多負(fù)載回路串聯(lián)型故障電弧智能診斷及選線方法研究*

劉艷麗 張曉樂 呂正陽 徐振豪 劉 洋

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105；2.國(guó)網(wǎng)葫蘆島供電公司興城市供電分公司 葫蘆島 125100)

1 引言

在低壓用電系統(tǒng)中，常因接觸不良引發(fā)電氣火災(zāi)，其中因故障電弧引起的電氣火災(zāi)次數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，必須給予足夠的重視。串聯(lián)型故障電弧具有隱蔽性、隨機(jī)性、復(fù)雜性，尤其在多負(fù)載回路中，某一支路發(fā)生電弧故障，干路電流中的電弧特征會(huì)被各支路電流負(fù)載特征所淹沒，普通的故障電弧斷路器難以檢測(cè)到故障電弧，更難以知曉故障電弧所發(fā)生的支路。

與國(guó)外相比，我國(guó)學(xué)者對(duì)故障電弧的研究起步較晚，早些年串聯(lián)型故障電弧的檢測(cè)方法主要為特征分析加模式識(shí)別的方法，通常選取故障電弧所在回路的電弧電流、負(fù)載端電壓為分析對(duì)象進(jìn)行故障檢測(cè)?；芈冯娏鳈z測(cè)法因不受故障電弧發(fā)生位置的影響，受到相關(guān)科研人員的青睞。

崔芮華等[1]提出采用脈寬百分比、變異系數(shù)、間諧波均值和小波奇異熵四個(gè)特征量對(duì)線路電流時(shí)域、頻域和時(shí)頻域特征進(jìn)行提取，依據(jù)突變理論建立故障電弧評(píng)價(jià)模型，對(duì)多特征量信息融合求出故障電弧評(píng)價(jià)指標(biāo)。郭鳳儀等[2]采用不同試驗(yàn)條件下的 LBP 直方圖數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，隨后采用最大相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)匹配準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)故障電弧的檢測(cè)及選線。劉麗智等[3]開展了接觸松動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)兩種生弧條件下的串聯(lián)故障電弧試驗(yàn)，提出了基于分形理論和小波包自回歸(Autoregressive model，AR)分析的串聯(lián)型故障電弧特征提取方法。王毅等[4]提出一種時(shí)頻域分析與隨機(jī)森林結(jié)合且適用于多種典型負(fù)載單獨(dú)或混合工作的串聯(lián)型低壓故障電弧識(shí)別方法。謝國(guó)民等[5]利用形態(tài)學(xué)算法對(duì)電流各個(gè)頻段方差的重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行濾波，突顯出故障情況下的電流特征，通過最大類間方差OTSU 方法提取波形閾值，并統(tǒng)計(jì)閾值與濾波后波形的交點(diǎn)個(gè)數(shù)。文獻(xiàn)[1-5]一般先提取出故障電弧電流的某些時(shí)頻域特征，然后利用特定數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行分析，或者使用特征向量訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)故障電弧檢測(cè)。

曾珂等[6]在115 V/360-800 Hz 條件下模擬了串行和并行電弧故障，分析了不同頻率條件下故障電弧的變化規(guī)律，從時(shí)頻域的角度研究了交流電弧故障電流的特征。趙懷軍等[7]計(jì)算回路電流的零休時(shí)間比例系數(shù)、濾除低頻成分后的歸一化絕對(duì)值最大相互系數(shù)，利用模糊邏輯器將兩系數(shù)進(jìn)行融合處理得到綜合特征識(shí)別系數(shù)，與經(jīng)驗(yàn)閾值比較判別電弧故障。唐圣學(xué)等[8]提出一種基于小波包能量熵特征并結(jié)合極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme learning machine, ELM)檢測(cè)微弱直流串聯(lián)故障電弧的方法。郭鳳儀等[9]提出了一種基于灰度-梯度共生矩陣的特征提取方法。余瓊芳等[10]提出了一種基于小波特征及深度學(xué)習(xí)的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[6-10]較之前的研究其試驗(yàn)方案更加完善，研究思路更加新穎，分析方法更加先進(jìn)，但主體思路仍是特征分析加機(jī)器學(xué)習(xí)，不過已經(jīng)開始出現(xiàn)與深度學(xué)習(xí)進(jìn)行融合的分析方法。

