基于多元状态感知监测技术的快速灭弧开关故障在线监测

曹海欧，孟屹华，黄 翔，崔 玉，潘 琪

(1.江苏省电力有限公司 电力调度控制中心，南京 210000； 2.江苏省电力有限公司 苏州供电公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

快速灭弧开关是电力系统中关键的控制与保护元件，也是变电站内电气动作与机械动作最频繁的部件，快速灭弧开关的安全、可靠运行对电力系统具备至关重要的作用。快速灭弧开关以空气为绝缘介质，灭弧能力强，成本低，便于维修，结构简单，广泛应用于中、高压电力系统中，功能等同于断路开关[1]。现有代表方法主要包括基于支持向量机的快速灭弧开关故障在线监测方法与基于PHM(fault prediction and health management，故障预测与健康管理)技术的快速灭弧开关故障在线监测方法。基于支持向量机的快速灭弧开关故障在线监测方法是一种基于统计学习理论的机器学习算法，它可以对快速灭弧开关故障进行良好的分类，从而为故障诊断技术向智能化方向发展提供了新的思路[2]。介绍了支持向量机分类算法，并将其应用于故障诊断领域，并与BP神经网络(back propagation neural network，反向传播神经网络)分类方法进行了比较。基于PHM技术的快速灭弧开关故障在线监测方法是在故障预测和健康管理技术的基础上，提出了一种智能快速灭弧开关故障监测和诊断的方法，利用最小冗余最大相关原则，对原始特征集进行降维处理，得到最佳故障特征子集；实现快速灭弧开关故障诊断。然而，由于快速灭弧开关的数量较多，以往监测方法既浪费时间，又耗费较高的费用。为此，如何有效地监测快速灭弧开关故障，是保障电力系统安全运行的关键[3]。

现有快速灭弧开关故障在线监测方法缺乏足够的数据积累，在大数量快速灭弧开关情况下存在着故障监测实时性差的缺陷，为此提出基于多元状态感知监测技术的快速灭弧开关故障在线监测方法研究，为电力系统稳定运行提供更加有效的保障[4]。

1 快速灭弧开关故障在线监测方法研究

1.1 快速灭弧开关多元状态感知

为了保障快速灭弧开关在线监测的全面性，利用多元状态感知监测技术获取快速灭弧开关多元振动信号。

快速灭弧开关每个组成部分结构的差别显著，故障特征的可观测性与特征量也存在着较大的不同，为此，将振动传感器合理地布置在开关各个组成部分，即可得到快速灭弧开关多元故障监测点位置[5]。

快速灭弧开关结构如图1所示。

图1 快速灭弧开关结构图

振动传感器选取PCB公司生产的352C33型振动传感器，其参数如表1所示。

表1 振动传感器参数表

将80个振动传感器均匀地分布在快速灭弧开关的八个部分，每个部分分布10个振动传感器，以此为基础，感知快速灭弧开关多元状态[6]。

1.2 开关多元振动信号处理

通过多元状态感知监测技术获得了快速灭弧开关多元振动信号，因开关所处环境的影响，且震动传感器会带来一定干扰，容易造成多元开关振动信号噪声。为了精确地监测快速灭弧开关故障，需要处理开关多元振动信号[7]。

目前的多元振动信号去噪方法主要有傅里叶分析法、低通滤波法等，它们都会导致噪声信号有用部分的丢失，因此本文采用小波变换来处理开关多元振动信号[8]。切换多阶振动信号具有非平稳性，常规噪声为高频成分，而小波变换能对信号的低频、高频部分进行分解，保持信号本身的结构特征[9]。

基于小波变换方法的开关多元振动信号降噪处理示意图如图2所示。

图2 原始信号频谱图与降噪信号频谱图对比

具体开关多元振动信号诊断方法步骤如下。

步骤一：小波包分解开关多元振动信号。通过时域到频域的变换，确定多元振动信号的分解层次和小波基，对原始多元振动信号进行N层小波包分解。需要注意的是，多元振动信号具有衰减振荡特点，在时域内具备紧致性，则在频域内具备衰减性的小波基[10]。

