基于DTW算法波形相似性的GIS內(nèi)隔離開關(guān)運(yùn)行可靠性評(píng)估方法研究

曹雙鵬，許曉峰，王 亮，許 東，姚 曄

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司實(shí)業(yè)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

目前，隔離開關(guān)的機(jī)械性能缺陷的檢測(cè)方法仍然不能令人滿意，需要對(duì)隔離開關(guān)機(jī)械缺陷進(jìn)行檢測(cè)診斷。本文提出了一種基于改進(jìn)動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲算法（Dynamic Time Warping，DTW）的行程波形相似性的GIS 內(nèi)隔離開關(guān)運(yùn)行可靠性評(píng)估方法。利用改進(jìn)DTW 距離衡量GIS 在故障運(yùn)行時(shí)以及非故障運(yùn)行時(shí)的行程曲線之間的相似程度，以區(qū)分故障。

1 隔離開關(guān)故障曲線特征分析

本文以山東泰開隔離開關(guān)廠中的252 kV 角型隔離開關(guān)和直線型隔離開關(guān)為例，采用角位移傳感器采集的拐臂旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)轉(zhuǎn)換得出動(dòng)觸頭所走行程，并與標(biāo)準(zhǔn)行程進(jìn)行比對(duì)，以此作為判斷隔離開關(guān)是否分合閘到位的依據(jù)。如圖1 所示，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表拐臂旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 隔離開關(guān)特性測(cè)試曲線

由圖1 可以看出，在隔離開關(guān)狀態(tài)改變時(shí)，動(dòng)觸頭在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始運(yùn)行，動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸時(shí)對(duì)應(yīng)的是行程曲線與輔助線C 的交點(diǎn)，這段距離稱為開距；在觸頭接觸之后，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)觸頭接觸更加緊密，在曲線中對(duì)應(yīng)的是輔助線C 與輔助線D 之間的距離，該段距離稱之為接觸行程，動(dòng)觸頭的行程等于開距與接觸行程的和。通過觀察隔離開關(guān)機(jī)械特性測(cè)試曲線，可以直觀的看出隔離開關(guān)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果在曲線上升的過程中波動(dòng)比較嚴(yán)重，坡度較為平緩，那么隔離開關(guān)內(nèi)部可能出現(xiàn)摩擦力增大或出現(xiàn)部件卡阻的問題。

除了對(duì)比動(dòng)觸頭行程數(shù)據(jù)，還可以通過觀察在分合閘過程中每個(gè)動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的時(shí)間量，進(jìn)而為故障診斷提供更為有效地判據(jù)。如圖2 所示，當(dāng)二次信號(hào)狀態(tài)線分合閘信號(hào)回路、分閘信號(hào)回路和隔離開關(guān)合閘控制回路通電流時(shí)，隔離開關(guān)觸發(fā)合閘動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)靜觸頭剛接觸不久，輔助開關(guān)合閘信號(hào)回路閉合，發(fā)出合閘信號(hào)，而隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出功率，當(dāng)觸碰到行程接點(diǎn)時(shí)，斷開合閘控制回路，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)合閘。

圖2 分合閘輔助接點(diǎn)狀態(tài)

通過合閘輔助接點(diǎn)的變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間和行程，可以判斷二次信號(hào)回路中的輔助開關(guān)接點(diǎn)是否正常，或者通過二次回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)隔離開關(guān)機(jī)械動(dòng)作部分是否正常。反之，分閘動(dòng)作也是同樣道理。

綜上可知，隔離開關(guān)發(fā)生故障后其觸頭行程曲線有明顯的差異。采用相關(guān)系數(shù)法能簡(jiǎn)單的判定故障區(qū)段，但無(wú)法判斷故障發(fā)生的具體位置。由此提出基于動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離的可靠性評(píng)估方法，該方法是通過求解DTW 距離值來(lái)衡量?jī)山M隔離開關(guān)觸頭行程曲線的相似程度。

