基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的電力設(shè)備故障預(yù)測與診斷

楊明祥，李佳宣，殷商瑩，賀 皎，鄒蘭青

（1.國網(wǎng)甘肅物資事業(yè)部，甘肅 蘭州；2.國網(wǎng)物資有限公司，北京）

引言

隨著人民生活綜合水平的不斷提高，社會(huì)群體對電力供應(yīng)的質(zhì)量提出了更高要求。然而，在電網(wǎng)運(yùn)行中，由于各種原因造成的電力設(shè)備故障，已成為影響并制約電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一。基于此層面分析，通過對電力設(shè)備的故障進(jìn)行管理和預(yù)測，可以有效地改善電網(wǎng)供電質(zhì)量[1]。在深入電力市場故障診斷研究進(jìn)展的分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前，我國電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中面臨著如下問題：電力設(shè)備在運(yùn)行中技術(shù)參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)很好地控制，影響常規(guī)條件下的設(shè)備運(yùn)行與故障診斷結(jié)果。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在電力設(shè)備的正常運(yùn)行過程中，如存在電網(wǎng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，也會(huì)誘發(fā)一定的設(shè)備故障。特別是對于電力設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，如果長期處于不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，那么不但會(huì)降低設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，還會(huì)對電網(wǎng)整體運(yùn)行產(chǎn)生破壞，從這一點(diǎn)就可以看得出來，電力設(shè)備故障預(yù)報(bào)的重要性。

為全面落實(shí)此項(xiàng)工作，保障電力設(shè)備在一個(gè)相對穩(wěn)定、安全、可靠的條件下運(yùn)行，技術(shù)人員開展了大量的研究，并提出了多種可用于診斷電力設(shè)備故障的現(xiàn)代化技術(shù)，但顯而易見的是，當(dāng)前開發(fā)的技術(shù)與方法均未能在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期的故障預(yù)測與診斷效果，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行中電力設(shè)備故障現(xiàn)象仍屢見不鮮[2]。為解決此方面問題，本文將基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則，對此展開設(shè)計(jì)與研究。

1 基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的電力設(shè)備故障預(yù)測與診斷

1.1 建立電力設(shè)備故障信號模型

引入信號處理理論，獲取電力設(shè)備在故障時(shí)產(chǎn)生的信號，通過對故障信號的處理，提取故障狀態(tài)下的特征，以此實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備故障的預(yù)測與診斷[3]?；谏鲜鲞壿?，在故障信息的相空間中構(gòu)建電力設(shè)備故障信號模型。模型的構(gòu)建流程見圖1。

圖1 電力設(shè)備故障信號模型構(gòu)建流程

故障診斷的本質(zhì)是：利用有效的檢測技術(shù)獲取電力設(shè)備在運(yùn)行過程中的參數(shù)，并對信號和信息進(jìn)行處理和分析，以此實(shí)現(xiàn)對故障狀態(tài)和故障類型的表示。結(jié)合圖1所示的流程可以看出，能夠代表電力設(shè)備故障特征的信號通常為非線性時(shí)間序列。因此，針對這些非線性的時(shí)間序列進(jìn)行分析，結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以獲取到在故障狀態(tài)下的電力設(shè)備關(guān)聯(lián)維故障特點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)故障檢測[4]。在相空間中，可將起始的故障特征信息轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)頻分析模型?；谙嗫臻g重構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建了電力設(shè)備故障下的多維狀態(tài)空間。在電網(wǎng)運(yùn)行中，由于存在大量的繼電保護(hù)裝置。故障的產(chǎn)生是由一個(gè)差分方程所描述的非線性系統(tǒng)的分析過程，該方程為：

式中，zn+1代表電力設(shè)備故障產(chǎn)生后的非線性差分方程。zn代表電力設(shè)備故障前一時(shí)刻產(chǎn)生的信號。F 代表非線性函數(shù)。可將上述公式（1）看作是多路徑增益的體系，按照訓(xùn)練集，推斷公式（1）的結(jié)果所對應(yīng)的故障類別。進(jìn)一步對故障的時(shí)間序列幅值進(jìn)行估計(jì)，其表達(dá)式為：

式中，z（t）代表故障時(shí)間序列。F（z）代表故障時(shí)間序列幅值。在上述運(yùn)算基礎(chǔ)上，結(jié)合Takens 中的嵌入定理，將電力設(shè)備故障信號的信息流以可分離譜加權(quán)方式形成新的映射函數(shù)：

