斷路器故障診斷專家系統(tǒng)研究

白 麗，胡曉光

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著開斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)安排各種負(fù)載網(wǎng)絡(luò)配置的任務(wù)；同時(shí)，斷路器還用于隔離系統(tǒng)故障部分，減小部分故障對(duì)電網(wǎng)帶來的影響。如此重要的作用就要求斷路器實(shí)時(shí)準(zhǔn)備操作，任何操作失誤都可能帶來嚴(yán)重的后果。為了避免斷路器的誤操作，對(duì)斷路器進(jìn)行檢修和維護(hù)必不可少。

1 斷路器運(yùn)行分析

斷路器的操作是通過其本身的2個(gè)部分的控制電路來完成的，即合閘控制電路和分閘控制電路，其簡(jiǎn)化電路如圖1所示。

圖1 斷路器控制電路簡(jiǎn)化圖

斷路器分閘控制電路主要包括：分閘線圈TC和輔助觸點(diǎn)c，圖中其余的部分即為合閘控制電路。

當(dāng)斷路器處于“合”狀態(tài)時(shí)，所有的c觸點(diǎn)處于“合”位。控制室給控制電路發(fā)分閘動(dòng)作信號(hào)，分閘線圈TC上電，產(chǎn)生分閘線圈電流，分閘電磁鐵蓄能。當(dāng)能量到達(dá)一定程度時(shí)鐵芯被推出線圈，使維持蓄能的掣子動(dòng)作，壓縮彈簧釋放能量以驅(qū)動(dòng)其它機(jī)構(gòu)分開主觸頭；斷路器主觸頭一旦打開，輔助觸點(diǎn)c，d隨之改變狀態(tài)，分閘線圈去電，分閘操作完成，斷路器準(zhǔn)備合閘操作。因而在分閘狀態(tài)，輔助接點(diǎn)c處于“分”位，d處于“合”位。當(dāng)控制室發(fā)出合閘信號(hào)時(shí)，由于Yb觸點(diǎn)處于“合”位，X線圈上電，Xa觸點(diǎn)閉合，從而給合閘線圈CC上電，產(chǎn)生合閘線圈電流；當(dāng)合閘電磁鐵能量達(dá)到一定程度時(shí)鐵芯被推出線圈，使壓縮彈簧釋放能量，閉合主觸頭；主觸頭一旦閉合，機(jī)構(gòu)就會(huì)同時(shí)閉合輔助觸點(diǎn)c、打開輔助觸點(diǎn)d，這樣就使線圈Y上電，其所有的觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生改變；Y上電一直維持到合閘觸發(fā)信號(hào)消失，合閘過程結(jié)束。這里線圈Y的作用就是防止合閘線圈二次上電，使在一次合閘信號(hào)內(nèi)合閘線圈上電一次，這就是所謂的“反泵”。

在斷路器的每次分合過程中，鐵心的任何運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)都會(huì)引起操作線圈電流的變化；同時(shí)，鐵芯、線圈及其它相關(guān)機(jī)構(gòu)如鎖勾、連桿等的運(yùn)行狀態(tài)也可由操作線圈電流信號(hào)反映出來，這也是多年來利用操作線圈電流信號(hào)診斷斷路器故障的原因。

2 電流信號(hào)及故障分析

一般情況下，線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯行程，鐵芯卡滯，線圈狀態(tài)（如是否有短路匝），與鐵芯頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態(tài)，合分線圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過對(duì)分合操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運(yùn)動(dòng)有無卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助判據(jù)。下面以一標(biāo)準(zhǔn)的分閘線圈電流信號(hào)為例，如圖2，分析一般情況下從電流信號(hào)中所提取的信息。

