雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障自動化診斷研究

鐘秋添，李德才，吳益斌

（國網(wǎng)龍巖供電公司，龍巖 364000）

雙地刀隔離開關廣泛應用于高壓電力系統(tǒng)的大電流、高頻次開關控制場景中[1]。電力檢修時，可通過隔離開關實現(xiàn)檢修設備與其它運行設備的中斷，為檢修人員提供安全屏障[2-3]。隔離開關與斷路器存在巨大差異，由于其不具備滅弧裝置，故而無法將其用在帶負荷電路分合中，一旦發(fā)生誤操作問題，其觸頭間生成的電弧將會給檢修作業(yè)人員甚至電力系統(tǒng)帶來極大安全風險[4-5]。雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置投入運行后，無法避免地會出現(xiàn)各種故障，采用智能化手段快速診斷其故障對保證電網(wǎng)安全具有積極作用[6-7]。有學者為準確識別隔離開關機構(gòu)故障，在定子電流特性分析的基礎上，采用混合濾波方式處理采集的隔離開關電機電流信號后，對其基波電流等效值特征以及邊頻分量特征進行提取，將其作為支持向量機（SVM）的輸入，實現(xiàn)隔離開關機構(gòu)故障診斷，該方法受SVM 性能影響，錯誤診斷率較高[8-9]。

針對上述研究存在的問題，本文研究雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障自動化診斷方法。

1 雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障診斷

1.1 雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置工作原理

雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置工作原理如圖1 所示，該裝置通過以下6 個模塊實現(xiàn)分合閘閉鎖控制：

圖1 雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置工作原理Fig.1 Working principle of a new type of anti misoperation device for double ground switch isolation switch

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊通過電壓互感器、霍爾傳感器、溫濕度傳感器等實現(xiàn)裝置控制回路電動機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、計算與保存。

（2）邏輯診斷與異常提示模塊。獲取分合閘輸入狀態(tài)時間序列數(shù)據(jù)后，將其與分合閘邏輯作為該模塊處理依據(jù)，實現(xiàn)分合閘狀態(tài)的不間斷核驗，同時對異常狀態(tài)進行預警提示。

（3）人機交互模塊。該模塊可通過指示燈與顯示屏實現(xiàn)雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置分合閘邏輯結(jié)果等的可視化呈現(xiàn)。當輸入條件與分合閘邏輯完全相符時，指示燈會亮起綠色；反之指示燈將亮起紅色，從而實現(xiàn)異常預警。

（4）防誤閉鎖模塊。該模塊依據(jù)分合閘邏輯處理結(jié)果以及控制命令，在考慮空氣開關實時狀態(tài)的情況下，對隔離開關進行處理，避免其出現(xiàn)誤操作問題。

（5）變頻驅(qū)動控制模塊。該模塊通過脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)裝置控制回路電動機電壓的調(diào)節(jié)，以確保其進行正、反轉(zhuǎn)以及運行速度的改變。

（6）保護控制模塊。雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置控制回路電動機出現(xiàn)故障，該模塊會對變頻驅(qū)動控制模塊輸出進行限制，以使電動機不再繼續(xù)運行。

1.2 電機定子電流特性分析

雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置運行過程中，電機定子繞組的輸入信號為三相正弦電流，信號輸入后，電機中會形成fp頻率的旋轉(zhuǎn)磁場，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子繞組可得到sfp頻率的感應電動勢，轉(zhuǎn)差率通過s 表示。雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置產(chǎn)生分合閘卡澀等故障時，因轉(zhuǎn)子的非對稱性，電機中會形成2 個同大小但反向的旋轉(zhuǎn)磁場，磁場頻率分別為sfp、-sfp，在-sfp磁場的作用下，定子繞組中會產(chǎn)生表示為I2s的定子電流，其頻率為（1-2s）sfp，其瞬時值可表示為

式中：α2s為I2s和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場所成角度；ω 為三相電流頻率。I2s在基波磁場的作用下，會形成波動轉(zhuǎn)矩，表示為ΔT（t），其計算公式為

式中：δ 為電機極對數(shù)；αφ為基波磁場和基波電流所成角度。

通過式（2）可實現(xiàn)波動轉(zhuǎn)矩相對值的確定，公式為

式中：J 為轉(zhuǎn)動慣量；ωr、T 分別為電機穩(wěn)態(tài)均速、轉(zhuǎn)矩；I 為I2s的基波分量；cosφ 為功率因數(shù)。

當因雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障造成波動轉(zhuǎn)矩問題出現(xiàn)時，也會使電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，公式為

轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速波動會使定子繞組電流發(fā)生改變，定子電流值為基波電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動造成的（1±2s）fp頻率邊頻分量的加和結(jié)果。i′為定子繞組電流變化量，其計算公式為

式中：X 為定子網(wǎng)孔阻抗值。

雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障會對定子繞組電流造成影響，其電流變化量和基波、（1±2s）fp頻率邊頻分量具有關系?；ê瓦咁l分量頻率差異小且相互擾動，為此，本文對其45～55 Hz 頻率-幅值特征進行提取，以實現(xiàn)電機定子電流特性的準確描述[10]。

1.3 電機電流特征提取

1.3.1 變頻分量特征提取

雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障時，定子繞組可生成（1±2ks）fp頻率的邊頻分量，在k 取值為1 時，其所受到的感應電動勢分量最高。故本文采用快速傅立葉變換（FFT）法對電機電流信號進行處理時，通過對45～55 Hz 頻率-幅值曲線分析以完成其邊頻分量特征的提取。

