買小虎

(甘肅水務(wù)節(jié)水科技發(fā)展有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

水利泵站的漏電保護(hù)器是重要的安全設(shè)備，能夠在泵站線路發(fā)生漏電事故時(shí)，快速切斷電源，保障泵站設(shè)備與人員的安全。通過(guò)預(yù)測(cè)保護(hù)器的服役狀態(tài)，能夠在保護(hù)器正常運(yùn)行的狀態(tài)下，檢測(cè)出電路中的漏電情況，從而實(shí)現(xiàn)泵站的安全運(yùn)行。為此，研究人員設(shè)計(jì)了多種預(yù)測(cè)方法。其中，基于馬爾可夫過(guò)程的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，以及基于樣本熵重構(gòu)與RF-LSTM模型的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用較為廣泛。

基于馬爾可夫過(guò)程的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，主要是利用馬爾可夫過(guò)程建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，準(zhǔn)確描述保護(hù)器服役狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)智能預(yù)測(cè)[1]?；跇颖眷刂貥?gòu)與RF-LSTM模型的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，主要是利用SER-RF-LSTM建立混合預(yù)測(cè)模型，得到服役狀態(tài)的重構(gòu)特征分量，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)器狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[2]。以上兩種方法均存在一定的弊端，影響最終的預(yù)測(cè)效果[3]。因此，本文在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，設(shè)計(jì)了水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法。

1 基于強(qiáng)電磁干擾的漏電保護(hù)器服役狀態(tài)預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 建立水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)預(yù)測(cè)空間

在水利泵站正常運(yùn)行時(shí)，受到泵站運(yùn)行情況影響，漏電保護(hù)器的服役狀態(tài)存在轉(zhuǎn)移的情況[4]。隨著漏電保護(hù)器役齡的增加，保護(hù)器將出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)、自檢等狀態(tài)，將上述狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而滿足保護(hù)器的運(yùn)行需求。本文建立服役狀態(tài)預(yù)測(cè)空間，見(jiàn)圖1。

圖1 漏電保護(hù)器服役狀態(tài)空間示意圖

圖1中，μp為保護(hù)器修復(fù)狀態(tài)；μj為保護(hù)器維護(hù)狀態(tài)；μ1為故障修復(fù)狀態(tài)；λj為拒動(dòng)狀態(tài)；J為檢修狀態(tài)。漏電保護(hù)器處于不同狀態(tài)，泵站工作狀態(tài)也不同。

狀態(tài)1時(shí)，水利泵站正常工作，漏電保護(hù)器正確不工作。

狀態(tài)2時(shí)，水利泵站線路退出，保護(hù)器處于檢修狀態(tài)，分別為緊急檢修、計(jì)劃性檢修，滿足檢修周期的保護(hù)服役狀態(tài)獲得重置[5]。

狀態(tài)3時(shí)，泵站線路正常工作，保護(hù)器不可自檢，拒動(dòng)失效。

狀態(tài)4、6時(shí)，泵站正常，保護(hù)器無(wú)法拒動(dòng)，服役狀態(tài)失效。

狀態(tài)5、9、10時(shí)，泵站相關(guān)故障被隔離，保護(hù)器預(yù)測(cè)為誤動(dòng)狀態(tài)。

狀態(tài)7時(shí)，泵站設(shè)備發(fā)生故障，保護(hù)器預(yù)測(cè)為拒動(dòng)狀態(tài)。

狀態(tài)8時(shí)，泵站設(shè)備發(fā)生故障，保護(hù)器預(yù)測(cè)為正常動(dòng)作狀態(tài)[6]。

狀態(tài)11時(shí)，泵站設(shè)備故障得到修復(fù)，保護(hù)器動(dòng)作正常。

狀態(tài)12、13時(shí)，泵站設(shè)備隔離后，保護(hù)器動(dòng)作正常。在智能預(yù)測(cè)的過(guò)程中，漏電保護(hù)器處于何種服役狀態(tài)，均會(huì)在狀態(tài)空間中顯示出來(lái)。根據(jù)狀態(tài)空間得到的服役狀態(tài)情況，避免預(yù)測(cè)失誤的問(wèn)題。

1.2 基于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境預(yù)測(cè)漏電保護(hù)器服役狀態(tài)時(shí)域

服役狀態(tài)時(shí)域信號(hào)能夠反映保護(hù)器的物理狀態(tài)，從而確保狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。從漏電保護(hù)器服役狀態(tài)信號(hào)的時(shí)域與頻域信號(hào)中，獲取保護(hù)器各元件之間的互連關(guān)系，從而確保服役狀態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。假設(shè)強(qiáng)磁干擾為δ，則信號(hào)帶寬B可表示為

B=δ/Tr

(1)

式(1)中，Tr為時(shí)域波形上升時(shí)間。Tr越短，B越大，δ越大。在此條件下，預(yù)測(cè)服役狀態(tài)的時(shí)域序列，公式如下：

(2)

式(2)中，y(Tr)為服役狀態(tài)的時(shí)域序列；αi為自回歸系數(shù)；i為第i個(gè)服役狀態(tài)值；p為回歸階數(shù)。根據(jù)y(Tr)，智能分析漏電保護(hù)器拒動(dòng)作與誤動(dòng)作的概率(見(jiàn)表1)。

