探究建筑電氣系統(tǒng)障礙的診斷方法

張敏

[摘要]目前，隨著建筑電氣系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜化，其出現(xiàn)故障的概率也在逐漸增大，但目前很多情況下，建筑電氣故障診斷仍為人工進(jìn)行，效率較低、且診斷的準(zhǔn)確性無法得到保證。本文簡要介紹了目前建筑電氣故障診斷中的問題，并探究了具體的診斷方式。

[關(guān)鍵詞]建筑電氣系統(tǒng)；故障；診斷

文章編號：2095-4085（2016）07-0160-02

建筑電氣屬于建筑物系統(tǒng)的核心技術(shù)，且建筑電氣系統(tǒng)越來越智能化，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會(huì)帶來比較廣泛的影響，并威脅到群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。為此，人們應(yīng)當(dāng)采用先進(jìn)的方法和技術(shù)，對建筑電氣進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的故障診斷，以保證系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定、可靠。

1建筑電氣故障診斷現(xiàn)狀及問題

1.1建筑電氣故障診斷的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)已普遍應(yīng)用電力系統(tǒng)診斷技術(shù)，但因外界因素制約，建筑業(yè)的電氣系統(tǒng)故障診斷并未普及應(yīng)用，診斷故障多為人工檢測，物力、人力被大量浪費(fèi)，檢測的準(zhǔn)確性也受到影響。建筑業(yè)在科技高速發(fā)展的今天，應(yīng)當(dāng)致力推廣使用電氣系統(tǒng)診斷技術(shù)，以減少事故發(fā)生率，建筑水平也可得到保障。但因系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致此技術(shù)普及應(yīng)用中存在障礙，建筑業(yè)可對自身?xiàng)l件加以整合，不斷提高其技術(shù)水平，使得所應(yīng)用的故障診斷技術(shù)適用性強(qiáng)，診斷結(jié)果精準(zhǔn)。

1.2建筑電氣故障診斷中的問題

首先，建筑業(yè)故障診斷需要有穩(wěn)定的電氣系統(tǒng)，但目前電氣系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠高，所以，有關(guān)建筑業(yè)應(yīng)當(dāng)致力建設(shè)運(yùn)行較穩(wěn)定的電氣系統(tǒng)，以保證準(zhǔn)確診斷的實(shí)現(xiàn)，使建筑業(yè)有序開展故障診斷工作；其次，基于電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷為目前建筑電氣故障診斷的特點(diǎn)，而有些算法不足以滿足故障診斷需要，結(jié)果阻礙了準(zhǔn)確診斷的實(shí)現(xiàn)；最后，故障診斷中的專家系統(tǒng)方法維護(hù)受到挑戰(zhàn)，此方式的有效創(chuàng)新無法在實(shí)際應(yīng)用中良好實(shí)現(xiàn)，致使穩(wěn)定性不高等不足在故障診斷中呈現(xiàn)出來，診斷準(zhǔn)確性受到影響。綜上，很多亟待解決的問題存于建筑電氣故障診斷中，在實(shí)踐中建筑業(yè)應(yīng)對此高度關(guān)注，并采取措施加以解決[1]。