1.3.2 基波等效值特征提取

雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置定子電流有效值可表示為

式中：N 為單周期工頻頻率采樣時定子電流信號采樣點總數(shù)；ij為第j 個采樣時間點電機定子電流值。

1.4 基于改進SVM 的雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障診斷模型

1.4.1 支持向量機（SVM）基本原理

支持向量機（SVM）的基本原理是依據(jù)最低結(jié)構(gòu)風險原則，在確保分類器具有突出特征學習能力的同時，提升算法的泛化性能。利用SVM 可實現(xiàn)其原始輸入向高維特征空間的映射，通過分類間隔的最大化確定最佳分類超平面，分類時不僅不依靠先驗知識，而且用較少的特征向量即可實現(xiàn)分類面的表達。因此，SVM 在故障診斷中具有較為廣泛的應用。已知Z=｛z1=（x1，y1），z2=（x2，y2），…，zN=（xN，yN）｝為特征空間上的雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置電機定子電流特征訓練樣本，其中xi∈Rn，yi∈｛1，-1｝，i=1，2，…，N，f（x）＝sign（wx+b）用于定義雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障診斷的分類決策函數(shù)，則：

1.4.2 改進SVM 故障診斷模型

利用SVM 對雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置進行故障診斷時，單個分類器SVMi，j確定的第i 類故障的概率估計值只有2 種取值結(jié)果，分別為0 或1，忽略了第j 類故障的生成概率。因此，本文對進行調(diào)整，以實現(xiàn)雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置多故障類型的識別。采用SVM 雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障進行診斷時，輸入樣本歸屬于第i 類故障類型的概率表示為Pi，j（i|x），也可認為產(chǎn)生第j 類故障條件下，樣本被識別為第i類故障類型的后驗概率，基于貝葉斯概率求解公式，輸入樣本x 故障類型為i 的后驗概率值可表示為

式中：i=1，2，…，N；故障類型j 發(fā)生的條件概率表示為p（j），p（j）不是給定值，但與后驗概率P（j|x）的相似程度較高，故可通過近似估計確定：

通過式（9）、式（10）可確定P（i|x）：

根據(jù)式（9）完成矩陣方程的構(gòu)建：

通過最小二乘法獲得式（12）的計算結(jié)果，對于每個輸入樣本，最大評分結(jié)果對應的故障類別即為輸入樣本所屬故障類型。

將提取的雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置電機電流信號特征作為改進SVM 故障診斷模型的輸入，即可確定具體故障類別，完成其故障診斷。

2 結(jié)果與分析

以運行在某區(qū)域配電網(wǎng)中的2 臺雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置為實驗對象，兩裝置具有相同的結(jié)構(gòu)，采集該裝置電機定子電流信號，構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集，樣本數(shù)據(jù)總量3000，其中包括正常、卡澀故障、分合閘不到位故障、彈簧故障4 種類型樣本。以5∶1 比例劃分訓練、測試樣本，采用本文方法對雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障進行診斷，分析其診斷性能。

對不同運行工況下的雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置電機電流信號進行采集，通過對正常與3 種故障下的裝置原始電流信號曲線進行分析，結(jié)果如圖2～圖5 所示。

圖2 正常運行工況裝置原始電流信號Fig.2 Original current signal of the device under normal operating conditions

圖3 裝置卡澀故障電流信號Fig.3 Device jamming fault current signal

圖4 分合閘不到位故障電流信號Fig.4 Fault current signal for incomplete opening and closing

圖5 彈簧故障電流信號Fig.5 Spring fault current signal

分析圖2～圖5 可知，當雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置運行在不同工況下，對其電機原始電流信號進行采集，獲得電流信號波形存在明顯差異，將其作為依據(jù)實現(xiàn)雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障診斷具有可行性。

對故障、正常工況下的電流特征提取結(jié)果進行分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 電流特征提取結(jié)果對比分析Fig.6 Comparison and analysis of current feature extraction results

分析圖6 可知，雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置在4 s 時間內(nèi)完成合閘，電機在0.4 s 內(nèi)開啟，在旋轉(zhuǎn)磁場的快速作用下，轉(zhuǎn)子開始運動起來，定子電流快速上升到4.5 A 左右。裝置若在此階段發(fā)生卡澀故障，將使其力矩、電機電流不斷增大，其電流有效值將比正常工況大約增加0.4 A，邊頻分量也會高于正常工況；裝置出現(xiàn)彈簧故障時，裝置的重力矩將無法抵消，只能通過提高力矩方式實現(xiàn)合閘，這將加大合閘沖擊性，電流等效值將有一定幅度提升，邊頻分量的對稱性規(guī)律被打破；裝置在3.5 s 后發(fā)生合閘不到位故障，電流等效值微弱上漲。邊頻分量變化幅度不大。表明本文方法可實現(xiàn)電流信號特征提取。

基于上述提取的電流信號特征，采用本文方法進行故障診斷，通過對比分析故障診斷結(jié)果與實際故障類型之間的差異，驗證本文方法的故障診斷性能，結(jié)果如表1 所示。

表1 故障診斷結(jié)果與實際故障類型的對比分析Tab.1 Comparative analysis of fault diagnosis results and actual fault types

分析表1 可知，應用本文方法后的故障診斷結(jié)果與實際結(jié)果一致。實驗結(jié)果表明，本文方法可實現(xiàn)雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置故障診斷，診斷效果突出。

3 結(jié)語

以某區(qū)域配電網(wǎng)的雙地刀隔離開關新型防誤操作裝置為研究對象，通過對不同工況下裝置原始電流信號波形、特征提取結(jié)果以及故障診斷結(jié)果進行對比分析，研究本文方法的故障診斷性能。實驗結(jié)果表明，不同運行工況下裝置電機電流信號波形存在差異，本文方法可實現(xiàn)電流有效值特征以及邊頻分量特征的提取，故障診斷結(jié)果與實際結(jié)果一致，故障診斷效果突出。