基于PCA和TS在線辨識(shí)模型的GIS故障診斷方法?

薛峰1謝建容1萬四維1魏東亮1李雙宏2

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局東莞523106）（2.上海交通大學(xué)自動(dòng)化系上海200240）

論文針對(duì)GIS開關(guān)系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用PCA技術(shù)結(jié)合在線辨識(shí)TS模型，建立起一種新型的故障診斷方法，再利用TS模型計(jì)算的模糊權(quán)值根據(jù)D-S特征判據(jù)來判斷分析GIS系統(tǒng)發(fā)生故障。PCA降維技術(shù)將多傳感器采集的故障特征信息進(jìn)行降維，反映故障的特征信息。再利用TS在線辨識(shí)模型實(shí)時(shí)的修正故障模糊規(guī)則庫(kù)，并利用模糊規(guī)則庫(kù)計(jì)算出本狀態(tài)下的故障特征權(quán)值。利用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的故障特征和正常工作的特征，再利用D-S判據(jù)的方法判斷出95%置信度的故障發(fā)生情況。論文所述的方法可以有效地對(duì)多故障信息進(jìn)行融合，在決策層對(duì)故障信息進(jìn)行融合得到有效的故障診斷結(jié)果。

GIS開關(guān)系統(tǒng)；PCA；TS模型；故障診斷

Class NumberTP393

1 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）作為高壓配電裝置的一種形式，將變電站中除變壓器以外的所有一次設(shè)備，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)地組合成一個(gè)整體，并封閉于金屬殼內(nèi)，充SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)，構(gòu)成一個(gè)封閉組合電器，最高配電電壓可達(dá)1100kV。由于GIS設(shè)備的全封閉設(shè)計(jì)，操作人員無法直接觀察到設(shè)備的狀態(tài)，僅依據(jù)輔助接點(diǎn)的返回信號(hào)和操作人員的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)來判斷設(shè)備是否分合到位。開關(guān)刀閘操作后，由于種種原因，可能出現(xiàn)監(jiān)控后臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)顯示分合成功，但實(shí)際觸頭分合不到位的情況，從而引起電網(wǎng)安全事件，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。傳統(tǒng)的GIS故障診斷方法，僅針對(duì)單個(gè)傳感器的信息，無法對(duì)整個(gè)GIS狀態(tài)進(jìn)行有效的評(píng)估［1～15］。

本文利用PCA方法對(duì)故障的狀態(tài)信息進(jìn)行降維處理，利用更加精簡(jiǎn)的信息對(duì)GIS系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，再利用改進(jìn)TS在線辨識(shí)模型對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行融合，建立了多傳感器信息的模糊分析與決策模型，解決了GIS多傳感器信息的故障診斷判斷的問題。

2 PCA降維技術(shù)

圖1所示為PCA主元分析技術(shù)的示意圖。主要采用的是PCA主元分析方法，將GIS工作狀態(tài)X進(jìn)行降維處理，具體算法為

1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

多信息采集模塊采集到本周期的GIS系統(tǒng)工作狀態(tài)：

將m個(gè)周期的狀態(tài)寫成狀態(tài)矩陣形式：

將Xm進(jìn)行歸一化處理得到：

圖1 PCA主元分析技術(shù)的示意圖

2）奇異值分解

協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解：

3）取主元元素

取Λ的前k個(gè)主元作為分析元素。并取對(duì)應(yīng)的前k個(gè)U矩陣的向量：

4）得到X的降維形式

其中T=XP。

3 TS在線辨識(shí)模型

基本的TS模糊模型的模糊規(guī)則，將輸入量進(jìn)行模糊化處理主要機(jī)理分為三個(gè)部分：

第i條TS模糊規(guī)則對(duì)系統(tǒng)輸出的貢獻(xiàn)分量yi(k+1)可以用“If…Then”語句表示如下：

Then yi(k+1)=+x1+…+xn;i=1,2…c其中，c為模糊規(guī)則數(shù)目，n為TS模糊模型的輸入變量數(shù)目，x1(k),x2(k),…,xn(k)為第k時(shí)刻及以前的輸入輸出數(shù)據(jù)的回歸變量，x(k)=[x1(k),x2(k),…,xn(k)]為模糊模型的輸入向量，,Ai2,…,為代表各模糊子空間的具有線性隸屬度函數(shù)的模糊集，可以用來進(jìn)行第i條規(guī)則的模糊推理，,,…,為第i條模糊規(guī)則的后件參數(shù)。

由于GIS系統(tǒng)的狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化，需要對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行不斷的辨識(shí)判斷，所以，基本的TS模型不能滿足要求，需要進(jìn)行TS在線辨識(shí)模型的建立。

