韓云巖 張彥歡 崔浩 張星 馮保林

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 20024;2. 江蘇瑞盈智拓電力科技發(fā)展有限公司,江蘇揚(yáng)州 225006;3. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 奉賢供電公司,上海 201499)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)化程度提高對(duì)電網(wǎng)提出了越來(lái)越高的要求,城市電網(wǎng)負(fù)擔(dān)不斷加重,需要加強(qiáng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。中置式開(kāi)關(guān)柜作為配電站與工廠(chǎng)不可或缺的開(kāi)關(guān)供電元件,由于工作的環(huán)境多為高壓、密閉環(huán)境下,很容易出現(xiàn)過(guò)溫?fù)p壞。截止到2019年,全國(guó)國(guó)家電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)柜大約為900 000面,且每年增長(zhǎng)速度約為7.8%[1］。而電力系統(tǒng)中常見(jiàn)故障事件中,因開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱導(dǎo)致的供電事故占比高達(dá)42%[2］。每次電力系統(tǒng)的事故都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱事故通常由柜內(nèi)斷路器手車(chē)的梅花觸頭引起,梅花觸頭作為開(kāi)關(guān)柜連接斷路器與強(qiáng)電的元器件,在日常斷路器檢修中對(duì)動(dòng)、靜觸頭進(jìn)行多次摩擦,可能導(dǎo)致梅花觸頭彈簧老化,以及開(kāi)關(guān)柜高負(fù)載工作出現(xiàn)觸頭點(diǎn)蝕,觸頭處接觸處電阻增大,運(yùn)行環(huán)境溫度增高導(dǎo)致運(yùn)行事故。近些年,許多學(xué)者對(duì)梅花觸頭故障診斷做出了大量的研究工作。王剛[3］提出了基于電流與所受阻力關(guān)系的分析模型,將動(dòng)、靜觸頭嚙合分為三類(lèi):精準(zhǔn)嚙合、一級(jí)偏差嚙合、二級(jí)偏差嚙合,針對(duì)不同情況嚙合過(guò)程中的電流,利用支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)分類(lèi)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi),從而對(duì)梅花觸頭狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。黃勐哲[4］提出利用記憶合金對(duì)梅花觸頭溫度監(jiān)控并通過(guò)記憶合金形變達(dá)到減小接觸電阻的目的,分析出了梅花觸頭的安全性。冀立鵬[5］建立基于磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合的開(kāi)關(guān)柜梅花觸頭的有限元分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)梅花觸頭狀態(tài)監(jiān)控。

以上研究都可以改善中置式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的觸頭接觸問(wèn)題,對(duì)梅花觸頭存在的接觸錯(cuò)位問(wèn)題有著良好的應(yīng)用前景,但是并不一定適用于某些特定的應(yīng)用場(chǎng)景。本文結(jié)合配電站工作環(huán)境與日常檢修相結(jié)合,提出了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)多工況模擬的斷路器手車(chē)檢修系統(tǒng)。利用配電站日常斷路器檢修中對(duì)斷路器手車(chē)的操作過(guò)程數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)梅花觸頭的預(yù)檢修。

1 斷路器手車(chē)虛擬樣機(jī)建模

中置式開(kāi)關(guān)柜是電網(wǎng)運(yùn)維中的重要器件,應(yīng)用于電站、工業(yè)系統(tǒng)、地鐵等多種類(lèi)設(shè)施中,當(dāng)部分電力設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以將故障部分從電力系統(tǒng)中分離出來(lái),從而保證電力系統(tǒng)的安全。

開(kāi)關(guān)柜在結(jié)構(gòu)上分為低壓儀表室、斷路器手車(chē)室、母線(xiàn)室和電纜室[6］。其中斷路器手車(chē)室位于封閉空間,結(jié)合手車(chē)工作方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),導(dǎo)致其安全性相對(duì)薄弱。斷路器手車(chē)由末端的梅花觸頭完成斷路器與強(qiáng)電的連接,斷路器下部連接著底盤(pán)車(chē),組成斷路器手車(chē)。手車(chē)在斷路器手車(chē)室實(shí)現(xiàn)移進(jìn)移出,完成日常對(duì)斷路器的巡檢任務(wù)。由于梅花觸頭位于手車(chē)末端且處于封閉環(huán)境中,所以難以對(duì)梅花觸頭進(jìn)行監(jiān)控。