近年來，隨著人工智能的蓬勃發(fā)展，利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行模式識(shí)別引起了研究者的重視。國(guó)內(nèi)外故障電弧領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者也開始嘗試?yán)蒙疃葘W(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)故障電弧的檢測(cè)。褚若波等[11]通過構(gòu)建多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取電弧圖像高維特征，以時(shí)域灰度值圖像的形式直觀展示了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)故障電弧數(shù)據(jù)的抽象特征提取情況。余瓊芳等[12]在國(guó)內(nèi)首次提出用深度學(xué)習(xí)的方法檢測(cè)故障電弧，建立并改進(jìn)了AlexNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果顯示模型故障電弧檢測(cè)準(zhǔn)確率在85%以上。WANG 等[13]提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電弧檢測(cè)模型ArcNet，將該模型應(yīng)用于樹莓派3B 中，在電弧檢測(cè)精度與模型運(yùn)行時(shí)間之間進(jìn)行了權(quán)衡研究。文獻(xiàn)[11-15]研究了基于深度學(xué)習(xí)的故障電弧檢測(cè)方法，但電路結(jié)構(gòu)一般為單相單負(fù)載。

雖然此前有研究者做過基于多負(fù)載并聯(lián)試驗(yàn)的故障電弧檢測(cè)，但使用的是傳統(tǒng)特征分析方法且僅局限于故障電弧診斷而未實(shí)現(xiàn)故障支路的選線[16-17]。故障電弧檢測(cè)經(jīng)過多年的研究誕生了很多方法，但隨著時(shí)間的推移可供創(chuàng)新的點(diǎn)越來越少，因?yàn)椴煌瑢W(xué)科之間存在交叉，在專注故障電弧研究的同時(shí)，廣泛閱讀其他領(lǐng)域模式識(shí)別及故障診斷等方面的文獻(xiàn)，會(huì)給故障電弧檢測(cè)提供新的解決方案[18-21]。

本文在開展家用多負(fù)載并聯(lián)電路故障電弧試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，直接以干路電流時(shí)間序列為樣本，訓(xùn)練一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化得到了故障電弧診斷及選線模型。通過使用連續(xù)電流數(shù)據(jù)對(duì)模型的魯棒性、抗擾性及泛化性進(jìn)行測(cè)試分析，證明了該模型對(duì)家用負(fù)載進(jìn)行串聯(lián)故障電弧智能診斷及選線的可能性。

2 家用多負(fù)載串聯(lián)型故障電弧試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)電路及方案

試驗(yàn)系統(tǒng)電源電壓為交流 220 V，導(dǎo)線為2.5 mm2銅線。DZ47 型斷路器對(duì)回路起正常開斷、過電流保護(hù)、短路保護(hù)及漏電保護(hù)作用。試驗(yàn)選取了家庭中常用的白熾燈、電磁爐、小太陽、手電鉆、洗衣機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、熱水壺作為負(fù)載。主電路如圖1所示。試驗(yàn)主電路及故障電弧發(fā)生器實(shí)物如圖2 所示。試驗(yàn)時(shí)將所需的負(fù)載接入電路中，隨后將故障電弧發(fā)生器串于圖1 中的點(diǎn)1～8，模擬不同負(fù)載支路、 干路發(fā)生故障電弧, 將電壓互感器LHB500V5VT1 接于故障電弧發(fā)生器觸頭兩端測(cè)量故障電弧電壓，利用電流互感器HCS-ES5-10A 分別測(cè)量干路和故障支路電流。通過數(shù)據(jù)采集卡USB3200 將干路、故障支路電流以及故障電弧電壓數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)。

