基于離散Frechet距離的變電站高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司 曹 宇

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一，根據(jù)安裝地點不同可分為戶外型與戶內(nèi)型。戶外高壓隔離開關(guān)因長期受到外在環(huán)境的不良影響，其故障發(fā)生率相對更高。戶外高壓隔離開關(guān)的頻發(fā)故障主要有導(dǎo)電回路發(fā)熱、操作失靈、絕緣子斷裂以及表面銹蝕等。絕大多數(shù)戶外高壓隔離開關(guān)故障可通過電網(wǎng)運維單位季節(jié)性檢查工作發(fā)現(xiàn)和消除。如運維人員可通過紅外測溫等方式檢查導(dǎo)電回路是否發(fā)熱，通過采用圖譜識別或超聲波探傷等技術(shù)手段查找斷裂瓷瓶，但對于彈簧故障、機(jī)械堵塞等相對隱蔽的內(nèi)部機(jī)械故障，常規(guī)監(jiān)測手段不適用，需從高壓隔離開關(guān)的機(jī)理角度入手，構(gòu)建特定檢查方法[1]。

許多學(xué)者通過研究異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流特性及機(jī)構(gòu)故障間的關(guān)系，建立了新型高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法。文獻(xiàn)[2]提出主軸轉(zhuǎn)角時間特性與轉(zhuǎn)矩有關(guān)，當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時其特性曲線會有一定的變化，通過判別曲線可診斷是否出現(xiàn)機(jī)構(gòu)故障。但單個轉(zhuǎn)矩加旋轉(zhuǎn)角度（或時間軸）的精度不足以進(jìn)行故障檢測。因此對于高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障診斷較好的解決方案是構(gòu)建一個分類模型，通過綜合各種定子電流特征量來分析機(jī)構(gòu)的故障類型。

Frechet是一種用于評估空間序列曲線相似性的重要算法。該算法側(cè)重于利用空間中兩條曲線的路徑距離，以評估兩條曲線的相似性。基于Frechet距離算法的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法，可節(jié)省對大量樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練過程，且無需提取電流或其他曲線的特征。高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作原理和診斷過程滿足對高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障的實際診斷要求，簡便易行。

1 電機(jī)定子電流特性分析

工作原理。本文以供電系統(tǒng)輸配電中常用的GW4高壓隔離開關(guān)為例。這種隔離開關(guān)使用CX-6電氣機(jī)構(gòu)和三相異步電動機(jī)。高壓隔離開關(guān)中使用的三相異步電動機(jī)的工作原理是：當(dāng)三相正弦電流流過定子繞組時，電動機(jī)將產(chǎn)生頻率為fp的旋轉(zhuǎn)磁場，同時磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生sfp頻率的感應(yīng)電動勢，其中s是轉(zhuǎn)差率。通過該電動勢可獲得高壓隔離開關(guān)工作期間的感應(yīng)電流，因此通過分析電流特性可評估高壓隔離開關(guān)是否存在機(jī)械故障。

電流信號采樣濾波設(shè)計。在高壓隔離開關(guān)打開和閉合過程中，電動機(jī)定子電流包含大量諧波分量，因此需要采樣濾波。為獲得理想信號，通過模擬低通濾波器對電流信號（連續(xù)非周期信號）進(jìn)行濾波以獲得離散非周期信號，然后對該離散信號進(jìn)行數(shù)字濾波以獲得離散非周期信號。高壓隔離開關(guān)正常工作時獲得的電流曲線如圖1，可看出閉合過程時間約為3.0s，電機(jī)啟動過程時間約為0.2s。啟動時定子旋轉(zhuǎn)磁場會高速切割固定轉(zhuǎn)子，從而使定子電流立即達(dá)到4.10A。

圖1 正常電流曲線

故障工作過程的動作電流曲線分析。在對北京某變電站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研后，結(jié)合高壓隔離開關(guān)故障檢測的相關(guān)研究成果，將高壓隔離開關(guān)合閘過程中的典型故障分為三類：機(jī)械卡澀（T1）、彈簧失效（T2）以及開閉不充分（T3），其故障表現(xiàn)及故障原因分別為：電流有效值在穩(wěn)態(tài)工況下出現(xiàn)波峰（比正常工況高0.2A左右）、邊頻分量增大。表現(xiàn)為出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡澀時力矩增加，電機(jī)電流隨之上升；合閘的沖擊增大，對應(yīng)的電流在2.4s時比正常工況高0.3A左右，邊頻分量表現(xiàn)為不對稱。表現(xiàn)為彈簧失效，彈簧起不到平衡機(jī)構(gòu)的重力矩的作用，需增大力矩以完成合閘操作；在合閘過程的第2.4s，電流有效值明顯增益，比正常高0.5A左右，并且電流有效值波形有明顯的畸變，但邊頻量表現(xiàn)不明顯。表現(xiàn)為開閉不充分。

2 基于Frechet距離的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷

2.1 故障診斷設(shè)計過程

在高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障診斷中主要步驟為：獲取并分類典型故障曲線。從現(xiàn)場獲取大量高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作電流曲線，并對其進(jìn)行篩選和分類；建立各種故障的曲線模板。分析上述故障曲線并建立各種故障的曲線模板，用于后續(xù)測試曲線的相似性比較；計算Frechet距離。收集一條新故障曲線，計算該曲線與各種故障模板之間的Frechet距離；相似度比較。通過計算Frechet距離獲得新收集的斷層曲線與各種故障曲線間的相似度，并通過比較獲得相似度最高的故障曲線，并將其所屬的故障分類輸出為結(jié)果。故障診斷總體設(shè)計為：待測曲線/模板曲線-弗雷歇距離計算-相似度比較-結(jié)果輸出。

