基于線圈電流的牽引變電站直流斷路器狀態(tài)監(jiān)測與診斷研究

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

直流電力系統(tǒng)相對于交流系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：輸電容量大、供電可靠性高、電能質(zhì)量好等。目前諸如直流輸電、軌道交通、新能源并網(wǎng)發(fā)電都已采用直流電力系統(tǒng)。直流斷路器作為直流電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的開關(guān)設(shè)備，起著分?jǐn)嚅]合系統(tǒng)的控制作用和保證系統(tǒng)安全可靠運行的保護(hù)作用，因此直流斷路器的可靠性直接影響直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。

直流斷路器的故障有很多類型，發(fā)生故障時或者出現(xiàn)劣化時，分合閘線圈電流波形特征狀態(tài)也會發(fā)生變化[2]。因此研究直流斷路器分閘線圈電流，尋找直流斷路器故障或者劣化時分合閘線圈電流的的特征量，實現(xiàn)對直流斷路器的故障診斷。

針對斷路器分合閘線圈電流波形并診斷國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]針對GIS斷路器采用固定窗口法提取分合閘線圈電流極值點作為特征量，并以置信區(qū)間診斷故障。文獻(xiàn)[4]對線圈電流特征提取進(jìn)行優(yōu)化，并歸納了依據(jù)線圈電流實現(xiàn)故障診斷的方法。文獻(xiàn)[5]研究電流極值點提取算法和貝葉斯決策理論診斷故障。文獻(xiàn)[6]研究小波分析、近似求斜率及求極值點結(jié)合，提取高壓斷路器線圈電流的特征值點。文獻(xiàn)[7]研究包絡(luò)均值法在電流濾波中的作用。文獻(xiàn)[8]研究了蟻群算法優(yōu)化的SVM診斷故障?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用分合閘線圈電流實現(xiàn)斷路器故障診斷是可以實現(xiàn)的，但是相關(guān)研究集中于高壓直流斷路器合分閘電流線圈特征研究，對于低壓等級直流斷路器分合閘線圈電流特性研究很少。

牽引變電站直流斷路器作為低壓等級(1 500 V/750 V)直流斷路器，工況與高壓斷路器有很大不同。本文將以牽引變電站直流斷路器合分閘線圈電流作為研究對象，采用濾波預(yù)處理，線圈電流包絡(luò)極值法提取特征點，SVM支持向量機診斷等方法，實現(xiàn)了該直流斷路器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

1 牽引變電站直流斷路器分合閘線圈電流監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

分合閘線圈作為實現(xiàn)直流斷路器分合閘控制信號的來源，線圈電流可直觀反映直流斷路器的狀態(tài)。

1.1 分合閘線圈電流監(jiān)測診斷系統(tǒng)

牽引變電站直流斷路器分合閘線圈采用兩路分離的方案控制該直流斷路器通斷，合閘線圈工作電壓DC220 V，分閘線圈工作電流24 V。針對該直流斷路器線圈電流監(jiān)測診斷系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直流斷路器線圈電流監(jiān)測診斷系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)包括3個部分：直流斷路器本體部分、分合閘線圈采集傳輸部分、分析診斷部分。

1.2 分合閘過程分析

從圖1的直流斷路器來看，分閘線圈和合閘線圈是獨立的兩部分，所以需要對分合閘線圈電流采用兩路分別控制。圖2為直流斷路器合分閘線圈回路工作示意圖。

圖2 直流斷路器合分閘線圈工作示意圖

由圖2分析合閘過程：合閘繼電器10受分合閘控制板信號控制閉合，合閘回路接通，合閘線圈2產(chǎn)生電磁吸力使得合閘動鐵芯3向左移動，拉動連桿5等一列機械部件動作，直至動靜觸頭閉合，此時直流斷路器機械保持。合閘繼電器10受控制延時一段時間分開，合閘回路斷開控制電，整個合閘過程結(jié)束。

分閘過程：分閘繼電器11受控制閉合，分閘回路接通，分閘線圈8產(chǎn)生電磁吸力，分閘動鐵芯7向上運動碰撞連桿機構(gòu)5，破壞機械平衡，反力彈簧作用，直流斷路器動靜觸頭分開。分閘繼電器11受控制延時一段時間后分開，分閘回路斷電，整個分閘過程結(jié)束。

