黃煒昭

（深圳供電局有限公司，深圳 518000）

由于公共建筑的能源應(yīng)用需要通過電氣設(shè)備來實現(xiàn)，其運行時間長，容易出現(xiàn)設(shè)備絕緣故障，降低電氣設(shè)備自身能源轉(zhuǎn)換能力，影響整個公共建筑的能源使用效果[1]。為此，對公共建筑中的電氣設(shè)備絕緣故障診斷進(jìn)行研究具有重要意義。

文獻(xiàn)[2]結(jié)合離散小波變換和混沌系統(tǒng)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建4 種不同類型的電力電纜絕緣故障。采用高速采集卡測量局部放電信號，通過離散小波變換對其進(jìn)行濾波。基于Lorenz 混沌系統(tǒng)，建立動態(tài)誤差散點圖。通過CNN 處理動態(tài)誤差散點圖，完成故障識別；文獻(xiàn)[3]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變壓器內(nèi)部故障診斷系統(tǒng)。構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采集變壓器內(nèi)參數(shù)，并通過故障診斷系統(tǒng)儲存，利用專家診斷技術(shù)，建立診斷模型分析數(shù)據(jù)，完成故障診斷。

為解決上述問題，設(shè)計了基于PSO 的公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)。

1 公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 絕緣故障診斷系統(tǒng)總體框架設(shè)計

公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)的主要功能是在公共建筑電氣設(shè)備能源轉(zhuǎn)換使用過程中，實時監(jiān)測電氣設(shè)備原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備的絕緣故障診斷。監(jiān)控部分為診斷部分的輔助，主要提供設(shè)備運行過程中的運行數(shù)據(jù)以及各項運行參數(shù)。絕緣故障診斷模塊主要負(fù)責(zé)接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)開展運行狀態(tài)檢測，完成電氣設(shè)備的絕緣故障診斷。公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)是由文件處理、參數(shù)設(shè)置、絕緣故障診斷、報表管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及系統(tǒng)幫助6 個硬件功能模塊構(gòu)成的。

1.2 絕緣故障診斷系統(tǒng)硬件功能模塊分析

1.2.1 文件處理模塊

在設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)中，文件處理模塊主要采用MPX5010 芯片檢測設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并將實時檢測數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，實施分段保存。

1.2.2 參數(shù)設(shè)置模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)標(biāo)定電氣設(shè)備的正常工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中包括電氣能源轉(zhuǎn)換值、電流值、電壓值以及轉(zhuǎn)換入口、出口等參數(shù)值的設(shè)定。利用LED 顯示屏顯示數(shù)據(jù)，ARM 微控制器控制模塊運行。

1.2.3 絕緣故障診斷模塊

該模塊為整個設(shè)備絕緣故障診斷的核心模塊，需要根據(jù)相關(guān)設(shè)備運行數(shù)據(jù)設(shè)置絕緣故障的故障類型，通過DSP 芯片處理故障數(shù)據(jù)，并通過子模塊對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉其中冗余數(shù)據(jù)、空值數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)的故障診斷精度。絕緣故障診斷子模塊則需要根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果以及其余參數(shù)設(shè)置結(jié)果，結(jié)合PSO算法完成整個設(shè)備能源轉(zhuǎn)換時設(shè)備絕緣故障診斷。

1.2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

該模塊主要用來實時監(jiān)控設(shè)備檢測數(shù)據(jù)，過程中使用RTC 芯片將數(shù)據(jù)通過時間以及設(shè)備進(jìn)行區(qū)分。由于設(shè)備運行時間較長[4-5]，因此監(jiān)控的數(shù)據(jù)以時間段為單位完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)通過SRAM 存儲器完成存儲后會自動傳輸進(jìn)數(shù)據(jù)庫模塊中，作為歷史數(shù)據(jù)輔助系統(tǒng)完成電氣設(shè)備絕緣故障的診斷。

1.2.5 報表管理模塊

該模塊主要面向用戶，負(fù)責(zé)用戶在該模塊內(nèi)查找設(shè)備檢修以及故障報表，了解設(shè)備過往故障情況以及故障檢修情況。通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器訪問該模塊，并根據(jù)需要打印，方便用戶查閱以及維修人員的維修方案確定。