圖1 故障電弧試驗(yàn)主電路

圖2 主電路實(shí)物圖

參照UL1699 標(biāo)準(zhǔn)，研制了串聯(lián)故障電弧發(fā)生裝置來產(chǎn)生故障電弧。試驗(yàn)時(shí)先使動(dòng)觸頭與靜觸頭良好接觸并接通主電路，模擬線路正常工作狀態(tài)，然后控制步進(jìn)電機(jī)控制器使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)安裝在滑臺(tái)上的移動(dòng)電極橫向緩慢移動(dòng)，使動(dòng)、靜觸頭分離，直至電弧發(fā)生。各負(fù)載參數(shù)及具體試驗(yàn)方案如表1 及表2 所示。

表1 負(fù)載參數(shù)

表2 試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

為有效區(qū)分正常運(yùn)行與故障電弧狀態(tài)，相關(guān)學(xué)者大部分以穩(wěn)定燃弧時(shí)的故障電弧電流信號(hào)為對(duì)象，分析故障電弧特征，建立診斷模型。穩(wěn)定燃弧前，接觸點(diǎn)要經(jīng)歷正常運(yùn)行、初始燃弧、穩(wěn)定燃弧的動(dòng)態(tài)變化過程。若能以初始燃弧時(shí)的電流為分析對(duì)象，將增加故障電弧診斷技術(shù)的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于居民用戶的斷路器，多為一臺(tái)斷路器對(duì)多個(gè)并聯(lián)負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)?，F(xiàn)有的民用系統(tǒng)故障電弧保護(hù)技術(shù)，保護(hù)對(duì)象基本為單相單負(fù)載回路。

針對(duì)以上問題，本文以初始燃弧狀態(tài)的干路電流為分析對(duì)象，以期達(dá)到通過干路電流實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)型故障電弧快速診斷及選線的目的。圖3 為獲得的試驗(yàn)組別1～6 中洗衣機(jī)支路燃弧前后干路電流結(jié)果，從圖3 能明顯看出，初始燃弧時(shí)電流信號(hào)諧波較大且存在很多尖峰脈沖，與穩(wěn)定燃弧時(shí)電流波形差別較大。

圖3 洗衣機(jī)支路故障干路電流

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文將故障電弧發(fā)生點(diǎn)分別設(shè)置在干路和各負(fù)載支路。試驗(yàn)組別1～6 對(duì)應(yīng)的五負(fù)載回路中，各支路及干路初始燃弧時(shí)的干路電流波形如圖4 所示。

圖4 五負(fù)載回路故障電弧試驗(yàn)干路電流波形

由圖4 可見，因燈泡支路正常運(yùn)行時(shí)支路電流較大、回路阻抗較小，發(fā)生故障電弧時(shí)，接觸電阻上電壓降較大、燈泡支路電流幅值降低，進(jìn)而導(dǎo)致干路電流幅值降低較多。此外，因發(fā)生故障電弧時(shí)燈泡支路諧波增加，導(dǎo)致干路電流波形發(fā)生畸變。

因小太陽本身為線性負(fù)載且故障電弧信號(hào)特征較微弱，小太陽支路發(fā)生電弧故障時(shí)與各負(fù)載正常工作時(shí)的干路電流波形相似。

當(dāng)手電鉆支路以及洗衣機(jī)支路發(fā)生電弧故障后，可以看出電流波形出現(xiàn)了毛刺，但這種毛刺并非出現(xiàn)在過零點(diǎn)附近，這是與單負(fù)載發(fā)生故障電弧時(shí)不同的地方。推測(cè)是由于各支路電流的相角不一樣，在干路經(jīng)過疊加后，原本應(yīng)在過零點(diǎn)附近出現(xiàn)的特征出現(xiàn)在干路電流中的其他位置。

