基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷

龍全喜

（滕州高級(jí)技工學(xué)校，山東棗莊 277599）

0 引言

電網(wǎng)設(shè)備故障診斷是電網(wǎng)設(shè)備定期檢修和故障檢修的重要前提，快速準(zhǔn)確地診斷是保障電力設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。通過(guò)采集故障數(shù)據(jù)，提取故障特征，找出發(fā)生故障的設(shè)備并分析原因，使電網(wǎng)運(yùn)維人員能夠更加快速準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)二次設(shè)備進(jìn)行診斷和維修[2]。電力設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)使設(shè)備運(yùn)行的安全性下降，隨即導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障的情況變多[3]。傳統(tǒng)的電力設(shè)備診斷方法診斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其診斷技術(shù)已不再適用于目前的電力設(shè)備。因此，快速準(zhǔn)確地診斷出各個(gè)設(shè)備的故障，進(jìn)行設(shè)備維修與更新，避免發(fā)生嚴(yán)重的事故，基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷的研究十分必要。提出基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷。處理電網(wǎng)二次設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，拓展數(shù)據(jù)庫(kù)告警信息，分析異常警報(bào)?；诙嘣磮D像信息提取故障特征，利用紅外圖像和泄漏電流波形圖像，獲得多種故障特征。

1 基于多目標(biāo)優(yōu)化的電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷

1.1 處理電網(wǎng)二次設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在電力輸送的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下，考慮控制二次回路，以及電網(wǎng)的負(fù)荷能力，出于安全性的考慮，實(shí)行嵌入式的二次設(shè)備監(jiān)測(cè)[4]。利用傳感器對(duì)二次設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)電信號(hào)傳輸，得到原始二次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并對(duì)可能發(fā)生的故障提前制定預(yù)防性解決方案。以電網(wǎng)系統(tǒng)中的告警和變位報(bào)文等為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的主要研究對(duì)象，二次設(shè)備的監(jiān)測(cè)分為分布式和集中式兩種，電力設(shè)備的運(yùn)行具有不同的狀態(tài)，對(duì)報(bào)文的處理按照相應(yīng)的序列規(guī)則，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)告警特征進(jìn)行分類(lèi)，以保證報(bào)文不被中斷，避免發(fā)生誤報(bào)的情況。首先要過(guò)濾掉已經(jīng)檢修過(guò)的信息，對(duì)存在誤報(bào)或信息不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決多次告警的問(wèn)題。在告警中嵌入動(dòng)作保護(hù)模式，擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)告警信息，完成在線(xiàn)告警信息處理，分析出漏報(bào)與誤報(bào)的異常警報(bào)，總結(jié)電網(wǎng)中各二次設(shè)備的故障原因，形成故障問(wèn)題診斷思路。

1.2 基于多源圖像信息提取故障特征

電力設(shè)備紅外圖像和泄漏電流波形圖像含有豐富的設(shè)備信息，通過(guò)提取不同的故障特征，分析不同特征下的電力二次設(shè)備故障診斷原理，為故障診斷打下基礎(chǔ)。以互感器為例，在其拍攝過(guò)程中容易受到紅外設(shè)備及外部噪聲干擾，使紅外圖像中有大量脈沖噪聲等。紅外拍攝時(shí)受到線(xiàn)路的影響導(dǎo)致圖像不清晰，需要對(duì)紅外圖像進(jìn)行降噪，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行分割提取。二次設(shè)備溫度特征是設(shè)備故障診斷普遍使用的特征量，其本身特征明顯、直觀，容易獲取。像素溫度分布較廣，為了更好地提取表征互感器故障狀態(tài)的特征量，需要得到互感器的關(guān)鍵部位具體溫度。選取互感器的最大值和最小值，以最大溫升和平均溫度作為互感器故障診斷的有效特征量。紋理特征較為明顯，也是常見(jiàn)的提取特征量，由于互感器的表面溫度不同，使圖像中的顯示區(qū)域的亮度也有所不同，當(dāng)區(qū)域之間具有較大的溫差時(shí)，這些區(qū)域邊界紋理特征明顯，為紋理特征的互感器故障診斷提供了可能。通過(guò)灰度—梯度共生矩陣對(duì)紋理特征進(jìn)行提取，其處理過(guò)程公式：

式（1）和（2）分別為梯度和灰度的歸一化處理，式中（X，Y）和w（X，Y）分別為像素點(diǎn)（X，Y）的梯度值和灰度值，其中qmax和wmax分別為最大梯度值和灰度值，Kq和Kw是梯度級(jí)與灰度級(jí)最大值。式（3）為歸一化的灰度—梯度矩陣，式中Bi和Bi是原圖像大小，R′（m，n）是共生矩陣R 第（m，n）個(gè)像素點(diǎn)的值。根據(jù)共生矩陣提取紅外圖像參數(shù)。泄漏電流波形圖像信息在采集和傳輸過(guò)程中會(huì)有部分噪聲混入真實(shí)信號(hào)中，是影響信號(hào)檢測(cè)和分析的重要因素，其中白噪聲對(duì)泄漏電流信號(hào)影響最大，它是降噪重點(diǎn)。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)泄漏電流進(jìn)行去噪，其原理是按照信號(hào)的上下波動(dòng)趨勢(shì)分別在不同的尺度條件下分解成特征信息不同的本征模態(tài)函數(shù)，再進(jìn)行降噪，降噪后大多數(shù)噪聲干擾已被濾除，但也存在著高頻部分真實(shí)信號(hào)特征信息誤去除的情況，因此，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法與小波閾值去噪相結(jié)合，能夠避免泄漏電流信息的丟失。利用等值附鹽密度與互感器泄漏電流的關(guān)系，提取有效反映互感器污穢故障的特征量。對(duì)泄漏電流進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，其有效值是普遍研究的特征量，針對(duì)自然條件下的泄漏電流信號(hào)，其有效值公式為：