式中，Xn代表新的映射函數(shù)。τ代表待檢測值。m 代表嵌入到該空間當(dāng)中的故障類型代表系數(shù)。在電力設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，由于存在復(fù)雜的影響因素，因此設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到非線性干擾[5]。針對這一問題，結(jié)合分析方法當(dāng)中常見的關(guān)聯(lián)規(guī)則，將故障信號應(yīng)用到存在干擾的環(huán)境當(dāng)中，并針對時(shí)間序列進(jìn)行相空間軌跡的重構(gòu)。在相空間重構(gòu)后，嵌入虛假最近鄰近算法[6]。電力設(shè)備發(fā)生故障問題后，其故障信號的相空間重構(gòu)時(shí)間估計(jì)參量可通過計(jì)算平均互信息得到。互信息量的計(jì)算公式為：

式中，I（τ）代表互信息量計(jì)算結(jié)果。pi和pj均代表特征參量，并且二者之間獨(dú)立不相關(guān)。當(dāng)通過上述計(jì)算得到的互信息量的取值為第一個(gè)極小值時(shí)，此時(shí)可以使pi和pj在最大程度上不相關(guān)。并且，此時(shí)對應(yīng)的時(shí)間矢量可表示為最小延遲時(shí)間。結(jié)合上述計(jì)算公式（4），可以實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備故障時(shí)間序列在相空間中的重構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過對故障特征關(guān)聯(lián)特性的分析，提取非線性特征參數(shù)，通過對參數(shù)的分析實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備故障的預(yù)測和診斷。

1.2 電力設(shè)備故障關(guān)聯(lián)維分析

電力設(shè)備可看作是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，其中，離散序列或者連續(xù)系統(tǒng)中的連續(xù)矢量，指的是訓(xùn)練樣本在n 點(diǎn)或者t 時(shí)刻的一組狀態(tài)矢量，使用無向圖設(shè)計(jì)，用d（u，v）來代表無向圖中從u 到v 相空間重構(gòu)路徑，從而獲得故障信號的特征輸入量[7]。假定電力裝置被N 臺的電控系統(tǒng)平均分配到協(xié)作任務(wù)安排區(qū)，假定R 形的電力裝置簇首節(jié)點(diǎn)對輸入相關(guān)矩陣進(jìn)行幀級補(bǔ)償，并根據(jù)故障信號子空域Vs與噪聲子空域Vn的正交性（其中，主對角上的各分量為輸入信號子空域的均方分量），得出了電力裝置故障信號子空域的重構(gòu)時(shí)序：

式中，h 代表系統(tǒng)函數(shù)。ωn代表測量誤差。在上述公式基礎(chǔ)上，利用Takens 定理，對故障時(shí)間序列進(jìn)行重構(gòu)。通過分析，得出對電力設(shè)備故障信號進(jìn)行重構(gòu)時(shí)的時(shí)間延遲窗口值。在相空間當(dāng)中，需要對故障特征的簇中心進(jìn)行初始化處理。在此基礎(chǔ)上，提取電力設(shè)備的故障特征，采用關(guān)聯(lián)維提取算法，對故障信號的關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述論述，得到關(guān)聯(lián)維分析結(jié)果，以此為后續(xù)的故障預(yù)測與診斷改進(jìn)提供條件。

2 故障預(yù)測與診斷改進(jìn)設(shè)計(jì)

以第一節(jié)為依據(jù)，建立了電力設(shè)備的故障信號模型，并對其進(jìn)行了相空間重構(gòu)，進(jìn)而對其進(jìn)行了故障特征的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。在故障關(guān)聯(lián)特性分析和預(yù)測中，基于關(guān)聯(lián)規(guī)則，采用關(guān)聯(lián)特征提取算法，對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行檢測和預(yù)測。然而，在抽取關(guān)聯(lián)維度特征時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)以下問題：故障信息有余，誤差較大。在此基礎(chǔ)上，采用了一種新的、具有較強(qiáng)魯棒性和魯棒性的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[8]。下面將對該算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。在高維相空間，用一種非線性的時(shí)間序列來描述電力裝置的故障信號，得到信號的關(guān)聯(lián)規(guī)則指向性特征約束函數(shù)。采用MUSIC方法，對電力設(shè)備故障信號的子空間信息特征進(jìn)行估計(jì)，這一過程可表示為：

式中，s（t）代表電力設(shè)備故障信號的子空間信息特征估計(jì)結(jié)果。s1（t），s2（t），……，sq（t）代表子空間信息特征。將估計(jì)結(jié)果作為依據(jù)，獲得信源的二維參數(shù)，并進(jìn)行對故障信息的實(shí)時(shí)獲取。在相空間當(dāng)中遵循關(guān)聯(lián)規(guī)則，完成對電力設(shè)備故障的預(yù)測和診斷。

3 方法測試

電力設(shè)備工程是一種高科技、易發(fā)生故障的系統(tǒng)工程，大部分投入電網(wǎng)使用的電力設(shè)備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件苛刻的特點(diǎn)。同時(shí)，隨著設(shè)備的持續(xù)更新，其運(yùn)行中的故障形式開始呈現(xiàn)多元化趨勢，也正因如此，導(dǎo)致電力設(shè)備現(xiàn)有的故障診斷與預(yù)報(bào)技術(shù)并不能滿足實(shí)際工作需要，也不能確保大型電力設(shè)備完全處于無故障狀態(tài)。

