一種智能柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

林昱奐，胡嘉銘，戴偉力，黃波

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州番禺供電局，廣州 511452）

引言

配電網(wǎng)柱上開關(guān)實現(xiàn)配網(wǎng)架空線路負(fù)荷分段、故障隔離、三遙等功能，是智能配電網(wǎng)實現(xiàn)故障自愈、故障定位的重要設(shè)備[1-3]。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對配電開關(guān)的智能化和可靠性的運行要求也越來越高。根據(jù)我國相關(guān)電力部門的統(tǒng)計，配電開關(guān)設(shè)備的大多數(shù)故障是由操作機(jī)構(gòu)引起的，由于操作機(jī)構(gòu)的安裝不當(dāng)、銹蝕、長時間運行導(dǎo)致的老化等眾多原因，都有可能導(dǎo)致配電開關(guān)拒分合、儲能電機(jī)和分合閘線圈燒毀等事故，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致更大級別的電網(wǎng)事故[4-6]。

配網(wǎng)線路供電可靠性要求越來越高，對柱上開關(guān)的安裝維護(hù)與運行可靠性也提出了更高的要求[7]。本文研究一種智能柱上開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的柱上開關(guān)的絕緣、溫度的狀態(tài)評估和故障診斷技術(shù)，同時基于機(jī)器學(xué)習(xí)需求，開發(fā)數(shù)據(jù)采集解決方案、數(shù)據(jù)預(yù)處理算法技術(shù)，實現(xiàn)柱上開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

1 智能柱上開關(guān)總體設(shè)計

1.1 智能柱上開關(guān)功能

柱上開關(guān)具備隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、斷路器及熔斷器的功能，裝于10 kV架空配電線路中戶外電桿上的開關(guān)，用于城郊及農(nóng)村配電網(wǎng)中，用于分?jǐn)?、閉合、承載線路負(fù)荷電流及故障電流的機(jī)械開關(guān)設(shè)備[8,9]。隨著智能化水平不斷提高，柱上開關(guān)除了具備分?jǐn)唷㈤]合、承載線路負(fù)荷電流及故障電流的基本功能外，還具備故障診斷、防開路功能等先進(jìn)功能[10-12]，具體包括：

1）智能柱上開關(guān)功能需求日趨復(fù)雜，涉及電流、電壓采樣和開關(guān)狀態(tài)獲取等采集環(huán)節(jié)、狀態(tài)判斷、人機(jī)交互、狀態(tài)輸出和通信等多個功能，需采用功能強(qiáng)大的處理器，才能高效完成上述功能。同時針對柱上開關(guān)安裝于戶外容易老化和長時間運行容易損壞問題，尤其柱上開關(guān)接口開路失效問題，需專門研究對應(yīng)的防開路插頭。

2）柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷影響因素多，常規(guī)的單量判斷方法不容易有效識別不同工況下柱上開關(guān)的真實運行狀態(tài)。因此，需結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，通過對柱上開關(guān)數(shù)據(jù)的全面收集、處理、分析和高級應(yīng)用，實現(xiàn)柱上開關(guān)準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了更好實現(xiàn)柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，本文提出的智能柱上開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)同樣包含一次系統(tǒng)設(shè)備與二次系統(tǒng)設(shè)備，如圖1所示。

配電線路的柱上開關(guān)一般由包含直接參與電能傳輸?shù)囊淮坞姎庠O(shè)備與負(fù)責(zé)控制與信息傳輸?shù)亩卧O(shè)備構(gòu)成，如開關(guān)控制器智能控制單元。

一次系統(tǒng)包含開關(guān)本體部分，及其配置的電流傳感器、電壓傳感器、環(huán)境監(jiān)測等各類傳感器，通過信號線連接到二次設(shè)備中，通過信號采集設(shè)備即設(shè)備中的端子排將測量信號集中并輸出。

在系統(tǒng)中連接一次與二次系統(tǒng)的設(shè)備是智能矩形航空插頭，保證開關(guān)控制器與開關(guān)本體的可靠連接與標(biāo)準(zhǔn)化信息交互。同時本文提出的智能矩形航空插頭可實現(xiàn)一次設(shè)備的可視化監(jiān)測。

智能柱上開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的是智能化二次系統(tǒng)。智能矩形航插從一次系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，并將其傳遞給饋線終端開關(guān)控制器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳遞到智能化信號處理系統(tǒng)做進(jìn)一步分析。智能化信號處理系統(tǒng)是本文提出的智能監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的“大腦”，主要負(fù)責(zé)將柱上開關(guān)的運行信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。

2 智能終端硬件設(shè)計

本文研發(fā)的智能柱上開關(guān)，以F28335數(shù)字信號控制器為核心，進(jìn)行智能柱上開關(guān)智能終端設(shè)計，如圖2所示。柱上開關(guān)智能終端由主控制器電路、信號輸入電路、控制輸出電路、通信接口電路、人機(jī)交互電路與可視化防開路矩形航空插等模塊構(gòu)成。