表1 漏電保護(hù)器拒動(dòng)作與誤動(dòng)作的概率

表1顯示，在智能預(yù)測(cè)的過(guò)程中，漏電保護(hù)器動(dòng)作電流不大于30mA，工作時(shí)間不大于0.1s，預(yù)測(cè)為正常動(dòng)作狀態(tài)；動(dòng)作電流大于30mA，工作時(shí)間大于0.1s，預(yù)測(cè)為異常動(dòng)作狀態(tài)，越限報(bào)警，確保水利泵站的安全運(yùn)行。將靈敏度、精準(zhǔn)度作為智能預(yù)測(cè)方法的指標(biāo)，靈敏度計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中，Se為智能預(yù)測(cè)方法的靈敏度指標(biāo)；TP為保護(hù)器處于狀態(tài)1，被正確預(yù)測(cè)為狀態(tài)1的數(shù)量；P為實(shí)際為狀態(tài)1的數(shù)量。預(yù)測(cè)精度計(jì)算公式如下：

(4)

式(4)中，Ac為服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)的精度；TN為保護(hù)器處于狀態(tài)1，但被錯(cuò)誤地預(yù)測(cè)為狀態(tài)2的數(shù)量；Al為總樣本數(shù)。Se越高，預(yù)測(cè)效果越佳。Ac越高，預(yù)測(cè)效果越佳。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法是否滿足水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)需求，本文對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則以文獻(xiàn)[1]基于馬爾可夫過(guò)程的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法、文獻(xiàn)[2]基于樣本熵重構(gòu)與RF-LSTM模型的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，以及本文設(shè)計(jì)的基于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程以及最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果介紹如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)以水利泵站的真實(shí)數(shù)據(jù)為主，確保預(yù)測(cè)結(jié)果的真實(shí)有效性。將漏電保護(hù)器的服役狀態(tài)分為正常與異常兩種，根據(jù)動(dòng)作狀態(tài)預(yù)測(cè)服役狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。

圖2 漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能分析框圖

如圖2所示，本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)服役狀態(tài)智能分析情況，設(shè)定相關(guān)指標(biāo)，確定最終的預(yù)測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確。其中，Se表示智能預(yù)測(cè)的靈敏度，用于敏感地預(yù)測(cè)漏電保護(hù)器狀態(tài)變化，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警、故障信號(hào)；Ac表示智能預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，用于準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出保護(hù)器的服役狀態(tài)，避免正常工作狀態(tài)與故障狀態(tài)混淆的情況；V表示智能預(yù)測(cè)的可解釋性，表示智能預(yù)測(cè)方法能夠提供的可解釋的預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)漏電保護(hù)器內(nèi)部工作機(jī)制與輸出結(jié)果評(píng)估預(yù)測(cè)值，進(jìn)一步確保預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，V越高，預(yù)測(cè)效果越佳；T表示狀態(tài)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性，T越小，預(yù)測(cè)效果越佳。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取出低、中、高三種強(qiáng)度的電磁干擾，并將運(yùn)行數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為1h、2h、3h，能夠滿足本次實(shí)驗(yàn)需求。在其他條件均已知的情況下，將文獻(xiàn)[1]基于馬爾可夫過(guò)程的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法的性能指標(biāo)、文獻(xiàn)[2]基于樣本熵重構(gòu)與RF-LSTM模型的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法的性能指標(biāo)，以及本文設(shè)計(jì)的基于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)。

表2 電磁干擾強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2顯示，采用文獻(xiàn)[1]基于馬爾可夫過(guò)程的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，在電磁干擾強(qiáng)度從低到高的過(guò)程中，Se、Ac均有一定程度的下降，T有一定程度的上升，只有V保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，該方法在可解釋性方面具有優(yōu)勢(shì)，但是整體預(yù)測(cè)水平較低，不利于漏電保護(hù)器的正常運(yùn)行。

采用文獻(xiàn)[2]基于樣本熵重構(gòu)與RF-LSTM模型的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，在電磁干擾強(qiáng)度同樣從低到高的過(guò)程中，Se、Ac、V的值較之文獻(xiàn)[1]預(yù)測(cè)方法有所提升，T的值較文獻(xiàn)[1]預(yù)測(cè)方法有所下降，由此可見(jiàn)，該方法的預(yù)測(cè)性能優(yōu)于文獻(xiàn)[1]方法，但仍存在隨電磁干擾的變化而變化的情況，亟須對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。而采用本文設(shè)計(jì)的基于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法，在電磁干擾強(qiáng)度從低到高的過(guò)程中，Se、Ac、V、T的值均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，Se、Ac、V相對(duì)較高，T相對(duì)較低。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的方法具有較高的預(yù)測(cè)水平，能夠滿足漏電保護(hù)器服役狀態(tài)預(yù)測(cè)需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

受到電磁干擾環(huán)境的影響，水利泵站的安全運(yùn)行面臨著重大挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，水利泵站漏電保護(hù)器服役狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法。從預(yù)測(cè)空間、時(shí)域預(yù)測(cè)兩個(gè)方面，對(duì)漏電保護(hù)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的服役狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。