劉 鵬

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 061000）

接觸網(wǎng)作為電力機車運行的動力源，是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的重要部分，其中接觸網(wǎng)線夾極易出現(xiàn)輕微松動現(xiàn)象，由此帶來局部過熱和燒傷的早期故障問題，因此線夾松動的早期識別是提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的重要措施。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，在電氣設(shè)備溫度監(jiān)測領(lǐng)域，國內(nèi)外已有很多溫度測量方法[1-3]，并且取得了不錯的效果。然而，接觸網(wǎng)作為鐵路供電系統(tǒng)中規(guī)模最大的裸導(dǎo)體，工作環(huán)境惡劣，負荷電流較大，目前檢驗裸導(dǎo)體使用的紅外非接觸式測溫及其他模塊的接觸式測溫，只通過分析溫度的高低判定裸導(dǎo)體熱狀態(tài)的運行范圍，極難排除早期故障，也難以分析隱患。因此接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評定仍然是一項艱巨的任務(wù)，需要更深入的研究。

文獻[4-5]均是利用紅外測溫的基本原理，通過不同種類的紅外探測器進行測量，設(shè)計硬件和軟件測溫系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小來確定接觸網(wǎng)熱狀態(tài)。這種方法對溫度補償算法的要求較高，若考慮到時間等因素的限制便會有較大的誤差。文獻[6]通過差值計算裸導(dǎo)體接觸電阻變化量，提出了一套基于理論溫度與實際溫度對比值的以接觸電阻大小為告警閾值的裸導(dǎo)體健康評價系統(tǒng)。文獻[7-8]提出一種基于紅外熱成像的溫度場測量方案，根據(jù)熱狀態(tài)分布診斷設(shè)備的實際運行情況。該方法需要配備高質(zhì)量的無線傳輸系統(tǒng)和合理的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，考慮到接觸網(wǎng)所處的環(huán)境因素和檢測成本，該方案在鐵路接觸網(wǎng)實際工況下實施難度較大。

基于上述問題，本文將大數(shù)據(jù)聚類（big data clustering，BDC）思想應(yīng)用于裸導(dǎo)體檢測，結(jié)合時間序列相似性度量（time series similarity measure，TSSM）方法，建立了一套接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評價系統(tǒng)，在測量裸導(dǎo)體溫度變化的基礎(chǔ)上，對裸導(dǎo)體的當(dāng)前性能和隱患進行了綜合評估。

1 基于點密度函數(shù)加權(quán)的數(shù)據(jù)分析

由于該系統(tǒng)定時采樣的采樣數(shù)據(jù)是一連串同周期的離散點，不妨設(shè)采樣周期為TS，計算周期為TC，由此定義一個長度為n 的數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口：

計算過程中窗口長度n 都比較小，那么TC的取值一般小于TSo因此所分配到窗口的數(shù)據(jù)應(yīng)比較集中，而異常點和正常數(shù)據(jù)之間距離略遠于正常數(shù)據(jù)之間的距離，常以單點的形式較為分散的分布在數(shù)據(jù)源兩側(cè)，由此可判斷為噪聲。然而如果發(fā)現(xiàn)待處理數(shù)據(jù)集中分布在若干個中心，則應(yīng)該判定為環(huán)境突變。

數(shù)據(jù)點的分布情況可以近似看作鄰近度，即到k 個最接近數(shù)據(jù)點（最近鄰點）平均距離的倒數(shù)。針對不同的數(shù)據(jù)點Xi，其點密度函數(shù)為

式中：dij為Xi和Xj的歐式距離，e 為點密度范圍限定值。第l 個數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口中的兩個數(shù)據(jù)點xl和yl之間的距離d（xl，yl）可用式（4）表示。

式中：m 為數(shù)據(jù)維數(shù)；xli為數(shù)據(jù)點xl在維度i 上的坐標(biāo)；yli代表數(shù)據(jù)點yl在維度i 上的坐標(biāo)。利用歸一化方法克服了多種維度數(shù)據(jù)標(biāo)準相異的難點，歸一系數(shù)λ 的實際意義在于：可以準確確定第l 個數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口Nl中所有正常數(shù)據(jù)點在維度i 上的總距離為Dli。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類思想的熱狀態(tài)分析