圖中時(shí)間軸上的t0，t1，t2，t3就是代表了電磁鐵動(dòng)鐵芯在觸頭脫扣或釋能過程中的動(dòng)作情況的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，也是一般處理線圈電流信號(hào)所需要提取的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。圖中時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)代表分閘指令發(fā)出時(shí)刻，在t0時(shí)刻線圈開始通電；到t1時(shí)刻鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，t1就是開關(guān)分閘計(jì)時(shí)的起點(diǎn)，即鐵芯開始移動(dòng)的時(shí)刻，t0和t1與控制電源及線圈電阻有密切的關(guān)系；t2是觸頭開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，從t2時(shí)刻鐵芯停止運(yùn)動(dòng)，開始由機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)觸頭開始分閘，t2—t1這段時(shí)間曲線的變化反應(yīng)了電磁鐵鐵芯運(yùn)動(dòng)是否有卡制、脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)等的情況；t3時(shí)刻斷路器輔助接點(diǎn)切斷，t3—t4階段電流達(dá)到近似的穩(wěn)態(tài)；t4時(shí)刻輔助開關(guān)開斷，此時(shí)刻之后電流迅速減小。同時(shí)B點(diǎn)電流可以反映電源電壓，C點(diǎn)電流可以反映線圈電阻，D點(diǎn)電流可以反映電磁鐵動(dòng)鐵芯的速度信息，這三點(diǎn)電流量也可以作為分析動(dòng)作的參考。

圖2 典型斷路器分閘線圈電流信號(hào)

3 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 推理機(jī)構(gòu)與診斷原理

針對(duì)目前斷路測(cè)試、檢修的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于規(guī)則的斷路器故障診斷專家系統(tǒng)，其中包括的規(guī)則主要來源于斷路器檢修人員經(jīng)驗(yàn)與IEEE所建議的斷路器故障診斷規(guī)則。專家系統(tǒng)的核心是推理機(jī)構(gòu)，它主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)和推理引擎，數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來保存用于斷路器故障診斷的各種規(guī)則信息和歷史數(shù)據(jù)。推理機(jī)構(gòu)根據(jù)診斷規(guī)則，找出輸入信息與故障信息間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中數(shù)據(jù)庫(kù)由三部分組成：原始知識(shí)庫(kù)主要用來存儲(chǔ)斷路器診斷基本信息，如斷路器安裝使用說明中所規(guī)定的限值信息等，這一部分在安裝后是不可更改；專家知識(shí)庫(kù)可以存儲(chǔ)斷路器故障診斷專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的診斷規(guī)則，它是可以通過人機(jī)接口人工添加的；自動(dòng)更新知識(shí)庫(kù)由系統(tǒng)根據(jù)一系列更新規(guī)則自動(dòng)添加或刪除的，主要存儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)不同斷路器歷次的輸入信息所做出的趨勢(shì)分析等，可用作下次診斷的參考，它對(duì)于一些緩變故障的預(yù)測(cè)比較有效。

設(shè)計(jì)中的推理引擎是由一系列規(guī)則處理程序組成的，如圖3。信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理所提取的參數(shù)被輸入到推理引擎，在這里主要是從線圈電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)中提取的時(shí)間參數(shù)、電流參數(shù)。推理的第一步是用一系列基本規(guī)則檢測(cè)所提取的參數(shù)是否在其所容許的范圍之內(nèi)。如果一個(gè)參數(shù)超出了推理的設(shè)定范圍，該參數(shù)所對(duì)應(yīng)的所有推理規(guī)則將被激活，這些規(guī)則主要保存在原始知識(shí)庫(kù)和專家知識(shí)庫(kù)。激活規(guī)則的處理可以提供斷路器故障的初步診斷結(jié)果，而與其并列的趨勢(shì)分析則是根據(jù)各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)分析它的變化趨勢(shì)，并對(duì)其可能出現(xiàn)的故障做出預(yù)測(cè)，使緩變故障在其發(fā)展階段就能被檢測(cè)出來，避免故障的發(fā)生。綜合決策則是根據(jù)規(guī)則處理和趨勢(shì)分析的結(jié)果綜合分析，找出深層的、可能誘發(fā)的故障，同時(shí)對(duì)故障的原因作出分析，形成最終的診斷報(bào)告，以供斷路其維護(hù)人員參考。

