曹海歐,孟屹華,黃 翔,崔 玉,潘 琪
(1.江蘇省電力有限公司 電力調(diào)度控制中心,南京 210000; 2.江蘇省電力有限公司 蘇州供電公司,江蘇 蘇州 215000)
快速滅弧開關(guān)是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的控制與保護(hù)元件,也是變電站內(nèi)電氣動(dòng)作與機(jī)械動(dòng)作最頻繁的部件,快速滅弧開關(guān)的安全、可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)具備至關(guān)重要的作用??焖贉缁¢_關(guān)以空氣為絕緣介質(zhì),滅弧能力強(qiáng),成本低,便于維修,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,廣泛應(yīng)用于中、高壓電力系統(tǒng)中,功能等同于斷路開關(guān)[1]?,F(xiàn)有代表方法主要包括基于支持向量機(jī)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法與基于PHM(fault prediction and health management,故障預(yù)測(cè)與健康管理)技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法?;谥С窒蛄繖C(jī)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,它可以對(duì)快速滅弧開關(guān)故障進(jìn)行良好的分類,從而為故障診斷技術(shù)向智能化方向發(fā)展提供了新的思路[2]。介紹了支持向量機(jī)分類算法,并將其應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域,并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation neural network,反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))分類方法進(jìn)行了比較。基于PHM技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法是在故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種智能快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測(cè)和診斷的方法,利用最小冗余最大相關(guān)原則,對(duì)原始特征集進(jìn)行降維處理,得到最佳故障特征子集;實(shí)現(xiàn)快速滅弧開關(guān)故障診斷。然而,由于快速滅弧開關(guān)的數(shù)量較多,以往監(jiān)測(cè)方法既浪費(fèi)時(shí)間,又耗費(fèi)較高的費(fèi)用。為此,如何有效地監(jiān)測(cè)快速滅弧開關(guān)故障,是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵[3]。
現(xiàn)有快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累,在大數(shù)量快速滅弧開關(guān)情況下存在著故障監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差的缺陷,為此提出基于多元狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法研究,為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供更加有效的保障[4]。
為了保障快速滅弧開關(guān)在線監(jiān)測(cè)的全面性,利用多元狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取快速滅弧開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)。
快速滅弧開關(guān)每個(gè)組成部分結(jié)構(gòu)的差別顯著,故障特征的可觀測(cè)性與特征量也存在著較大的不同,為此,將振動(dòng)傳感器合理地布置在開關(guān)各個(gè)組成部分,即可得到快速滅弧開關(guān)多元故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置[5]。
快速滅弧開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 快速滅弧開關(guān)結(jié)構(gòu)圖
振動(dòng)傳感器選取PCB公司生產(chǎn)的352C33型振動(dòng)傳感器,其參數(shù)如表1所示。
表1 振動(dòng)傳感器參數(shù)表
將80個(gè)振動(dòng)傳感器均勻地分布在快速滅弧開關(guān)的八個(gè)部分,每個(gè)部分分布10個(gè)振動(dòng)傳感器,以此為基礎(chǔ),感知快速滅弧開關(guān)多元狀態(tài)[6]。
通過多元狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得了快速滅弧開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào),因開關(guān)所處環(huán)境的影響,且震動(dòng)傳感器會(huì)帶來一定干擾,容易造成多元開關(guān)振動(dòng)信號(hào)噪聲。為了精確地監(jiān)測(cè)快速滅弧開關(guān)故障,需要處理開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)[7]。
目前的多元振動(dòng)信號(hào)去噪方法主要有傅里葉分析法、低通濾波法等,它們都會(huì)導(dǎo)致噪聲信號(hào)有用部分的丟失,因此本文采用小波變換來處理開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)[8]。切換多階振動(dòng)信號(hào)具有非平穩(wěn)性,常規(guī)噪聲為高頻成分,而小波變換能對(duì)信號(hào)的低頻、高頻部分進(jìn)行分解,保持信號(hào)本身的結(jié)構(gòu)特征[9]。
基于小波變換方法的開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)降噪處理示意圖如圖2所示。
圖2 原始信號(hào)頻譜圖與降噪信號(hào)頻譜圖對(duì)比
具體開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)診斷方法步驟如下。