干路發(fā)生故障電弧時(shí)，干路電流幅值明顯降低。故障電弧發(fā)生在干路，同樣接觸電阻情況下分壓較大，導(dǎo)致回路電流小幅度降低。此外波形毛刺較正常運(yùn)行時(shí)顯著增多，過零點(diǎn)處也有輕微的平肩現(xiàn)象。

綜上，多負(fù)載回路干路和燈泡支路發(fā)生串聯(lián)型故障電弧時(shí)，故障電弧所在回路電流變化較明顯，主要表現(xiàn)為零休、電流幅值減小、諧波增加等。通常情況下很難從干路電流幅值、諧波等情況判斷故障電弧發(fā)生的位置。

3 串聯(lián)型故障電弧診斷及選線模型的建立

為實(shí)現(xiàn)單相多負(fù)載并聯(lián)回路串聯(lián)型故障電弧診斷及選線，本文建立一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的過程如圖5 所示。

圖5 建立故障診斷及選線模型流程圖

3.1 深度學(xué)習(xí)模型庫(kù)Keras

本文基于Keras 搭建了故障電弧診斷及選線模型。Keras 是一個(gè)模型級(jí)的庫(kù)，為開發(fā)深度學(xué)習(xí)模型提供了高層次的構(gòu)建模塊。Keras 依賴于其后端引擎實(shí)現(xiàn)張量操作、微分等運(yùn)算。目前，Keras 有三個(gè)后端實(shí)現(xiàn)，即TensorFlow 后端、Theano 后端和微軟認(rèn)知工具包(CNTK)后端，且都可以無縫嵌入到Keras中，其軟件棧和硬件棧如圖6 所示。通過后端引擎，Keras 可以在CPU 和GPU 上無縫運(yùn)行。本文使用運(yùn)行速度較快的GPU 版TensorFlow 訓(xùn)練模型，其封裝的運(yùn)算庫(kù)為cuDNN。

圖6 深度學(xué)習(xí)的軟件棧和硬件棧

3.2 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

對(duì)于某些序列處理問題，一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效果可以媲美循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且計(jì)算代價(jià)通常比循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小很多。一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常與空洞卷積核Dilated Kernel 一起使用，已在音頻生成和機(jī)器翻譯領(lǐng)域取得巨大成功，在模式識(shí)別領(lǐng)域也已嶄露頭角。

二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般從圖像張量中提取二維圖塊，并對(duì)每個(gè)圖塊應(yīng)用相同的變換。按照同樣的方法也可以使用一維卷積，從序列中提取局部一維序列段即子序列，如圖7 所示。

圖7 一維卷積層工作原理

3.2.1 樣本選取及類別標(biāo)簽定義

為獲得足夠優(yōu)質(zhì)的樣本，試驗(yàn)時(shí)在每種工況條件下完成試驗(yàn)200 次，取每次試驗(yàn)結(jié)果的初始燃弧階段前5 個(gè)周期的干路電流信號(hào)作為模型樣本，每個(gè)樣本為單周期時(shí)間序列，共2 000 個(gè)時(shí)間序列點(diǎn)。本文將試驗(yàn)組別1～6 所得的7 000 個(gè)樣本劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，樣本數(shù)分別為5 000、1 000、1 000 個(gè)。診斷及選線模型將樣本劃分為燈泡故障、電磁爐故障、干路故障、手電鉆故障、洗衣機(jī)、小太陽故障及正常七類，對(duì)應(yīng)標(biāo)簽如表3 所示。試驗(yàn)組別7～12 的樣本用于驗(yàn)證模型的泛化性。

表3 樣本標(biāo)簽對(duì)應(yīng)表

3.2.2 樣本歸一化處理

為了使模型專注學(xué)習(xí)故障電弧的重要特征，而不受回路電流大小的影響，對(duì)樣本進(jìn)行歸一化，即按照x=(x-mean)/std(axis=0)，將數(shù)據(jù)歸一化為均值為0、方差為1 的數(shù)值，使其接近正態(tài)分布。其中mean 為樣本均值，std 為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，axis 為維度。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)與參數(shù)設(shè)置