定義βi為模糊規(guī)則i的適應(yīng)度，那么模型在第(k+1)時(shí)刻的輸出y(k+1)可以通過下面的公式計(jì)算：

其中r=c(n+1)，可以得到：

根據(jù)上述的模糊規(guī)則建立GIS故障特征模糊規(guī)則庫(kù)，需要通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)出模糊規(guī)則的兩個(gè)參數(shù)Θ和Φ，具體的流程如下：

1）故障特征統(tǒng)計(jì)

根據(jù)大量GIS開關(guān)實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出在降維數(shù)據(jù)狀態(tài)X情況下發(fā)生故障的概率y，以及在下一次操作會(huì)發(fā)生故障的概率yf。沒有實(shí)驗(yàn)獲得的概率，通過多維差值得到。

2）在線辨識(shí)型TS模型

（1）聚類中心向量V(1)=[v1(1),v2(1),…,vc(1)]的初始值可以用一部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離線辨識(shí)采用C聚類算法獲得，然后進(jìn)行更新。獲得用下面的方程計(jì)算輸入x(k)與每一個(gè)第(k-1)時(shí)刻的聚類中心向量的距離：

（2）評(píng)價(jià)輸入x(k)對(duì)每一個(gè)聚類中心vi(k-1)的隸屬度：

（3）基于第(k-1)時(shí)刻x(k)的隸屬度和模糊規(guī)則學(xué)習(xí)率，利用如下公式修正聚類中心向量V(k-1)：

vi(k)=vi(k-1)+λu′i(k)2[x(k)-vi(k-1)]

（4）根據(jù)新獲得的聚類中心向量V(k)更新輸入x(k)與中心點(diǎn)的距離與隸屬度：

（5）計(jì)算當(dāng)輸入為x(k)時(shí)，第i條規(guī)則對(duì)系統(tǒng)輸出的適應(yīng)度：

然后可以求得向量：

（6）根據(jù)公式y(tǒng)(k+1)=Φ(k)TΘ(k)，已知y(k+1)和Φ(k)，利用最小二乘法得到：

通過上述步驟，就通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法得到了模糊規(guī)則的兩個(gè)參數(shù)Θ和Φ，就建立起了y模糊規(guī)格庫(kù)。利用同樣的方法，也可以建立起yf的模糊規(guī)則庫(kù)。

4 基于PCA和TS在線辨識(shí)模型的故障診斷方法

4.1故障特征的降維

利用PCA技術(shù)，對(duì)不同來源的傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，得到降維后的數(shù)據(jù)反應(yīng)了GIS系統(tǒng)的特征信息，防止維數(shù)多了之后后續(xù)的模糊特征庫(kù)的存儲(chǔ)數(shù)量太大。得到的降維后的數(shù)據(jù)，輸入到TS在線辨識(shí)模型中。

4.2模糊特征融合

采用第3節(jié)所述的TS在線辨識(shí)模型的方法，如圖2圖3根據(jù)每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)向量，首先對(duì)聚類中心及隸屬度進(jìn)行修正，然后利用模糊規(guī)則庫(kù)計(jì)算本次各個(gè)故障的權(quán)值，在計(jì)算得到本次故障得到的故障權(quán)值。在線辨識(shí)過程，采用數(shù)據(jù)向量X與統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的故障概率進(jìn)行辨識(shí)計(jì)算，辨識(shí)結(jié)束后，則只進(jìn)行X輸入計(jì)算Y的形式，不再進(jìn)行辨識(shí)。

圖2 PCA和TS模型的故障診斷方法

圖3 模糊故障特征融合

4.3基于D-S機(jī)制的故障判斷

根據(jù)D-S證據(jù)理論的思想，利用上節(jié)計(jì)算的故障權(quán)值的統(tǒng)計(jì)量，分布在0～1的區(qū)間內(nèi)，如圖4。

圖4 D-S證據(jù)理論判據(jù)

BEL（A）為置信度函數(shù)，如果故障的權(quán)值y達(dá)到統(tǒng)計(jì)的發(fā)生故障的上限值A(chǔ)u，則根據(jù)統(tǒng)計(jì)

其中，A為事件確信95%以上統(tǒng)計(jì)概率發(fā)生故障Au為確信95%以上統(tǒng)計(jì)概率發(fā)生故障的故障權(quán)值，ymax為故障權(quán)值能夠計(jì)算的最大值。

定義PL（A）函數(shù)為BEL（A）的似真度函數(shù)