步驟一:小波包分解開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)。通過時(shí)域到頻域的變換,確定多元振動(dòng)信號(hào)的分解層次和小波基,對(duì)原始多元振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行N層小波包分解。需要注意的是,多元振動(dòng)信號(hào)具有衰減振蕩特點(diǎn),在時(shí)域內(nèi)具備緊致性,則在頻域內(nèi)具備衰減性的小波基[10]。
步驟二:采用門限閾值形式量化處理小波包分解系數(shù)[11]。常規(guī)情況下,閾值分為硬閾值與軟閾值。若閾值過大,有用信號(hào)特征會(huì)丟失;若閾值過小,噪聲濾除效果差。
步驟三:對(duì)開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包逆變換重構(gòu)[12]。
步驟四:依據(jù)小波包逆變換重構(gòu)結(jié)果診斷故障。
在快速滅弧開關(guān)運(yùn)行過程中,零件間或零件間發(fā)生多次碰撞和摩擦,振動(dòng)信號(hào)的極值時(shí)刻能夠反映零件的故障信息,是快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵[13]。
提取開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)特征因子,最核心的步驟是求取多元振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)過程,提取振動(dòng)信號(hào)極值時(shí)刻[14]。設(shè)定此研究多元振動(dòng)信號(hào)最小間隔為0.3 s,振動(dòng)信號(hào)幅值閾值為2 m/s2。
以獲取的開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)極值時(shí)刻為基礎(chǔ),構(gòu)建開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)能量矩陣,為了更好地提取開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)特征因子[15],基于時(shí)間軸計(jì)算IMF(inherent mode function,固有模態(tài)函數(shù))能量特征,具體特征因子提取過程如下:
首先,計(jì)算IMF能量特征與多元振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù),表示為:
(1)
公式(1)中,ρ表示的是相關(guān)系數(shù);ci(t)表示的是IMF能量特征;μci表示的是IMF能量特征系數(shù);s(t)表示的是多元振動(dòng)信號(hào);μs表示的是多元振動(dòng)信號(hào)系數(shù);σci與σs分別表示的是IMF能量特征與多元振動(dòng)信號(hào)的參與分量。
快速滅弧開關(guān)狀態(tài)主要分為8種,分別為正常狀態(tài)、高壓故障、低壓故障、導(dǎo)電臂松動(dòng)、連桿松動(dòng)、觸頭松動(dòng)、底座螺栓松動(dòng)以及槽鋼松動(dòng)[16]。依據(jù)公式(1)提取主要的IMF分量,計(jì)算每個(gè)構(gòu)成部分與多元振動(dòng)信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù),具體數(shù)值如表2所示。
表2 每個(gè)IMF分量與振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)表
依據(jù)表2數(shù)據(jù),計(jì)算IMF分量的能量距,計(jì)算公式為:
(2)
公式(2)中,k表示的是采樣點(diǎn);Δt表示的是采樣周期;Ci表示的是IMF時(shí)間序列[17]。
以上述提取的開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)特征因子為基礎(chǔ),單路振動(dòng)信號(hào)特征因子很難明確快速滅弧開關(guān)故障的位置,為此融合多元特征因子[18]。
為了形象表示振動(dòng)信號(hào)特征因子,采用曲線圖形式描述振動(dòng)信號(hào)特征因子,如圖3所示。
圖3 振動(dòng)信號(hào)特征因子曲線圖
如圖3所示,IMF能量距可以反映出IMF能量空間分布情況以及反映IMF能量的大小,有助于快速滅弧開關(guān)故障的定位[19]。對(duì)于快速滅弧開關(guān)來說,不同故障的多元特征因子存在著顯著的差距。但是,某些振動(dòng)信號(hào)特征因子差別較小,導(dǎo)致多元特征因子融合后的特征向量精準(zhǔn)性較差,為此,需要對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化[20]。
快速滅弧開關(guān)故障位置的融合規(guī)則是:利用特征加權(quán)優(yōu)化多元特征因子[21],輸入多元特征因子樣本集,在集合中選擇一個(gè)樣本,計(jì)算其與其他樣本之間的歐式距離,以此為基礎(chǔ),判斷樣本的差異性,若差異性較大,保留該特征因子,反之,則刪除該特征因子。將保留的振動(dòng)信號(hào)特征因子融合,最終輸出多元特征權(quán)重向量W[22]。
首先,訓(xùn)練開關(guān)正常狀態(tài)與故障樣本數(shù)據(jù),得到k+1個(gè)超球面,其中,k表示的是故障類型數(shù)量;1是開關(guān)正常狀態(tài)數(shù)量。若數(shù)據(jù)不屬于k+1個(gè)超球面內(nèi),則將認(rèn)為開關(guān)屬于“Else”故障,以此來補(bǔ)充快速滅弧開關(guān)故障類型,為后續(xù)的監(jiān)測(cè)提供幫助[23]。這種方式還可以提升監(jiān)測(cè)方法在故障類別不完備的情況下監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。
在快速滅弧開關(guān)故障診斷過程中,評(píng)判函數(shù)為:
(3)
式(3)中,R表示的是k+1個(gè)超球面空間;a表示的是常數(shù)。則開關(guān)故障決策值為:
(4)
依據(jù)式(4)的結(jié)果,診斷快速滅弧開關(guān)的故障類型,診斷規(guī)則如表3所示。
表3 快速滅弧開關(guān)故障診斷規(guī)則表
綜上所述,實(shí)現(xiàn)了基于多元狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障的在線監(jiān)測(cè),為快速滅弧開關(guān)的可靠運(yùn)行提供保障,從而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
