高壓電氣設(shè)備局部故障智能診斷系統(tǒng)探究

【摘 要】本文針對以往使用人工巡檢、脈沖電流檢測法受到電磁干擾影響，導(dǎo)致表面放電、電暈放電故障診斷結(jié)果不精準(zhǔn)的問題，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)的高壓電氣設(shè)備局部故障智能診斷系統(tǒng)，設(shè)置地線推挽開關(guān)電路、吸波抑制電路，使油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)通過RS45接收電位信號，提升抗干擾能力;利用改進(jìn)深度學(xué)習(xí)方法建立故障識別模型，并根據(jù)模型輸出陣列，設(shè)計(jì)故障智能診斷流程，識別高壓設(shè)備局部故障;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)表面場強(qiáng)分量大于擊穿場強(qiáng)時(shí)，在2-12 V電壓范圍內(nèi)，放電頻率高于38 khz，診斷結(jié)果較好。

【關(guān)鍵詞】改進(jìn)深度學(xué)習(xí) 高壓電氣設(shè)備 局部故障 智能診斷

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）27-0173-04

高壓電氣設(shè)備不斷投入擴(kuò)大了電網(wǎng)規(guī)模，其電氣設(shè)備正常使用，成為整個(gè)電力系統(tǒng)不可缺少的一部分。由于電力系統(tǒng)中大多數(shù)設(shè)備是在高壓條件下運(yùn)行，這些電氣設(shè)備一旦出現(xiàn)故障會影響電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，有可能給電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)帶來不可預(yù)估的經(jīng)濟(jì)損失。電氣設(shè)備故障會影響高壓電場，并由此產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。因此，在絕緣區(qū)域電場強(qiáng)度較低情況下，容易出現(xiàn)擊穿場強(qiáng)現(xiàn)象，放電情況極為分散。盡管使用人工檢查方法在一定程度上能夠解決電力高壓電氣設(shè)備局部故障問題，但不能實(shí)時(shí)監(jiān)測電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致電氣設(shè)備局部故障無法得到有效診斷。為此相關(guān)研究者對其進(jìn)行了很多研究，并取得了一定成果。

陶詩洋、馮義、張?zhí)斐降鹊摹痘诿}沖電流法的高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測裝置》文獻(xiàn)里設(shè)計(jì)了一種新型高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測電氣設(shè)備局部故障。該方法首先分析開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象，對其放電信號進(jìn)行有效提取，并設(shè)計(jì)合理的電路，借助脈沖電流設(shè)計(jì)了檢測故障的回路，通過實(shí)驗(yàn)檢測該裝置的靈敏程度，結(jié)果可靠。該裝置可有效地對開關(guān)柜進(jìn)行故障檢測，但該裝置適用范圍較窄，存在一定局限性。張施令的《高壓SF_6氣體絕緣組合電器放電故障模式智能識別》一文里也設(shè)計(jì)并闡述了一種高壓SF_6氣體絕緣組合電器放電故障模式識別方法，該方法通過模擬固體絕緣件，確定高壓設(shè)備故障類型，引入聯(lián)合模糊迭代自組織數(shù)據(jù)分析方法對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)表示，通過蟻群算法對其中存在的故障進(jìn)行智能識別。該方法可有效判斷高壓設(shè)備故障類型，但對其影響因子考慮甚少，存在診斷精度較低的問題。

為了彌補(bǔ)上述方法中存在的不足，筆者設(shè)計(jì)了一種新的高壓電氣設(shè)備局部故障智能診斷系統(tǒng)。通過系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備局部故障智能診斷系統(tǒng)構(gòu)建。

一、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是由變壓器局放監(jiān)測子系統(tǒng)、接地電路、油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)及斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)組成。通過變壓器局放監(jiān)測子系統(tǒng)可判斷變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障。其原理是推挽開關(guān)電路使用兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管進(jìn)行交替導(dǎo)通/截止，抑制沖擊電壓。油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于對現(xiàn)場人員進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。通過斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)分析，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號，最終完成硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（一）變壓器局放監(jiān)測子系統(tǒng)

為提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，考慮到變壓器對系統(tǒng)的影響程度，對其局放監(jiān)測進(jìn)行了子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