本函數(shù)為統(tǒng)計(jì)不能滿足95%以上概率發(fā)生故障的故障權(quán)值，超過本區(qū)間的故障權(quán)值判斷為拒絕區(qū)間，也就是判斷沒有發(fā)生故障。當(dāng)置信度函數(shù)在BEL與PL之間的時(shí)候，則無法根據(jù)本信息判斷出GIS是否發(fā)生故障，此時(shí)，就需要根據(jù)下述的方法進(jìn)行判斷：

首先，采集優(yōu)先級(jí)比較高的幾種故障類型，定義為F，根據(jù)F的故障發(fā)生概率F的數(shù)值之間的關(guān)系，構(gòu)建起新的故障權(quán)值；

如果F的故障權(quán)值大于發(fā)生故障的概率，則直接判斷整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障；

如果F沒有超過發(fā)生故障的概率，則判斷整個(gè)系統(tǒng)沒有發(fā)生故障。此時(shí)，對(duì)F分析可以直接分析整個(gè)系統(tǒng)的故障情況。

5 故障診斷方法在GIS的應(yīng)用

GIS故障主要是由于GIS為封閉的系統(tǒng)無法直接觀測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，所以采用多種傳感器的測(cè)量方式，將信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，再利用上述的故障診斷的方法來對(duì)故障進(jìn)行特征提取、故障融合及故障判斷。由于漏氣和功率損耗的異?？梢灾苯优袛喑鯣IS系統(tǒng)發(fā)生故障，所以，信息融合的TS模型階段只采用工作狀態(tài)進(jìn)行建模與分析［16～19］。

圖5GIS故障診斷流程

圖5 為GIS故障診斷流程，故障診斷的結(jié)構(gòu)可以通過多重傳感器采集GIS的當(dāng)前狀態(tài)，然后利用信號(hào)處理將不同傳感器的電壓信號(hào)調(diào)整為統(tǒng)一的范圍，再進(jìn)行故障特征的提取。通過信息融合模塊進(jìn)行主元分析，得到精簡(jiǎn)后的狀態(tài)信息，建立起TS故障模糊模型，利用故障模糊規(guī)則庫(kù)計(jì)算出每一次狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障權(quán)值，在進(jìn)行故障的判斷。其中，漏氣異常和日常功率損耗異常情況的優(yōu)先級(jí)最高，可以直接根據(jù)這兩種情況判斷出GIS當(dāng)前處于故障狀態(tài)，起到日常故障預(yù)測(cè)的作用。

基于GIS開關(guān)設(shè)備的分合閘試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立典型故障數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建故障診斷信息融合模型及異常數(shù)據(jù)樹模式。試驗(yàn)測(cè)試的主要工作包括試驗(yàn)平臺(tái)的搭建、典型故障構(gòu)建和數(shù)據(jù)獲取及分析。如圖6（a）110 kV GIS系統(tǒng)為上海交通大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于霍爾電流傳感和數(shù)字存儲(chǔ)式示波器可構(gòu)建完整的GIS開關(guān)設(shè)備分合閘試驗(yàn)平臺(tái)。項(xiàng)目通過構(gòu)建典型機(jī)械和電氣故障，記錄對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下分合閘電流波形，為故障診斷和GIS開關(guān)設(shè)備開合狀態(tài)判斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖6（a）為GIS開關(guān)系統(tǒng)，圖6（b）為構(gòu)建的GIS故障診斷專家系統(tǒng)。通過多傳感器技術(shù)測(cè)量GIS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并結(jié)合智能專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷實(shí)驗(yàn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

首先采集大量的GIS狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)不同的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽，輸入到TS模糊模型中進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，主要包括故障類型為：操動(dòng)機(jī)械故障，其他機(jī)械故障，主電路電氣故障，控制回路電氣故障，日常二次回路功率異常故障，SF6漏氣故障。其中，日常二次回路功率異常和SF6漏氣故障起到故障預(yù)測(cè)的作用，可以直接判斷出下一個(gè)時(shí)刻GIS系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

多源信息采集模塊，信息融合模塊，故障檢測(cè)模塊。利用多源信息采集模塊結(jié)合多種傳感器技術(shù)采集GIS工作的狀態(tài)信息，信號(hào)調(diào)理電路將傳感器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)到板卡能夠識(shí)別的范圍，再通過信號(hào)采集板卡輸入到電腦中的信息融合模塊中；多源狀態(tài)信息在信息融合模塊中構(gòu)成故障特征向量，利用信息融合技術(shù)進(jìn)行降維處理；利用降維后的信息建立起基于TS模糊模型的故障決策機(jī)，來判斷當(dāng)前的GIS開關(guān)系統(tǒng)是否正常工作，并利用本狀態(tài)的信息對(duì)故障進(jìn)行預(yù)報(bào)。