接觸網(wǎng)局部過熱和燒傷是接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體常見的故障類型。將裸導(dǎo)體過熱故障的所有歷史數(shù)據(jù)點稱為一簇C，采用接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評定系統(tǒng)算法的思想，通過式（7），可得鄰近度l（x，k）。

式中：d（x，y）是x 和y 之間的歐式距離，可由式（8）計算。

將所有歷史數(shù)據(jù)點代入式（7）中計算可得簇內(nèi)鄰近度（PWC）。將整個簇內(nèi)的歷史故障數(shù)據(jù)的PWC 做平均處理，得到C 的基準鄰近度lref。

當(dāng)整個數(shù)據(jù)點與C 的鄰近度的數(shù)值變化越來越大時，說明數(shù)據(jù)點與簇的距離反而越小，也就是說在其附近區(qū)域，同時反映到的問題就是出現(xiàn)故障的幾率越大。相對鄰近度lc（x，k）的計算表達式為：

3 基于時間序列相似性度量的趨勢預(yù)測

接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體發(fā)生故障前溫度的變化具有時序特征，對于具有潛伏故障風(fēng)險的接觸網(wǎng)線夾，需要判斷其故障狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速度與趨勢。

3.1 確定待測數(shù)據(jù)時間序列

當(dāng)待評價設(shè)備的數(shù)據(jù)點x 和裸導(dǎo)體故障數(shù)據(jù)簇C間相對鄰近度處于區(qū)間[0.6，0.8]時，截取數(shù)據(jù)點x 在采集時刻前的多個數(shù)據(jù)點，作為待測數(shù)據(jù)時間列U，其步驟如下：

（1）取初始隊列U 的長度為N。

（2）設(shè)定最后故障數(shù)據(jù)參數(shù)時間坐標(biāo)txN：初始采集時間為txN。

（3）獲取相對鄰近度。

（4）確定初始數(shù)據(jù)點時標(biāo)tx1。

（5）獲取時間序列。

3.2 時間序列相似性度量計算

不同時間序列的相似性可以由其距離關(guān)系表示，時間序列的相似性與其距離關(guān)系成反比。一般情況下，時間序列距離可由歐式距離、編輯距離、動態(tài)時間彎曲距離等代替計算。其中，歐式距離體現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)維度間的直線距離，編輯距離用于計算兩字符串序列間轉(zhuǎn)化所需要的編輯步數(shù)。為了避免出現(xiàn)裸導(dǎo)體溫度信息時間序列數(shù)據(jù)元素錯位造成的時間序列距離評估結(jié)果偏大的現(xiàn)象，在本文中選取了動態(tài)時間彎曲距離來衡量兩時間序列的相似性。時間序列U 和V 之間的動態(tài)時間彎曲距離可以通過兩時間序列U 和V 間的最小路徑遞歸計算獲得。

由于在不同情況下有不同長度的序列，為了測量的標(biāo)準化、簡單化，將計算所得的動態(tài)時間彎曲距離經(jīng)過歸一化處理，由此判斷序列相似性的歸一距離可由公式（11）得到。

式中，N 為序列U 和序列V 的長度。

4 接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體狀態(tài)綜合評價

4.1 狀態(tài)評價方法流程

接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體狀態(tài)綜合評價流程如圖1 所示。

圖1 方法流程圖

4.2 計算設(shè)備健康得分

lc（x，k）數(shù)值不超過0.6 的條件下，需要確定接觸網(wǎng)線夾的健康得分，以此來判斷該裝置的運行狀態(tài)。對于確定接觸網(wǎng)線夾故障j，可以將鄰近度轉(zhuǎn)化為裸導(dǎo)體與過熱故障相關(guān)的健康得分。如果設(shè)備狀態(tài)滿分設(shè)定為10 分，則設(shè)備的健康得分F（t）為：

