國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司 曹 宇

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一，根據(jù)安裝地點(diǎn)不同可分為戶外型與戶內(nèi)型。戶外高壓隔離開關(guān)因長(zhǎng)期受到外在環(huán)境的不良影響，其故障發(fā)生率相對(duì)更高。戶外高壓隔離開關(guān)的頻發(fā)故障主要有導(dǎo)電回路發(fā)熱、操作失靈、絕緣子斷裂以及表面銹蝕等。絕大多數(shù)戶外高壓隔離開關(guān)故障可通過(guò)電網(wǎng)運(yùn)維單位季節(jié)性檢查工作發(fā)現(xiàn)和消除。如運(yùn)維人員可通過(guò)紅外測(cè)溫等方式檢查導(dǎo)電回路是否發(fā)熱，通過(guò)采用圖譜識(shí)別或超聲波探傷等技術(shù)手段查找斷裂瓷瓶，但對(duì)于彈簧故障、機(jī)械堵塞等相對(duì)隱蔽的內(nèi)部機(jī)械故障，常規(guī)監(jiān)測(cè)手段不適用，需從高壓隔離開關(guān)的機(jī)理角度入手，構(gòu)建特定檢查方法[1]。

許多學(xué)者通過(guò)研究異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流特性及機(jī)構(gòu)故障間的關(guān)系，建立了新型高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法。文獻(xiàn)[2]提出主軸轉(zhuǎn)角時(shí)間特性與轉(zhuǎn)矩有關(guān)，當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)其特性曲線會(huì)有一定的變化，通過(guò)判別曲線可診斷是否出現(xiàn)機(jī)構(gòu)故障。但單個(gè)轉(zhuǎn)矩加旋轉(zhuǎn)角度（或時(shí)間軸）的精度不足以進(jìn)行故障檢測(cè)。因此對(duì)于高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障診斷較好的解決方案是構(gòu)建一個(gè)分類模型，通過(guò)綜合各種定子電流特征量來(lái)分析機(jī)構(gòu)的故障類型。

Frechet是一種用于評(píng)估空間序列曲線相似性的重要算法。該算法側(cè)重于利用空間中兩條曲線的路徑距離，以評(píng)估兩條曲線的相似性?；贔rechet距離算法的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法，可節(jié)省對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練過(guò)程，且無(wú)需提取電流或其他曲線的特征。高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作原理和診斷過(guò)程滿足對(duì)高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障的實(shí)際診斷要求，簡(jiǎn)便易行。

1 電機(jī)定子電流特性分析

工作原理。本文以供電系統(tǒng)輸配電中常用的GW4高壓隔離開關(guān)為例。這種隔離開關(guān)使用CX-6電氣機(jī)構(gòu)和三相異步電動(dòng)機(jī)。高壓隔離開關(guān)中使用的三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是：當(dāng)三相正弦電流流過(guò)定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生頻率為fp的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生sfp頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其中s是轉(zhuǎn)差率。通過(guò)該電動(dòng)勢(shì)可獲得高壓隔離開關(guān)工作期間的感應(yīng)電流，因此通過(guò)分析電流特性可評(píng)估高壓隔離開關(guān)是否存在機(jī)械故障。

電流信號(hào)采樣濾波設(shè)計(jì)。在高壓隔離開關(guān)打開和閉合過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)定子電流包含大量諧波分量，因此需要采樣濾波。為獲得理想信號(hào)，通過(guò)模擬低通濾波器對(duì)電流信號(hào)（連續(xù)非周期信號(hào)）進(jìn)行濾波以獲得離散非周期信號(hào)，然后對(duì)該離散信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以獲得離散非周期信號(hào)。高壓隔離開關(guān)正常工作時(shí)獲得的電流曲線如圖1，可看出閉合過(guò)程時(shí)間約為3.0s，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間約為0.2s。啟動(dòng)時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)高速切割固定轉(zhuǎn)子，從而使定子電流立即達(dá)到4.10A。