本文提出的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主體是一維卷積層、一維池化層與Dropout 層的堆疊。具體網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)參數(shù)如表4 所示。

表4 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

所提出的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。輸入數(shù)據(jù)為連續(xù)的干路電流時(shí)間序列，在經(jīng)過多層卷積、池化的特征提取，其中穿插防止網(wǎng)絡(luò)過擬合的Dropout 層，得到一維輸入長(zhǎng)度降低的采樣數(shù)據(jù)，最后通過一個(gè)全局平均池化層，將數(shù)據(jù)展開為二維輸入到全連接層里進(jìn)行分類。

3.2.4 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

本文采用交叉熵函數(shù)作為損失函數(shù)，記錄網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的差異，如式(1)所示

式中，Y是真實(shí)值；代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值；N代表樣本數(shù)量；M代表標(biāo)簽數(shù)量；yij為指示變量(0或1)，即如果真實(shí)值和預(yù)測(cè)值相同就為1，否則為0。

優(yōu)化器的選擇對(duì)于模型的訓(xùn)練至關(guān)重要，它關(guān)系到模型能否準(zhǔn)確找到參數(shù)的最優(yōu)值。本文選擇的優(yōu)化器是RMS Prop，它是對(duì)AdaGrad 和Adadelta的改進(jìn)，可以從學(xué)習(xí)率的角度加快學(xué)習(xí)速度，并可以解決振蕩問題。如果某個(gè)權(quán)重參數(shù)方向的擺動(dòng)幅度大(噪聲或振蕩大)，那就說明這一參數(shù)的方差大，如果動(dòng)態(tài)地將該參數(shù)方向的學(xué)習(xí)率降低，就能夠減小梯度下降步長(zhǎng)，從而減小擺動(dòng)幅度，反之增加步長(zhǎng)，使其能夠更快到達(dá)最優(yōu)點(diǎn)。因此在RMS Prop 中，用梯度除以該參數(shù)的指數(shù)加權(quán)平均方差來實(shí)現(xiàn)這一功能。在應(yīng)用RMS Prop 時(shí)，用式(2)更新參數(shù)

式中，ω是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重；b為偏置；β是對(duì)過去的權(quán)重；sdw、sdb分別為dw2和db2的移動(dòng)加權(quán)均方差；α為學(xué)習(xí)率；ε是為了防止分母為0 增加的補(bǔ)償項(xiàng)，一般取值為10-8。

試驗(yàn)時(shí)，使用Tensorflow 對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行200 輪訓(xùn)練，Batch_size 等于256，所得準(zhǔn)確率與損失函數(shù)值如圖9 所示。

圖9 模型的準(zhǔn)確率與損失函數(shù)值

對(duì)比分析準(zhǔn)確率和損失函數(shù)值的變化，可以發(fā)現(xiàn)前75 輪(epoch)準(zhǔn)確率快速增加，相應(yīng)的損失函數(shù)值也在快速下降，隨后訓(xùn)練集準(zhǔn)確率增長(zhǎng)趨于平緩，驗(yàn)證集準(zhǔn)確率沿90%上下波動(dòng)。

