基于Mask R-CNN 的電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)

杜海紅，陳黎明，王冬冬，石 卓

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽合肥 230041；2.國(guó)網(wǎng)阜陽(yáng)供電公司，安徽阜陽(yáng) 236000；3.國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，安徽合肥 230061）

檢測(cè)關(guān)鍵電力設(shè)備時(shí)，載波技術(shù)的實(shí)施不受所選應(yīng)用元件的限制，只要有電線，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸[1]。然而電力載波信號(hào)的波動(dòng)能力較強(qiáng)，當(dāng)其波動(dòng)水平超過(guò)既定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)造成電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)失準(zhǔn)問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，有學(xué)者根據(jù)極化/去極化電流法原則，計(jì)算電容器絕緣狀態(tài)下的特征參量，通過(guò)求解載波信號(hào)波動(dòng)系數(shù)的方法確定賦值參量的取值區(qū)間[2]。然而該方法在提升電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)準(zhǔn)確性方面的促進(jìn)作用相對(duì)較弱。

Mask R-CNN 是一個(gè)實(shí)例分割算法，其應(yīng)用目的在于將所得目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果分割成多個(gè)關(guān)聯(lián)成分。在構(gòu)建主體網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，主機(jī)元件會(huì)同時(shí)定義多個(gè)Mask R-CNN節(jié)點(diǎn)樣本以供下級(jí)設(shè)備元件選擇，由于關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次之間的連接關(guān)系滿(mǎn)足深度殘差篩選原則，因此隨著待測(cè)對(duì)象存儲(chǔ)量的增大，網(wǎng)絡(luò)主體中的信息互傳關(guān)系不會(huì)發(fā)生改變[3-4]。Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)體系增大了輸入節(jié)點(diǎn)的連接個(gè)數(shù)，在協(xié)調(diào)目標(biāo)對(duì)象之間信息傳輸關(guān)系的同時(shí)，求解Mask 指標(biāo)參量的具體數(shù)值，不但能夠避免數(shù)據(jù)信息文本出現(xiàn)過(guò)度溢出的情況，還可以更改輸出節(jié)點(diǎn)所處的位置，節(jié)約目標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸時(shí)長(zhǎng)。為此，文中將該方法應(yīng)用于電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中，以?xún)?yōu)化電力關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)效果。

1 Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型

檢測(cè)電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型負(fù)責(zé)定義具體的電力載波信號(hào)編碼協(xié)議，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間布局形式調(diào)節(jié)Align 節(jié)點(diǎn)所處的連接位置，將RPN 協(xié)議進(jìn)行獨(dú)立處理，使得整個(gè)協(xié)議作用區(qū)域成為樣本空間，以保證R-CNN 網(wǎng)絡(luò)主體能夠?qū)d波信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確提取[5-6]。完整的Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型布局結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

由于Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建以R-CNN網(wǎng)絡(luò)主體為基礎(chǔ)，因此Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型保留了R-CNN 網(wǎng)絡(luò)主體對(duì)于載波信號(hào)的處理能力。

2 電力設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)

2.1 定義小波基

在電力系統(tǒng)中，電力載波信號(hào)的傳輸行為與正弦波類(lèi)似，但由于信號(hào)波段中包含了大量的振蕩成分，直接檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)幅值無(wú)限擴(kuò)張[7]。而小波基樣本的選取則可以將信號(hào)波段中的振蕩成分完全挑選出來(lái)，在保證信號(hào)樣本傳輸完整性的同時(shí)，將賦值波動(dòng)量控制在既定數(shù)值范圍之內(nèi)，定義式如下：

其中，χ表示正弦波動(dòng)系數(shù)，c表示電力載波信號(hào)的完整度特征，Z表示振蕩樣本取值系數(shù)，取值區(qū)間為[1,N]，α表示電力載波信號(hào)的波動(dòng)指數(shù)。小波基定義作為檢測(cè)電力設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵步驟，不但可以將波段振蕩成分提取出來(lái)，還可以將這些信號(hào)參量整合成數(shù)據(jù)集合的形式，從而減少主機(jī)元件提取檢測(cè)樣本時(shí)對(duì)波段振蕩參量的二次識(shí)別次數(shù)[8]。

