鐘秋添，李德才，吳益斌

（國(guó)網(wǎng)龍巖供電公司，龍巖 364000）

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于高壓電力系統(tǒng)的大電流、高頻次開(kāi)關(guān)控制場(chǎng)景中[1]。電力檢修時(shí)，可通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)檢修設(shè)備與其它運(yùn)行設(shè)備的中斷，為檢修人員提供安全屏障[2-3]。隔離開(kāi)關(guān)與斷路器存在巨大差異，由于其不具備滅弧裝置，故而無(wú)法將其用在帶負(fù)荷電路分合中，一旦發(fā)生誤操作問(wèn)題，其觸頭間生成的電弧將會(huì)給檢修作業(yè)人員甚至電力系統(tǒng)帶來(lái)極大安全風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置投入運(yùn)行后，無(wú)法避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障，采用智能化手段快速診斷其故障對(duì)保證電網(wǎng)安全具有積極作用[6-7]。有學(xué)者為準(zhǔn)確識(shí)別隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)故障，在定子電流特性分析的基礎(chǔ)上，采用混合濾波方式處理采集的隔離開(kāi)關(guān)電機(jī)電流信號(hào)后，對(duì)其基波電流等效值特征以及邊頻分量特征進(jìn)行提取，將其作為支持向量機(jī)（SVM）的輸入，實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)故障診斷，該方法受SVM 性能影響，錯(cuò)誤診斷率較高[8-9]。

針對(duì)上述研究存在的問(wèn)題，本文研究雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障自動(dòng)化診斷方法。

1 雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障診斷

1.1 雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置工作原理

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置工作原理如圖1 所示，該裝置通過(guò)以下6 個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)分合閘閉鎖控制：

圖1 雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置工作原理Fig.1 Working principle of a new type of anti misoperation device for double ground switch isolation switch

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊通過(guò)電壓互感器、霍爾傳感器、溫濕度傳感器等實(shí)現(xiàn)裝置控制回路電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算與保存。

（2）邏輯診斷與異常提示模塊。獲取分合閘輸入狀態(tài)時(shí)間序列數(shù)據(jù)后，將其與分合閘邏輯作為該模塊處理依據(jù)，實(shí)現(xiàn)分合閘狀態(tài)的不間斷核驗(yàn)，同時(shí)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警提示。

（3）人機(jī)交互模塊。該模塊可通過(guò)指示燈與顯示屏實(shí)現(xiàn)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置分合閘邏輯結(jié)果等的可視化呈現(xiàn)。當(dāng)輸入條件與分合閘邏輯完全相符時(shí)，指示燈會(huì)亮起綠色；反之指示燈將亮起紅色，從而實(shí)現(xiàn)異常預(yù)警。

（4）防誤閉鎖模塊。該模塊依據(jù)分合閘邏輯處理結(jié)果以及控制命令，在考慮空氣開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)狀態(tài)的情況下，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行處理，避免其出現(xiàn)誤操作問(wèn)題。

（5）變頻驅(qū)動(dòng)控制模塊。該模塊通過(guò)脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)裝置控制回路電動(dòng)機(jī)電壓的調(diào)節(jié)，以確保其進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及運(yùn)行速度的改變。

（6）保護(hù)控制模塊。雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置控制回路電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，該模塊會(huì)對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)控制模塊輸出進(jìn)行限制，以使電動(dòng)機(jī)不再繼續(xù)運(yùn)行。

1.2 電機(jī)定子電流特性分析

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)定子繞組的輸入信號(hào)為三相正弦電流，信號(hào)輸入后，電機(jī)中會(huì)形成fp頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子繞組可得到sfp頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)差率通過(guò)s 表示。雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置產(chǎn)生分合閘卡澀等故障時(shí)，因轉(zhuǎn)子的非對(duì)稱性，電機(jī)中會(huì)形成2 個(gè)同大小但反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)頻率分別為sfp、-sfp，在-sfp磁場(chǎng)的作用下，定子繞組中會(huì)產(chǎn)生表示為I2s的定子電流，其頻率為（1-2s）sfp，其瞬時(shí)值可表示為

