王明明

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300163）

目前，傳統(tǒng)三相配電線路故障診斷系統(tǒng)的診斷方法包括物理診斷方法和信號診斷方法。三相配電線路物理故障診斷方法的原理是通過故障線路傳遞出光、熱量、輻射強度等其他物理屬性，對三相配電線路的運行狀態(tài)進(jìn)行判斷，完成故障診斷[1]。三相配電線路的物理屬性是易受到外界環(huán)境干擾，使其變化規(guī)律發(fā)生改變，導(dǎo)致三相配電線路故障狀態(tài)數(shù)據(jù)真實性較差，從而導(dǎo)致故障診斷結(jié)果不準(zhǔn)確[2]。

為此，三相配電線路診斷領(lǐng)域通常通過識別線路運行信號，完成配電線路運行狀態(tài)診斷的初次提取，將故障信號中存在一定冗余和無效的信號頻段進(jìn)行有效處理，在沒有特定技術(shù)約束下，該方法診斷精度也達(dá)不到預(yù)期效果。因此，文中通過多特征融合技術(shù)，集成三相配電線路故障運行過程中具有代表性的特征作為故障診斷約束，完成故障診斷。

1 故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)硬件如圖1 所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 電子互感器

基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)硬件區(qū)域的電子互感器工作任務(wù)是對電路基本參數(shù)進(jìn)行測試。為了提升系統(tǒng)的運行效率，硬件區(qū)域選擇HD-8 系列的電子互感器。其器件采用CS86 芯片，可以實時更新線路的電壓值和電流值，通信采用西門子系列的GPRS和GSM 通信模塊，維持電子互感器的通信功能。為了提高電子互感器與硬件系統(tǒng)內(nèi)部其他設(shè)備的連接性能，選擇YD7 航空插口，此插口防塵防水，具有較高的性能。電子互感器的外殼采用XH-87 裝置，對于其他設(shè)備的輻射防護(hù)等級為IP65，具有獨立接地保護(hù)功能[3-5]。電子互感器如圖2所示。

圖2 電子互感器

1.2 電路控制器設(shè)計

電路控制器的工作任務(wù)是提高系統(tǒng)在采集線路故障數(shù)據(jù)中瞬時線路停運問題，此過程不影響線路正常運行，硬件系統(tǒng)采用PO 電路控制器協(xié)作系統(tǒng)工作?？刂破髦饕蓡螜C片、零序濾波電路以及HUD電能計量芯片組成。電路控制器設(shè)計天線固定端口。為了排除外界其他信號的干擾，控制電路自身將三相配電線路的控制回路和輸入信號隔開，維持線路內(nèi)電信號的正常運行[6-7]。電路控制器如圖3 所示。

圖3 電路控制器工作原理圖

1.3 電源設(shè)計

電源為系統(tǒng)提供運行能量，為了提高系統(tǒng)電源工作周期時長，選擇容值為3 300 pF、耐壓為4.2 kV/分鐘的YU-90 電源模型，此電源對電資源能量的分解為100%，對于系統(tǒng)其他設(shè)備的損傷輻射程度最低[8]。電源模塊可根據(jù)實時情況完成固定電壓等級自動調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)電壓范圍為2.5～60 V，運行有效電壓為3 V。電源模型采用型號為CS837 系列的AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，電壓的工作功率采用VRMS 調(diào)頻，模塊的超低漂移量為±1 V，如圖4 所示。

圖4 電源內(nèi)部工作電路示意圖

1.4 處理器設(shè)計

處理器是硬件系統(tǒng)運行基礎(chǔ)，文中選擇性價比較高的麒麟系列HYD-3 處理器。處理器單核睿頻可高達(dá)4.8 GHz，采用8 核心16 線程運行模式，器件基本運行頻率為9.8 GHz。處理器光刻為14 nm，可提高處理響應(yīng)速率，處理器工作頻率為65 W，降低系統(tǒng)運行開銷，提高系統(tǒng)工作速度[9-10]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 多特征融合算法分析

多特征融合算法在三相配電線路故障診斷系統(tǒng)中可提高特征認(rèn)證識別度。數(shù)據(jù)庫內(nèi)包括三相配電線路故障的多種特征，利用算法將其集成在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，一方面多特征融合算法可以提高配電線路故障診斷的預(yù)測性，另一方面根據(jù)三相配電線路故障診斷行為特點，選擇低層特征融合算法，以便達(dá)到提高線路故障診斷準(zhǔn)確度的目的[11-12]。多特征融合算法的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 多特征融合算法結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 三相配電線路信號特征提取

信號的熵是三相配電線路故障信號的主要表現(xiàn)屬性，熵表示信號模量中新信號產(chǎn)生的概率，熵的數(shù)值越大，表示信號數(shù)據(jù)的復(fù)雜度越大，頻率信息越多，熵越低代表信號的周期更變速度快，頻譜較窄。文中分析了三相配電線路故障特征信號的提取，選擇不同尺度的小波變換算法完成操作[13-14]。首先識別配電線路中電流信號，識別公式如下所示：

其中，N表示線路的有效距離；M表示線路切割的測試段個數(shù)；表示電流頻率；n表示小波變換系數(shù)。

然后識別線路內(nèi)各信號節(jié)點之間信號頻率的稀疏特征向量[15]，完成三相配電線路信號的提取。提取信號頻率特征的公式如下所示：

其中，xij表示第j層小波系數(shù)對應(yīng)頻段離散信號的幅值；sj表示能量算子；ο表示共軛函數(shù)。

最后將提取的三相配電線路特征帶入線路線性負(fù)載特征系數(shù)表中進(jìn)行查詢，查看此線路信號是否為故障信號。線路線性負(fù)載特征系數(shù)表如表1 所示。

