劉利軍 王士英

（1.撫礦集團(tuán)工程技術(shù)研究中心 2.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 引言

常見的低壓斷路器主要包括兩種類型［1］，第一種為選擇型斷路器，其可以對預(yù)設(shè)的保護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，第二種是非選擇型斷路器，其主要滅弧介質(zhì)分為真空、空氣兩個(gè)類型［2］。低壓斷路器具有較高的容量范圍，滿足不同電力系統(tǒng)的供配電需求［3］，也是實(shí)現(xiàn)電力保護(hù)及電源自動(dòng)化控制的重要裝置。受低壓斷路器的組成結(jié)構(gòu)及電能分配關(guān)系影響，其在運(yùn)行過程的疲勞度較高［4］，容易出現(xiàn)保護(hù)異常問題，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性，因此，設(shè)計(jì)一種有效的低壓斷路器壽命預(yù)測方法，提高低壓斷路器運(yùn)行的可靠性。

事實(shí)上，低壓斷路器主要由觸頭、脫扣器、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、釋能電磁鐵、手柄、閉鎖裝置等組成，在低壓斷路器運(yùn)行的過程中［5］，需要將上述裝置有效連接，使用不同的接線方式完成接線處理。低壓斷路器對不同類型的電源具有不同的保護(hù)性能，國內(nèi)外對其也進(jìn)行了深入研究。針對低壓斷路器的運(yùn)行特點(diǎn)及其疲勞度要求，相關(guān)人員設(shè)計(jì)了若干種常規(guī)的低壓斷路器壽命預(yù)測方法。第一種是基于改進(jìn)Bootstrap-Bayes 的低壓斷路器壽命預(yù)測方法［6］，其主要通過加速退化實(shí)驗(yàn)獲取偽失效壽命，完成壽命預(yù)測；第二種是基于多信號(hào)特征融合的低壓斷路器壽命預(yù)測方法［7］，其主要根據(jù)多頻域退化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測。但上述兩種壽命預(yù)測方法主要使用Wiener 非單調(diào)退化預(yù)測模型獲取時(shí)間退化特征量，易受檢測周期變化影響，導(dǎo)致預(yù)測相對誤差較高，為了解決上述問題，本文基于隨機(jī)森林算法設(shè)計(jì)了一種全新的低壓斷路器壽命預(yù)測方法。

1 低壓斷路器隨機(jī)森林算法壽命預(yù)測方法設(shè)計(jì)

1.1 采集處理低壓斷路器壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)

在斷路器運(yùn)行過程中，可以將其看成一個(gè)特殊的信息載體，通過其振動(dòng)狀態(tài)［8］，即時(shí)序、動(dòng)作等，獲取壽命預(yù)測參數(shù)，提高斷路器壽命預(yù)測的可靠性，因此，本文設(shè)計(jì)的壽命預(yù)測方法首先采集處理了低壓斷路器壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)。在斷路器工作過程中，其周期性電流幅值會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變［9］，因此，本文根據(jù)低壓斷路器的運(yùn)行特點(diǎn)，使用Smart Solo 軟件采集了低壓斷路器振動(dòng)信號(hào)，并使用VMD 模態(tài)分解法對低壓斷路器壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了有效處理。

首先可以預(yù)設(shè)低壓斷路器原有的信號(hào)頻率，對采集的模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特變換，預(yù)估各個(gè)模態(tài)頻率中心，此時(shí)得到的壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)分解式f如式（1）所示。

式中，?t代表懲罰項(xiàng)，σ(t)代表IMF 分量，j代表中心頻率，t代表分解時(shí)間，根據(jù)上述的壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)分解式可以進(jìn)行IMF 分解變換［10］，獲取中心分解頻率，此時(shí)得到的拉格朗日信號(hào)處理函數(shù)L如式（2）所示。

式中，α代表Lagrange 乘子，f(t)代表交替懲罰函數(shù)，uk(t)代表懲罰函數(shù)，λ(t)代表二次懲罰項(xiàng)，使用上文的拉格朗日信號(hào)處理函數(shù)可以有效剔除預(yù)測振動(dòng)信號(hào)噪聲，獲取有效的模態(tài)分解量，最大程度上保證壽命預(yù)測的可靠性。