式中：α2s為I2s和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所成角度；ω 為三相電流頻率。I2s在基波磁場(chǎng)的作用下，會(huì)形成波動(dòng)轉(zhuǎn)矩，表示為ΔT（t），其計(jì)算公式為

式中：δ 為電機(jī)極對(duì)數(shù)；αφ為基波磁場(chǎng)和基波電流所成角度。

通過(guò)式（2）可實(shí)現(xiàn)波動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值的確定，公式為

式中：J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωr、T 分別為電機(jī)穩(wěn)態(tài)均速、轉(zhuǎn)矩；I 為I2s的基波分量；cosφ 為功率因數(shù)。

當(dāng)因雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障造成波動(dòng)轉(zhuǎn)矩問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，也會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，公式為

轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)使定子繞組電流發(fā)生改變，定子電流值為基波電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成的（1±2s）fp頻率邊頻分量的加和結(jié)果。i′為定子繞組電流變化量，其計(jì)算公式為

式中：X 為定子網(wǎng)孔阻抗值。

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障會(huì)對(duì)定子繞組電流造成影響，其電流變化量和基波、（1±2s）fp頻率邊頻分量具有關(guān)系?；ê瓦咁l分量頻率差異小且相互擾動(dòng)，為此，本文對(duì)其45～55 Hz 頻率-幅值特征進(jìn)行提取，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流特性的準(zhǔn)確描述[10]。

1.3 電機(jī)電流特征提取

1.3.1 變頻分量特征提取

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障時(shí)，定子繞組可生成（1±2ks）fp頻率的邊頻分量，在k 取值為1 時(shí)，其所受到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分量最高。故本文采用快速傅立葉變換（FFT）法對(duì)電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，通過(guò)對(duì)45～55 Hz 頻率-幅值曲線分析以完成其邊頻分量特征的提取。

1.3.2 基波等效值特征提取

雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置定子電流有效值可表示為

式中：N 為單周期工頻頻率采樣時(shí)定子電流信號(hào)采樣點(diǎn)總數(shù)；ij為第j 個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)電機(jī)定子電流值。

1.4 基于改進(jìn)SVM 的雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障診斷模型

1.4.1 支持向量機(jī)（SVM）基本原理

支持向量機(jī)（SVM）的基本原理是依據(jù)最低結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)原則，在確保分類器具有突出特征學(xué)習(xí)能力的同時(shí)，提升算法的泛化性能。利用SVM 可實(shí)現(xiàn)其原始輸入向高維特征空間的映射，通過(guò)分類間隔的最大化確定最佳分類超平面，分類時(shí)不僅不依靠先驗(yàn)知識(shí)，而且用較少的特征向量即可實(shí)現(xiàn)分類面的表達(dá)。因此，SVM 在故障診斷中具有較為廣泛的應(yīng)用。已知Z=｛z1=（x1，y1），z2=（x2，y2），…，zN=（xN，yN）｝為特征空間上的雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置電機(jī)定子電流特征訓(xùn)練樣本，其中xi∈Rn，yi∈｛1，-1｝，i=1，2，…，N，f（x）＝sign（wx+b）用于定義雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障診斷的分類決策函數(shù)，則：

1.4.2 改進(jìn)SVM 故障診斷模型

利用SVM 對(duì)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置進(jìn)行故障診斷時(shí)，單個(gè)分類器SVMi，j確定的第i 類故障的概率估計(jì)值只有2 種取值結(jié)果，分別為0 或1，忽略了第j 類故障的生成概率。因此，本文對(duì)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置多故障類型的識(shí)別。采用SVM 雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障進(jìn)行診斷時(shí)，輸入樣本歸屬于第i 類故障類型的概率表示為Pi，j（i|x），也可認(rèn)為產(chǎn)生第j 類故障條件下，樣本被識(shí)別為第i類故障類型的后驗(yàn)概率，基于貝葉斯概率求解公式，輸入樣本x 故障類型為i 的后驗(yàn)概率值可表示為

式中：i=1，2，…，N；故障類型j 發(fā)生的條件概率表示為p（j），p（j）不是給定值，但與后驗(yàn)概率P（j|x）的相似程度較高，故可通過(guò)近似估計(jì)確定：

