基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力鎖具故障診斷方法

馬龍

（國網(wǎng)江蘇電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215004）

電力設(shè)備在運行過程中，一旦控制其行為的鎖具出現(xiàn)異?，F(xiàn)象或故障狀態(tài)，便會對配電行為與供電服務(wù)造成直接影響，嚴重情況下，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)運行連鎖故障。為了實現(xiàn)對此類故障的及時感知，并在可控時間內(nèi)進行故障的排除與處理，電力企業(yè)嘗試了多種現(xiàn)代化技術(shù)，進行電力鎖具故障診斷與排除方法的設(shè)計，盡管此方面的投入與建設(shè)為電力企業(yè)可持續(xù)運營提供了較好的支撐，并在逐步實踐中取得了一定成果[1]。但電力企業(yè)現(xiàn)用的技術(shù)仍存在一些短板，包括診斷過程中迭代次數(shù)較多，故障診斷所需時間較長、部分技術(shù)為其他行業(yè)引進，與電力鎖具出現(xiàn)了不匹配或矛盾現(xiàn)象等。為此，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入該領(lǐng)域，提出一種針對電力鎖具的故障診斷新方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力鎖具故障診斷方法設(shè)計

1.1 電力鎖具運行信息獲取與傳輸

為了實現(xiàn)對電力鎖具在運行過程中故障的及時診斷，本章引進互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在電力鎖具運行端口安裝傳感器設(shè)備，并建立一個信號傳輸機制，進行電力鎖具運行信息獲取與傳輸[3]。設(shè)計架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力鎖具運行信息獲取與傳輸架構(gòu)

如圖1 所示，電力鎖具在運行中，輔助使用RFID 裝置與傳感器設(shè)備，進行其基礎(chǔ)信息的采集，采集的信息包括：鎖具運行狀態(tài)、鎖具標識信息、屬性信息、外部作業(yè)環(huán)境信息、內(nèi)部作業(yè)環(huán)境信息等[4]。并通過在此過程中對電力鎖具電子標簽的讀取與識別，實現(xiàn)對鎖具的初步巡檢。完成對故障信息的初步獲取后，相關(guān)信息將被采集層傳輸?shù)叫畔⒅行?，為了避免?shù)據(jù)在傳輸中出現(xiàn)異常，在傳輸中引進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行傳輸數(shù)據(jù)通信。將CAN 作為采集總線，將信息傳輸?shù)叫畔⒒脚_。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效處理功能，將現(xiàn)有的電力鎖具運行信息劃分為三類，分別為歷史信息、預(yù)測試信息與實時信息。其中預(yù)測試信息是用于識別或判斷電力鎖具運行故障的主要信息，其中主要包括技術(shù)參數(shù)信息、檢修信息、出廠信息、故障記錄信息等。結(jié)合電力鎖具的運行狀態(tài)信息，構(gòu)建針對采集數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù)，使用模糊統(tǒng)計或二元比對的方式，對比值數(shù)據(jù)進行排序與指派，對此過程中的隸屬度函數(shù)進行描述，計算公式如下：

公式（1）中：μ （x）表示電力鎖具運行數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù)表達式，其中x 的取值應(yīng)滿足小于或等于al 條件；a 表示數(shù)據(jù)梯度；l 表示數(shù)據(jù)有效傳輸路徑?？稍诖诉^程中，將a1與a2作為電力鎖具運行的邊界條件，當獲取數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)條件后，說明此時電力鎖具可能存在異常行為。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信信道的通暢度，傳輸電力鎖具運行信息。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力鎖具運行故障參數(shù)提取