2.2 電力載波暫態(tài)系數(shù)

電力載波暫態(tài)系數(shù)可以分析載波信號(hào)的傳輸能力。在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型中，由于小波基樣本值始終保持不變，因此,檢測(cè)主機(jī)可以根據(jù)電力載波暫態(tài)系數(shù)取值結(jié)果判斷電力關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[9-10]。設(shè)a1,a2,…,an表示n個(gè)不相等的小波基樣本特征，且a1,a2,…,an均不等于0 的取值條件同時(shí)成立。

設(shè)λ表示載波信號(hào)暫態(tài)判別系數(shù)，s表示載波信號(hào)波動(dòng)向量的初始賦值，?表示載波傳輸信號(hào)的分類(lèi)系數(shù)，由此得到電力載波暫態(tài)系數(shù)求解結(jié)果為：

為穩(wěn)定電力載波信號(hào)在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型中的傳輸能力，要求暫態(tài)系數(shù)取值應(yīng)屬于(0,1]的數(shù)值區(qū)間。

2.3 電量阻抗特征

電量阻抗特征是指電力關(guān)鍵設(shè)備對(duì)載波信號(hào)波動(dòng)傳輸特性的抑制作用能力，在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型中，由于電力載波暫態(tài)系數(shù)的取值區(qū)間相對(duì)較為局限，因此阻抗特征指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值越大，表示電力關(guān)鍵設(shè)備對(duì)載波信號(hào)波動(dòng)傳輸特性的抑制作用能力越強(qiáng)[11-12]。電量阻抗特征求解表達(dá)式為：

式中，ΔG表示電力載波信號(hào)的單位輸出總量，f表示信號(hào)波段劃分系數(shù)，γ表示波幅導(dǎo)向量，φ表示波頻導(dǎo)向量。電量阻抗特征的求解需要以電力載波暫態(tài)系數(shù)為基礎(chǔ)，因此在定義計(jì)算表達(dá)式時(shí)，要求導(dǎo)向量γ、φ的取值參考波動(dòng)系數(shù)等于1 時(shí)的信號(hào)傳輸波動(dòng)特性。

2.4 連續(xù)閾值區(qū)間

連續(xù)閾值區(qū)間是一個(gè)不間斷的閾值指標(biāo)取值范圍，在該區(qū)間內(nèi)，電力載波信號(hào)的波動(dòng)能力相對(duì)較弱，故而波動(dòng)特征參量的取值始終等于1。在不考慮最小閾值節(jié)點(diǎn)、最大閾值節(jié)點(diǎn)的情況下，可認(rèn)為連續(xù)閾值區(qū)間內(nèi)的電力載波信號(hào)的波動(dòng)特征取值完全相等。規(guī)定在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型中，閾值節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)小于零表示求解連續(xù)閾值區(qū)間時(shí)，該節(jié)點(diǎn)不在參考范圍之內(nèi)[13-14]。設(shè)Imin表示最小閾值節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)，Imax表示最大閾值節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)，其取值均小于0。由此，將連續(xù)閾值區(qū)間定義式表示為：

2.5 奇異值檢測(cè)系數(shù)

奇異值檢測(cè)系數(shù)影響電力載波信號(hào)的分布狀態(tài)，在連續(xù)閾值區(qū)間內(nèi)，奇異值指標(biāo)的取值越大，載波信號(hào)的分布越集中。在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型連接形式保持不變的情況下，奇異值檢測(cè)系數(shù)求解受到階段載波值、波段檢測(cè)參量?jī)身?xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[15-16]。

設(shè)E1、E2表示兩個(gè)不相等的階段載波值，且E1∈W、E2∈W的取值條件恒成立，表示載波E1與E2的平均值，若電力關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)保持不變，則階段載波值取值也保持不變。波段檢測(cè)參量可表示為，在連續(xù)閾值區(qū)間內(nèi)，系數(shù)取值恒大于自然數(shù)1。