通過(guò)式（9）、式（10）可確定P（i|x）：

根據(jù)式（9）完成矩陣方程的構(gòu)建：

通過(guò)最小二乘法獲得式（12）的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于每個(gè)輸入樣本，最大評(píng)分結(jié)果對(duì)應(yīng)的故障類別即為輸入樣本所屬故障類型。

將提取的雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置電機(jī)電流信號(hào)特征作為改進(jìn)SVM 故障診斷模型的輸入，即可確定具體故障類別，完成其故障診斷。

2 結(jié)果與分析

以運(yùn)行在某區(qū)域配電網(wǎng)中的2 臺(tái)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩裝置具有相同的結(jié)構(gòu)，采集該裝置電機(jī)定子電流信號(hào)，構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集，樣本數(shù)據(jù)總量3000，其中包括正常、卡澀故障、分合閘不到位故障、彈簧故障4 種類型樣本。以5∶1 比例劃分訓(xùn)練、測(cè)試樣本，采用本文方法對(duì)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障進(jìn)行診斷，分析其診斷性能。

對(duì)不同運(yùn)行工況下的雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)正常與3 種故障下的裝置原始電流信號(hào)曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2～圖5 所示。

圖2 正常運(yùn)行工況裝置原始電流信號(hào)Fig.2 Original current signal of the device under normal operating conditions

圖3 裝置卡澀故障電流信號(hào)Fig.3 Device jamming fault current signal

圖4 分合閘不到位故障電流信號(hào)Fig.4 Fault current signal for incomplete opening and closing

圖5 彈簧故障電流信號(hào)Fig.5 Spring fault current signal

分析圖2～圖5 可知，當(dāng)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置運(yùn)行在不同工況下，對(duì)其電機(jī)原始電流信號(hào)進(jìn)行采集，獲得電流信號(hào)波形存在明顯差異，將其作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障診斷具有可行性。

對(duì)故障、正常工況下的電流特征提取結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 電流特征提取結(jié)果對(duì)比分析Fig.6 Comparison and analysis of current feature extraction results

分析圖6 可知，雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置在4 s 時(shí)間內(nèi)完成合閘，電機(jī)在0.4 s 內(nèi)開(kāi)啟，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的快速作用下，轉(zhuǎn)子開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起來(lái)，定子電流快速上升到4.5 A 左右。裝置若在此階段發(fā)生卡澀故障，將使其力矩、電機(jī)電流不斷增大，其電流有效值將比正常工況大約增加0.4 A，邊頻分量也會(huì)高于正常工況；裝置出現(xiàn)彈簧故障時(shí)，裝置的重力矩將無(wú)法抵消，只能通過(guò)提高力矩方式實(shí)現(xiàn)合閘，這將加大合閘沖擊性，電流等效值將有一定幅度提升，邊頻分量的對(duì)稱性規(guī)律被打破；裝置在3.5 s 后發(fā)生合閘不到位故障，電流等效值微弱上漲。邊頻分量變化幅度不大。表明本文方法可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)特征提取。

基于上述提取的電流信號(hào)特征，采用本文方法進(jìn)行故障診斷，通過(guò)對(duì)比分析故障診斷結(jié)果與實(shí)際故障類型之間的差異，驗(yàn)證本文方法的故障診斷性能，結(jié)果如表1 所示。

表1 故障診斷結(jié)果與實(shí)際故障類型的對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of fault diagnosis results and actual fault types

分析表1 可知，應(yīng)用本文方法后的故障診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可實(shí)現(xiàn)雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置故障診斷，診斷效果突出。

3 結(jié)語(yǔ)

以某區(qū)域配電網(wǎng)的雙地刀隔離開(kāi)關(guān)新型防誤操作裝置為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同工況下裝置原始電流信號(hào)波形、特征提取結(jié)果以及故障診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究本文方法的故障診斷性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同運(yùn)行工況下裝置電機(jī)電流信號(hào)波形存在差異，本文方法可實(shí)現(xiàn)電流有效值特征以及邊頻分量特征的提取，故障診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，故障診斷效果突出。