5 算例分析

5.1 搭建實驗環(huán)境

本論文建立了一套能實現(xiàn)多點實時監(jiān)測的裸導(dǎo)線接觸狀態(tài)綜合評價系統(tǒng)；充分屏蔽載流大小和外部環(huán)境因素對裸導(dǎo)體實時測溫的影響，構(gòu)建裸導(dǎo)體接觸電阻與差動溫度的數(shù)量關(guān)系；選擇接觸電阻微動量作為故障判別特征，將差動溫度的微弱變動轉(zhuǎn)化為接觸電阻微動量的顯著變化，做到裸導(dǎo)體接觸不良的早預(yù)判和早預(yù)警，并最終實現(xiàn)降低技術(shù)人員勞動強度和保障鐵路供電系統(tǒng)的安全運行。實驗系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 實驗系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)利用實測溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合不同規(guī)格型號和外界干擾因素下的裸導(dǎo)體錨段關(guān)節(jié)處測溫模型；利用數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，準確提取出溫度特征和不同工作狀況下溫度門限值，并為實際應(yīng)用中的整定值整定提供數(shù)據(jù)支撐；利用visual studio 2017，基于C#開發(fā)軟件設(shè)計出了接觸網(wǎng)線夾實測溫度分析平臺，該平臺可自動記錄測溫時間，記錄數(shù)據(jù)，按上述算法計算數(shù)據(jù)，輸出計算結(jié)果和相關(guān)參數(shù)，以及實現(xiàn)故障報警，隱患報警等相關(guān)功能。

受該系統(tǒng)實驗條件的影響，本論文模擬室外接觸網(wǎng)供電過程，搭建了簡易的實驗現(xiàn)場如圖3 所示，實驗中所選的線夾是鐵路接觸網(wǎng)JQJL06-2004 銅接觸線接頭線夾。本次實驗實際測量過程均處在室外環(huán)境，但為了更清晰體現(xiàn)出實驗過程，在室內(nèi)模擬實驗回路中僅接入一個接觸線線夾，以此代替測量整個線夾組的溫度變化。

圖3 模擬實驗現(xiàn)場

5.2 實驗結(jié)果及分析

本次實驗總時長16 分鐘，檢測到接觸網(wǎng)夾線故障時間為15 分鐘。在整個測溫過程中，接觸網(wǎng)線夾的實時溫度反映在“接觸網(wǎng)線夾實測溫度分析”界面，如圖4 所示。其中部分線夾組實測溫度如表1 所示。為驗證接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體發(fā)生故障前的溫度變化有時序特征，得到的部分線夾組的時間-溫度序列圖如圖5 所示。

圖4 溫度分析界面

表1 部分線夾實測溫度

圖5 時間-溫度序列圖

在整個實驗過程中，當(dāng)其中一個線夾組溫度偏高，溫度變化曲線上升速率較大時，會出現(xiàn)程序報警彈框，此時在時間序列分析中就會發(fā)現(xiàn)不合格的樣本。如圖6 所示，第2 條溫度變化曲線隨著時間的推移，溫度值不斷升高，在初始溫度值的基礎(chǔ)上大幅度變化，此測量結(jié)果表明該樣本不合格，已發(fā)生過熱故障。

圖6 不合格樣本

根據(jù)上述算法，該結(jié)果與后臺歸一距離反應(yīng)一致，結(jié)果如表2 所示。本方案可將歸一距離值和大量樣本故障記錄間關(guān)系編寫故障時間預(yù)測功能，由于缺乏足夠的故障數(shù)據(jù)，該模塊暫時無法演示。

表2 時間序列歸一距離

6 結(jié)論

本文提出了一種新的柔性接觸網(wǎng)線夾熱狀態(tài)評價方法，得到以下結(jié)論：

（1）該方法基于PDFW 對采集的溫度數(shù)據(jù)進行分析，消除了噪聲數(shù)據(jù)的影響。利用聚類思想，將接觸網(wǎng)線夾狀態(tài)劃分為三個類別，進而對接觸網(wǎng)線夾進行故障診斷。

（2）利用實測溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合不同規(guī)格型號和外界干擾因素下的裸導(dǎo)體線夾測溫模型。

（3）在實現(xiàn)故障預(yù)測功能過程中，需要事先收集不同規(guī)格裸導(dǎo)體線夾的故障數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)的測量精度和數(shù)據(jù)量對預(yù)測時間的精度影響較大。