表1 線路線性負(fù)載特征系數(shù)表

三相配電線路故障頻率暫態(tài)如圖6 所示。

圖6 三相配電線路故障頻率暫態(tài)示意圖

2.3 三相配電線路故障診斷

在三相配電線路故障診斷信號特征提取基礎(chǔ)上，文中完成基于多特征融合的三相配電線路故障診斷流程的分析，具體流程如下所示：

首先調(diào)用系統(tǒng)硬件設(shè)備完成三相配電線路基本數(shù)據(jù)的采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證采集數(shù)據(jù)精度。

根據(jù)上述特征提取三相配電線路故障信號特征，完成診斷配電線路信號提取。提取完成后及時對信號進(jìn)行校驗，如果信號為正常信號，則停止診斷，直接輸出結(jié)果；如果信號不是正常信號，那么系統(tǒng)自動存儲信號，并且繼續(xù)完成線路故障診斷流程。

最后將提取的三相配電線路故障信號和獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集成計算，得到配電線路故障特征值，將故障特征值與配電線路故障信號頻段，在系統(tǒng)多特征故障數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行約束查詢，最后輸出三相配電線路故障診斷結(jié)果。如果在數(shù)據(jù)庫內(nèi)不存在對應(yīng)線路故障，那么以三相配電線路故障提取的故障信號特征為查詢目標(biāo)[16]，將線路故障特征值進(jìn)行分解對照查詢，檢索到相線路故障即可。診斷集成計算公式如下所示：

其中，γj表示主成分分析的特征值；γk表示配電線路內(nèi)信號頻率和電流信號的關(guān)系。

3 試驗分析

為了檢驗設(shè)計的基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)的工作效率和診斷精度，搭建了三相配電線路故障模擬環(huán)境，利用基于DSP 低壓測試的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)（傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1）和基于單向接地分析的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)（傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2）作為對照系統(tǒng)，共同完成試驗測試，保證測試的有效性。

為了保證試驗測試的可靠性，文中分別設(shè)計超負(fù)載故障的三相配電線路、電弧故障的三相配電線路以及正常狀態(tài)三相配電線路作為測試樣本，提高試驗測試的難度。在試驗測試前，分別模擬搭建相同線路環(huán)境，搭建完成后，同一時間觸發(fā)3 個系統(tǒng)，將3 個三相配電線路與3 個系統(tǒng)相互連接，開始試驗，當(dāng)3 個系統(tǒng)全部向中心計算機提交診斷報告后，結(jié)束試驗，整理試驗數(shù)據(jù)和試驗場地，完成試驗數(shù)據(jù)的分析。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的整理，試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)表如2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

通過以上試驗的基本數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)計的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)完成3 個線路狀態(tài)的診斷時間最短，傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2的診斷時間最長。設(shè)計的系統(tǒng)在完成任務(wù)時間內(nèi)，系統(tǒng)電源消耗量最低，由于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)2 診斷時間最長，影響此系統(tǒng)的電池消耗量也最多，此數(shù)據(jù)反映設(shè)計的電池器件功能，電池可以將能量最大化?；诙嗵卣魅诤系娜嗯潆娋€路故障診斷系統(tǒng)運行負(fù)載峰值的比重也最低，在相同任務(wù)量下，系統(tǒng)運行的負(fù)載比重越大，代表系統(tǒng)單次可容納數(shù)據(jù)的規(guī)模越小，系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)不穩(wěn)定。

分析診斷系統(tǒng)的工作效率不僅僅要分析系統(tǒng)完成任務(wù)的時間，還要分析系統(tǒng)對于任務(wù)完成的準(zhǔn)確度，得到的結(jié)果如圖7 所示。

觀察圖7 可以明顯地對比出，設(shè)計的基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)和傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1 對于任意3 個狀態(tài)的配電線路的診斷的誤差相比之下較低，且呈現(xiàn)下降的趨勢，但所設(shè)計系統(tǒng)的診斷誤差低于傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1，傳統(tǒng)系統(tǒng)2的診斷誤差始終高于文中系統(tǒng)的診斷誤差和傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)1的誤差，驗證了文中系統(tǒng)診斷的精度較高。

圖7 試驗測試對比結(jié)果圖

綜上所述，基于多特征融合的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)的工作效率、診斷準(zhǔn)確度、精度全部達(dá)到了預(yù)期設(shè)計的目標(biāo)，具有應(yīng)用價值，可以投入使用。

4 結(jié)束語

通過文中方法完成基于多特征融合的三相配電線線路故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計。在系統(tǒng)硬件區(qū)域，電源、處理器、主板為系統(tǒng)提供基本運行環(huán)境，電子互感器和電路控制器與系統(tǒng)的軟件區(qū)域進(jìn)行交互，兩者相互調(diào)用，完成三相配電線路的故障診斷。對比傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)的診斷方法一方面制定特定的信號處理流程，既減少系統(tǒng)的工作量，又為系統(tǒng)后期對三相配電線路故障診斷分析提供真實穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以便集成高精度的三相配電線路故障診斷系統(tǒng)；另一方面將目前存在三相配電線路故障的特征進(jìn)行集成歸納處理，提高系統(tǒng)對于故障狀態(tài)的三相配電線路故障狀態(tài)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)工作效率。通過文中設(shè)計，可以促進(jìn)三相配電線路故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展。