結(jié)合圖1所示變壓器局放監(jiān)控子系統(tǒng)，判斷變壓器局部放電監(jiān)測子系統(tǒng)鐵芯多點(diǎn)接地故障。

1.氣相色譜分析

在氣相色譜分析過程中，如果空氣中甲烷和烯烴氣體濃度較高，CO、CO2變化不明顯，那么說明變壓器堆芯過熱。

2.監(jiān)測接地線電流

在接地線電流監(jiān)測過程中，使用監(jiān)測鉗形計(jì)監(jiān)測鐵芯是否能夠正常接地。如果能夠正常接地，那么鐵芯外接引線上不會出現(xiàn)電流。如果不能，那么鐵芯主磁周圍出現(xiàn)短路現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)生電流，該電流數(shù)值取決于故障點(diǎn)和正常連接位置，也就是短路匝圈內(nèi)繞通量。

（二）接地電路

變壓器用于大功率場合，常采用中間推挽開關(guān)電路。推挽開關(guān)電路輸入輸出之間有180°的距離，而開關(guān)電源的集成控制器A和B相的輸出為180°，因此推挽開關(guān)電路可由功率MOSFET構(gòu)成，直接驅(qū)動(dòng)。另外，在無負(fù)載情況下，電路中功率MOSFET的漏極與源極之間會產(chǎn)生較高的電壓。因此，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的耐電壓應(yīng)留有足夠的余量，以抑制沖擊電壓。中頻功率電路一般采用半橋電路，即兩個(gè)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管交替導(dǎo)通/截止。

（三）油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)

油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)由位移探測器和信號處理器組成，用LCD點(diǎn)陣顯示監(jiān)測結(jié)果。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)報(bào)警和信號傳輸，有利于現(xiàn)場人員進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。本系統(tǒng)可選擇RS485通訊模式和 GSM無線公網(wǎng)報(bào)警傳輸模式，便于與其他設(shè)備連接，且抗干擾能力強(qiáng)，故障率低。本系統(tǒng)對波紋管箱內(nèi)油位測量主要是檢測波紋管的膨脹度，將波紋管的動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)換成型材的角度，以及與其連接的電位計(jì)的角度。利用 MCU將電位計(jì)的一部分轉(zhuǎn)換成電位數(shù)字，通過RS45傳輸量子信號到二次測量。油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)如圖2所示：

（四）斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)

用多種監(jiān)測儀器對高壓電器設(shè)備工作狀態(tài)的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提取所測電、非電信號，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號形式，輸入數(shù)字信號采集裝置，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行相應(yīng)信號分析。斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)如圖3所示。

如圖3所示，該子系統(tǒng)可從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，使用Matlab 軟件。采集器選用適合采集設(shè)備和傳感器等硬件，并使用 C語言編寫數(shù)據(jù)采集程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確采集，系統(tǒng)可以完成對數(shù)據(jù)的處理。

二、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

（一）故障識別模型構(gòu)建

改進(jìn)深度學(xué)習(xí)故障識別模型，如圖4所示：

由圖4可知，CSDN1框架是由第一層輸入層和第二層隱含層組成，CSDN2框架是由兩層隱含層組成，CSDNn框架是由第n層隱含層和可視層組成。

可視層vi與隱含層hj連接節(jié)能量可以定義為：

式中，w表示可視層與隱含層連接后所占比重，a和b分別表示不同的偏置量，θ表示模型參數(shù)。

為進(jìn)一步說明改進(jìn)深度學(xué)習(xí)工作過程，輸入陣列中每一個(gè)元素對應(yīng)一個(gè)可見層節(jié)點(diǎn)，以這種方式輸入到每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，經(jīng)過一系列的計(jì)算，每一個(gè)元素對應(yīng)一個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)并輸出陣列信號。

（二）局部故障智能診斷流程

根據(jù)構(gòu)建的故障識別模型，設(shè)計(jì)局部故障智能診斷流程，如圖5所示：

由圖5可知，故障智能診斷步驟為：

1.原始特征提取

主要包括對電力設(shè)備振動(dòng)原始信號的去噪、重構(gòu)、分解等預(yù)處理。采用信號采集和信號處理相結(jié)合的方法，得到了較好的信號數(shù)據(jù);最后提取信號的高壓集。

2.特征空間轉(zhuǎn)換

使用線性映射法將提取到高維信號特征映射為低維信號特征模式。

3.訓(xùn)練及故障識別

利用低維特征數(shù)據(jù)集ML的部分?jǐn)?shù)據(jù)NL所建立的改進(jìn)深度學(xué)習(xí)識別模型，通過優(yōu)化算法得到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)深度學(xué)習(xí)模型，并以部分ML數(shù)據(jù)PL作為測試數(shù)據(jù)集輸入標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)深度學(xué)習(xí)模型，獲得故障狀態(tài)識別結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)分析

