基于關(guān)聯(lián)分析的配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)

吳俊興，黃墀志，張冬冬，劉傳毅

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

運行過程中，配電柜由于負荷集中且存在較多回路易出現(xiàn)故障[1]。目前，我國應(yīng)用的配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要采用主動自報的方式監(jiān)測配電柜故障中的具體參數(shù)，并通過GPRS傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在監(jiān)測精度低的問題，且無法實時動態(tài)精準監(jiān)測配電柜故障，經(jīng)常會出現(xiàn)誤報警情況。關(guān)聯(lián)分析能夠通過關(guān)聯(lián)挖掘的方式發(fā)現(xiàn)項目集合中的相關(guān)性，同時具備覆蓋范圍廣、精度高、耗能低以及成本低廉等優(yōu)勢。因此，本文基于關(guān)聯(lián)分析設(shè)計了一種新型配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

1 關(guān)聯(lián)分析

關(guān)聯(lián)分析的核心是Apriori算法。通過Apriori和AprioriTid等關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，可加快整個挖掘過程。通過關(guān)聯(lián)分析中Apriori的計算，能夠搜索出配電柜故障自動化監(jiān)測的最短傳輸路徑，從而提高配電柜故障自動化監(jiān)測的精準度，為配電柜故障自動化監(jiān)測提供理論依據(jù)。

2 基于關(guān)聯(lián)分析的配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器

本文設(shè)計的傳感器型號為MKBT-A500-E432，用于實時測量配電柜故障的電壓和電流等關(guān)鍵參數(shù)[2]。傳感器內(nèi)置MPU-58974100芯片，如圖1所示。MPU-58974100芯片作為一種封裝的復(fù)合型芯片，能夠有效提高配電柜故障自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳感精度，且能測量故障和非故障狀態(tài)下的配電柜運行參數(shù)，實現(xiàn)多種維度監(jiān)測配電柜故障中的各項參數(shù)指標，從而滿足配電柜故障監(jiān)測的要求。

2.2 專用集成電路

為確保系統(tǒng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠高效傳輸，系統(tǒng)運用關(guān)聯(lián)分析中的Apriori性質(zhì)設(shè)計了專用集成電路。將傳感器接收端的有效信號功率表格化，可縮小頻繁項集的搜索空間。本文設(shè)計的專用集成電路引入了關(guān)聯(lián)分析，通過專用的數(shù)據(jù)算法進行轉(zhuǎn)換，并傳輸配電柜故障中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，減小了信源信號的冗余度，將出現(xiàn)傳輸錯誤的幾率降至最低。

2.3 監(jiān)測主機

圖1 MPU-58974100芯片原理圖

在專用集成電路的基礎(chǔ)上設(shè)計監(jiān)測主機。監(jiān)測主機型號為OM-A6 LKX2547777，帶獨立看門狗，具有大容量存儲器，無需依賴網(wǎng)絡(luò)即可完成配電柜配電、UPS、溫濕度、煙感以及圖像采集等運行參數(shù)，并采用集中監(jiān)控管理方式，通過短信和電話等進行報警。在故障狀況下，監(jiān)測主機可以完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測、現(xiàn)場圖像采集、報警信息發(fā)布以及遠程控制等操作。

3 基于關(guān)聯(lián)分析的配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于關(guān)聯(lián)分析的配電柜故障自動監(jiān)測流程，如圖2所示。初始化配電柜網(wǎng)絡(luò)后，編碼配電柜的故障信號特征，基于關(guān)聯(lián)分析法計算故障電壓電流數(shù)據(jù)，重構(gòu)配電柜故障檢測信號傳輸路徑并接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)執(zhí)行匯編代碼并轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，通過計算數(shù)字格式的故障數(shù)據(jù)的映射值輸出終端監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 基于關(guān)聯(lián)分析計算配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)

配電柜故障自動化監(jiān)測時，首先進行網(wǎng)絡(luò)初始化，根據(jù)提取的配電柜故障特征設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)[3]，然后利用關(guān)聯(lián)分析對配電柜故障特征進行權(quán)值和閾值編碼，得到故障電壓和電流數(shù)據(jù)初始種群。利用關(guān)聯(lián)分析編碼時，對不符合故障電壓和電流數(shù)據(jù)的權(quán)值和閾值采用實數(shù)編碼法，通過關(guān)聯(lián)分析訓(xùn)練獲得故障電壓和電流數(shù)據(jù)誤差平方和的倒數(shù)作為適應(yīng)函數(shù)。設(shè)配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)誤差平方和的倒數(shù)為f：