圖1 正常電流曲線

故障工作過(guò)程的動(dòng)作電流曲線分析。在對(duì)北京某變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，結(jié)合高壓隔離開關(guān)故障檢測(cè)的相關(guān)研究成果，將高壓隔離開關(guān)合閘過(guò)程中的典型故障分為三類：機(jī)械卡澀（T1）、彈簧失效（T2）以及開閉不充分（T3），其故障表現(xiàn)及故障原因分別為：電流有效值在穩(wěn)態(tài)工況下出現(xiàn)波峰（比正常工況高0.2A左右）、邊頻分量增大。表現(xiàn)為出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡澀時(shí)力矩增加，電機(jī)電流隨之上升；合閘的沖擊增大，對(duì)應(yīng)的電流在2.4s時(shí)比正常工況高0.3A左右，邊頻分量表現(xiàn)為不對(duì)稱。表現(xiàn)為彈簧失效，彈簧起不到平衡機(jī)構(gòu)的重力矩的作用，需增大力矩以完成合閘操作；在合閘過(guò)程的第2.4s，電流有效值明顯增益，比正常高0.5A左右，并且電流有效值波形有明顯的畸變，但邊頻量表現(xiàn)不明顯。表現(xiàn)為開閉不充分。

2 基于Frechet距離的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷

2.1 故障診斷設(shè)計(jì)過(guò)程

在高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障診斷中主要步驟為：獲取并分類典型故障曲線。從現(xiàn)場(chǎng)獲取大量高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作電流曲線，并對(duì)其進(jìn)行篩選和分類；建立各種故障的曲線模板。分析上述故障曲線并建立各種故障的曲線模板，用于后續(xù)測(cè)試曲線的相似性比較；計(jì)算Frechet距離。收集一條新故障曲線，計(jì)算該曲線與各種故障模板之間的Frechet距離；相似度比較。通過(guò)計(jì)算Frechet距離獲得新收集的斷層曲線與各種故障曲線間的相似度，并通過(guò)比較獲得相似度最高的故障曲線，并將其所屬的故障分類輸出為結(jié)果。故障診斷總體設(shè)計(jì)為：待測(cè)曲線/模板曲線-弗雷歇距離計(jì)算-相似度比較-結(jié)果輸出。

2.2 Frechet距離算法概述

1906年法國(guó)數(shù)學(xué)家Frechet提出空間距離的概念，后來(lái)將其稱為Frechet距離[2-4]。Frechet距離的提出為描述空間路徑的相似性提供了新思路，從而提高了空間中兩條曲線之間相似性的評(píng)估效率。Frechet距離的定義如下：

設(shè)存在度量空間L上的兩條連續(xù)曲線L1和L2，其中曲線L1和L2各滿足式L1:[0,1]→L和式L2:[0,1]→L。設(shè)α和β是單位區(qū)間[0,1]上的兩個(gè)重新參數(shù)化函數(shù)，且α和β滿足式α:[0,1]→[0,1]、β:[0,1]→[0,1]，曲 線L1和L2之 間 的Frechet距 離F(L1，L2)為F(L1,L2)=i nfmax{d(L1(α(t))),L2(β(t))}，其 中α,β∈[0,1]t∈[0,1]，d是L上的度量函數(shù)。Frechet距離的提出能夠?qū)⒖臻g中兩曲線之間的距離具體化，基于該思想，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩曲線相似性判斷的過(guò)程如圖3。

圖3 兩曲線相似性判斷流程圖

在圖1中，待測(cè)曲線L1和模板曲線L2的坐標(biāo)化是該兩曲線相似性判斷的基礎(chǔ)。P={p(1),p(2),...,p(n),...p(N)}為L(zhǎng)1、Q={q(1),q(2),...,q(m),...,q(M)}為L(zhǎng)2各采樣點(diǎn)的坐標(biāo)集合。其中p(n)=(xn,yn)，n為曲線L1上采樣點(diǎn)序號(hào)，滿足n∈[1,N]，xn和yn分別是采樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。其中，Q(m)=(x＊m,y＊m)，m為曲線L2上采樣點(diǎn)序號(hào)，滿足m∈[1,M]，x＊m和y＊

m分別是采樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。曲線L1和曲線L2之間的距離矩陣D1為L(zhǎng)1和L2上各采樣點(diǎn)之間距離形成的矩陣，如式（1）所示。其中，dmn為L(zhǎng)1上第n個(gè)點(diǎn)和L2上第m個(gè)點(diǎn)之間的距離，即。