步骤二：采用门限阈值形式量化处理小波包分解系数[11]。常规情况下，阈值分为硬阈值与软阈值。若阈值过大，有用信号特征会丢失；若阈值过小，噪声滤除效果差。

步骤三：对开关多元振动信号进行小波包逆变换重构[12]。

步骤四：依据小波包逆变换重构结果诊断故障。

1.3 开关多元振动信号特征因子提取

在快速灭弧开关运行过程中，零件间或零件间发生多次碰撞和摩擦，振动信号的极值时刻能够反映零件的故障信息，是快速灭弧开关故障在线监测的关键[13]。

提取开关多元振动信号特征因子，最核心的步骤是求取多元振动信号的包络过程，提取振动信号极值时刻[14]。设定此研究多元振动信号最小间隔为0.3 s，振动信号幅值阈值为2 m/s2。

以获取的开关多元振动信号极值时刻为基础，构建开关多元振动信号能量矩阵，为了更好地提取开关多元振动信号特征因子[15]，基于时间轴计算IMF(inherent mode function，固有模态函数)能量特征，具体特征因子提取过程如下：

首先，计算IMF能量特征与多元振动信号的相关系数，表示为：

(1)

公式(1)中，ρ表示的是相关系数；ci(t)表示的是IMF能量特征；μci表示的是IMF能量特征系数；s(t)表示的是多元振动信号；μs表示的是多元振动信号系数；σci与σs分别表示的是IMF能量特征与多元振动信号的参与分量。

快速灭弧开关状态主要分为8种，分别为正常状态、高压故障、低压故障、导电臂松动、连杆松动、触头松动、底座螺栓松动以及槽钢松动[16]。依据公式(1)提取主要的IMF分量，计算每个构成部分与多元振动信号之间的相关系数，具体数值如表2所示。

表2 每个IMF分量与振动信号的相关系数表

依据表2数据，计算IMF分量的能量距，计算公式为：

(2)

公式(2)中，k表示的是采样点；Δt表示的是采样周期；Ci表示的是IMF时间序列[17]。

1.4 多元特征因子融合

以上述提取的开关多元振动信号特征因子为基础，单路振动信号特征因子很难明确快速灭弧开关故障的位置，为此融合多元特征因子[18]。

为了形象表示振动信号特征因子，采用曲线图形式描述振动信号特征因子，如图3所示。

图3 振动信号特征因子曲线图

如图3所示，IMF能量距可以反映出IMF能量空间分布情况以及反映IMF能量的大小，有助于快速灭弧开关故障的定位[19]。对于快速灭弧开关来说，不同故障的多元特征因子存在着显著的差距。但是，某些振动信号特征因子差别较小，导致多元特征因子融合后的特征向量精准性较差，为此，需要对其进行一定的优化[20]。

快速灭弧开关故障位置的融合规则是：利用特征加权优化多元特征因子[21]，输入多元特征因子样本集，在集合中选择一个样本，计算其与其他样本之间的欧式距离，以此为基础，判断样本的差异性，若差异性较大，保留该特征因子，反之，则删除该特征因子。将保留的振动信号特征因子融合，最终输出多元特征权重向量W[22]。

1.5 快速灭弧开关故障诊断

首先，训练开关正常状态与故障样本数据，得到k+1个超球面，其中，k表示的是故障类型数量；1是开关正常状态数量。若数据不属于k+1个超球面内，则将认为开关属于“Else”故障，以此来补充快速灭弧开关故障类型，为后续的监测提供帮助[23]。这种方式还可以提升监测方法在故障类别不完备的情况下监测的精准性。

在快速灭弧开关故障诊断过程中，评判函数为:

(3)

式(3)中，R表示的是k+1个超球面空间；a表示的是常数。则开关故障决策值为：

(4)