1.2 基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建低壓斷路器壽命預(yù)測模型

結(jié)合上述采集處理的低壓斷路器壽命預(yù)測振動(dòng)信號(hào)，可以基于隨機(jī)森林算法構(gòu)建有效的低壓斷路器壽命預(yù)測模型。隨機(jī)森林算法屬于一種特殊的隨機(jī)空間算法，通過多個(gè)互不相關(guān)的決策樹進(jìn)行支持，各個(gè)決策樹能獨(dú)立地完成訓(xùn)練，因此，在構(gòu)建斷路器壽命預(yù)測模型前，首先需要設(shè)置一個(gè)壽命預(yù)測集合，該集合的信息熵H(D)如式（3）所示。

式中，Pi代表預(yù)測數(shù)據(jù)集，此時(shí)針對不同的預(yù)測特征屬性可以設(shè)置預(yù)測增益，使用隨機(jī)森林決策樹進(jìn)行精確度加權(quán)選擇，步驟如下：第一步，利用bagging 方法設(shè)置預(yù)測樣本，使用傳統(tǒng)的隨機(jī)森林進(jìn)行訓(xùn)練，此時(shí)每棵決策樹的權(quán)重?i如式（4）所示。

式中，XS代表預(yù)測樣本個(gè)數(shù)，Xs代表正確分類樣本個(gè)數(shù)；第二步，從預(yù)測特征屬性中選取與斷路器壽命相關(guān)特征屬性；第三步，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行隨機(jī)森林訓(xùn)練，此時(shí)得到的低壓斷路器壽命預(yù)測模型fAWRF如式（5）所示。

式中，wx代表樣本預(yù)測輸出變量，此時(shí)結(jié)合上述的低壓斷路器壽命預(yù)測模型，可以獲取最終的預(yù)測結(jié)果，提高了預(yù)測精度。

1.3 生成低壓斷路器壽命預(yù)測流程

根據(jù)上述構(gòu)建的低壓斷路器壽命預(yù)測模型，可以設(shè)置輸入、輸出變量，此時(shí)生成的低壓斷路器壽命預(yù)測流程如圖1 所示。

圖1 低壓斷路器壽命預(yù)測流程

由圖1 可知，根據(jù)上述的低壓斷路器壽命預(yù)測流程可以快速獲取預(yù)測特征值，最大程度上降低預(yù)測相對誤差，提高預(yù)測的有效性。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于隨機(jī)森林算法的低壓斷路器壽命預(yù)測方法的預(yù)測效果，本文搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］，兩種常規(guī)的低壓斷路器壽命預(yù)測方法對比，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合低壓斷路器壽命預(yù)測要求，本文選取BCH8 型號(hào)低壓斷路器作為研究對象。為了獲取可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文搭建了GWD01 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已知，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選取主電路、驅(qū)動(dòng)電路等作為硬件裝置，使用Windows 操作系統(tǒng)作為上位機(jī)操作系統(tǒng)，除此之外，為了降低實(shí)驗(yàn)難度，本實(shí)驗(yàn)使用Visual Basic6.0 語言進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開發(fā)，獲取了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)主要以GB 14048.2 作為研究標(biāo)準(zhǔn)，對不同壽命預(yù)測方法的預(yù)測效果進(jìn)行評估，因此，需要使用氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)完成合閘、分閘操作。

在實(shí)驗(yàn)開始前，需要調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置電壓，根據(jù)負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)循環(huán)，待試驗(yàn)品達(dá)到指定的實(shí)驗(yàn)次數(shù)后停止裝置，發(fā)出告警。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要確定低壓斷路器的剩余壽命，因此需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)在1~107之間，通過合閘、分閘等步驟確定試驗(yàn)樣品的判別狀態(tài)，對低壓斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，實(shí)驗(yàn)使用的裝置如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)圖2 的實(shí)驗(yàn)裝置，可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如下：實(shí)驗(yàn)電流保持在10A~1000A 之間，實(shí)驗(yàn)采樣速率設(shè)置為100Ks，電壓電流檢測精度設(shè)置為0.1%，功率因數(shù)范圍調(diào)整至0.6~0.95，此時(shí)的采樣通道數(shù)量共有18 個(gè)，觸頭監(jiān)測周期為20ms，此時(shí)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)交替時(shí)序如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)交替時(shí)序

