基于綜合判斷法的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

許 挺，向新宇，劉偉浩，錢少鋒，陳 煒，尤 敏，陳巧勇，湯 明

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民物質(zhì)水平的提高，對(duì)電量的需求越來(lái)越大，使得電力系統(tǒng)也在不停地?cái)U(kuò)張。為了保證電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、可靠地運(yùn)行，國(guó)家提出了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，因此也對(duì)電力系統(tǒng)中配套監(jiān)控設(shè)備提出了更高的設(shè)計(jì)要求。電網(wǎng)工程能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，與大量高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用密不可分。科研人員發(fā)現(xiàn)，在歷年高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備重大事故中，機(jī)械結(jié)構(gòu)故障、SF6泄漏、避雷器性能降低、斷路器觸頭接觸不良等故障是主要誘因。為保障供電的安全、可靠、穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)并解決高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備潛在的故障刻不容緩[1-5]。

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是用來(lái)控制輸配電過(guò)程中電流的通斷，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中集成了高壓隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、操作機(jī)構(gòu)、避雷器等設(shè)備部件，很多零部件集成在一起，空間很小，因此對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備三相間的絕緣特性有很高的要求，目前較多的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備使用SF6氣體進(jìn)行絕緣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷路器故障70%來(lái)自于機(jī)械結(jié)構(gòu)，例如因油脂凝固導(dǎo)致斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀、分合閘速度降低、電機(jī)線圈燒毀等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，上述故障不僅會(huì)給社會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)對(duì)用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅[6-10]。

斷路器機(jī)械特性直接反映其工作狀態(tài)，目前基本上采取定期離線式檢測(cè)方法對(duì)斷路器進(jìn)行檢修與維護(hù)。隨著國(guó)家提出建設(shè)智能電網(wǎng)的要求，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)離線式的檢修方式已經(jīng)越來(lái)越不能滿足實(shí)際需求。為此本文提出一種基于綜合判斷法的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用加速度振動(dòng)判斷斷路器剛分和剛合點(diǎn)，結(jié)合位移傳感器解決了斷路器觸頭開(kāi)距和超程在線監(jiān)測(cè)的難題，同時(shí)提出多層感知機(jī)的斷路器觸頭超程狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器觸頭磨損狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足供電公司為防止誤判需要雙驗(yàn)證的要求；提出基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)方法，解決了斷路器存在機(jī)構(gòu)卡澀、線圈斷線、分合閘速度降低等在線監(jiān)測(cè)難題，可真正實(shí)現(xiàn)由計(jì)劃?rùn)z修到在線監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變[11-15]。

1 基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械特性監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)斷路器故障，本文提出一種基于電流分析法的斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械特性監(jiān)測(cè)方法，可以準(zhǔn)確判斷斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否存在卡澀、線圈是否斷線等缺陷[6-8]。

通常斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用220 V 直流電機(jī)，為了測(cè)量電磁驅(qū)動(dòng)線圈電流，本文采用穿心式霍爾電流傳感器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)微處理器A/D 采集，便可以準(zhǔn)確得出電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流的大小，并可繪制出電流-時(shí)間曲線。電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流一般為1～2 A，線圈電流-時(shí)間曲線如圖1 所示，圖中A 點(diǎn)表示電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿出現(xiàn)移動(dòng)，儲(chǔ)能彈簧也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的形變；C 點(diǎn)和D 點(diǎn)表明電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿到達(dá)最大位移處；E 點(diǎn)表示到達(dá)最大位移處；F 點(diǎn)表示主控觸頭開(kāi)始動(dòng)作；G 點(diǎn)表示輔助觸頭也開(kāi)始動(dòng)作；H 點(diǎn)表示電磁連桿恢復(fù)，儲(chǔ)能彈簧無(wú)形變。

圖1 斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流-時(shí)間曲線

分析圖1 可得： B 點(diǎn)位置變高，表示驅(qū)動(dòng)電流增加，說(shuō)明斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在卡澀，如果沒(méi)有電流曲線，或者電流曲線突然消失，表明電機(jī)線圈斷線；G 點(diǎn)向右移動(dòng)表明機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀。

2 觸頭開(kāi)距和超程在線監(jiān)測(cè)

2.1 斷路器觸頭剛分和剛合點(diǎn)的判斷

斷路器由于經(jīng)常在滿負(fù)荷下開(kāi)斷，勢(shì)必造成觸頭磨損，進(jìn)而導(dǎo)致觸頭接觸面積減小，最終引發(fā)斷路器觸頭發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使開(kāi)關(guān)設(shè)備燒毀。為了解斷路器觸頭磨損情況，供電公司目前均是采用停電離線檢測(cè)的方法，需要將斷路器從開(kāi)關(guān)柜上拆除，然后停電進(jìn)行離線檢測(cè)，這種檢測(cè)方法不但不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器觸頭磨損情況，而且停電也給用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還需要大量的人力和物力投入。