圖2 配電柜故障自動監(jiān)測流程圖

式中，m為適應(yīng)度高的已編碼配電柜故障特征權(quán)值；i為輸出神經(jīng)元的配電柜故障特征個數(shù)，為實數(shù)；ti為配電柜故障第i個特征輸出的期望值；ai為配電柜故障第i個特征輸出的實際值。求得配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)誤差平方和的倒數(shù)后，對選取的配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)進行個體之間的交叉和個體自身的變異，從而得出故障電壓和電流數(shù)據(jù)[4]。

基于關(guān)聯(lián)分析計算故障電壓和電流數(shù)據(jù)的激活函數(shù)，發(fā)現(xiàn)其與理想sigmoid函數(shù)擬合狀態(tài)良好。利用關(guān)聯(lián)分析的迭代過程，結(jié)合輸出神經(jīng)元的交叉計算，提高配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)計算的精準度。

3.2 自動化追蹤配電柜故障監(jiān)測信號

在基于關(guān)聯(lián)分析計算配電柜故障電壓和電流數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，明確配電柜故障監(jiān)測信號的發(fā)射點與傳輸路徑[4,5]?；陉P(guān)聯(lián)信號分析，假定監(jiān)測振動信號可表示配電柜故障的實時狀態(tài)，從而重構(gòu)配電柜故障監(jiān)測信號在傳輸路徑上的排列。利用配電柜故障監(jiān)測信號的映射函數(shù)與信號庫映射的方式，接收配電柜故障監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而推理監(jiān)測信號的故障點。

3.3 配電柜故障監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

接收配電柜故障監(jiān)測數(shù)據(jù)后，配置故障監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯編代碼。通過關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)一配電柜故障監(jiān)測信息中的參數(shù)屬性，將配電柜故障監(jiān)測信息屬性與語義關(guān)系相關(guān)聯(lián)，強化各部分之間的互聯(lián)共享。本文采用XCOM V2.0定點模塊對故障監(jiān)測數(shù)據(jù)執(zhí)行匯編代碼，每個配電柜故障監(jiān)測數(shù)據(jù)信號分配一個唯一標識，并將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，從而減少配電柜故障監(jiān)測數(shù)據(jù)中的冗余值。

3.4 顯示配電柜故障監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后，將系統(tǒng)故障監(jiān)測報警功能連接后臺，并顯示出配電柜故障的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)字形式數(shù)據(jù)在終端的顯示映射取值范圍設(shè)置在0～1，通過計算每個數(shù)據(jù)的映射值來獲得配電柜故障的監(jiān)測結(jié)果。配電柜故障監(jiān)測結(jié)果Q的表達式為：

式中，K為配電柜故障監(jiān)測數(shù)字形式數(shù)據(jù)的可信任度；E為配電柜故障的電壓值；φ為配電柜故障的電流值，η為映射值。計算得出的映射值是配電柜故障監(jiān)測的關(guān)鍵依據(jù)，同時結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳遞情況和傳輸終端數(shù)據(jù)，最終顯示數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)配電柜故障的監(jiān)測。

4 實例分析

4.1 實驗準備

為構(gòu)建實例分析，選取某配電柜為實驗對象，并設(shè)計配電柜故障的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 配電柜故障參數(shù)

根據(jù)表1，通過Weapectl 1.2.1軟件獲取本文設(shè)計系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測誤報警率。監(jiān)測誤報警率越低，說明監(jiān)測精度越高。實驗中共設(shè)置7個測試點位，分別為2 mA、3 mA、4 mA、5 mA、6 mA、7 mA和8 mA。

4.2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

整理實驗結(jié)果，如圖3所示?？梢?，本文設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)測的誤報警率明顯低于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，具有更高的實際應(yīng)用價值。

圖3 監(jiān)測誤報警率對比圖

5 結(jié) 論

基于關(guān)聯(lián)分析的配電柜故障自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)配電柜故障自動化監(jiān)測中存在的問題，優(yōu)化配電柜故障的自動化監(jiān)測，具有重要的現(xiàn)實意義。下一步應(yīng)加大關(guān)聯(lián)分析在配電柜故障自動化監(jiān)測中的應(yīng)用力度，以提高配電柜的綜合性能。