由圖3 可知，根據(jù)上述設(shè)置的實(shí)驗(yàn)交替時(shí)序，本文使用數(shù)據(jù)高速采集卡對不同的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，完成電路的集中采集監(jiān)控，待上述步驟完畢后，再調(diào)整負(fù)載因數(shù)，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行還原處理，從而進(jìn)行后續(xù)的低壓斷路器壽命預(yù)測實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)開始前，需要對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)，完成上一次實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，存在一段試驗(yàn)電源空閑期，此時(shí)應(yīng)該調(diào)整斷路器的操作頻率及負(fù)載因數(shù)，進(jìn)行電源及負(fù)載共享，實(shí)現(xiàn)多個(gè)裝置，不同周期，同時(shí)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)SP1進(jìn)行開閉后，再使用SP2SP3 進(jìn)行循環(huán)操作，采集產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)主電路屬于三相電源控制保護(hù)電路，由可調(diào)節(jié)負(fù)載及多功率因數(shù)組成，開始實(shí)驗(yàn)后需要設(shè)置基礎(chǔ)電流檔位，結(jié)合設(shè)定的電流時(shí)間完成精確采樣，從而獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，即可開始進(jìn)行低壓斷路器壽命預(yù)測實(shí)驗(yàn)，即分別使用本文設(shè)計(jì)的基于隨機(jī)森林算法的低壓斷路器壽命預(yù)測方法，文獻(xiàn)［6］的基于改進(jìn)Bootstrap-Bayes 的低壓斷路器壽命預(yù)測方法，以及文獻(xiàn)［7］的基于多信號(hào)特征融合的低壓斷路器壽命預(yù)測方法，對低壓斷路器壽命進(jìn)行預(yù)測，記錄三種方法在不同動(dòng)作次數(shù)下的預(yù)測相對誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，本文設(shè)計(jì)的基于隨機(jī)森林算法的低壓斷路器壽命預(yù)測方法預(yù)測的剩余壽命次數(shù)與實(shí)際剩余壽命次數(shù)相差較小，即預(yù)測相對誤差較低，文獻(xiàn)［6］的基于改進(jìn)Bootstrap-Bayes 的低壓斷路器壽命預(yù)測方法，以及文獻(xiàn)［7］的基于多信號(hào)特征融合的低壓斷路器壽命預(yù)測方法預(yù)測的剩余壽命次數(shù)與實(shí)際剩余壽命次數(shù)相差較大，即預(yù)測相對誤差較高。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的基于隨機(jī)森林的低壓斷路器壽命預(yù)測方法的預(yù)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

綜上所述，低壓斷路器是一種常見的電力開關(guān)裝置，其可以根據(jù)電流符合狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行通斷，因此，其也被稱為自動(dòng)開關(guān)。低壓斷路器不僅具有良好的控制功能，還能對過負(fù)荷、短路等故障起到保護(hù)作用。研究表明，低壓斷路器的運(yùn)行負(fù)荷較高，壽命難以掌控，容易降低其運(yùn)行可靠性，產(chǎn)生故障風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要對低壓斷路器壽命進(jìn)行有效預(yù)測。常規(guī)的低壓斷路器壽命預(yù)測方法的預(yù)測效果較差，不符合低壓斷路器的運(yùn)行安全要求，因此，本文基于隨機(jī)森林算法設(shè)計(jì)了一種全新的低壓斷路器壽命預(yù)測方法。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的低壓斷路器壽命預(yù)測方法的預(yù)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為降低低壓斷路器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)作出了一定的貢獻(xiàn)。