基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)

王明明

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300163）

目前，傳統(tǒng)三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)的診斷方法包括物理診斷方法和信號(hào)診斷方法。三相配電線(xiàn)路物理故障診斷方法的原理是通過(guò)故障線(xiàn)路傳遞出光、熱量、輻射強(qiáng)度等其他物理屬性，對(duì)三相配電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，完成故障診斷[1]。三相配電線(xiàn)路的物理屬性是易受到外界環(huán)境干擾，使其變化規(guī)律發(fā)生改變，導(dǎo)致三相配電線(xiàn)路故障狀態(tài)數(shù)據(jù)真實(shí)性較差，從而導(dǎo)致故障診斷結(jié)果不準(zhǔn)確[2]。

為此，三相配電線(xiàn)路診斷領(lǐng)域通常通過(guò)識(shí)別線(xiàn)路運(yùn)行信號(hào)，完成配電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)診斷的初次提取，將故障信號(hào)中存在一定冗余和無(wú)效的信號(hào)頻段進(jìn)行有效處理，在沒(méi)有特定技術(shù)約束下，該方法診斷精度也達(dá)不到預(yù)期效果。因此，文中通過(guò)多特征融合技術(shù)，集成三相配電線(xiàn)路故障運(yùn)行過(guò)程中具有代表性的特征作為故障診斷約束，完成故障診斷。

1 故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)硬件如圖1 所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 電子互感器

基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)硬件區(qū)域的電子互感器工作任務(wù)是對(duì)電路基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。為了提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，硬件區(qū)域選擇HD-8 系列的電子互感器。其器件采用CS86 芯片，可以實(shí)時(shí)更新線(xiàn)路的電壓值和電流值，通信采用西門(mén)子系列的GPRS和GSM 通信模塊，維持電子互感器的通信功能。為了提高電子互感器與硬件系統(tǒng)內(nèi)部其他設(shè)備的連接性能，選擇YD7 航空插口，此插口防塵防水，具有較高的性能。電子互感器的外殼采用XH-87 裝置，對(duì)于其他設(shè)備的輻射防護(hù)等級(jí)為IP65，具有獨(dú)立接地保護(hù)功能[3-5]。電子互感器如圖2所示。

圖2 電子互感器

1.2 電路控制器設(shè)計(jì)

電路控制器的工作任務(wù)是提高系統(tǒng)在采集線(xiàn)路故障數(shù)據(jù)中瞬時(shí)線(xiàn)路停運(yùn)問(wèn)題，此過(guò)程不影響線(xiàn)路正常運(yùn)行，硬件系統(tǒng)采用PO 電路控制器協(xié)作系統(tǒng)工作?？刂破髦饕蓡螜C(jī)片、零序?yàn)V波電路以及HUD電能計(jì)量芯片組成。電路控制器設(shè)計(jì)天線(xiàn)固定端口。為了排除外界其他信號(hào)的干擾，控制電路自身將三相配電線(xiàn)路的控制回路和輸入信號(hào)隔開(kāi)，維持線(xiàn)路內(nèi)電信號(hào)的正常運(yùn)行[6-7]。電路控制器如圖3 所示。

圖3 電路控制器工作原理圖

1.3 電源設(shè)計(jì)

電源為系統(tǒng)提供運(yùn)行能量，為了提高系統(tǒng)電源工作周期時(shí)長(zhǎng)，選擇容值為3 300 pF、耐壓為4.2 kV/分鐘的YU-90 電源模型，此電源對(duì)電資源能量的分解為100%，對(duì)于系統(tǒng)其他設(shè)備的損傷輻射程度最低[8]。電源模塊可根據(jù)實(shí)時(shí)情況完成固定電壓等級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)電壓范圍為2.5～60 V，運(yùn)行有效電壓為3 V。電源模型采用型號(hào)為CS837 系列的AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，電壓的工作功率采用VRMS 調(diào)頻，模塊的超低漂移量為±1 V，如圖4 所示。

圖4 電源內(nèi)部工作電路示意圖

1.4 處理器設(shè)計(jì)