為實現(xiàn)基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息對電力鎖具故障的有效診斷，需要在傳輸終端，對獲取與傳輸?shù)倪\行數(shù)據(jù)進行處理，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對運行中的故障參數(shù)進行提取。在此過程中，需要將電力鎖具運行故障診斷行為劃分為兩個步驟，分別為電力鎖具運行參數(shù)處理與故障參數(shù)提取。同時，將現(xiàn)有的監(jiān)測反饋信號劃分成三類，分別為常態(tài)化條件下的反饋信號、危險信號與預(yù)警信號。對分布在物聯(lián)網(wǎng)中的不同節(jié)點信號進行安全閾值對比分析，當信號分布在正常參數(shù)范圍內(nèi)時，說明此節(jié)點傳輸或反饋的電力鎖具運行信號無異常現(xiàn)象，需要跳轉(zhuǎn)下一節(jié)點對其進行繼續(xù)診斷即可，當信號分布超出正常參數(shù)范圍時，說明此節(jié)點傳輸或反饋的電力鎖具運行信號存在異常現(xiàn)象，需要針對該節(jié)點進行采樣處理。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中信道的分布，將故障信號納入故障信息集合中，為后續(xù)對電力鎖具故障診斷提供參照[5]。同時，根據(jù)電力鎖具的運行狀態(tài)與停機狀態(tài)，對提取數(shù)據(jù)的邊緣進行模糊化處理，將位于模糊化邊緣的數(shù)據(jù)一并納入識別過程?？紤]到在此過程中電力鎖具異常參數(shù)預(yù)警與其本體故障預(yù)警存在差異，因此，還需要在上述研究的基礎(chǔ)上，將基于物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)作為提取技術(shù)。將F(x)作為參數(shù)提取范圍，當x 的取值為0 時，說明此時提取的信息存在一定的危險或故障趨勢，即數(shù)據(jù)集合存在異常。當x 的取值＜0 時，說明提取的數(shù)據(jù)集合不存在異常，電力鎖具具有連續(xù)、穩(wěn)定運行的特點。當?shù)娜≈担?，但＜1.0 時，說明此時已觸發(fā)預(yù)警信號。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)反饋信號在物聯(lián)網(wǎng)中的故障預(yù)警范圍，進行提取參數(shù)的邊緣化，并按照正交檢測的方式，相對參數(shù)的分布進行應(yīng)力劃分，截取較為集中的應(yīng)力區(qū)域，將其作為故障參數(shù)集中分布區(qū)域，以實現(xiàn)對電力鎖具運行故障參數(shù)的提取。

1.3 基于模糊理論構(gòu)建電力鎖具故障發(fā)生征兆關(guān)系函數(shù)

公式（2）中，L 表示模糊變換矩陣。將上述公式（2）作為電力鎖具故障發(fā)生征兆關(guān)系函數(shù)。

1.4 電力鎖具故障智能分類與診斷

公式（3）中，Q 表示經(jīng)過除雜降噪處理后的電力鎖具故障數(shù)據(jù)；B 表示原始電力鎖具故障數(shù)據(jù)；Xi表示受到人工因素影響下接收到的電力鎖具故障數(shù)據(jù)中存在的噪聲數(shù)值。根據(jù)上述公式（2）實現(xiàn)對故障數(shù)據(jù)的除雜降噪處理，以此得到新的電力鎖具故障數(shù)據(jù)集合。將這一數(shù)據(jù)集合作為依據(jù)，根據(jù)電力鎖具故障類型的模糊綜合評估方法對電力鎖具故障數(shù)據(jù)與其對應(yīng)故障類型之間的關(guān)系進行判斷，從而對發(fā)生故障的隸屬關(guān)系進行劃分，以此實現(xiàn)對電力鎖具的故障分類。將上述過程帶入到R矩陣中，實現(xiàn)智能故障分類，R 矩陣的表達式為：

再結(jié)合電力鎖具故障指標評估對其實際出現(xiàn)的故障類型進行診斷，從而實現(xiàn)對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力鎖具故障診斷方法的設(shè)計。圖2 為電力鎖具故障智能診斷流程。

圖2 電力鎖具故障智能診斷流程

至此，完成電力鎖具故障診斷。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

以某電力企業(yè)作為依托，針對該電力企業(yè)中用于實現(xiàn)對電力開關(guān)控制的手柄寬度≤42MM 電氣空開隔離工業(yè)鎖具進行故障診斷。已知該電力鎖具的型號為BDD12X，鎖具配套安全標示牌型號為P01,P02 等吊牌，材質(zhì)為尼龍PA& 聚丙烯PP，可使用鎖梁直徑小于等于7mm，可鎖手柄寬度小于等于42mm 的斷路器。