在開始試驗(yàn)超參數(shù)時(shí)，先將學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.000 1，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確率增長(zhǎng)在80 輪(epoch)左右即趨于停滯，保持在0.7 左右，此時(shí)立即停止訓(xùn)練，推測(cè)可能是學(xué)習(xí)率設(shè)置過小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)陷入局部最優(yōu)難以跳出。將學(xué)習(xí)率設(shè)為默認(rèn)值(0.001)繼續(xù)訓(xùn)練，雖然本文在模型中加入了Dropout 層，可以發(fā)現(xiàn)50 輪(epoch)前后，驗(yàn)證集準(zhǔn)確率曲線在保持較大幅度的增長(zhǎng)后就處于振蕩狀態(tài)，這表明了在訓(xùn)練過程中模型一直在努力優(yōu)化以達(dá)到最佳，但模型還是存在過擬合，可能是數(shù)據(jù)量較少或者網(wǎng)絡(luò)容量過大所致。同時(shí)在程序中使用回調(diào)函數(shù)(Callback)，只保存在驗(yàn)證集上表現(xiàn)最佳的模型，其準(zhǔn)確率為98.6%。

在訓(xùn)練過程中不斷嘗試改變網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以嘗試達(dá)到最佳效果，如增減卷積層數(shù)、改變單層卷積核的數(shù)量或大小，或是在卷積層后加入BN 層，大部分準(zhǔn)確率都無法超過90%，最終選定表4 的模型架構(gòu)。

4 選線診斷模型測(cè)試分析

4.1 連續(xù)電流數(shù)據(jù)測(cè)試效果分析

在模型訓(xùn)練結(jié)束后，需要對(duì)模型的故障電弧診斷及選線效果進(jìn)行驗(yàn)證。本文選取測(cè)試集中三組連續(xù)的不同故障類型的干路電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，分別為燈泡故障、手電鉆故障、洗衣機(jī)故障，每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為3 s，包含150 個(gè)完整電流周期。圖10 中左側(cè)縱軸為模型輸出概率的最大值，表示模型對(duì)它所代表的故障類型最為肯定，橫軸為時(shí)間軸t，右側(cè)縱軸為分類標(biāo)簽，故障類型與標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。對(duì)比CNN 分類結(jié)果與實(shí)際類別，由圖10a 可知，在1 s 時(shí)發(fā)生電弧故障，模型在燃弧前存在數(shù)個(gè)連續(xù)的誤判點(diǎn)，推測(cè)可能是由于燃弧前接觸電阻增大使模型誤以為已發(fā)生電弧故障。而在初始燃弧階段誤判點(diǎn)較多，將燈泡故障(1)誤判為電磁爐故障(2)及小太陽故障(6)，猜測(cè)是因?yàn)榇藭r(shí)電弧燃燒不穩(wěn)定，故障電弧特征不明顯所致。

圖10 選線診斷模型測(cè)試效果

在圖10b 中，同圖10a 一樣在燃弧前存在誤判，而對(duì)于圖10c，初始時(shí)刻及燃弧前均存在誤判點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)兩者在燃弧后均未發(fā)生誤判，推測(cè)可能是由于手電鉆、洗衣機(jī)負(fù)載發(fā)生故障時(shí)的特征較燈泡等阻性負(fù)載明顯，模型更易區(qū)分。經(jīng)驗(yàn)證，模型對(duì)串聯(lián)型故障電弧平均診斷及選線準(zhǔn)確率為93%，效果較好。

盡管所訓(xùn)練的多負(fù)載并聯(lián)診斷及選線模型擁有較高的故障電弧檢測(cè)精度，但仍存在少量樣本分類錯(cuò)誤，選取兩個(gè)干路電流樣本，第一個(gè)標(biāo)簽為0(干路正常)被判別為1(燈泡故障)，第二個(gè)樣本標(biāo)簽為1(燈泡故障)并被正確分類。本文提取了這兩個(gè)樣本最后輸入dense 層前的大小為74×256 的特征向量進(jìn)行分析。如圖11 所示，仔細(xì)觀察圖11a 和圖11b 可以發(fā)現(xiàn)，直觀上不難分辨出兩個(gè)樣本的不同，但第一個(gè)樣本僅僅在某處有很輕微的零休現(xiàn)象且波形有些許畸變就被判別為電弧故障。將兩個(gè)樣本的特征向量進(jìn)行可視化，如圖11c 及圖11d 所示，其中橫坐標(biāo)代表特征向量的行數(shù)，縱坐標(biāo)代表列數(shù)，白色部分代表數(shù)值0，灰色部分代表非0 數(shù)值，顏色的深淺代表數(shù)值的大小，可以發(fā)現(xiàn)所提取的特征向量總體上是一個(gè)稀疏矩陣，白色部分較多。對(duì)比圖11c和11d 可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)樣本的特征向量雖然在整體分布上關(guān)聯(lián)性不大，但在某些局部是相似的，推測(cè)可能是采集的正常電流數(shù)據(jù)混入了背景噪聲，或者是干路電流中包含其他正常工作的非線性負(fù)載特征，使模型誤以為發(fā)生電弧故障。在數(shù)據(jù)庫(kù)中還有一些其他的樣本，它們具有非常小的電弧特征，但被錯(cuò)誤地判定為故障。