1.2.6 系統(tǒng)幫助模塊

該模塊主要分成系統(tǒng)使用規(guī)則以及算法原理設(shè)置兩個部分。系統(tǒng)使用規(guī)則主要負(fù)責(zé)詳細(xì)介紹整個系統(tǒng)的使用流程，方便用戶學(xué)習(xí)；而算法原理設(shè)置，則負(fù)責(zé)詳細(xì)地介紹粒子群等絕緣故障檢修所需算法的算法原理，提升用戶自身水平。

2 公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于上述硬件功能模塊的功能分析結(jié)果，根據(jù)B/S 結(jié)構(gòu)確定公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，完成軟件流程設(shè)計，實現(xiàn)公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷。

2.1 應(yīng)用程序流程設(shè)計

電氣絕緣設(shè)備故障診斷系統(tǒng)主程序主要負(fù)責(zé)控制主程序下的各項子程序，其中包括上位機界面設(shè)計、數(shù)據(jù)采集流程、信號處理流程以及絕緣故障診斷流程，如圖1 所示。

圖1 電氣絕緣設(shè)備故障診斷系統(tǒng)主程序控制流程Fig.1 Main program control flow chart of fault diagnosis system of electrical insulation equipment

根據(jù)圖1 可知，系統(tǒng)在完成上電/復(fù)位初始化后，通過辨識明確是否需要采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)調(diào)用的終端服務(wù)程序完成電流以及電壓信號的采集。設(shè)定采樣點數(shù)量，完成信號預(yù)處理以及介損值tanδ的計算[6]。調(diào)用通信程序?qū)⒔閾p值通過現(xiàn)場總線輸入系統(tǒng)主機中，調(diào)用診斷程序判斷設(shè)備絕緣故障類型，并將結(jié)果傳輸至主要顯示界面完成診斷。

2.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時，需要設(shè)置數(shù)據(jù)的采集參數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡采集相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程中，LabWindows/CVI 通過I/O 接口獲取數(shù)據(jù)，在波形控件中顯示數(shù)據(jù)，并通過定時器在指定時間將采集數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程Fig.2 Flow chart of data collection program

2.3 信號處理流程

系統(tǒng)信號處理程序流程如圖3 所示。

圖3 信號處理程序流程Fig.3 Flow chart of signal processing program

根據(jù)圖3 可知，設(shè)備信號完成采集后，需要對信號進(jìn)行濾波處理，并利用信號加窗對連續(xù)信號進(jìn)行截取[7-9]，分析信號頻域特征以及時域特征，實現(xiàn)信號的特征提取。

2.4 絕緣故障診斷子程序設(shè)計

PSO 算法是基于自然界中群體智慧的行為原理，通過多個粒子的協(xié)同運動，搜索最優(yōu)解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在計算機中模擬了人類神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為方式。本文結(jié)合PSO 算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，診斷電氣設(shè)備絕緣故障，建立電氣設(shè)備運行狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。設(shè)定電氣設(shè)備運行狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中層級之間的連接變量為，網(wǎng)絡(luò)閾值為，層級之間的連接因子的表達(dá)式為

式中：d 表示輸入神經(jīng)元個數(shù)；k 為設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)總數(shù)量。

神經(jīng)元的輸出值y 的表達(dá)式為

建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，將網(wǎng)絡(luò)權(quán)重、閾值以及連接變量進(jìn)行處理，形成粒子群V，并采用實數(shù)編碼方法，獲取粒子群的全局最優(yōu)近似解。將最優(yōu)解粒子參數(shù)分配至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)，找出全局最佳解，實現(xiàn)設(shè)備的絕緣故障診斷。具體流程為

（1）設(shè)定PSO 算法參數(shù)。其中，粒子群規(guī)模為M，學(xué)習(xí)因子采用cn形式，amax為最大迭代次數(shù)，慣性權(quán)值表示為ζm。基于上述設(shè)定的參數(shù)隨機生成粒子群的第一代粒子，并默認(rèn)各個粒子的位置為種群最佳位置。amax、cn的計算如式（3）和式（4）所示：

（2）將粒子值通過編碼形式分配至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲取參數(shù)相應(yīng)閾值。

（3）建立適應(yīng)度函數(shù)，并通過其計算評估粒子，完成粒子更新，過程如公式（5）所示：

（4）基于粒子群的設(shè)定的最大迭代次數(shù)，完成粒子群的迭代更新，獲取粒子的全局最優(yōu)解，并將其輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)，獲取最終的全局最優(yōu)解，完成絕緣狀態(tài)的辨識，實現(xiàn)設(shè)備的絕緣故障診斷。