在實(shí)際運(yùn)行中,由于梅花觸頭導(dǎo)致的故障因素[7］眾多,如:梅花觸頭彈簧疲勞、動(dòng)靜觸頭不在一條直線(xiàn)、觸頭氧化點(diǎn)蝕[8］、存在外力導(dǎo)致觸頭發(fā)生形變,在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中難以獲取多種類(lèi)大數(shù)量的樣本。同時(shí)梅花觸頭安裝位于斷路器手車(chē),手車(chē)的安裝狀態(tài)也對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況存在影響,所以對(duì)于多因素復(fù)雜工況下梅花觸頭狀態(tài)難以采集足量樣本進(jìn)行分析。

利用計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)[9］(Virtual Prototyping Technology, VPT)基于SolidWorks與Workbench聯(lián)合仿真,建立斷路器手車(chē)三維模型,利用ANSYS AIM插件將Workbench內(nèi)置于SolidWorks中,將模型導(dǎo)入SpaceClaim對(duì)模型中結(jié)構(gòu)復(fù)雜又不影響目標(biāo)仿真結(jié)果處進(jìn)行簡(jiǎn)化,便于后續(xù)網(wǎng)格繪制與仿真。建立模型材質(zhì)、單元類(lèi)型生成網(wǎng)格,創(chuàng)建約束并求解。利用虛擬樣機(jī)通過(guò)改變約束條件參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況下斷路器手車(chē)模擬。

1.1 梅花觸頭變形及力分析

梅花觸頭由觸指、觸指抱箍、支架和連接板組成[10］。其中根據(jù)觸指數(shù)量分為不同種類(lèi),如1 250 A(30片)梅花觸頭有30片觸指。在日常工作時(shí)梅花觸頭通常與靜觸頭搭配使用,靜觸頭的外徑略大于梅花觸頭觸指的內(nèi)切圓,靜觸頭配合梅花觸頭時(shí),觸指受到擠壓向外擴(kuò)翻,外側(cè)由于彈簧作用阻止觸指向外運(yùn)動(dòng),通過(guò)觸指在靜觸頭產(chǎn)生徑向壓力,從而利用摩擦力保證梅花觸頭工作時(shí)靜觸頭不會(huì)滑落。梅花觸頭有4根拉伸彈簧,按安裝位置可分為兩組:頭部和尾部彈簧。靜觸頭外徑與梅花觸頭內(nèi)徑差異較小,觸指在小范圍內(nèi)擴(kuò)張,所以主要由頭部彈簧提供壓力。

1.2 梅花觸頭分析模型

以1 250A(30片)梅花觸頭為例,觸指由15組(兩片)觸片以圓周序列排列而成。在實(shí)際工作中,兩片觸片之間不產(chǎn)生分離現(xiàn)象,且運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致,所以可以將同組觸片簡(jiǎn)化為一個(gè)觸指。觸指上留有彈簧安裝凹槽,凹槽是網(wǎng)格劃分的難點(diǎn),但在此模型中彈簧力不再采用傳統(tǒng)彈簧拉伸產(chǎn)生(由下文介紹彈簧模塊),可以去除原有凹槽改用直線(xiàn)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

原模型徑向力由環(huán)形彈簧拉伸所產(chǎn)生,在Workbench中提供了一種Combin14彈簧單元[11］,選擇彈簧兩端連接位置,設(shè)定剛度系數(shù)與預(yù)緊力,軟件根據(jù)兩端點(diǎn)位置關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)力大小,并且該彈簧非實(shí)體單元,對(duì)原有模型不產(chǎn)生任何空間約束行為。原有梅花觸頭共有四個(gè)環(huán)形彈簧,將前后兩個(gè)相鄰彈簧簡(jiǎn)化為一組,對(duì)一組彈簧進(jìn)行等效加載,簡(jiǎn)化前后的模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化梅花觸頭

當(dāng)采用Combin14單元代替時(shí),需要在每一個(gè)觸指處都建立彈簧單元,所以共需要建立30個(gè)彈簧單元模擬彈簧對(duì)梅花觸頭的徑向作用。前彈簧組等效連接處為觸指與靜觸頭接觸面中心,同時(shí)也是前彈簧組等距中心,后組彈簧等效連接中心同樣如此,同時(shí)彈簧單元另一端與地(Workbench軟件中)相連。