斷路器工作狀態(tài)如圖2 所示，為驗(yàn)證本文所提加速度振動(dòng)法的正確性，利用傳統(tǒng)離線電壓激勵(lì)法判斷剛分和剛合點(diǎn)來(lái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

進(jìn)行離線式電壓激勵(lì)法試驗(yàn)時(shí)，在斷路器回路加入5 V 直流激勵(lì)電壓源，為減小斷路器回路電流，在斷路器回路串聯(lián)一個(gè)2 kΩ 的電阻，并形成回路，采用示波器跟蹤電阻兩端的電壓信號(hào)，斷路器分合閘操作時(shí)，通過(guò)曲線的跳變，判斷出剛分和剛合點(diǎn)，薄膜傳感器會(huì)在斷路器剛分和剛合點(diǎn)瞬間發(fā)生形變，在剛分和剛合點(diǎn)處引起電壓信號(hào)的突然變化，根據(jù)電壓變化拐點(diǎn)，進(jìn)而判斷剛分和剛合點(diǎn)。

圖2 斷路器工作狀態(tài)示意

采用加速度振動(dòng)法和傳統(tǒng)電壓激勵(lì)法在觸頭剛分、剛合點(diǎn)處均發(fā)生了明顯的電壓信號(hào)跳變，從而驗(yàn)證了加速度振動(dòng)法獲取剛分、剛合點(diǎn)的可行性。

2.2 斷路器觸頭開(kāi)距和超程在線測(cè)量

斷路器的總行程=開(kāi)距+超程[9-10]，若獲得總行程，再結(jié)合剛分和剛合點(diǎn)就可以獲得開(kāi)距和超程的具體數(shù)值。位移傳感器測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 斷路器位移傳感器測(cè)量原理

2.3 基于多層感知機(jī)的斷路器觸頭超程狀態(tài)識(shí)別

為進(jìn)一步獲得運(yùn)行中的斷路器觸頭磨損情況，本文又提出基于多層感知機(jī)的斷路器超程模式識(shí)別新方法，以達(dá)到供電公司防止誤判需雙驗(yàn)證（利用不用方法或不同原理對(duì)同一事件進(jìn)行驗(yàn)證）的要求。加速度振動(dòng)傳感器采集多組斷路器分合閘加速度振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)Python 中的多層感知機(jī)函數(shù)提取振動(dòng)信號(hào)特征，構(gòu)造特征量，并建立觸頭超程狀態(tài)（偏大、正常、偏?。?shù)學(xué)模型；斷路器分合閘動(dòng)作后，將采集到斷路器動(dòng)作加速度振動(dòng)信號(hào)傳送到觸頭超程狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別數(shù)學(xué)模型中，實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭超程狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別[11-12]。

2.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知機(jī)

（1）多層感知機(jī)

感知機(jī)是一種線性分類器，屬于判別模式。另外一種是生成模式，通過(guò)輸入特征信號(hào)，利用超平面將輸入的特征信號(hào)分為兩類甚至多類，感知機(jī)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM（支持向量機(jī)）信息處理的基礎(chǔ)。

對(duì)于一個(gè)輸入信號(hào)，假如輸入信號(hào)為X?Rn，輸入空間是Y={+1，-1}，其中X={X1，…，Xn}，Xi為一個(gè)特征向量，。

定義從輸入到輸出的空間函數(shù)f（x）=sign（wx+b）為感知機(jī)，w 為感知機(jī)的比例權(quán)重，b 為偏置值，。

感知機(jī)最終得到的結(jié)果是在一個(gè)平面上，將各個(gè)類的點(diǎn)區(qū)分開(kāi)。對(duì)于二維或者多維的平面，通過(guò)一條直線，或者多條直線對(duì)坐標(biāo)系中的點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，對(duì)于已經(jīng)給出的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，或者是一個(gè)特征向量，便可以通過(guò)二維圖來(lái)確定這個(gè)點(diǎn)的類別。

（2）多層感知機(jī)算法實(shí)現(xiàn)

模型、策略和算法是多層感知機(jī)的三大要素。根據(jù)感知機(jī)的數(shù)學(xué)模型，便可以實(shí)現(xiàn)感知機(jī)算法和學(xué)習(xí)策略，具體步驟為：

步驟1，確定需要初始化的w 和b。

步驟2，從訓(xùn)練中隨機(jī)選取點(diǎn)（xi，yi），則預(yù)測(cè)值為sign（w·xi+b）。

步驟3，在預(yù)測(cè)過(guò)程中，如果準(zhǔn)確率較低，或者是不正確，即sign（w·xi+b）≤0，則更改w 和b的值，繼續(xù)預(yù)測(cè)。