2常見建筑電氣故障種類

智能化為建筑電氣系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)越來越趨于復(fù)雜，若有故障出現(xiàn)于系統(tǒng)中，將帶來非常廣泛的影響，群眾的工作、生活、人身財(cái)產(chǎn)安全將受到危害。建筑電氣故障種類因系統(tǒng)的復(fù)雜性而趨于多樣，電氣照明系統(tǒng)、電氣動(dòng)力系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、電氣線路均可發(fā)生故障，而元件及設(shè)備損壞、諧波、接地、斷路、短路為通常的故障原因，具體包括：①電氣線路故障，主要包括電纜線路故障和架空線路故障兩種，故障原因?yàn)椋狠^高的運(yùn)行環(huán)境溫度及因環(huán)境改變，線路銹蝕、腐朽短路，故障現(xiàn)象為：保護(hù)導(dǎo)體帶電、線路銹蝕、混線等；②電氣動(dòng)力系統(tǒng)故障，故障原因是：短路、斷路等，故障現(xiàn)象為：變壓器局部放電、絕緣老化；斷路器拒分、拒合；電動(dòng)機(jī)無法工作；松動(dòng)的互感器線圈螺釘；③防雷接地系統(tǒng)故障，故障原因包括：周部過熱、零線帶電、接地電阻太大，故障現(xiàn)象：有接地裝置異常；土壤電阻率特大；零線帶電；④電氣照明系統(tǒng)故障，包括：第一，斷路，故障原因?yàn)椋洪_關(guān)破損，電路無法接通；線頭脫松；熔絲熔斷，故障表現(xiàn)為：用電器具無法工作；電燈不亮；電路無電壓；第二，短路，故障原因?yàn)椋航^緣導(dǎo)線破損；金屬外殼被用電器具碰到；因錯(cuò)誤的接線，中性線和相線接觸，故障表現(xiàn)為：導(dǎo)線被燒壞；電路切斷；熔絲迅速熔斷；電流太大；第三，漏電，故障原因?yàn)椋哼`規(guī)安裝；照明燈及電線絕緣老化、損壞，故障表現(xiàn)為：電線發(fā)熱、建筑物帶電、用電量較平時(shí)更大。

3建筑電氣仿真平臺故障診斷

基于征兆集/故障集映射模式為故障診斷的本質(zhì)，識別故障狀態(tài)及提取發(fā)生故障征兆為其兩項(xiàng)任務(wù)，因發(fā)生較隨機(jī)且類型繁多為建筑電氣系統(tǒng)故障特點(diǎn)，于是，將實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)為故障仿真平臺，開展各類常見建筑電氣故障的自診斷研究，如配電系統(tǒng)接地故障、絕緣故障、接地系統(tǒng)故障等，并根據(jù)故障診斷對象及目的的不同，確定合理的電阻、電流或電壓值，以方便診斷，裝傳感器于關(guān)鍵線路回路，并采用一定技術(shù)、方法（如數(shù)據(jù)采集器）對故障時(shí)反常信號進(jìn)行收集，將故障特征提出，并在診斷故障算法中輸進(jìn)經(jīng)處理的數(shù)據(jù)，這樣，故障位置及故障種類可由算法判別輸出，并顯示報(bào)警信息，維修控制策略可在對問題所在分析后提出[2]。

4小樣本SVM故障診斷

當(dāng)代智能技術(shù)中的一大重要部分就是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)。對已知訓(xùn)練樣本進(jìn)行分析，估算出系統(tǒng)輸出、輸入間依賴關(guān)系，以較為精準(zhǔn)的預(yù)測系統(tǒng)行為是機(jī)器學(xué)習(xí)之目的[3]。

對于以機(jī)器輸出預(yù)測實(shí)際值而出現(xiàn)的損失，一般通過損失函數(shù)L（y，y實(shí)際值）來反映出來。其中，實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)或期望風(fēng)險(xiǎn)為定義損失函數(shù)期望，公式為：

R（w）=∫L（y，y實(shí)際值）dP（x，y）（1）

訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)“平均損失”大小為經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，公式為：

Remp（w）=1n∑ni=1L（y，y實(shí)驗(yàn)值）（2）

盡可能的降低期望風(fēng)險(xiǎn)及其學(xué)習(xí)目的，可由（1）式可看出，需靠聯(lián)合概率P（x，y）才可得出期望風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致在實(shí)踐中的計(jì)算困難。所以，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化（ERM）原則在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式中使用著，就是說，在算法學(xué)習(xí)后，最小化（2）式的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)Remp。

在遵循ERM原則下實(shí)現(xiàn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，期望風(fēng)險(xiǎn)的最小化無法達(dá)成，盡管經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小得到一定滿足，但在推廣性上欠缺較大。

經(jīng)分析，可得出經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和期望風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系為：