處理器是硬件系統(tǒng)運(yùn)行基礎(chǔ)，文中選擇性?xún)r(jià)比較高的麒麟系列HYD-3 處理器。處理器單核睿頻可高達(dá)4.8 GHz，采用8 核心16 線(xiàn)程運(yùn)行模式，器件基本運(yùn)行頻率為9.8 GHz。處理器光刻為14 nm，可提高處理響應(yīng)速率，處理器工作頻率為65 W，降低系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)工作速度[9-10]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 多特征融合算法分析

多特征融合算法在三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)中可提高特征認(rèn)證識(shí)別度。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包括三相配電線(xiàn)路故障的多種特征，利用算法將其集成在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，一方面多特征融合算法可以提高配電線(xiàn)路故障診斷的預(yù)測(cè)性，另一方面根據(jù)三相配電線(xiàn)路故障診斷行為特點(diǎn)，選擇低層特征融合算法，以便達(dá)到提高線(xiàn)路故障診斷準(zhǔn)確度的目的[11-12]。多特征融合算法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 多特征融合算法結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 三相配電線(xiàn)路信號(hào)特征提取

信號(hào)的熵是三相配電線(xiàn)路故障信號(hào)的主要表現(xiàn)屬性，熵表示信號(hào)模量中新信號(hào)產(chǎn)生的概率，熵的數(shù)值越大，表示信號(hào)數(shù)據(jù)的復(fù)雜度越大，頻率信息越多，熵越低代表信號(hào)的周期更變速度快，頻譜較窄。文中分析了三相配電線(xiàn)路故障特征信號(hào)的提取，選擇不同尺度的小波變換算法完成操作[13-14]。首先識(shí)別配電線(xiàn)路中電流信號(hào)，識(shí)別公式如下所示：

其中，N表示線(xiàn)路的有效距離；M表示線(xiàn)路切割的測(cè)試段個(gè)數(shù)；表示電流頻率；n表示小波變換系數(shù)。

然后識(shí)別線(xiàn)路內(nèi)各信號(hào)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)頻率的稀疏特征向量[15]，完成三相配電線(xiàn)路信號(hào)的提取。提取信號(hào)頻率特征的公式如下所示：

其中，xij表示第j層小波系數(shù)對(duì)應(yīng)頻段離散信號(hào)的幅值；sj表示能量算子；ο表示共軛函數(shù)。

最后將提取的三相配電線(xiàn)路特征帶入線(xiàn)路線(xiàn)性負(fù)載特征系數(shù)表中進(jìn)行查詢(xún)，查看此線(xiàn)路信號(hào)是否為故障信號(hào)。線(xiàn)路線(xiàn)性負(fù)載特征系數(shù)表如表1 所示。

表1 線(xiàn)路線(xiàn)性負(fù)載特征系數(shù)表

三相配電線(xiàn)路故障頻率暫態(tài)如圖6 所示。

圖6 三相配電線(xiàn)路故障頻率暫態(tài)示意圖

2.3 三相配電線(xiàn)路故障診斷

在三相配電線(xiàn)路故障診斷信號(hào)特征提取基礎(chǔ)上，文中完成基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷流程的分析，具體流程如下所示：

首先調(diào)用系統(tǒng)硬件設(shè)備完成三相配電線(xiàn)路基本數(shù)據(jù)的采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證采集數(shù)據(jù)精度。

根據(jù)上述特征提取三相配電線(xiàn)路故障信號(hào)特征，完成診斷配電線(xiàn)路信號(hào)提取。提取完成后及時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，如果信號(hào)為正常信號(hào)，則停止診斷，直接輸出結(jié)果；如果信號(hào)不是正常信號(hào)，那么系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)信號(hào)，并且繼續(xù)完成線(xiàn)路故障診斷流程。

最后將提取的三相配電線(xiàn)路故障信號(hào)和獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集成計(jì)算，得到配電線(xiàn)路故障特征值，將故障特征值與配電線(xiàn)路故障信號(hào)頻段，在系統(tǒng)多特征故障數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行約束查詢(xún)，最后輸出三相配電線(xiàn)路故障診斷結(jié)果。如果在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)不存在對(duì)應(yīng)線(xiàn)路故障，那么以三相配電線(xiàn)路故障提取的故障信號(hào)特征為查詢(xún)目標(biāo)[16]，將線(xiàn)路故障特征值進(jìn)行分解對(duì)照查詢(xún)，檢索到相線(xiàn)路故障即可。診斷集成計(jì)算公式如下所示：