再利用GIS模擬平臺(tái)設(shè)定出GIS不同的故障，輸入到GIS故障診斷專家系統(tǒng)中進(jìn)行故障的識(shí)別，得到仿真的故障特征如圖7所示。

根據(jù)圖7為采集的故障狀態(tài)的信號(hào)特征示例，利用所有的傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，就可以得到傳感器的狀態(tài)向量，再把每個(gè)采樣周期的信號(hào)寫成行向量的形式，就得到了可以進(jìn)行PCA降維處理的矩陣。

GIS系統(tǒng)故障診斷的實(shí)際操作流程如下：

1）采集各類型的傳感器采集的當(dāng)前信息，包括：操動(dòng)機(jī)械故障，其他機(jī)械故障，主電路電氣故障，控制回路電氣故障等8維的向量構(gòu)成原始故障向量空間：

x(k)=[x1(k),x2(k),…,x8(k)]

然后，采用PCA降維技術(shù)，將8維的空間向量進(jìn)行降維得到主元分析矩陣，選取4個(gè)最大的主元得到：

圖7 不同的故障特征采樣信號(hào)

2）再根據(jù)TS模型的特征，選取不同的模糊特征數(shù)和學(xué)習(xí)因子初始化模型參數(shù)。模型參數(shù)包括聚類中心數(shù)量4(c＞1)，模糊規(guī)則學(xué)習(xí)率0.5(0＜λ＜1)，模糊因子2(m＞1)。數(shù)據(jù)采樣個(gè)數(shù)與誤差的關(guān)系如表1所示：

特別的，聚類中心向量：

初始值可以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離線辨識(shí)獲得，也可以直接給定V(1)=0。然而，在仿真測(cè)試過程中，這兩種方法使得模型具有相似的性能，因此V(1)=0可以作為首選初始值。采集1000組實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則辨識(shí)，計(jì)算的聚類中心和后件參數(shù)分別為

表1 采樣個(gè)數(shù)與誤差關(guān)系

3）根據(jù)上述的方法計(jì)算得到故障閾值為：78.2%，34.2%。根據(jù)D-S判據(jù)，如果計(jì)算的BAL小于34.2%，則位于支持區(qū)間，說明本狀態(tài)下發(fā)生故障的概率為95%；計(jì)算的BAL大于78.2%則位于拒絕區(qū)間，說明本次發(fā)生發(fā)生故障的概率非常低，本次為正常的工作狀態(tài)。如果位于兩者之間，則無法根據(jù)本方法判斷出GIS系統(tǒng)是否發(fā)生故障，則需要根據(jù)GIS的氣體漏氣的情況和日常功率異常的狀態(tài)，在進(jìn)行GIS故障的判斷。如果，上述兩種檢測(cè)指標(biāo)都沒有發(fā)生異常，則說明本次為正常工作狀態(tài)，反之，如果有一種發(fā)生異常，則判斷本次發(fā)生故障。

6 結(jié)語

本文通過分析GIS故障的特征，設(shè)計(jì)了一套基于信息融合的GIS系統(tǒng)故障診斷方法。分析了信息融合技術(shù)在GIS開關(guān)系統(tǒng)故障診斷過程的可行性，采用PCA主元分析技術(shù)對(duì)故障信息進(jìn)行降維，得到反映故障本質(zhì)的故障特征信息，再利用TS在線辨識(shí)模型對(duì)故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)建模與故障權(quán)值的計(jì)算。統(tǒng)計(jì)故障信息的權(quán)值與正常信息的權(quán)值，利用D-S證據(jù)判據(jù)，對(duì)滿足95%置信度的故障權(quán)值定義為故障，通過本方法可以很好的判斷出GIS系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

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Intelligent Fault Diagnosis Expert System of GIS Based on Information Fusion

XUE Feng1XIE Jianrong1WAN Siwei1WEI Dongliang1LI Shuanghong2
（1.Dongguan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corporation Limited，Dongguan523106）（2.Department of Automation，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240）

In this paper，by analysing the characteristics of GIS switch system，the fault diagnosis method is design by using PCA technology and the online identification TS fuzzy model.First，the characteristics of the GIS switch system is studied.The soft measurement system collects information by using Principal Component Analysis technology to get the fault characteristic informa?tion.Using the fault information collected by PCA fault，the information database based on TS fuzzy model is established which could judge the fault of the GIS according to the acquisition of current information.The D-S criteria is introduced to judge the fault.This article provides a method for GIS switch system fault detection for information fusion，and the experimental results show that this method is effective.

GIS switch system，PCA，TS model，fault diagnosis

TP393

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.05.046

2016年11月10日，

2016年12月29日

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司項(xiàng)目（編號(hào)：GDKJ00000033）資助。

薛峰，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高壓電器技術(shù)。