依据式(4)的结果，诊断快速灭弧开关的故障类型，诊断规则如表3所示。

表3 快速灭弧开关故障诊断规则表

综上所述，实现了基于多元状态感知监测技术的快速灭弧开关故障的在线监测，为快速灭弧开关的可靠运行提供保障，从而确保电力系统的稳定运行。

2 仿真实验分析

为了验证提出快速灭弧开关故障在线监测方法的实时性，设计仿真对比测试。现有代表方法主要包括基于支持向量机的快速灭弧开关故障在线监测方法与基于PHM技术的快速灭弧开关故障在线监测方法。为了展示提出方法的性能，利用对比研究方法，具体测试过程如下所示。

2.1 实验测试准备

为了保障测试的顺利进行，首要的任务就是选取唯一的测试对象——电子电磁式快速灭弧开关。测试自变量为快速灭弧开关数量，范围为30～150个。测试对象连接方法如图4所示。

图4 测试对象连接图

如图4所示，快速灭弧开关以并联方式连接在电力系统中，这样可以保障在某一个快速灭弧开关故障的情况下，电力系统可以利用其他的快速灭弧开关达到灭弧的目的，保障电力系统的顺利运行。

依据图4选取的测试对象——电子电磁式快速灭弧开关进行仿真对比测试，通过实时性表现方法的性能。

2.2 测试评估指标选取

快速灭弧开关故障在线监测方法的实时性决定着方法的监测性能，实时性越好，表明方法的性能越好。快速灭弧开关故障在线监测方法实时性主要由快速灭弧开关故障监测时间决定，其计算公式为:

Ts=Ts1+Ts2+Ts3

(5)

式(3)中，Ts表示的是快速灭弧开关故障监测时间；Ts1表示的是开关多元振动信号处理时间；Ts2表示的是多元特征因子融合时间；Ts3表示的是快速灭弧开关故障诊断时间。

常规情况下，快速灭弧开关故障监测时间T越短，表明方法实时性越好，反之，则方法实时性越差。

2.3 开关多元振动信号处理时间分析

开关多元振动信号处理是开关故障在线监测的第一步，也是方法的关键环节。通过测试得到开关多元振动信号处理时间对比情况如表4所示。

表4 开关多元振动信号处理时间对比情况表

如表4数据显示，提出方法的开关多元振动信号处理时间远远的低于现有代表方法，其最小值可以达到0.56 s。

2.4 多元特征因子融合时间分析

通过测试得到多元特征因子融合时间对比情况如表5所示。

表5 多元特征因子融合时间对比情况表

如表5数据显示，提出方法的多元特征因子融合时间远远的低于现有代表方法，其最小值可以达到1.00 s，节省操作时间，多元针对信号处理效果较好。

2.5 快速灭弧开关故障诊断时间分析

通过测试得到快速灭弧开关故障诊断时间对比情况如表6所示。

表6 快速灭弧开关故障诊断时间对比情况表

如表6数据显示，提出方法的快速灭弧开关故障诊断时间远远的低于现有代表方法，其最小值可以达到2.00 s。

3 结束语

快速灭弧开关具备良好的灭弧性能，可以防止电火花的产生。常用的快速灭弧开关主要有三种，分别为电子电磁式快速灭弧开关、油式快速灭弧开关与压气快速灭弧式负荷开关。国际大电网会议对快速灭弧开关的可靠性进行过世界范围内的调查，我国也对快速灭弧开关事故进行过大量的统计研究。经过调查与研究表明，快速灭弧开关故障多数是由操作机构导致的，以往对快速灭弧开关的监测是在设备交接或者停电期间进行，通过快速灭弧开关状态判断，维修或者更换快速灭弧开关。提出方法的开关多元振动信号处理时间、多元特征因子融合时间与快速灭弧开关故障诊断时间均小于现有代表方法，表明提出方法的快速灭弧开关故障监测时间较短，具备更好的实时性，可以为快速灭弧开关的可靠性、安全性提供更加有效的保障。但是，由于仿真对比测试快速灭弧开关数量取值范围的有限性，导致测试具有一定的局限性，为此，需要对快速灭弧开关故障在线监测方法进行进一步的优化研究。