其中，γj表示主成分分析的特征值；γk表示配電線(xiàn)路內(nèi)信號(hào)頻率和電流信號(hào)的關(guān)系。

3 試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)的工作效率和診斷精度，搭建了三相配電線(xiàn)路故障模擬環(huán)境，利用基于DSP 低壓測(cè)試的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)（傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1）和基于單向接地分析的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)（傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2）作為對(duì)照系統(tǒng)，共同完成試驗(yàn)測(cè)試，保證測(cè)試的有效性。

為了保證試驗(yàn)測(cè)試的可靠性，文中分別設(shè)計(jì)超負(fù)載故障的三相配電線(xiàn)路、電弧故障的三相配電線(xiàn)路以及正常狀態(tài)三相配電線(xiàn)路作為測(cè)試樣本，提高試驗(yàn)測(cè)試的難度。在試驗(yàn)測(cè)試前，分別模擬搭建相同線(xiàn)路環(huán)境，搭建完成后，同一時(shí)間觸發(fā)3 個(gè)系統(tǒng)，將3 個(gè)三相配電線(xiàn)路與3 個(gè)系統(tǒng)相互連接，開(kāi)始試驗(yàn)，當(dāng)3 個(gè)系統(tǒng)全部向中心計(jì)算機(jī)提交診斷報(bào)告后，結(jié)束試驗(yàn)，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)場(chǎng)地，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表如2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)以上試驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)計(jì)的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)完成3 個(gè)線(xiàn)路狀態(tài)的診斷時(shí)間最短，傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2的診斷時(shí)間最長(zhǎng)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在完成任務(wù)時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)電源消耗量最低，由于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2 診斷時(shí)間最長(zhǎng)，影響此系統(tǒng)的電池消耗量也最多，此數(shù)據(jù)反映設(shè)計(jì)的電池器件功能，電池可以將能量最大化?；诙嗵卣魅诤系娜嗯潆娋€(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載峰值的比重也最低，在相同任務(wù)量下，系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)載比重越大，代表系統(tǒng)單次可容納數(shù)據(jù)的規(guī)模越小，系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)不穩(wěn)定。

分析診斷系統(tǒng)的工作效率不僅僅要分析系統(tǒng)完成任務(wù)的時(shí)間，還要分析系統(tǒng)對(duì)于任務(wù)完成的準(zhǔn)確度，得到的結(jié)果如圖7 所示。

觀察圖7 可以明顯地對(duì)比出，設(shè)計(jì)的基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)和傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1 對(duì)于任意3 個(gè)狀態(tài)的配電線(xiàn)路的診斷的誤差相比之下較低，且呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的診斷誤差低于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1，傳統(tǒng)系統(tǒng)2的診斷誤差始終高于文中系統(tǒng)的診斷誤差和傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1的誤差，驗(yàn)證了文中系統(tǒng)診斷的精度較高。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比結(jié)果圖

綜上所述，基于多特征融合的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)的工作效率、診斷準(zhǔn)確度、精度全部達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)，具有應(yīng)用價(jià)值，可以投入使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文中方法完成基于多特征融合的三相配電線(xiàn)線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)硬件區(qū)域，電源、處理器、主板為系統(tǒng)提供基本運(yùn)行環(huán)境，電子互感器和電路控制器與系統(tǒng)的軟件區(qū)域進(jìn)行交互，兩者相互調(diào)用，完成三相配電線(xiàn)路的故障診斷。對(duì)比傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的診斷方法一方面制定特定的信號(hào)處理流程，既減少系統(tǒng)的工作量，又為系統(tǒng)后期對(duì)三相配電線(xiàn)路故障診斷分析提供真實(shí)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以便集成高精度的三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)；另一方面將目前存在三相配電線(xiàn)路故障的特征進(jìn)行集成歸納處理，提高系統(tǒng)對(duì)于故障狀態(tài)的三相配電線(xiàn)路故障狀態(tài)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)工作效率。通過(guò)文中設(shè)計(jì)，可以促進(jìn)三相配電線(xiàn)路故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展。