步驟4，重復(fù)迭代步驟2 和步驟3，直至預(yù)測(cè)結(jié)果小于期望誤差。

步驟5，輸入未知點(diǎn)（xi+1，yi+1）的特征向量xi+1，yi+1=sign（w·xi+1+b）。在步驟3 中，通過(guò)更新w 和b的值，一般采用所有誤差點(diǎn)到超平面的總距離，即，其中M 為所有誤差點(diǎn)的集合。

根據(jù)最小梯度下降法，wi+1=wi+ηyixi，bi+1=bi+ηyi，η 為梯度下降速度。根據(jù)以上步驟，便可以構(gòu)建多層感知機(jī)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)模型，在本文中通過(guò)Python 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)多層感知機(jī)函數(shù)。

2.3.2 多層感知機(jī)對(duì)超程狀態(tài)的識(shí)別

結(jié)合2.1 中采集到的加速度振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)去除噪聲處理之后，得到的加速度信號(hào)如圖4、圖5 所示，其中圖4 為斷路器合閘觸頭加速度振動(dòng)信號(hào)，圖5 為斷路器分閘觸頭加速度振動(dòng)信號(hào)。

圖4 斷路器合閘觸頭加速度振動(dòng)信號(hào)

圖5 斷路器分閘觸頭加速度振動(dòng)信號(hào)

根據(jù)斷路器設(shè)計(jì)參數(shù)可知，觸頭超程狀態(tài)不能超過(guò)4.2 mm 而且不能小于3.3 mm。觸頭超程狀態(tài)可分為三類： 正常狀態(tài)（3.3 mm≤超程≤4.2 mm）、偏大狀態(tài)（超程＞4.2 mm）和偏小狀態(tài)（超程＜3.3 mm）。文中共選取了100 組斷路器的動(dòng)作數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其中34 組為正常狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，33 組為偏大狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，33 組為偏小狀態(tài)觸頭加速度數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)共有2 500 個(gè)點(diǎn)。利用多層感知機(jī)分類時(shí)，偏大狀態(tài)分類標(biāo)簽為1，正常狀態(tài)分類標(biāo)簽為2，偏小狀態(tài)分類標(biāo)簽為3。通過(guò)多層感知機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)100組數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，最終運(yùn)行結(jié)果顯示，迭代準(zhǔn)確率為95.2%，如圖6 所示。

3 超程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

為真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行斷路器的實(shí)際工作狀況，將斷路器置于與之配套的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，搭建了振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，如圖7 所示。

圖6 斷路器觸頭超程狀態(tài)準(zhǔn)確率

圖7 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取5 組超程偏大狀態(tài)、5 組超程正常狀態(tài)、5 組超程偏小狀態(tài)動(dòng)作加速度振動(dòng)信號(hào)作為識(shí)別樣本，樣本預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 多層感知機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果

數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)主要程序代碼如下所示：

圖8 中，空心點(diǎn)為斷路器觸頭超程實(shí)際狀態(tài)，實(shí)心點(diǎn)為預(yù)測(cè)值，經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，多層感知機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果完全一致，說(shuō)明本文采用的多層感知機(jī)對(duì)斷路器觸頭超程狀態(tài)的識(shí)別具有很高的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了對(duì)斷路器觸頭超程狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外處理斷路器觸頭磨損、機(jī)構(gòu)卡澀、線圈斷線等缺陷還基本局限于離線式停電檢修方式，而本文研究了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用霍爾電流傳感器對(duì)斷路器電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)其電流波形中所含信息，判斷電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)是否存在卡澀、脫扣、斷桿等故障；利用振動(dòng)傳感器準(zhǔn)確獲取斷路器觸頭動(dòng)作剛分和剛合點(diǎn)，并結(jié)合位移傳感器獲得觸頭動(dòng)作位移；通過(guò)計(jì)算便可以準(zhǔn)確得出斷路器觸頭總行程、開(kāi)距和超程等數(shù)據(jù)，間接判斷斷路器觸頭磨損情況，并利用多層感知機(jī)對(duì)斷路器觸頭超程狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，采用Python編程語(yǔ)言，調(diào)用多層感知機(jī)函數(shù)，通過(guò)大量斷路器動(dòng)作加速度振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)觸頭動(dòng)作加速度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)后期斷路器的動(dòng)作加速度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別出斷路器觸頭超程狀態(tài)，從而預(yù)判出斷路器觸頭磨損狀態(tài)。在傳統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合控制、監(jiān)測(cè)、通信等現(xiàn)代技術(shù)，使得開(kāi)關(guān)設(shè)備具有自控制、自監(jiān)測(cè)和自診斷的功能，將智能化的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，不但會(huì)提高我國(guó)電力設(shè)備的智能化水平，還可以減少由于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，降低電力系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，因此，設(shè)計(jì)并研制智能化的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備具有重要意義。