式中Cf為泄漏電流的采樣值，N 為泄漏電流信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)計(jì)算泄漏電流的有效值，將泄漏電流最大值作為絕緣子污穢故障診斷的有效特征量。通過(guò)對(duì)不同污穢程度的電流波形圖像進(jìn)行處理，互感器在不同污穢程度下的泄漏電流各次諧波呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，在重度污穢故障下的泄漏電流高次諧波變化更加明顯，因此將泄漏電流總的諧波畸變率作為互感器故障診斷的有效特征量。

1.3 建立多目標(biāo)優(yōu)化的故障診斷模型

通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法，將原有的規(guī)劃模型進(jìn)行分解重構(gòu)，建立帶約束的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷問(wèn)題向多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的轉(zhuǎn)化，設(shè)置保護(hù)動(dòng)作期望狀態(tài)。設(shè)e1為二次設(shè)備的u 的動(dòng)作保護(hù)，e2為u 的近后備保護(hù)，e3為u 的遠(yuǎn)后備保護(hù)，h 為刀閘操作狀態(tài)，保護(hù)I（e3，u）為遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍內(nèi)的二次設(shè)備的鄰近設(shè)備集合，當(dāng)二次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)作保護(hù)和近后備保護(hù)均拒動(dòng)或鄰近設(shè)備集合發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)后備保護(hù)的動(dòng)作期望為：

式中?代表邏輯運(yùn)算的或。在二次設(shè)備中一般設(shè)有互感器失靈保護(hù)，E（id）為所有驅(qū)動(dòng)互感器id跳閘的動(dòng)作集合，當(dāng)id拒動(dòng)時(shí)，互感失靈保護(hù)應(yīng)該響應(yīng)，其動(dòng)作期望為：

基于分析結(jié)果，形成可能故障區(qū)域，在故障區(qū)域中確定設(shè)備故障備集，并確定對(duì)應(yīng)的保護(hù)集合，對(duì)保護(hù)規(guī)則解析，進(jìn)行約束處理。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

以電網(wǎng)中二次設(shè)備的電壓互感器為研究對(duì)象，針對(duì)電壓互感器的3 種常見(jiàn)但難以發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，運(yùn)用提出的方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面分別針對(duì)電壓互感器的3 種故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)備故障分別是漂移偏差、固定偏差和變比偏差。突變類(lèi)故障包括固定偏差、變比偏差等，如果變比發(fā)生突發(fā)性變化，互感器輸出信號(hào)波形也會(huì)隨之畸變。為簡(jiǎn)化研究，設(shè)定3 種偏差較為緩慢的變化，對(duì)3 種故障信號(hào)進(jìn)行診斷和定位，仿真時(shí)間設(shè)為0.3 s，采樣頻率為12 kHz，且設(shè)定電壓互感器在同一時(shí)刻只發(fā)生一種故障，將故障發(fā)生時(shí)間設(shè)定在0.2 s，仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖1 所示。

圖1 3 種故障診斷仿真

由圖1 可知，在經(jīng)過(guò)降噪處理后，漂移偏差含有噪聲的原始信號(hào)變得光滑有效，可以看出在第0.2 s 時(shí)發(fā)生故障，與之前設(shè)定的故障發(fā)生時(shí)間一致，固定偏差性故障和變比偏差診斷過(guò)程與漂移偏差的診斷過(guò)程相同，其診斷結(jié)果與設(shè)定相同，說(shuō)明故障診斷和定位有效，具有可行性。

上述診斷方法能夠有效去除噪聲干擾，較好地進(jìn)行漂移偏差性故障、固定偏差性故障、變比偏差性故障的識(shí)別判斷和檢測(cè)定位，仿真驗(yàn)證了本方法具有可靠性，能夠良好地進(jìn)行二次設(shè)備的故障診斷。

3 結(jié)束語(yǔ)

在已有研究的基礎(chǔ)上，在監(jiān)測(cè)設(shè)備故障的處理上有了一定的進(jìn)展，對(duì)于故障信息的采集以及設(shè)備故障的診斷取得了一定的研究成果，但還有許多問(wèn)題需要在后續(xù)研究中不斷解決。如建立電網(wǎng)二次設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息采集平臺(tái)；在電網(wǎng)二次設(shè)備故障診斷中，綜合海量的多維信息，進(jìn)行多決策融合診斷；更深入研究電網(wǎng)二次設(shè)備的并發(fā)故障和多故障聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象，提出更加有效的診斷方法。