圖11 模型對(duì)錯(cuò)誤分類樣本的特征可視化

4.2 噪聲對(duì)模型性能的影響分析

選取測(cè)試集中的連續(xù)洗衣機(jī)故障干路電流數(shù)據(jù)進(jìn)行抗噪測(cè)試，使用Awgn 函數(shù)給數(shù)據(jù)中加入信噪比為20∶1 的高斯白噪聲，添加噪聲前后的電流波形對(duì)比如圖12 所示。圖13 為對(duì)加噪數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果，由圖13 可知模型對(duì)弧前的正常電流數(shù)據(jù)全部誤判，主要誤判為故障類型6(小太陽故障)及故障類型4(手電鉆故障)，可見在添加隨機(jī)噪聲后某些正常電流的特征與發(fā)生電弧故障后的電流特征十分相似，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在燃弧后也存在少許誤判點(diǎn)，但主要集中在初始燃弧階段，總體誤判率為37%。由上述分析可知，背景噪聲對(duì)模型性能的影響較大，因此本文首先使用3 層小波閾值降噪來對(duì)添加噪聲后的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，小波基選擇默認(rèn)的db4，隨后導(dǎo)入模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖14 所示。由圖14可知，在進(jìn)行降噪后，模型對(duì)正常電流數(shù)據(jù)的誤判有了改善，但對(duì)故障后電流數(shù)據(jù)的誤判顯著增多，推測(cè)是因?yàn)橄匆聶C(jī)發(fā)生故障時(shí)的電弧電流特征較為明顯，小波降噪誤將有用的信號(hào)誤認(rèn)為噪聲去掉，經(jīng)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)降噪后的電流數(shù)據(jù)誤判率為29%，較之前有所下降。綜上，背景噪聲對(duì)模型的診斷及選線能力影響較大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪預(yù)處理或者在診斷裝置前安裝高通濾波器，以使背景噪聲對(duì)模型性能的影響降到最低。

圖12 添加噪聲前后的電流波形對(duì)比

圖13 加噪數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

圖14 db4 小波降噪測(cè)試結(jié)果

4.3 模型泛化性分析

在日常的家用電路中，人們并不會(huì)固定使用某幾種負(fù)載，如果將本文的診斷及選線模型應(yīng)用到實(shí)際中，可能會(huì)受到負(fù)載投切等擾動(dòng)的影響，假設(shè)某一時(shí)刻切掉兩種負(fù)載而啟動(dòng)另外兩種新的負(fù)載，此時(shí)模型是否仍能準(zhǔn)確識(shí)別故障發(fā)生并判定其發(fā)生在哪條線路需要進(jìn)一步的測(cè)試。本文將原來的手電鉆、洗衣機(jī)替換為熱水壺、吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表2 的試驗(yàn)組別7～12。當(dāng)故障發(fā)生在燈泡支路時(shí)，截取連續(xù)干路電流數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如圖15 所示。由圖15 可見，模型對(duì)正常電流數(shù)據(jù)有少許誤判點(diǎn)，誤判為類型5(洗衣機(jī)故障)，而在3 s時(shí)，模型準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)發(fā)生了電弧故障，此時(shí)實(shí)際故障類型為1(燈泡故障)，而模型在故障后存在較多誤判點(diǎn)，將故障判定為3(干路故障)，總體誤判率為20%，遠(yuǎn)高于原始線路?？梢娫撃Ｐ陀幸欢ǖ目箶_動(dòng)能力，能較為正常地發(fā)揮診斷功能，但在選線上會(huì)受到較大影響，主要是負(fù)載類型改變，使數(shù)據(jù)的高斯分布發(fā)生變化，模型對(duì)新的電路選線效果不佳，泛化性一般。