合分閘線圈為直動式直流并勵電磁系統(tǒng)[9]，其等效電路如圖3所示[10]。

圖3 合分閘線圈回路等效電路

結(jié)合1.2分合閘過程分析和圖3：當(dāng)合分閘線圈回路收到命令，開關(guān)K閉合，由此可得電路方程：

(1)

式(1)中，Ψ為回路磁通。Ψ=Li。由此式(1)可以變?yōu)椋?/p>

(2)

又L=f(δ)，且L不隨i變化[10]，δ為氣隙大小。所以dL/dt=(dL/dδ)*(dδ/dt)=v(dL/dδ)，v為氣隙變化速度即動鐵芯的運動速度。即：

(3)

離線狀態(tài)下測得合分閘線圈電流如圖4、5所示。

圖4 合閘線圈電流原始波形

圖5 分閘線圈電流原始波形

2 牽引變電站直流斷路器分合閘線圈電流特征量提取

2.1 合分閘線圈電流分析

下面以合閘過程為例，結(jié)合圖3、4分析合閘線圈電流波形變化過程。

在t=t0時，開關(guān)K閉合，由于電感性電路電流不能突變，線圈電流逐漸上升。

在t0～t1前段，線圈電流較小，電磁吸力很小，未能克服機械連桿等阻力，動鐵芯未動。在此階段滿足式(4)：

(4)

求得式(4)的特解為：

(5)

可見在t0～t1初始階段內(nèi)，線圈電流是指數(shù)形式上升。在t0～t1后階段，電磁吸力增大，動鐵芯運動，產(chǎn)生反電動勢ivdL/dδ。之后線圈電流繼續(xù)增大，由式(3)電壓u不變，則di/dt減小，直到di/dt=0，線圈電流增加到最大到i1。

在t1～t2階段，反電動勢繼續(xù)增大，由式(3)的u不變可知：di/dt<0，線圈電流開始減小。直到鐵芯吸合，機械鎖扣，進(jìn)入機械保持狀態(tài)。

在t2～t3階段，動鐵芯停止運動，v=0，反電動勢為0，根據(jù)式(3)，線圈電流以指數(shù)增大直到最大值imax=u/R。直到控制繼電器收到控制板斷開命令，線圈電流開始減小，直至為0。

在分析過程中，可以看出：對于不同的控制電壓u，上升所需要的時間t1、穩(wěn)態(tài)值U/R、imax等值是不一樣的。因此檢測線圈電流能夠反映出直流斷路器的某些故障。

分閘線圈電流分析過程與合閘線圈分析原理和過程相同。此處不再贅述。

2.2 分合閘線圈電流特征量提取

從圖4、5可以看出，合分閘線圈電流噪聲很大。需要通過預(yù)處理后，提取電流波形關(guān)鍵點數(shù)值作為特征量。

2.2.1 分合閘線圈電流信號預(yù)處理

電流波形預(yù)處理比較簡單，采用低通濾波和平滑處理結(jié)合。對電流波形做FFT后，選擇高斯窗函數(shù)設(shè)計截止頻率為15 kHz的低通濾波器濾除雜波。

平滑處理電流波形時，窗寬參數(shù)選取對于分閘和合閘有區(qū)別。合閘線圈電流特征點間隔較大，可以選取較大窗寬，但是選擇太大會導(dǎo)致信號失真。多次試驗選擇合適的窗寬預(yù)處理合閘線圈電流，得到濾波后的合閘線圈電流如圖6所示。

圖6 合閘線圈電流濾波后波形

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)分閘線圈電流t1～t2的時間很短，平滑處理時窗寬太大或太小會導(dǎo)致濾波不完全，影響特征點提取的準(zhǔn)確性。多次試驗后選取合適參數(shù)，得分閘線圈電流濾波后波形如圖7。

圖7 分閘線圈電流濾波后波形

從圖6/7看出：低通濾波結(jié)合平滑處理的方法，能有效去除合分閘線圈電流中的干擾信號。

2.2.2 分合閘線圈電流特征量提取

由2.1的分析和圖4/5：選取合分閘線圈電流極值點作為特征值。本文采用電流包絡(luò)極值法提取電流波形中的(t1t2i1i2)向量組作為特征向量組。

為了驗證本文提取線圈電流方法的有效性，在試驗條件下模擬了幾種不同情況：正常合閘；斷路器實際運行時，控制電壓波動是常見故障，要求在工作電壓的65%～110%能正常工作，故模擬240 V過壓合閘，200 V欠壓合閘，180 V欠壓合閘，160 V欠壓合閘等情況；正常分閘；擰松斷路器內(nèi)部機械連桿固定螺釘模擬拒分。