1.3 整體樣機(jī)模型與邊界條件

論文基于中置柜常用的VS1-12(1250-31.5)手車(chē)斷路器搭建分析模型。由于斷路器手車(chē)在仿真過(guò)程中僅擔(dān)任載體的作用,仿真重心關(guān)注在梅花觸頭嚙合過(guò)程,在建模時(shí)手車(chē)盡量簡(jiǎn)化方便后期仿真,手車(chē)主體采用四面體進(jìn)行替代,模型尺寸保持一致,去除手車(chē)細(xì)節(jié)。梅花觸頭與手車(chē)采用觸臂連接,觸臂一端固定在手車(chē)主體,另一端采用卡扣完成梅花觸頭連接。經(jīng)過(guò)單獨(dú)觸臂仿真與實(shí)物檢測(cè),觸臂自身剛度與連接處強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手車(chē)柜內(nèi)嚙合需求,所以將觸臂與手車(chē)主體簡(jiǎn)化為整體,安裝位置保持一致。梅花觸頭的靜觸頭固定在背板上,斷路器手車(chē)通過(guò)滾輪在軌道內(nèi)移動(dòng)。整體模型如圖2所示。

圖2 整體仿真模型

在梅花觸頭模型對(duì)彈簧單元的簡(jiǎn)化中,梅花觸頭彈簧單元采用一端與地連接一端與觸頭相連,所以需要保持梅花觸頭零件靜止不動(dòng)從而彈簧始終產(chǎn)生梅花觸頭徑向拉力,相對(duì)移動(dòng)靜觸頭端背板實(shí)現(xiàn)嚙合。同理應(yīng)將手車(chē)上端設(shè)置為固定面,重力反向施加于背板滑軌,移動(dòng)背板完成對(duì)接。

本文將斷路器手車(chē)對(duì)接分為四種工況:正常對(duì)接、因彈簧剛度導(dǎo)致的異常、橫向偏移導(dǎo)致的異常、角度偏移導(dǎo)致的異常。根據(jù)工況劃分,利用Workbench參數(shù)化設(shè)計(jì),分別將靜觸頭X、Y軸方向位移,繞X、Y軸角度,彈簧剛度系數(shù)參數(shù)化每次僅將單一變量設(shè)置為參數(shù)進(jìn)行仿真,得到可變范圍內(nèi)仿真結(jié)果,導(dǎo)出結(jié)果分析中的力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。

2 CNN接觸力分析研究

由上文虛擬樣機(jī)仿真可以得到在不同工況下斷路器手車(chē)接觸力,在此基礎(chǔ)上需要對(duì)不同工況下力-位曲線(xiàn)進(jìn)行工況匹配,以實(shí)現(xiàn)在得到接觸力信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行工況匹配,完成對(duì)斷路器手車(chē)的預(yù)檢。由此引入1D-CNN模型。

2.1 診斷數(shù)據(jù)構(gòu)建

在運(yùn)用虛擬樣機(jī)構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí),由于數(shù)據(jù)仿真過(guò)程極為復(fù)雜需要運(yùn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算,因此每一次數(shù)據(jù)仿真都需要大量時(shí)間。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練時(shí)一般需要每種分類(lèi)下的樣本數(shù)量要達(dá)到上百數(shù)量級(jí),因此需要對(duì)已仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)充。

常見(jiàn)樣本增強(qiáng)[12］方式有翻轉(zhuǎn)、縮放、窗口規(guī)整、窗口切片和增加噪聲?？紤]到本次樣本各工況之間的差異性,采用添加噪聲的方式對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)。

(1)

其中,Xi為數(shù)據(jù)樣本中的數(shù)據(jù)點(diǎn)值,Xi, new為樣本增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)值。對(duì)整體樣本添加高斯噪聲,增強(qiáng)樣本數(shù)量與魯棒性。

2.2 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13］(OneDimensional Convolutional Neural Networks,1DCNN)是當(dāng)前對(duì)時(shí)序數(shù)列數(shù)據(jù)分類(lèi)廣泛使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1D-CNN主要包括多層卷積池、池化層和全連接層。在上文數(shù)據(jù)處理之后,直接將帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,所構(gòu)建模型的輸入樣本記為X,其分類(lèi)維度為4類(lèi),相關(guān)樣本數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

表1 樣本數(shù)據(jù)參數(shù)表

2.2.1 卷積層與池化層

卷積層的數(shù)學(xué)模型為:

(2)

池化層作用為對(duì)卷積層的輸出特征進(jìn)行降維,本文搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)卷積層之后均搭建池化層,池化層數(shù)學(xué)模型為:

(3)

2.2.2 全連接層

輸入樣本在經(jīng)過(guò)卷積層與池化層之后,通過(guò)兩層全連接層進(jìn)行工況分析,全連接層函數(shù)為:

(4)

式中,wl與μl分別為全連接層的權(quán)值矩陣和偏置向量,同時(shí)全連接層前面激活函數(shù)仍然為ReLU函數(shù),最后一層采用Softmax激活函數(shù)得到數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果。