R（w）Remp（w）+ф hn（3）

此式中，學(xué)習(xí)機(jī)VC維是h（機(jī)器學(xué)習(xí)能力可由此反映出，隨著此值的增大，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)將減小），樣本數(shù)為n，而置信范圍為фhn。

由此可看出，若對置信范圍、經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)一同控制，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)的最小化。若減少VC維或增加樣本量，會(huì)減小置信范圍，并使經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)趨近于實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)；反之，可擴(kuò)大置信范圍，并增加經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)的差值。

致力單純實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法特點(diǎn)，所以，為使學(xué)習(xí)機(jī)性能良好，必須增加樣本數(shù)據(jù)量，這樣才可使經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)與實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)較為接近，但期望風(fēng)險(xiǎn)最小并非僅使經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小就可實(shí)現(xiàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)泛化水平無法保證。在小樣本下對置信范圍與經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的綜合考量可因SVM算法被實(shí)現(xiàn)，這樣一函數(shù)子集系列可被構(gòu)造出來，并根據(jù)VC維大小排列各子集；為讓實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)最小，進(jìn)行最小經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)尋找于各子集中，并對置信范圍和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)折中考量于子集間[4]。

5建筑電氣故障仿真平臺

此平臺是對一些常見低壓電氣裝置，如三相插座、單向插座、RCD、熔斷器、斷路器加以集合。其中，220V為電源電壓，交流為50Hz，直流輸出通過變壓器轉(zhuǎn)為15V，供電以弱點(diǎn)保護(hù)板。保護(hù)強(qiáng)電系統(tǒng)中的三相、單相系統(tǒng)為弱電保護(hù)板功能。本實(shí)驗(yàn)臺主體為強(qiáng)電系統(tǒng)，為應(yīng)對系統(tǒng)四大類阻值故障，可利用故障設(shè)置板上22個(gè)開關(guān)的閉合斷開，若通路開關(guān)為斷開，若某部位出現(xiàn)故障，則此處開關(guān)閉合。

6在實(shí)驗(yàn)平臺診斷故障中應(yīng)用SVM

6.1選擇故障特征量及故障種類

建筑物常見故障可通過實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬，絕緣電阻過小、接地電阻異常、連續(xù)性故障、線路阻抗故障為4種故障類型，因此，狀態(tài)包括正常狀態(tài)在內(nèi)，共5種。

6.2建立SVM模型

“構(gòu)建過程針對2個(gè)分類問題”為支持向量機(jī)本質(zhì)，在多類型故障分類問題進(jìn)行處理時(shí)，決策導(dǎo)向無環(huán)圖、K類SVM法、“一對多”、“一對一”為現(xiàn)今最常見的方法。因比起“一對多”，“一對一”分類精度更高、拒絕分類區(qū)不大，且各SVN只有2類樣本需考慮，單個(gè)SVN訓(xùn)練更方便，分類方式可確定為“一對一”。

“SVM算法的無錯(cuò)判、即100%識別”可從仿真輸出結(jié)果中看出，所以說，對于建筑電氣試驗(yàn)平臺故障的診斷，SVN算法是準(zhǔn)確及有效的。

6.3SVN對故障診斷以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較

由數(shù)據(jù)可得出，若樣本較小，對測試樣本的仿真，幾種方式效果均較佳，但BP網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的構(gòu)建、不盡穩(wěn)定的輸出線、相當(dāng)不穩(wěn)的收斂速度為其不足，而RBF網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)為迅速的收斂、較小的訓(xùn)練誤差，但若分析其故障識別率，支持向量機(jī)的推廣分類水平更佳。

7結(jié)語

綜上所述，建筑電氣故障種類趨于多樣，電氣照明系統(tǒng)、電氣動(dòng)力系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、電氣線路均可發(fā)生故障，經(jīng)分析得出，以支持向量機(jī)做為故障診斷算法比較理想，但因建筑電氣系統(tǒng)復(fù)雜性，有關(guān)技術(shù)者在實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)不斷改進(jìn)其技術(shù)和方法，使故障診斷更為準(zhǔn)確、有效。

參考文獻(xiàn)：

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