對基于優(yōu)化型SVM的高壓斷路器故障診斷探析

陳雍 李長元 林兼

摘 要：高壓斷路器在電網(wǎng)運行中起到十分重要的保護性作用，但高壓斷路器長期處于惡劣的工作環(huán)境下，設(shè)備故障率較高，加強對設(shè)備的故障診斷十分關(guān)鍵?；诖耍疚囊愿邏簲嗦菲髯鳛檠芯繉ο?，從優(yōu)化型SVM角度分析斷路器故障診斷方法，并將其與PCA結(jié)合，實現(xiàn)對特征的提取與降維，使故障被合理分類，提高故障診斷效率。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化型SVM；高壓斷路器；故障診斷

引言：高壓斷路器的分合閘線圈電流信號能夠綜合反映出斷路器傳動機構(gòu)是否卡滯，鐵心是否出現(xiàn)卡澀問題。為了保障高壓斷路器的高效運行，可以以優(yōu)化型SVM為基礎(chǔ)，對高壓斷路器的故障狀態(tài)加以分析，通過特征矩陣的降維處理，從而得到主分量特征，在獲得支持向量機訓(xùn)練樣本集后，對高壓斷路器故障狀態(tài)加以分類，為接下來的故障解決奠定基礎(chǔ)。

1.高壓斷路器故障分析

1.1高壓斷路器錯誤操作

電力系統(tǒng)運行正常時，有可能會出現(xiàn)高壓斷路器誤判現(xiàn)象，導(dǎo)致電流被切斷。產(chǎn)生錯誤操作的原因主要如下：（1）電力回路二次接線，接線時高壓斷路器發(fā)生錯誤判斷，導(dǎo)致電流被切斷。（2）操縱裝置故障，高壓斷路器無故障，不需要切斷電流，但操縱裝置的電磁電壓比較低，接地裝置可能漏點，導(dǎo)致裝置出現(xiàn)錯誤判斷。（3）高壓斷路器在使用時操縱裝置電磁鎖覆蓋面積小，強烈的振動無法切斷電流。

1.2高壓斷路器產(chǎn)生拒動

高壓斷路器的拒動問題指需要分開隔離或緊密貼合時未起到作用。拒動問題比較嚴重，這將對電力系統(tǒng)造成困擾，甚至引發(fā)跳閘和短路現(xiàn)象。當(dāng)高壓斷路器出現(xiàn)拒合問題時，雖然高壓斷路器無法正常工作，但電力系統(tǒng)不會因此受到過大的影響。

1.3高壓斷路器內(nèi)部絕緣

內(nèi)部絕緣是斷路器產(chǎn)生故障的最大原因。人們會使用專業(yè)膠帶包裹高壓斷路器，但高壓斷路器內(nèi)部出現(xiàn)絕緣問題時，這樣的方式將起不到作用，必須依靠專業(yè)維修人員對高壓斷路器內(nèi)部展開故障診斷，分析問題產(chǎn)生的原因，進而尋找問題的解決辦法。

2.基于優(yōu)化型SVM的高壓斷路器故障診斷

2.1基于優(yōu)化型SVM與PCA的高壓斷路器故障診斷算法流程

對高壓斷路器模擬故障信號分析時，由于各個參數(shù)分析起來難度大。為了提升識別效果，人們采用了主分量分析法，在SVM即支持向量機的基礎(chǔ)上進行高壓斷路器的故障診斷?？梢赃x取電力實踐、電流值與標(biāo)準差為參數(shù)，將主分量分析法與支持向量機方法相結(jié)合，實現(xiàn)對高壓斷路器的狀態(tài)評估，針對斷路器故障展開模擬性試驗?；谥С窒蛄繖C與主分量分析的高壓斷路器故障診斷算法流程如下：數(shù)據(jù)載入后，分別提取時間特征、電流值特征、電流均值和標(biāo)準差特征；將數(shù)據(jù)歸一化處理；對PCA特征降維；對SVM特征分類；計算訓(xùn)練實踐與分類正確率。特征降維時，應(yīng)將所有特征標(biāo)準化處理，在PCA降維時需要得到有效的向量參數(shù)。

科學(xué)選擇試驗?zāi)Ｐ?，可以選擇一臺戶外工作的35kV SF6高壓斷路器，提前對故障方式進行設(shè)定，模擬高壓斷路器擁有正常運行狀態(tài)、傳動機構(gòu)松動、合閘彈簧疲勞以及控制回路電壓低四種狀態(tài)。其中，傳動機構(gòu)發(fā)生松動問題時可以對機構(gòu)連桿的長度進行調(diào)節(jié)，彈簧疲勞可以在上面緊固螺栓，以此控制斷路器故障[1]。