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練流程

基于虛擬樣機(jī)的梅花觸頭接觸分析主要流程步驟如圖3所示。

圖3 接觸分析流程

將虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)集利用拉格朗日插值函數(shù)得到數(shù)據(jù)曲線(xiàn),同時(shí)在曲線(xiàn)上增加高斯噪點(diǎn)使曲線(xiàn)產(chǎn)生擾動(dòng),在相同位移尺度下平均截取1 000個(gè)樣本點(diǎn)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。在1D-CNN中,每個(gè)種類(lèi)采用70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集30%作為驗(yàn)證集。將訓(xùn)練集傳入三層卷積層并每一個(gè)卷積層之后對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化,同時(shí)Dropout參數(shù)設(shè)置為0.2隨機(jī)舍棄一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),之后進(jìn)入池化層進(jìn)一步減少特征點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)經(jīng)歷三層卷積與池化之后,數(shù)據(jù)進(jìn)入到全連接層,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)最終得到符合精度要求的網(wǎng)絡(luò)模型。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真驗(yàn)證

本文使用Workbench 2022版本為仿真軟件,在仿真分析中將子部數(shù)量分為兩個(gè)。其中第一個(gè)子部為施加預(yù)載荷包含重力、彈簧預(yù)載荷,同時(shí)為背板添加位移運(yùn)動(dòng),滾輪在導(dǎo)軌中移動(dòng),但梅花觸頭不存在接觸。第二個(gè)子部梅花觸頭開(kāi)始接觸并完成嚙合。在仿真完成后,添加位移運(yùn)動(dòng)力反應(yīng)求解,導(dǎo)出嚙合過(guò)程力—位曲線(xiàn)。其中標(biāo)準(zhǔn)無(wú)誤差模型下,嚙合過(guò)程力—位曲線(xiàn)如圖4所示,在完全嚙合下力圍繞860 N上下波動(dòng)。

圖4 仿真力—位曲線(xiàn)

3.2 聯(lián)合驗(yàn)證

針對(duì)手車(chē)裝載時(shí)常見(jiàn)的四種一級(jí)工況,將工況轉(zhuǎn)化為仿真軟件邊界條件同時(shí)將其參數(shù)化,根據(jù)圖中范圍設(shè)定參數(shù)上下邊界,軟件將自動(dòng)分配參數(shù)值,并仿真得到力—位曲線(xiàn),如圖5所示為一級(jí)工況下選取一條數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)。

圖5 各工況力—位曲線(xiàn)

圖6 模型訓(xùn)練曲線(xiàn)

CNN結(jié)構(gòu)參數(shù)為:輸入層卷積核大小為1×10,卷積層1的卷積核大小為32×3,卷積層2的卷積核大小為64×3,池化層窗口大小為2×2,每次滑動(dòng)大小為2。全連接一層的大小為64×64,輸出層卷積核大小為64×4,最終輸出4種接觸狀態(tài)。

CNN模型訓(xùn)練結(jié)果從最終結(jié)果圖可以看到隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)的增加,測(cè)試集與驗(yàn)證集準(zhǔn)確率不斷提高,最終可達(dá)95%以上。訓(xùn)練結(jié)果如表2所示。

表2 訓(xùn)練結(jié)果

通過(guò)訓(xùn)練結(jié)果可以得到由虛擬樣機(jī)仿真得到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分類(lèi),并且驗(yàn)證集準(zhǔn)確率可以達(dá)到95.5%,為斷路器手車(chē)梅花出頭接觸分析提供了預(yù)檢方法。

4 結(jié) 論

隨著中置式開(kāi)關(guān)柜大規(guī)模應(yīng)用,斷路器手車(chē)自動(dòng)化檢修成為各配電房、變電站的急迫需求,但由于斷路器手車(chē)所處結(jié)構(gòu)空間封閉,人眼以及感應(yīng)設(shè)備難以直接對(duì)后方零件直接進(jìn)行監(jiān)測(cè),且難以獲取異常情況斷路器手車(chē)數(shù)據(jù)樣本。所以本文通過(guò)三維模型與Workbench建立虛擬樣機(jī),針對(duì)梅花觸頭模型特點(diǎn),建立易于仿真計(jì)算的簡(jiǎn)化觸頭模型,通過(guò)邊界條件參數(shù)化建立異常工況數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)理論計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)證明仿真模型的有效性。將仿真數(shù)據(jù)通過(guò)一維卷積網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的模型結(jié)果表明通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行斷路器手車(chē)預(yù)檢的可行性。