2.2 Frechet距離算法概述

1906年法國數(shù)學(xué)家Frechet提出空間距離的概念，后來將其稱為Frechet距離[2-4]。Frechet距離的提出為描述空間路徑的相似性提供了新思路，從而提高了空間中兩條曲線之間相似性的評估效率。Frechet距離的定義如下：

設(shè)存在度量空間L上的兩條連續(xù)曲線L1和L2，其中曲線L1和L2各滿足式L1:[0,1]→L和式L2:[0,1]→L。設(shè)α和β是單位區(qū)間[0,1]上的兩個重新參數(shù)化函數(shù)，且α和β滿足式α:[0,1]→[0,1]、β:[0,1]→[0,1]，曲 線L1和L2之 間 的Frechet距 離F(L1，L2)為F(L1,L2)=i nfmax{d(L1(α(t))),L2(β(t))}，其 中α,β∈[0,1]t∈[0,1]，d是L上的度量函數(shù)。Frechet距離的提出能夠?qū)⒖臻g中兩曲線之間的距離具體化，基于該思想，本文設(shè)計實現(xiàn)兩曲線相似性判斷的過程如圖3。

圖3 兩曲線相似性判斷流程圖

在圖1中，待測曲線L1和模板曲線L2的坐標(biāo)化是該兩曲線相似性判斷的基礎(chǔ)。P={p(1),p(2),...,p(n),...p(N)}為L1、Q={q(1),q(2),...,q(m),...,q(M)}為L2各采樣點的坐標(biāo)集合。其中p(n)=(xn,yn)，n為曲線L1上采樣點序號，滿足n∈[1,N]，xn和yn分別是采樣點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。其中，Q(m)=(x＊m,y＊m)，m為曲線L2上采樣點序號，滿足m∈[1,M]，x＊m和y＊

m分別是采樣點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。曲線L1和曲線L2之間的距離矩陣D1為L1和L2上各采樣點之間距離形成的矩陣，如式（1）所示。其中，dmn為L1上第n個點和L2上第m個點之間的距離，即。

L1和L2上兩點間最大距離dmax=max(D1)，最小距離為dmin=min(D1)。目標(biāo)距離f設(shè)置為dmin。并設(shè)置目標(biāo)距離f的循環(huán)增長間隔r為，二值矩陣D2從矩陣D1變換而來。將矩陣D1中小于目標(biāo)距離f的元素設(shè)置為1，將矩陣D1中大于目標(biāo)距離f的元素設(shè)置為0即可得到二值矩陣D2，如式（2）所示。其中，D2矩陣元素值只能為0或1，n∈[1,N]，m∈[1,M]。

目標(biāo)間隔路徑R的有無，關(guān)系著在目標(biāo)距離f下能否找到曲線L1和曲線L2之間的Frechet距離。目標(biāo)間隔路徑R需滿足如下條件：R的起點為d′11，終點為d′MN；路徑在通過點d′mn后，其下一個通過點只能為d′（m＋1）n、d′m（n＋1）、d′（m＋1）（n＋1）中的一個；路徑R中所有點的值都必須為1。

2.3 Frechet距離在道岔故障診斷中的應(yīng)用

Frechet曲線距離的提出為計算兩條曲線間的相似度上開辟了一種新的比較方法。在對高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類和比較的過程中將對相似度進(jìn)行計算，并將相似度Z定義為Z=1/F，其中F為Frechet距離。可看出相似度與Frechet距離成反比，即Frechet距離越小，兩條曲線之間的相似度越高。在對高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類和比較的過程中，故障模板曲線不同得到的Frechet距離和相似度也不同。對高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障曲線進(jìn)行分類即：比較獲得的Frechet距離和相似度的過程，然后通過該過程確定要測試的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障為相似度最高的模板曲線的模式。

3 應(yīng)用實例分析與驗證

本次進(jìn)行實例驗證時，將使用上述故障類型和圖2中的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障電流曲線作為計算Frechet距離的模板曲線。從北京某變電站的電力監(jiān)控系統(tǒng)中選取屬于T1的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的電源故障曲線作為測試曲線，使用本文提出的Frechet距離算法計算相似度，三種典型故障模型下診斷的相似度結(jié)果分別為3.71/2.73/3.32，可看出，待測故障曲線與對應(yīng)于T3故障的電流曲線的相似度最低，而對應(yīng)于T1故障的電流曲線的相似度最高，因此可確定這次診斷的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障為T1。這種類型的故障與預(yù)期的設(shè)置一致，表明可以使用Frechet距離算法能夠正確診斷高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的故障。

圖2 高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障狀態(tài)電流曲線圖

從北京某變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中選擇30條高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障曲線，即每種故障曲線的10條對其進(jìn)行批量驗證，診斷結(jié)果正確度均為100%。由此可知，本文提出的采用Frechet距離計算的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法能夠正確診斷本文總結(jié)的三種典型故障，診斷準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

4 結(jié)論與不足

本文以高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷為研究方向。首先通過現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)研究成果，總結(jié)了高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)三種常見典型故障，并對其對應(yīng)的電流曲線進(jìn)行了列表和分析；其次針對高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷復(fù)雜、診斷準(zhǔn)確率低的缺點，提出通過計算Frechet距離判斷兩條曲線相似性，并將該方法應(yīng)用到高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷中，以三種常見典型故障曲線為模板，對采集故障曲線進(jìn)行了診斷；最后通過實例驗證了本文提出的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷方法能夠正確識別故障類型，能夠滿足高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)在實踐中的需要。

不足之處在于，本文收集的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)典型故障類型數(shù)量少，不能有效診斷所有故障曲線。在今后的研究中將進(jìn)一步收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，總結(jié)更多的高壓隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)故障曲線模型用于對其進(jìn)行故障診斷。