在現(xiàn)代電網(wǎng)及自動(dòng)化技術(shù)日益成熟的今天，為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須確保電力設(shè)備在運(yùn)行中的安全、穩(wěn)定。由于電力設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，控制參數(shù)多且具有不確定性，因此，如何對其進(jìn)行有效的故障預(yù)報(bào)與監(jiān)控，是當(dāng)前電力有關(guān)部門的關(guān)注重點(diǎn)。

為此，本文基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則，對電力設(shè)備在運(yùn)行中故障進(jìn)行了預(yù)報(bào)與診斷研究，為測試該方法的故障預(yù)報(bào)性能，將其與傳統(tǒng)的故障預(yù)測與診斷方法進(jìn)行對比，采用設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)的方式，進(jìn)行本文方法的檢驗(yàn)。

測試過程中，對電力設(shè)備終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置，配置參數(shù)見表1。

表1 仿真測試環(huán)境中電力設(shè)備終端計(jì)算機(jī)配置

使用Abaqus 工具，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬機(jī)測試，通過此種方式，進(jìn)行電力設(shè)備在運(yùn)行中的故障模擬，為更直觀的實(shí)現(xiàn)對故障信號采集與電力設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，根據(jù)相關(guān)工作的具體操作需求，安排專門的技術(shù)人員，負(fù)責(zé)電力設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試與故障信號采集，現(xiàn)場反饋圖見圖2。

圖2 電力設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試與故障信號采集

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，進(jìn)行電力設(shè)備采樣信息的篩選，為確保獲取的采樣信息可以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮預(yù)期效果，按照下述表2 中內(nèi)容，進(jìn)行采樣參數(shù)的設(shè)計(jì)與樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

表2 采樣參數(shù)的設(shè)計(jì)與樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將電力設(shè)備故障劃分為四種類型，分別為設(shè)備電機(jī)故障、輸電線路故障、配電故障、發(fā)電端口故障，明確不同類別故障信號在空間中所呈現(xiàn)的頻率是不同的，在已知不同類別故障信號對應(yīng)頻段的基礎(chǔ)上，使用基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的故障診斷方法與傳統(tǒng)方法，進(jìn)行電力設(shè)備故障診斷。

診斷前，根據(jù)技術(shù)人員的現(xiàn)場勘驗(yàn)，明確所檢驗(yàn)的電力設(shè)備在運(yùn)行中存在電機(jī)故障，以此為依據(jù)，對比本文方法與傳統(tǒng)方法的故障檢測結(jié)果，見圖3 和圖4。

圖3 傳統(tǒng)方法的故障檢測結(jié)果

圖4 本文方法的故障檢測結(jié)果

對照上述圖中兩種方法的故障診斷結(jié)果可知，基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的故障診斷方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備故障的診斷，還可以精準(zhǔn)辨識設(shè)備的故障類別，以此種方式，為電力設(shè)備的穩(wěn)定、持續(xù)、安全、可靠運(yùn)行提供全面的技術(shù)指導(dǎo)與幫助。而傳統(tǒng)方法不僅無法實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備在運(yùn)行中故障類別的精準(zhǔn)辨識，其診斷結(jié)果還會(huì)受到測試環(huán)境中其他因素的影響，存在一定的異常波動(dòng)現(xiàn)象。綜合以上內(nèi)容可以證明，基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的電力設(shè)備故障診斷方法在應(yīng)用中，可以發(fā)揮預(yù)期的作用以達(dá)到對電力設(shè)備故障精準(zhǔn)診斷的目的，通過此種方式，為電力系統(tǒng)中的設(shè)備予以全面的技術(shù)保障。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，大型電力設(shè)備的故障診斷和預(yù)報(bào)技術(shù)也在不斷更新，在對電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、配電三大主要構(gòu)成進(jìn)行故障檢測的過程中，應(yīng)做好對電力設(shè)備在運(yùn)行中相關(guān)參數(shù)的分析，明確設(shè)備在常態(tài)化條件下的用電、供電過程，并以此為依據(jù)展開研究。

為滿足行業(yè)發(fā)展的需求，技術(shù)單位在開展大量研究后，提出了利用現(xiàn)代化手段，進(jìn)行電力設(shè)備在運(yùn)行中故障信號的采集，并通過對信號的處理，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備在運(yùn)行中故障類別的精準(zhǔn)辨識，以此種方式，掌握設(shè)備的故障性質(zhì)與機(jī)理。本項(xiàng)目擬開展方法，在經(jīng)過測試后，證明了對電力設(shè)備故障的及時(shí)排查與處理而言，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。