圖15 模型泛化性測(cè)試

4.4 運(yùn)行時(shí)間測(cè)試

在實(shí)時(shí)場(chǎng)景下故障電弧的檢測(cè)需要較快的時(shí)間，以便盡可能快地將故障電路與正常電路隔離。根據(jù)IEC 和UL 標(biāo)準(zhǔn)，電弧故障應(yīng)在0.12～1 s 內(nèi)消除。因此本文使用預(yù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在樹莓派3B-V1.2上驗(yàn)證算法。在測(cè)試過程中，將數(shù)據(jù)樣本從設(shè)備的存儲(chǔ)內(nèi)存中讀取，然后將每個(gè)數(shù)據(jù)樣本提取到模型中進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示模型對(duì)單個(gè)樣本檢測(cè)的平均用時(shí)為53 ms，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 與現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)方法的比較

為了將本文的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他方法進(jìn)行比較，設(shè)立了包括最高識(shí)別精度、能否進(jìn)行選線以及采樣率等指標(biāo)，相關(guān)總結(jié)如表5 所示。

表5 與其他方法的屬性比較

結(jié)果表明所提出的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了98.6%的故障電弧檢測(cè)及選線準(zhǔn)確率，高于或與其他方法接近，但其他方法試驗(yàn)電路均為單相單負(fù)載，只能進(jìn)行故障電弧的診斷，無法進(jìn)行選線，實(shí)用性較差。其中文獻(xiàn)[11]需要先對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波后轉(zhuǎn)化為灰度值圖像，再輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，工作量較大且對(duì)計(jì)算機(jī)的顯卡性能要求很高。同時(shí)本文試驗(yàn)時(shí)的采樣率選定為100 kHz，使得原始輸入電流信號(hào)可以具有電弧詳細(xì)且最佳的特征，避免干擾信號(hào)過多引起識(shí)別困難。

5 結(jié)論

本文通過開展家用多負(fù)載并聯(lián)的串聯(lián)故障電弧試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析、建立基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障電弧診斷及選線模型，得到以下結(jié)論。

(1) 多負(fù)載回路干路發(fā)生串聯(lián)型故障電弧時(shí)，其干路波形會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化，即出現(xiàn)零休、諧波增加、電流幅值減小等。而對(duì)于多負(fù)載單支路故障，干路電流大多變化不明顯。

(2) 通過建立一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以不同工況下的干路電流樣本訓(xùn)練了診斷及選線模型，驗(yàn)證集準(zhǔn)確率達(dá)到了98%以上。但模型的測(cè)試效果不夠好，需要在數(shù)據(jù)集以及模型架構(gòu)方面做出改進(jìn)以進(jìn)一步優(yōu)化模型。

(3) 對(duì)模型進(jìn)行了抗擾動(dòng)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)背景噪聲對(duì)模型的性能有較大影響，實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)電流數(shù)據(jù)先行進(jìn)行濾波處理。

(4) 研究發(fā)現(xiàn)模型在電路條件改變不大時(shí)仍能發(fā)揮故障診斷作用，但選線效果較差。后續(xù)需要對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化，以增強(qiáng)其抗擾動(dòng)性及泛化性。