圖1 柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計框架圖

1）主控制器所選用的F28335采用哈弗控制器構(gòu)建，具有浮點功能，可以高效實現(xiàn)柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷涉及的復(fù)雜算法，同時該控制器具有高效的總線結(jié)構(gòu)、豐富的緩存、存儲空間和通信接口，可以方便進(jìn)行柱上開關(guān)二次系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和擴(kuò)展。

2）信號輸入電路包括電流、電壓等模擬量輸入和開關(guān)狀態(tài)等數(shù)字量輸入。

柱上開關(guān)模擬量有反映電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的電流和電壓外，還包括了開關(guān)操作涉及的儲能電源。由于模擬量信號的精度要求較高，這直接影響到開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷算法的準(zhǔn)確性，因此，模擬量采集回路做了精心設(shè)計，上述電流、電源和儲能電源信號，接入采樣電路后，進(jìn)行信號調(diào)理，過濾掉高頻噪聲和其他干擾信號。由于高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）價格較為昂貴，而F28335自身配備了高精度的高速AD模塊，因此，選用F28335內(nèi)部AD模塊將模擬量離散化基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

開關(guān)量輸入模塊相對簡單，主要是采用光耦隔離芯片進(jìn)行外界信號隔離，避免電磁環(huán)境的干擾。本文將開關(guān)狀態(tài)等數(shù)字量信息接入到高速光耦隔離芯片，經(jīng)光耦隔離后輸入到F28335主控制器的對應(yīng)管腳。

3）隨著數(shù)字電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對電力智能終端通信的要求也越來越高。所設(shè)計的柱上開關(guān)智能終端同時采用有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的靈活通信方式。

有線通信網(wǎng)絡(luò)方面，考慮到F28335主控制器內(nèi)置CAN通信控制模塊，而CAN控制器局域網(wǎng)具有簡單易用、組網(wǎng)方便、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點。因此，本文所設(shè)計的有線通信網(wǎng)絡(luò)主要基于CAN通信。同時，F(xiàn)28335主控制器預(yù)留了多個UART接口，也將其靈活擴(kuò)展成RS232/RS485等電力經(jīng)典的傳統(tǒng)通信方式。

有線通信網(wǎng)絡(luò)方面，考慮柱上開關(guān)位置分布較為廣泛、分散，不容易自組網(wǎng)，因此所設(shè)計的柱上開關(guān)智能終端采用公網(wǎng)提供的GPRS無線方式。由于無線通信模塊采用外接插件式的方式實現(xiàn)，隨著5G通信的逐漸普及，智能終端可以方便地更新到5G等新一代通信網(wǎng)絡(luò)。

4）所設(shè)計的智能終端具有良好的人機(jī)界面方式，人機(jī)界面不僅可以實時顯示柱上開關(guān)運行狀態(tài)和方便地查看柱上開關(guān)各種參數(shù)的設(shè)置，還可以通過鍵盤、觸摸屏實現(xiàn)友好的人機(jī)交互。智能終端液晶顯示屏在正常情況下可以實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，當(dāng)柱上開關(guān)運行狀態(tài)異常時給出告警信號，方便運行人員及時了解運行狀態(tài)。

柱上開關(guān)涉及大電流開斷，且長時間在戶外運行容易老化問題。為了保證柱上開關(guān)操作的可靠性，專門研發(fā)可視化防開路矩形航空插，方便現(xiàn)場運行人員直觀觀察開關(guān)操作過程變化，并可在異常情況時實時發(fā)現(xiàn)問題，使得柱上開關(guān)整個操作過程更加安全、可靠。

采用可視化防開路矩形航空插，開關(guān)在插合過程中，當(dāng)動作機(jī)構(gòu)還未接觸時，插頭端保持在短路狀態(tài)，進(jìn)一步插入過程中，動作機(jī)構(gòu)觸發(fā)動作，電流經(jīng)公母插針形成閉合回路，整個電路無開路狀態(tài)，提高了帶電操作的安全性。

所研發(fā)的可視化防開路矩形航空插，可以確認(rèn)航空插頭進(jìn)行了可靠的短接，即防開路，然后再拔下航空插頭，提高帶電更換終端的安全性。

3 智能化算法設(shè)計

柱上開關(guān)狀態(tài)受設(shè)備型號、運行環(huán)境、動作情況等多種影響，靠單一監(jiān)測信息難以準(zhǔn)確定位柱上開關(guān)故障。鑒于此，本文結(jié)合當(dāng)前人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