3 實驗分析

為了驗證設(shè)計的基于PSO 的公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行實驗。

在公共建筑電氣設(shè)備模擬實驗平臺中進(jìn)行實驗，選擇MATLAB 建模軟件，采集實際電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，建立電氣設(shè)備模型，調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬運行并分析。

將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于混沌系統(tǒng)和離散小波變換的故障診斷系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)，分別開展公共建筑電氣設(shè)備的絕緣故障診斷，以此驗證基于PSO 的故障診斷系統(tǒng)的有效性。

3.1 實驗指標(biāo)設(shè)置

基于上述3 種系統(tǒng)開展電氣設(shè)備絕緣故障診斷時，將絕緣故障位置信號振動幅值、電壓電流變化、絕緣故障診斷時間作為實驗指標(biāo)。對比3 種系統(tǒng)開展故障診斷時的故障位置振動幅值，與實際振動幅值波形越接近，證明系統(tǒng)的診斷效果越好。將絕緣故障發(fā)生后的電壓電流變化與實際情況進(jìn)行對比，電壓電流的變化情況與實際情況一致，表明系統(tǒng)的診斷精度高。絕緣診斷時間越短，表明系統(tǒng)的診斷效率越高。

3.2 電氣設(shè)備絕緣故障診斷效果

三種系統(tǒng)開展設(shè)備故障診斷時，對不同系統(tǒng)故障診斷過程中監(jiān)測的故障位置信號振動幅值展開測試，測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同系統(tǒng)的故障位置信號振動幅值測試結(jié)果Fig.4 Results of vibration amplitude test of fault position signals for different systems

分析圖4 可知，在開展電氣設(shè)備絕緣故障診斷時，兩個對比系統(tǒng)的設(shè)備故障位置信號振動幅值與實際信號振動幅值之間差距較大。而基于PSO 的故障診斷系統(tǒng)在故障診斷時，能夠精準(zhǔn)地檢測出設(shè)備故障位置信號振動幅值，表明故障診斷效果好。

3.3 電氣設(shè)備絕緣故障診斷精度

使用3 個系統(tǒng)開展設(shè)備絕緣故障診斷，對不同系統(tǒng)的故障診斷精度展開測試，不同系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣故障電流電壓變化狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 不同系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣故障電流電壓變化狀態(tài)Fig.5 Insulation fault current and voltage change state of electrical equipment in different systems

分析圖5 可知，在開展電氣設(shè)備絕緣故障診斷時，兩個對比系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣故障前后電流電壓變化狀態(tài)與實際電氣設(shè)備絕緣故障發(fā)生后的電流電壓狀態(tài)變化之間存在較大誤差。而基于PSO 的故障診斷系統(tǒng)開展電氣設(shè)備絕緣故障診斷時，檢測出的電氣設(shè)備絕緣故障前后電流電壓變化狀態(tài)與實際電氣設(shè)備絕緣故障發(fā)生后的電流電壓狀態(tài)變化曲線一致。由此可知，基于PSO 的故障診斷精度較高。

3.4 電氣設(shè)備絕緣故障診斷效率

繼續(xù)使用上述3 個系統(tǒng)開展電氣設(shè)備絕緣故障診斷，對不同系統(tǒng)的故障診斷效率展開測試，不同系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣故障診斷時間測試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣故障診斷時間測試結(jié)果Tab.1 Test results of electrical equipment in different systems

分析表1 可知，隨著設(shè)備線路長度的增加，電氣設(shè)備絕緣故障診斷時間隨之增加。當(dāng)設(shè)備線路長度達(dá)到7 m 時，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間為53 ms；基于混沌系統(tǒng)和離散小波變換的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間為55 ms；而基于PSO 的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間僅為51 ms。由此可知，基于PSO 的故障診斷系統(tǒng)具有較高的故障診斷效率。

4 結(jié)語

設(shè)計基于PSO 的公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)。確定系統(tǒng)的整體框架，詳細(xì)分析各個硬件模塊的功能應(yīng)用。根據(jù)硬件功能設(shè)計該系統(tǒng)的軟件程序，確定系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)流程，將硬件模塊與軟件程序?qū)崿F(xiàn)流程相結(jié)合，實現(xiàn)對公共建筑電氣設(shè)備絕緣故障的精準(zhǔn)診斷。