題，并能使預(yù)警終端和數(shù)據(jù)集中器之間的數(shù)據(jù)高效傳送。

研究結(jié)果顯示在出院前階段觀察組患者自我護(hù)理能力分?jǐn)?shù)(61.21±7.76)與對(duì)照組(60.11±8.54)無(wú)顯著差異(t=0.515,P>0.05),而出院后3個(gè)月的兩組患者的分?jǐn)?shù)均顯著高于出院前階段(t=3.517,P<0.05),同時(shí)出院后階段觀察組分?jǐn)?shù)(89.52±7.71)顯著高于對(duì)照組(78.14±7.76)(t=5.057,P<0.05)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

系統(tǒng)長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，施加負(fù)載超出了電纜載流量，接頭溫度也會(huì)隨之升高，存在一定的安全隱患。為此提出了基于LSTM 的預(yù)警方法，對(duì)高壓輸電電纜接頭溫度異常進(jìn)行預(yù)警。

使用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方式對(duì)接頭初始溫度進(jìn)行分解處理，獲取多個(gè)子序列。具體如下所示：將服從正態(tài)分布的高斯白噪聲加入到電纜接頭溫度初始序列中，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[15]。尋找添加噪聲后序列中所有局部極值點(diǎn)，使用差值函數(shù)擬合求得上、下包絡(luò)線序列，并求取平均值，得到均值序列，如下：

式中，x(t)表示上包絡(luò)線序列；y(t)表示下包絡(luò)線序列。添加噪聲后的序列與均值序列的差值即為中間序列h(t)，判斷中間序列是否滿足本征模函數(shù)，如果滿足，則將其定義為函數(shù)1，否則將其視為新的序列，以此類推直到對(duì)全部序列完成模態(tài)分解為止。將全部分解結(jié)果進(jìn)行幾何平均處理，用來(lái)抵消加入白噪聲所帶來(lái)的幅值影響[16]。

構(gòu)建LSTM 網(wǎng)絡(luò)單元，使用該單元對(duì)分解得到的子序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果整合后獲取接頭在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的溫度值。LSTM 具有三個(gè)門限，分別是遺忘門、更新門和輸出門，這些門限均是當(dāng)前時(shí)刻輸入特征和上一時(shí)刻短期記憶的函數(shù)，使循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的記憶功能。通常情況下，LSTM 具有三種狀態(tài)，分別是候選態(tài)、細(xì)胞態(tài)和存儲(chǔ)器，基于上述LSTM 網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，在t時(shí)刻LSTM 訓(xùn)練過(guò)程能夠通過(guò)以下交互層實(shí)現(xiàn)：

式中，x0(t)表示初始序列；En表示待訓(xùn)練的參數(shù)矩陣；λn表示待訓(xùn)練偏置項(xiàng)。每個(gè)控制門權(quán)重可通過(guò)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練而得到，由此可獲取LSTM 預(yù)警模型，如圖3 所示。

圖3 LSTM預(yù)警模型

在外界環(huán)境溫度不同的情況下，高壓輸電電纜接頭溫度存在較大偏差，為此必須使用預(yù)測(cè)日的天氣預(yù)報(bào)最高、最低溫度值。當(dāng)電流流過(guò)接頭溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，可用公式表示為：

式中，I表示電流值；R表示電阻值；t為時(shí)間。由于接頭溫度過(guò)高與電流有關(guān)，提取接頭溫度信息時(shí)，使用小波變換法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征變換，獲取溫度變化趨勢(shì)信號(hào)，得到內(nèi)外溫差數(shù)據(jù)，可用一維矩陣表示：