3.1 機(jī)器學(xué)習(xí)算法簡介

作為人工智能的重要研究分支，機(jī)器學(xué)習(xí)在近些年來受到了越來越廣泛的關(guān)注。目前機(jī)器學(xué)習(xí)的主要方向可以分為以下三點[13]：

1）面向任務(wù)型，即在既定的任務(wù)下，完善或優(yōu)化任務(wù)目標(biāo)。

2）模擬認(rèn)知型，即以模擬人類學(xué)習(xí)行為作為研究方向，尋求解決問題的方法。

3）算法研究型，即從理論層面出發(fā)，學(xué)習(xí)研究基礎(chǔ)算法。

目前機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要包括決策樹法、隨機(jī)森林算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)法和關(guān)聯(lián)規(guī)則算法等[14]。其中決策樹法可靈活修剪枝葉，同時對根節(jié)點設(shè)置不同置信度的決策標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)分析及分類問題具有較高的靈活性和可解釋性。

決策樹法常用自頂向下的貪婪算法，每個節(jié)點選取分類效果最佳的屬性繼續(xù)拆分，直至分類屬性用完或決策樹可有效分類訓(xùn)練集。本文選取ID3算法，并以信息增益率IR最大作為最優(yōu)分類特征的選取標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)特征樣本為X（X=[x1，x2，…，xm]），特征樣本輸出集合為Y（Y=[y1，y2，…，yn]）。其中m表示樣本數(shù)，n表示輸出分類數(shù)。則信息增益率IR可表示為：

式中：

HX（Y）—特征熵；

I（X，Y）—信息增益，分別如下式示。

式中：

p(yi)—特征樣本輸出為yi的概率。

3.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法

基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法，采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)層、樣本層、決策層和應(yīng)用層四個維度不斷深化的處理，以更精準(zhǔn)揭示柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷結(jié)果。

具體的柱上開關(guān)狀態(tài)診斷流程如圖3所示，分析流程涵蓋數(shù)據(jù)層、樣本層、決策層和應(yīng)用層。通過智能分布式監(jiān)測設(shè)備，采集開關(guān)的環(huán)境信息、臺賬信息、運行信息與動作信息?；诖髷?shù)據(jù)清洗技術(shù)，剔除信息異常的個體樣本，形成樣本庫。提取樣本特征，作為決策網(wǎng)絡(luò)輸入層，得到特征樣本診斷結(jié)果。并根據(jù)診斷結(jié)果實現(xiàn)故障告警與消除。

基于決策樹法的開關(guān)狀態(tài)診斷模型如圖4所示，選取決策樹法作為機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)算法，以智能化信號處理系統(tǒng)采集的柱上開關(guān)特征量，包括環(huán)境溫度濕度、通斷電流、動作次數(shù)限制、運行電壓電流、通斷次數(shù)、通斷平均時間等作為算法輸入層，以開關(guān)正常、開關(guān)損壞、操作機(jī)構(gòu)老化、電流過大、異常發(fā)熱等作為算法輸出層，進(jìn)一步構(gòu)建決策網(wǎng)絡(luò)。

圖3 柱上開關(guān)狀態(tài)診斷流程

圖4 基于決策樹法的柱上開關(guān)狀態(tài)診斷模型

4 應(yīng)用

現(xiàn)場運行環(huán)境下的配電開關(guān)受環(huán)境影響和長時間的穩(wěn)態(tài)運行，會出現(xiàn)腐蝕老化和潤滑劑失效等現(xiàn)象，造成操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能下降，同時配電開關(guān)多次操作也會因機(jī)械磨損和電磨損造成操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能下降，這些性能變化趨勢在目前普通的檢修和檢測手段下，很難發(fā)現(xiàn)問題。

本文研發(fā)的智能柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，已投入某地市局供電現(xiàn)場使用。經(jīng)過初步的算例驗證，本文研發(fā)的智能柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，能夠?qū)χ祥_關(guān)運行狀態(tài)進(jìn)行較好評定，及時揭示了柱上開關(guān)運行狀態(tài)?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)前智能柱上開關(guān)可用的數(shù)據(jù)樣本還偏少，對所采用的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的柱上開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷評估的準(zhǔn)確性與真實性還有待進(jìn)一步驗證。

5 結(jié)語

柱上開關(guān)作為一種重要的智能配電網(wǎng)設(shè)備，正朝著智能化的方向發(fā)展。本文研發(fā)了一種智能柱上開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測與故障系統(tǒng)，以期更好揭示開關(guān)的運行狀態(tài)，該系統(tǒng)具有下述三個明顯特點：

1）采用F28335數(shù)字信號處理器為核心構(gòu)建了功能強(qiáng)大的智能終端，可處理復(fù)雜算法；

2）采用可視化防開路矩形航空插防開路，提高可靠性和安全性；

3）采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，具有較好識別準(zhǔn)確性。