針對上述總共7種情況，分別進(jìn)行多次試驗，采集電流波形提取特征點。正常合閘線圈電流波形和特征值分別如圖8和表1所示。

圖8 正常合閘線圈電流波形

表1 正常合閘線圈電流特征值

240 V過壓合閘線圈電流波形和特征值分別如圖9和表2所示。

200 V欠壓合閘線圈電流波形和特征值分別如圖10和表3所示。

圖9 240 V過壓合閘線圈電流波形

表2 240 V過壓合閘線圈電流特征值

圖10 200 V欠壓合閘線圈電流波形

表3 200 V欠壓合閘線圈電流特征值

180 V欠壓合閘線圈電流波形和特征值分別如圖11和表4所示。

圖11 180 V欠壓合閘線圈電流波形

表4 180 V欠壓合閘線圈電流特征值

160 V欠壓合閘線圈電流波形和特征值分別如圖12和表5所示。

圖12 160 V欠壓合閘線圈電流波形

表5 160 V欠壓合閘線圈電流特征值

正常分閘線圈電流波形和特征值分別如圖13和表6所示。

圖13 正常分閘線圈電流波形

表6 正常分閘線圈電流特征值

模擬拒分條件下分閘線圈電流波形和特征值分別如圖14和表7所示。

圖14 直流斷路器拒分時分閘線圈電流波形

表7 直流斷路器拒分時分閘線圈電流特征值

結(jié)合圖8～14和表1～7可以看出：1)每種情況單獨試驗具有可重復(fù)性；2)由于離線檢測手操的原因，導(dǎo)致線圈失電時間不一致，可以在后面實驗中改進(jìn)；3)對比正常合閘、過壓合閘、欠壓200 V合閘、欠壓180 V合閘、欠壓160 V合閘，可以發(fā)現(xiàn)合閘線圈電壓越低，合閘過程所花時間越長；4)拒分和正常分閘相比i2增大。

3 牽引變電站直流斷路器狀態(tài)診斷

通過前文提取線圈電流包絡(luò)極值的方法得到個各種情況下特征值，并利用該特征值以實現(xiàn)牽引變電站直流斷路器的故障診斷。

直流斷路器的故障診斷實質(zhì)是利用特征值在監(jiān)督學(xué)習(xí)下實現(xiàn)模式識別的過程。文獻(xiàn)[11]對比幾種主流監(jiān)督式分類算法(決策樹、SVM、貝葉斯、KNN、隨機森林、AdaBoost)，分別在有噪聲和無噪聲條件下進(jìn)行分類測試。測試結(jié)果表明SVM不管在無噪聲還是在噪聲條件下分類效果表現(xiàn)最佳，準(zhǔn)確率分別為85.5%和85.8%。因此本文選取SVM來實現(xiàn)直流斷路器狀態(tài)診斷。

采用2.2所述方法，多次重復(fù)試驗，采集線圈電流波形，提取特征量。隨機劃分80%為訓(xùn)練樣本，其余為測試樣本以驗證訓(xùn)練效果。利用matlab的SVM工具包進(jìn)行分類，診斷結(jié)果如圖15所示。

圖15 利用SVM實現(xiàn)直流斷路器狀態(tài)診斷

從圖15的診斷結(jié)果來看，SVM模式識別算法對直流斷路器模擬的7種狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)分類，即能夠?qū)崿F(xiàn)直流斷路器故障診斷。

4 結(jié)論與展望

本文對牽引變電站直流斷路器分合閘線圈展開展開研究。首先分析了該直流斷路器分合閘過程線圈電流，然后在離線條件下測量多種情況下分合閘線圈電流，經(jīng)過預(yù)處理和電流包絡(luò)極值法提取電流波形中的特征點，最后采用SVM實現(xiàn)該直流斷路器狀態(tài)診斷。結(jié)果表明：文中提取線圈電流特征值的方法和SVM診斷算法，能夠較好實現(xiàn)基于線圈電流的牽引變電站直流斷路器狀態(tài)監(jiān)測和診斷。在后面的處理中，建議首先對該直流斷路器模擬故障建立故障數(shù)據(jù)庫，為故障診斷提供更多樣本；其次，要從多參量、多傳感器融合的角度全面研究特征量的提取算法，最后基于故障數(shù)據(jù)庫，研究該直流斷路器劣化趨勢。