基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)的高壓電氣設(shè)備局部故障智能診斷系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場采集的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂品?wù)器，并在服務(wù)器中進(jìn)行視頻分析。如發(fā)現(xiàn)異常信息，保存異常圖像，通過因特網(wǎng)傳送到客戶機(jī)，由工程師檢查。與此同時(shí)，服務(wù)器將保留客戶的基本用戶信息，為工程師提供到技術(shù)交流平臺，滿足移動(dòng)辦公的需求，圖6為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖：

（一）高壓電氣設(shè)備局部放電故障分析

1.局部放電

當(dāng)高壓電氣設(shè)備表面場強(qiáng)比擊穿場強(qiáng)大時(shí)，受到高壓電氣設(shè)備使用材料中存在的氣泡或孔隙影響，導(dǎo)致場強(qiáng)中出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象最常出現(xiàn)在機(jī)殼法蘭和電纜端子中。

2.電暈放電

導(dǎo)體表面電場受到擊穿場強(qiáng)影響局部放電時(shí)，導(dǎo)體表面電場非常不均勻，容易出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。尤其在高壓電場中，電暈放電容易導(dǎo)致電極處產(chǎn)生負(fù)電量。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別使用人工巡檢、脈沖電流檢測法和基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)診斷法對表面放電、電暈放電故障情況進(jìn)行診斷。

1.表面放電故障診斷

隨機(jī)選取高電壓電場中介質(zhì)的A、B、C、D、E、F六個(gè)點(diǎn)，分別使用三種方法對表面放電故障進(jìn)行診斷，結(jié)果如表1所示：

由表1可知，使用人工巡檢方法診斷到的平行于表面場強(qiáng)分量均小于擊穿場強(qiáng)，診斷結(jié)果沒有出現(xiàn)表面放電故障問題;使用脈沖電流檢測法診斷到平行于表面場強(qiáng)分量，只有在C處場強(qiáng)與擊穿場強(qiáng)一致，其余均小于擊穿場強(qiáng)，診斷結(jié)果沒有出現(xiàn)表面放電故障;使用基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)診斷法診斷到的平行于表面場強(qiáng)分量均大于擊穿場強(qiáng)，診斷結(jié)果出現(xiàn)表面放電故障現(xiàn)象。對比之下，本系統(tǒng)診斷的效果更好。

2.電暈放電故障診斷

分別使用三種方法對電暈放電故障診斷，對比結(jié)果如圖7所示：

由圖7可知，使用人工巡檢法，隨著電壓升高，放電頻率逐漸增大，但在0-10 V電壓范圍內(nèi)，放電頻率均低于38 kHz，沒有出現(xiàn)光輝放電現(xiàn)象。使用脈沖電流檢測法，隨著電壓升高，放電頻率逐漸增大，但在0～8 V電壓范圍內(nèi)，放電頻率均低于38千赫茲，沒有出現(xiàn)光輝放電現(xiàn)象。使用基于改進(jìn)深度學(xué)習(xí)診斷法，隨著電壓升高，放電頻率逐漸增大，在0～2 V電壓范圍內(nèi)，放電頻率低于38千赫茲，沒有出現(xiàn)光輝放電現(xiàn)象，在2～12 V電壓范圍內(nèi)，放電頻率高于38千赫茲，有光輝放電現(xiàn)象。

針對高壓電氣設(shè)備局部故障診斷精度較低等問題，筆者設(shè)計(jì)了一種新的高壓電氣設(shè)備局部故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對變壓器局放監(jiān)測子系統(tǒng)、接地電路、油溫油位監(jiān)測子系統(tǒng)、斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)以及故障診斷的改進(jìn)深度模型，對高壓電氣設(shè)備局部故障進(jìn)行有效診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)可有效地對高壓電氣設(shè)備局部故障進(jìn)行診斷，該系統(tǒng)具有一定可行性。

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【作者簡介】盧芳革（1966— ），女，壯族，廣西上林人，大學(xué)本科，廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姽ぁ㈦姎饪刂萍夹g(shù)及應(yīng)急安全文化教育。

（責(zé)編 李 唐）