2 基于動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離的狀態(tài)評(píng)估

動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離是一種度量?jī)蓚€(gè)序列相似度的方法，其能夠在兩個(gè)時(shí)間序列發(fā)生偏移時(shí)仍能刻畫出兩序列相似程度，相比于相關(guān)系數(shù)法，DTW算法具有較強(qiáng)的耐同步特性。

2.1 DTW算法原理

用DTW 算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間序列的相似性度量，它是通過運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想來(lái)調(diào)整兩個(gè)時(shí)間序列元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到其最佳彎曲路徑并用此路徑上的值來(lái)度量時(shí)間序列相似程度。假定兩個(gè)時(shí)間序列M={m1，m2，…，mp} 和N={n1，n2，…，nq}，其維數(shù)分別為p和q，為求解其最佳彎曲路徑，需構(gòu)造兩序列元素的距離矩陣Tm×n。

其中，距離元素d（mi，nj）表示點(diǎn)mi和nj之間的匹配關(guān)系；矩陣T中所有滿足約束條件的彎曲矩陣元素則構(gòu)成了時(shí)間序列M 和N 整體的匹配關(guān)系，即彎曲路徑。其路徑的約束條件為

1）路徑的始末位置必須為d（m1，n1）和d（mp，nq）。

2）彎曲路徑上的元素必須是沿著相鄰點(diǎn)往下進(jìn)行的，即保證位置連續(xù)，距離大小單調(diào)增加。

實(shí)際上，能夠滿足以上約束條件的彎曲路徑有很多條（假定有X條），需在諸多可能路徑中尋找出最優(yōu)路徑，使得該路徑上的距離元素之和最小。

采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃尋找最佳時(shí)間彎曲路徑，可通過計(jì)算累積距離矩陣：

使得彎曲路徑距離元素之和最小，即：

式中，xi為某一路徑上的第i個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)；d（xi）為坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離元素；k∈［max（p，q），m+n-2］表示路徑上元素的總數(shù)。

2.2 故障行程曲線特征與DTW距離關(guān)系

故障發(fā)生時(shí)，非故障點(diǎn)隔離開關(guān)各檢測(cè)點(diǎn)的觸頭行程曲線相似。在各檢測(cè)點(diǎn)求取故障發(fā)生時(shí)的各區(qū)段的DTW 距離歸一化值，如圖3 所示。圖3表明區(qū)段的幅值差越大，其DTW 距離值越大；而對(duì)于其中一種幅度衰減情況而言，越接近故障點(diǎn)的區(qū)段，其求得的DTW 距離值反而越大。

圖3 非故障點(diǎn)區(qū)段DTW 距離歸一化值

故障區(qū)段兩端的檢測(cè)點(diǎn)波形不相似，主諧振頻率差別較大，幅值差別較大。由圖4 可清晰的看出故障區(qū)段為6，其DTW 距離歸一化值遠(yuǎn)大于其他區(qū)段。

圖4 故障時(shí)各區(qū)段DTW 距離歸一化值

DTW 距離是通過度量?jī)蓚€(gè)序列各元素間的距離，進(jìn)而表現(xiàn)這兩個(gè)序列的相似性。為了說(shuō)明分合閘狀態(tài)不同時(shí)的DTW 變化，特選取故障隔離開關(guān)具有相似特征的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)［11］。求取兩組各區(qū)段觸頭行程的DTW 距離歸一化值，如圖5 所示。當(dāng)分閘時(shí)，DTW 距離歸一化值遠(yuǎn)大于合閘相同時(shí)的情況，因此，完全可以通過基于DTW 距離定位判據(jù)區(qū)分分閘故障或合閘故障。

圖5 分合閘狀態(tài)與DTW 距離值的關(guān)系

3 算例仿真

本文以ZF9-252 三工位隔離開關(guān)為例。該三工位隔離開關(guān)的工作原理是整合了隔離開關(guān)和接地開關(guān)兩者的功能，并由一把刀來(lái)完成，一把刀的工作位置某一時(shí)刻是唯一的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖，防止主回路帶電合地刀。ZF9-252 三工位隔離開關(guān)原理示意圖如圖6所示。