2.2特征提取

受內(nèi)外環(huán)境因素的影響，高壓斷路器采集到的線圈電流信號容易有凹陷情況。于是，研究人員使用3次樣條插值方法處理信號，使信號變得光滑。電流曲線兩點間間隔比較小，可以選出其中的斜率代替該點倒數(shù)，通過近似求導(dǎo)的方法得出線圈電流信號時間與電流值特征。大多數(shù)信號會有三組極值，曲線中存在波谷與尖峰，甚至也會有三個以上的極值。建議對極值點分組處理，按照合閘電流數(shù)據(jù)進行分組，應(yīng)尊崇波峰、波谷、波峰的順序?qū)⑿盘柗纸M，取其中的最大值與最小值。建議將高壓斷路器的每種故障狀態(tài)采取30組數(shù)據(jù)，提取后形成特征矩陣，通過均值-方差標(biāo)準化法處理參數(shù)，樣本點數(shù)和歸一化值分別為橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，進而突出高壓斷路器合閘電流信號的變化情況。

2.3特征降維

在PCA方法的應(yīng)用下，可以對高壓斷路器信號做出降維處理，具體如下：首先，應(yīng)用均值-方差法標(biāo)準化處理信號，消除信號差異。其次，求取協(xié)方差矩陣與矩陣特征值、特征向量，按順序?qū)⑻卣髦蹬帕?，進而得出特征向量。最后，求取主分量與貢獻率，按照順序排列特征向量，將主分量中的有效信息比重作為貢獻率，其公式為主分量貢獻率=特征值/ 特征值。

將高壓斷路器的PCA特征降維后，得出不同運行狀態(tài)的三種主分量，具體如下：高壓斷路器處于正常狀態(tài)時，三種主分量分別為-0.94、0.69、0.57；當(dāng)高壓斷路器處于分閘彈簧疲勞狀態(tài)時，PCA降維后三種主分量分別為-4.31、0.07、2.15；當(dāng)高壓斷路器處于傳動機構(gòu)松動的狀態(tài)時，降維后三種主分量為6.14、-1.56、0.74；當(dāng)高壓斷路器處于控制回路電壓低狀態(tài)時，降維后三種主分量分別為1.88、1.31、-0.03。

2.4故障分類

當(dāng)電力設(shè)備正常運行時，要求電力工作人員對設(shè)備全程設(shè)置保護，但操作失誤或設(shè)備故障也會存在。這時，應(yīng)盡可能縮短設(shè)備停用時間，在冰雪或雷雨天氣下，高壓斷路器無法被停用保護。因此，加強對對高壓斷路器的日常故障診斷，避免電源切斷后設(shè)備缺乏保護措施。結(jié)合高壓斷路器的四種設(shè)定故障狀態(tài)，根據(jù)上文提到的高壓斷路器運行狀態(tài)情況，分析不同狀態(tài)下高壓斷路器合閘線圈的電流信號情況，通過PCA降維后得出特征矩陣。選擇出一部分數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，另一部分數(shù)據(jù)進行測試，應(yīng)用徑向基核函數(shù)進行樣本SVM分類訓(xùn)練，最終得出SVM，分類情況如圖（1）所示。經(jīng)研究，該方法的準確率可以達到91.26%，效果比較理想。降維后高壓斷路器的特征向量在時間上有優(yōu)勢，這可以說明PCA方法的故障診斷計算效率比較高。在選擇高壓斷路器時，基于對故障的診斷原理，應(yīng)結(jié)合短路條件和正常工作條件選擇斷路器，對其電壓、電流與機械荷載情況加以分析，從溫度、濕度環(huán)境、過電壓荷載能力與絕緣水平選擇高壓斷路器，以此降低斷路器故障診斷的難度。

在未來，人們將會應(yīng)用模仿人體大腦的計算機系統(tǒng)展開高壓斷路器的故障排查，通過人體仿真技術(shù)傳遞高壓斷路器的故障信息。電力企業(yè)可以采用仿真技術(shù)判斷斷路器故障，并在故障檢測中對高壓斷路器進行檢測。與此同時，專家也會對斷路器情況提出專業(yè)建議，建議建立專家信息庫，針對高壓斷路器的故障提出問題解決建議，提升故障排查效率。

總結(jié)：總而言之，隨著我國電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電力企業(yè)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要推動力量，人們的日常生活與企業(yè)生產(chǎn)活動離不開電力企業(yè)提供的電力保障。未來確保電力系統(tǒng)的正常供應(yīng)與居民用電安全，加強對高壓斷路器的故障診斷與狀態(tài)檢測尤為必要，將PCA方法與SVM相結(jié)合，從各項參數(shù)中探究高壓斷路器可能存在的故障情況，利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對斷路器的自動化故障診斷，從而提升診斷效率。

參考文獻：

[1]羅琦，楊林，韓瑩，史凱.高壓斷路器故障診斷的一種多極新方法探究[J].高壓電器，2019，55（05）：82-87+93.

[2]周建平，李聰，萬書亭，楊曉紅.基于優(yōu)化型SVM的高壓斷路器故障診斷方法研究[J].浙江電力，2019，38（03）：14-19.

作者簡介：

林兼，碩士研究生，1990年出生，從事配網(wǎng)設(shè)備管理工作。

李長元，碩士研究生，1991年出生，從事變電設(shè)備一次檢修及試驗工作。

陳雍，碩士研究生，1991年出生，從事變電一次檢修工作。