L1和L2上兩點(diǎn)間最大距離dmax=max(D1)，最小距離為dmin=min(D1)。目標(biāo)距離f設(shè)置為dmin。并設(shè)置目標(biāo)距離f的循環(huán)增長(zhǎng)間隔r為，二值矩陣D2從矩陣D1變換而來(lái)。將矩陣D1中小于目標(biāo)距離f的元素設(shè)置為1，將矩陣D1中大于目標(biāo)距離f的元素設(shè)置為0即可得到二值矩陣D2，如式（2）所示。其中，D2矩陣元素值只能為0或1，n∈[1,N]，m∈[1,M]。

目標(biāo)間隔路徑R的有無(wú)，關(guān)系著在目標(biāo)距離f下能否找到曲線L1和曲線L2之間的Frechet距離。目標(biāo)間隔路徑R需滿足如下條件：R的起點(diǎn)為d′11，終點(diǎn)為d′MN；路徑在通過(guò)點(diǎn)d′mn后，其下一個(gè)通過(guò)點(diǎn)只能為d′（m＋1）n、d′m（n＋1）、d′（m＋1）（n＋1）中的一個(gè)；路徑R中所有點(diǎn)的值都必須為1。

2.3 Frechet距離在道岔故障診斷中的應(yīng)用

Frechet曲線距離的提出為計(jì)算兩條曲線間的相似度上開辟了一種新的比較方法。在對(duì)高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類和比較的過(guò)程中將對(duì)相似度進(jìn)行計(jì)算，并將相似度Z定義為Z=1/F，其中F為Frechet距離?？煽闯鱿嗨贫扰cFrechet距離成反比，即Frechet距離越小，兩條曲線之間的相似度越高。在對(duì)高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類和比較的過(guò)程中，故障模板曲線不同得到的Frechet距離和相似度也不同。對(duì)高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類即：比較獲得的Frechet距離和相似度的過(guò)程，然后通過(guò)該過(guò)程確定要測(cè)試的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障為相似度最高的模板曲線的模式。

3 應(yīng)用實(shí)例分析與驗(yàn)證

本次進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證時(shí)，將使用上述故障類型和圖2中的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障電流曲線作為計(jì)算Frechet距離的模板曲線。從北京某變電站的電力監(jiān)控系統(tǒng)中選取屬于T1的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的電源故障曲線作為測(cè)試曲線，使用本文提出的Frechet距離算法計(jì)算相似度，三種典型故障模型下診斷的相似度結(jié)果分別為3.71/2.73/3.32，可看出，待測(cè)故障曲線與對(duì)應(yīng)于T3故障的電流曲線的相似度最低，而對(duì)應(yīng)于T1故障的電流曲線的相似度最高，因此可確定這次診斷的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障為T1。這種類型的故障與預(yù)期的設(shè)置一致，表明可以使用Frechet距離算法能夠正確診斷高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障。

圖2 高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障狀態(tài)電流曲線圖

從北京某變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中選擇30條高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障曲線，即每種故障曲線的10條對(duì)其進(jìn)行批量驗(yàn)證，診斷結(jié)果正確度均為100%。由此可知，本文提出的采用Frechet距離計(jì)算的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法能夠正確診斷本文總結(jié)的三種典型故障，診斷準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

4 結(jié)論與不足

本文以高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷為研究方向。首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)研究成果，總結(jié)了高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)三種常見典型故障，并對(duì)其對(duì)應(yīng)的電流曲線進(jìn)行了列表和分析；其次針對(duì)高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷復(fù)雜、診斷準(zhǔn)確率低的缺點(diǎn)，提出通過(guò)計(jì)算Frechet距離判斷兩條曲線相似性，并將該方法應(yīng)用到高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷中，以三種常見典型故障曲線為模板，對(duì)采集故障曲線進(jìn)行了診斷；最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法能夠正確識(shí)別故障類型，能夠滿足高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)在實(shí)踐中的需要。

不足之處在于，本文收集的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障類型數(shù)量少，不能有效診斷所有故障曲線。在今后的研究中將進(jìn)一步收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，總結(jié)更多的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障曲線模型用于對(duì)其進(jìn)行故障診斷。