圖6 ZF9-252三工位隔離開關(guān)原理

該隔離開關(guān)主要參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)動(dòng)n0=170°±3°，行程L0=145±3 mm，開距k0=125±2 mm。

該隔離開關(guān)行程計(jì)算方法為

超程：

利用弧長(zhǎng)定理，可得小齒輪等效半徑為r1=24 cm，大齒輪等效半徑為r2=48.96 cm；假設(shè)實(shí)測(cè)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為n，則觸頭的行程為

下面以分閘為例，模擬三工位隔離開關(guān)在故障時(shí)行程曲線歸一化值的變化。在分閘過程中，模擬隔離開關(guān)在合閘初期觸頭行進(jìn)中摩擦力增大，行程曲線會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)上升的波動(dòng)，分閘故障行程曲線如圖7所示。

圖7 兩組數(shù)據(jù)曲線對(duì)比

通過限定約束條件，采用DTM 算法對(duì)比兩組曲線得出歸一化結(jié)果，如圖8所示。

圖8 故障曲線歸一化對(duì)比

根據(jù)圖8 可以清晰的看出在第4 段以及第9 段歸一化的值均大于設(shè)定閥值，由此可以得出，在分合閘曲線初期，角度變化較為緩慢，曲線坡度較低，可以判斷出動(dòng)觸頭在狀態(tài)改變初期可能存在內(nèi)拐臂連接處虛位或者是有部件存在卡阻現(xiàn)象；在分合閘曲線中期，角度平穩(wěn)上升，可以判斷出在該區(qū)段，隔離開關(guān)并無(wú)機(jī)械故障；在分合閘曲線末期，曲線呈抖動(dòng)上升趨勢(shì)，由此可以推斷出動(dòng)靜觸頭接觸之后存在較大阻力，造成的原因可能是因?yàn)閯?dòng)觸頭不在箱體中間位置或經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后缺少潤(rùn)滑油。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)故障隔離開關(guān)與非故障隔離開關(guān)在觸頭行程曲線上存在明顯的不同，本文提出了基于DTW 隔離開關(guān)運(yùn)行可靠性的評(píng)估方法。該方法在判斷GIS 內(nèi)隔離開關(guān)機(jī)械故障時(shí)，能夠充分的利用故障區(qū)段和非故障區(qū)段的相似性差異，在特殊故障時(shí)（即故障區(qū)段和非故障區(qū)段相似性特征重疊時(shí)），該方法借由自身刻畫相似性的優(yōu)越性，能夠?qū)⒐收咸卣靼M(jìn)來(lái)，進(jìn)而擴(kuò)大故障區(qū)段和非故障區(qū)段特征差異。由于不同機(jī)械狀態(tài)下的觸頭行程-時(shí)間曲線在時(shí)域上有顯著差異，因此利用DTW 算法判斷不同時(shí)域的機(jī)械狀態(tài)。當(dāng)DTW 用于優(yōu)化離散曲線時(shí)，它必須全面考慮所需的約束條件。該方法在實(shí)際工作中，需先采集隔離開關(guān)外拐臂旋轉(zhuǎn)角度，形成角度與時(shí)間曲線，通過DTW 算法對(duì)比采集曲線與經(jīng)典曲線（也就是測(cè)得的無(wú)故障運(yùn)行隔離開關(guān)角度與時(shí)間曲線）的相似度，如果相似度超過事先的估算閾值則認(rèn)為該隔離開關(guān)存在機(jī)械故障，若未超過則認(rèn)為該隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)良好。通過實(shí)驗(yàn)證明，該方法適用于直線型隔離開關(guān)、角型隔離開關(guān)以及三工位隔離開關(guān)的運(yùn)行可靠性評(píng)估。