為了驗(yàn)證提出快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法的實(shí)時(shí)性,設(shè)計(jì)仿真對(duì)比測(cè)試?,F(xiàn)有代表方法主要包括基于支持向量機(jī)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法與基于PHM技術(shù)的快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法。為了展示提出方法的性能,利用對(duì)比研究方法,具體測(cè)試過程如下所示。
為了保障測(cè)試的順利進(jìn)行,首要的任務(wù)就是選取唯一的測(cè)試對(duì)象——電子電磁式快速滅弧開關(guān)。測(cè)試自變量為快速滅弧開關(guān)數(shù)量,范圍為30~150個(gè)。測(cè)試對(duì)象連接方法如圖4所示。
圖4 測(cè)試對(duì)象連接圖
如圖4所示,快速滅弧開關(guān)以并聯(lián)方式連接在電力系統(tǒng)中,這樣可以保障在某一個(gè)快速滅弧開關(guān)故障的情況下,電力系統(tǒng)可以利用其他的快速滅弧開關(guān)達(dá)到滅弧的目的,保障電力系統(tǒng)的順利運(yùn)行。
依據(jù)圖4選取的測(cè)試對(duì)象——電子電磁式快速滅弧開關(guān)進(jìn)行仿真對(duì)比測(cè)試,通過實(shí)時(shí)性表現(xiàn)方法的性能。
快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法的實(shí)時(shí)性決定著方法的監(jiān)測(cè)性能,實(shí)時(shí)性越好,表明方法的性能越好。快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法實(shí)時(shí)性主要由快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測(cè)時(shí)間決定,其計(jì)算公式為:
Ts=Ts1+Ts2+Ts3
(5)
式(3)中,Ts表示的是快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測(cè)時(shí)間;Ts1表示的是開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)間;Ts2表示的是多元特征因子融合時(shí)間;Ts3表示的是快速滅弧開關(guān)故障診斷時(shí)間。
常規(guī)情況下,快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測(cè)時(shí)間T越短,表明方法實(shí)時(shí)性越好,反之,則方法實(shí)時(shí)性越差。
開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理是開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)的第一步,也是方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過測(cè)試得到開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)間對(duì)比情況如表4所示。
表4 開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)間對(duì)比情況表
如表4數(shù)據(jù)顯示,提出方法的開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法,其最小值可以達(dá)到0.56 s。
通過測(cè)試得到多元特征因子融合時(shí)間對(duì)比情況如表5所示。
表5 多元特征因子融合時(shí)間對(duì)比情況表
如表5數(shù)據(jù)顯示,提出方法的多元特征因子融合時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法,其最小值可以達(dá)到1.00 s,節(jié)省操作時(shí)間,多元針對(duì)信號(hào)處理效果較好。
通過測(cè)試得到快速滅弧開關(guān)故障診斷時(shí)間對(duì)比情況如表6所示。
表6 快速滅弧開關(guān)故障診斷時(shí)間對(duì)比情況表
如表6數(shù)據(jù)顯示,提出方法的快速滅弧開關(guān)故障診斷時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于現(xiàn)有代表方法,其最小值可以達(dá)到2.00 s。
快速滅弧開關(guān)具備良好的滅弧性能,可以防止電火花的產(chǎn)生。常用的快速滅弧開關(guān)主要有三種,分別為電子電磁式快速滅弧開關(guān)、油式快速滅弧開關(guān)與壓氣快速滅弧式負(fù)荷開關(guān)。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)快速滅弧開關(guān)的可靠性進(jìn)行過世界范圍內(nèi)的調(diào)查,我國(guó)也對(duì)快速滅弧開關(guān)事故進(jìn)行過大量的統(tǒng)計(jì)研究。經(jīng)過調(diào)查與研究表明,快速滅弧開關(guān)故障多數(shù)是由操作機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的,以往對(duì)快速滅弧開關(guān)的監(jiān)測(cè)是在設(shè)備交接或者停電期間進(jìn)行,通過快速滅弧開關(guān)狀態(tài)判斷,維修或者更換快速滅弧開關(guān)。提出方法的開關(guān)多元振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)間、多元特征因子融合時(shí)間與快速滅弧開關(guān)故障診斷時(shí)間均小于現(xiàn)有代表方法,表明提出方法的快速滅弧開關(guān)故障監(jiān)測(cè)時(shí)間較短,具備更好的實(shí)時(shí)性,可以為快速滅弧開關(guān)的可靠性、安全性提供更加有效的保障。但是,由于仿真對(duì)比測(cè)試快速滅弧開關(guān)數(shù)量取值范圍的有限性,導(dǎo)致測(cè)試具有一定的局限性,為此,需要對(duì)快速滅弧開關(guān)故障在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究。