2.2 本文故障診斷方法可行性檢驗

為驗證本文故障診斷方法在實際應(yīng)用中的可行性，利用本文故障診斷方法對上述BD-D12X 型號電力鎖具在運行過程中的各項信息進行獲取，并根據(jù)獲取到的信息確定故障發(fā)生征兆關(guān)系函數(shù)，最終結(jié)合函數(shù)計算結(jié)果實現(xiàn)對電力鎖具故障智能分類和診斷。在完成上述操作后，將診斷結(jié)果記錄如表1 所示。

由表1 可以看出，在10:25:36～10:58:23 電力鎖具運行期間，共出現(xiàn)了四次故障，并且其故障類型診斷結(jié)果均不相同。由于電力鎖具在出現(xiàn)故障問題時，其輸出反饋端與電源供電端之間的導(dǎo)通電阻會發(fā)生變化，因此，基于這一特點，通過將本文上述得出的診斷結(jié)果與實際測定結(jié)果進行比較，能夠?qū)崿F(xiàn)對本文診斷方法可行性的檢驗。在對電力鎖具的導(dǎo)通電阻進行測定時，選用MICRO-JUNIOR-2 型號電阻測量儀，該測量儀的精度為±0.1%rdg；分辨率為5Digits；電阻測量范圍在0～100Ω之間。利用該測量儀完成對10:25:36～10:58:23 電力鎖具運行期間輸出反饋端與電源供電端之間的導(dǎo)通電阻的測定，并將測定結(jié)果繪制成如圖3 所示。

表1 本文故障診斷方法診斷結(jié)果記錄表

圖3 電力鎖具運行期間導(dǎo)通電阻實際測量結(jié)果

從圖3 得到的電力鎖具運行期間導(dǎo)通電阻實際測量結(jié)果可以看出，在10:35:28～0:51:18 電力鎖具運行期間，其導(dǎo)通電阻出現(xiàn)了明顯的變化，在10:35:28～10:51:18 期間和10:55:17～10:58:23 期間，導(dǎo)通電阻數(shù)值均低于100Ω。在正常情況下，電力鎖具未出現(xiàn)故障異常時，其導(dǎo)通電阻應(yīng)高于100Ω。因此，從圖3 得出的實際測量結(jié)果可以看出，在這兩個運行期間電力鎖具出現(xiàn)了故障問題，并且故障的時間與本文故障診斷方法得出的結(jié)果完全一致。由此可知設(shè)計方法可實現(xiàn)對電力鎖具故障的診斷，具有極高的可行性。

2.3 兩種故障診斷方法應(yīng)用優(yōu)勢對比分析

再選擇將電力企業(yè)以往應(yīng)用的文獻[2]方法作為對照組，將本文方法作為實驗組。選擇將故障診斷的效率作為評價兩種診斷方法的指標。將該電力企業(yè)中所有類型電力鎖具匯總，共包含32 個。對比兩種診斷方法診斷結(jié)果中正確識別出故障類型的鎖具個數(shù)進行統(tǒng)計，并將得出的結(jié)果繪制成如表2 所示的實驗結(jié)果對比表。

表2 兩種故障診斷方法應(yīng)用效果對比表

表2 中結(jié)果隸屬度是指診斷結(jié)果與實際故障類型一致的比例，從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，實驗組診斷方法診斷個數(shù)更多，并且診斷結(jié)果的隸屬度更高，均在0.95 以上，而對照組診斷個數(shù)較少，并且結(jié)果隸屬度均未超過0.55。

結(jié)束語

本文從電力鎖具運行信息獲取與傳輸、電力鎖具運行故障參數(shù)提取、基于模糊理論構(gòu)建電力鎖具故障發(fā)生征兆關(guān)系函數(shù)、電力鎖具故障智能分類與診斷四個方面，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力鎖具故障診斷方法設(shè)計研究。在此基礎(chǔ)上，為了驗證本文故障診斷方法在實際應(yīng)用中的可行性，選擇某電力企業(yè)作為參與單位，對設(shè)計的故障診斷方法進行檢驗，證明此次方法在應(yīng)用到電力企業(yè)當中時，能夠在規(guī)定的時間范圍內(nèi)對更多電力鎖具的診斷，并且得出的診斷結(jié)果準確性更高。