奇異值檢測(cè)系數(shù)定義式為：

式中，θ表示載波運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估系數(shù)。對(duì)于電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)應(yīng)以Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，在聯(lián)合小波基參量、電量阻抗特征等物理指標(biāo)的同時(shí)，完成對(duì)奇異值檢測(cè)系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)奇異值檢測(cè)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選擇LTC2943CDD-1#TRPBF 型號(hào)的電量計(jì)元件作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將其與ADE7758ARW 邏輯器相連，置于220 V 的電壓環(huán)境中，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得電力回路中的電流等于22.3 A。表1 所示為實(shí)驗(yàn)相關(guān)器件的參數(shù)情況。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

利用Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型控制搭載Win 10 操作系統(tǒng)的檢測(cè)主機(jī)，將主機(jī)元件接入電力檢測(cè)回路中，閉合控制開(kāi)關(guān)，所得變量記為實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)；將各個(gè)電力設(shè)備示數(shù)歸零，斷開(kāi)控制開(kāi)關(guān)；利用極化/去極化電流法控制實(shí)驗(yàn)主機(jī)，再次閉合控制開(kāi)關(guān)，所得變量記為對(duì)照組數(shù)據(jù)；對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

電力載波信號(hào)波動(dòng)幅度用來(lái)描述電力主機(jī)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備元件運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)能力。在圖2 所示電量回路中，電力載波信號(hào)的波動(dòng)幅度越大，表示傳輸信號(hào)的波動(dòng)能力越強(qiáng)，此情況下，電力主機(jī)更難實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備元件運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

圖2 電量回路

圖3 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電力載波信號(hào)波幅在正、負(fù)傳輸方向上的數(shù)值變化情況（時(shí)間軸上半部分表示電力載波信號(hào)在正傳輸方向上的波動(dòng)幅值，下半部分表示電力載波信號(hào)在負(fù)傳輸方向上的波動(dòng)幅值）。

圖3 實(shí)驗(yàn)組波動(dòng)幅值

分析圖3 可知，實(shí)驗(yàn)組電力載波信號(hào)在正傳輸方向上的波幅最大值為16.7 dB，在負(fù)傳輸方向上的波幅最大值為15.9 dB，二者差值僅為0.8 dB。

分析圖4 可知，對(duì)照組電力載波信號(hào)的傳輸頻率與實(shí)驗(yàn)組一致。對(duì)照組電力載波信號(hào)在正傳輸方向上的波幅最大值為21.5 dB，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，增大了4.8 dB；電力載波信號(hào)在負(fù)傳輸方向上的波幅最大值為28.0 dB。

圖4 對(duì)照組波動(dòng)幅值

綜合圖3 和圖4 可知，對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，增大了12.1 dB。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組電力載波信號(hào)在正、負(fù)傳輸方向上的波幅差值為6.5 dB，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平，即實(shí)驗(yàn)組方法對(duì)于電力載波信號(hào)波動(dòng)傳輸行為的控制能力更強(qiáng)。

綜上可知，基于Mask R-CNN 的檢測(cè)方法能夠有效控制電力載波信號(hào)在正、負(fù)傳輸方向上的波動(dòng)情況，使其波幅呈現(xiàn)出較為對(duì)稱(chēng)的分布狀態(tài)，且可以將波幅數(shù)值保持在較低水平。即所提方法能夠更好地解決因載波信號(hào)大幅波動(dòng)而造成的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)失準(zhǔn)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

在Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，電力關(guān)鍵設(shè)備載波運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法重新定義了小波基向量，聯(lián)合電力載波暫態(tài)系數(shù)求解電量阻抗特征，通過(guò)建立連續(xù)閾值區(qū)間的方法，確定奇異值檢測(cè)系數(shù)的取值范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效控制電力載波信號(hào)的波動(dòng)能力，解決因載波信號(hào)大幅波動(dòng)而造成的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)失準(zhǔn)問(wèn)題，對(duì)于維護(hù)電力關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起到一定的促進(jìn)作用。