式中，Tan表示接頭線芯溫度；Tbn表示接頭外表面溫度。

設(shè)溫度上限為δ，根據(jù)檢測(cè)的溫度是否超出溫度上限為判斷依據(jù)。當(dāng)ΔTc大于設(shè)定閾值時(shí)，說(shuō)明電纜接頭溫度異常，可用紅色輸出結(jié)果來(lái)表示；當(dāng)ΔTc接近設(shè)定閾值時(shí)，說(shuō)明電纜接頭溫度有異常跡象，可用黃色輸出結(jié)果來(lái)表示；當(dāng)ΔTc小于設(shè)定閾值時(shí)，說(shuō)明電纜接頭溫度正常，可用綠色輸出結(jié)果來(lái)表示。

依據(jù)上述構(gòu)建的預(yù)警模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行溫度異常檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)高壓輸電電纜接頭溫度預(yù)警。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 測(cè)試過(guò)程

在系統(tǒng)性能測(cè)試過(guò)程中，對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)處理。先把線纜拉直，再拆下線纜的外殼。用小刀、剝線鉗依次切割電纜外護(hù)套、銅屏蔽層、半導(dǎo)體層、絕緣層、導(dǎo)體屏蔽層。具體操作流程為：將電纜外殼兩端分別剝?nèi)?50 mm 和450 mm；從線芯頂端開始量取到300 mm，剝離銅罩；從線芯頂端開始量取到240 mm，剝離半導(dǎo)體層；從芯線頂端開始量取360 mm，將主絕緣層剝離，使芯線暴露。在絕熱部位切割一條30°的凹槽，然后打磨。

設(shè)定剝線機(jī)的送料深度，即可精確地將半導(dǎo)體與主絕緣層分離。剝線時(shí)，主要絕緣層會(huì)產(chǎn)生不均勻波紋和褶皺。因此用砂紙把絕緣層磨平滑，然后用線纜清潔紙清洗絕緣層。線纜預(yù)處理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 電纜預(yù)處理結(jié)構(gòu)圖

由圖4 可知，電纜經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，具有一定絕緣性，方便進(jìn)行測(cè)試研究。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)溫度測(cè)量結(jié)果的正確性，使用電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行恒溫試驗(yàn)。首先設(shè)定烘干箱的溫度，再利用紅外成像和溫度傳感器對(duì)烘干箱溫度進(jìn)行檢測(cè)，并與烘干箱中設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，以確認(rèn)紅外成像和溫度傳感器測(cè)溫精度。

利用紅外成像儀進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，要將光標(biāo)與溫度傳感器位置對(duì)齊，以獲取圖像，測(cè)溫裝置如圖5所示。

圖5 測(cè)溫裝置

采用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，將溫度傳感器置于箱內(nèi)，由CC2530 芯片和串口通信模塊將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)直接上載至計(jì)算機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.3 溫度測(cè)試分析

以上述紅外成像儀檢測(cè)的溫度為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別使用基于超高頻RFID 技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于LSTM 預(yù)警系統(tǒng)對(duì)比分析溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 三種系統(tǒng)溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析

由圖6 可知，使用基于超高頻RFID 技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)溫度所繪制的曲線與實(shí)際溫度曲線不一致，而使用基于LSTM 預(yù)警系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)溫度所繪制的曲線與實(shí)際溫度曲線基本一致，只存在0.2 ℃的最大誤差。通過(guò)該系統(tǒng)能夠直接反映出接頭溫度，有效監(jiān)視電纜接頭溫度變化情況，使系統(tǒng)具有良好的預(yù)警效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

從高壓輸電電纜實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，借助溫度傳感器設(shè)備，設(shè)計(jì)基于LSTM 的高壓輸電電纜接頭溫度異常預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試對(duì)電纜接頭實(shí)際運(yùn)行溫度進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際需求，在電纜接頭被擊穿前及時(shí)做出預(yù)警。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)雖然能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)溫度，但仍然存在問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。目前該系統(tǒng)只是針對(duì)電纜接頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比較單一，如果要對(duì)接頭運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)可能需要增加其他檢測(cè)指標(biāo)，例如濕度、粉塵，因此以該問(wèn)題為研究項(xiàng)目繼續(xù)展開深入分析。