圖3 推理引擎

3.2 一般推理規(guī)則

數(shù)據(jù)庫(kù)中的每條診斷規(guī)則解釋一個(gè)用于決策過程的知識(shí)框架。規(guī)則都使用IF-THEN表達(dá)，其中IF部分叫做前提，THEN叫推理。前提部分指定一系列的標(biāo)準(zhǔn)，只有滿足了標(biāo)準(zhǔn)，該條規(guī)則才能被激活。規(guī)則激活后，推理中的處理程序才能被執(zhí)行。一條推理可能給出斷路器狀態(tài)的最終診斷結(jié)果，也可能只是得出一個(gè)中間結(jié)果，以被其他規(guī)則或更復(fù)雜的推理使用。處于推理過程中間的規(guī)則一般只輸出中間結(jié)果，但對(duì)于某故障敏感規(guī)則的輸出也可以反映到最終的決策報(bào)告與檢修建議中。

根據(jù)IEEE建議報(bào)告及斷路器維護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)斷路器故障/檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，部分對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4。圖中中間一層為檢測(cè)信號(hào)，上、下兩層為各種故障，連線關(guān)系表明該信號(hào)可以從某一方面反映故障，不同故障可能對(duì)應(yīng)不同的特征參數(shù)。

圖4 斷路器故障/檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

推理過程使用C++builder實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)較好的人機(jī)界面。推理規(guī)則做成模塊，供推理過程調(diào)用。專家系統(tǒng)有參數(shù)輸入和信號(hào)輸入兩種輸入方式，前者輸入已經(jīng)提取出來的參數(shù)；后者直接以文本文件方式輸入信號(hào)。下面以兩種典型的故障：分閘鎖勾潤(rùn)滑不足、分閘線圈故障，來解釋專家系統(tǒng)的推理過程。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

4.1 分閘鎖勾潤(rùn)滑不足故障

斷路器分閘鎖勾潤(rùn)滑不足是斷路器運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一種故障，它是一種緩變故障，但如果不能在其發(fā)展過程中及時(shí)的檢測(cè)出來并做出相應(yīng)的處理，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)拒分的惡性故障。這種故障可以通過對(duì)分閘線圈電流信號(hào)與觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間的分析檢測(cè)出來。首先信號(hào)預(yù)處理部分從此次操作的線圈電流信號(hào)中提取5點(diǎn)時(shí)間參數(shù)、3點(diǎn)電流參數(shù)，并由觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)計(jì)算分閘操作時(shí)間。圖5為連續(xù)3次分閘操作的電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，斷路器操作時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，尤其是t4時(shí)刻后移。利用信號(hào)方式依次將3次操作信號(hào)輸入專家系統(tǒng)。對(duì)第一次操作信號(hào)，系統(tǒng)輸出表示正常；對(duì)第二次操作信號(hào)，經(jīng)過規(guī)則判斷發(fā)現(xiàn)：t4時(shí)刻后移超過設(shè)定閾值。與t4相關(guān)規(guī)則被激活，經(jīng)規(guī)則判斷與趨勢(shì)分析，結(jié)果是不能導(dǎo)致故障。在輸入第三次操作信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出結(jié)果。與t4相關(guān)的規(guī)則再次被激活，繼續(xù)處理后發(fā)現(xiàn)線圈耗能增加超過設(shè)定閾值2.1%，紋波系數(shù)低于上次操作；同時(shí)發(fā)現(xiàn)分閘操作時(shí)間比上次操作增加2.5 ms。趨勢(shì)分析單元得出結(jié)論：最近連續(xù)兩次線圈耗能增加，分別為1.5%、1.4%，t4時(shí)刻后移分別為1.9，3.3 ms。綜合決策部分據(jù)此判斷機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑不充分，并給出報(bào)警信息：再經(jīng)2次操作后可能有拒分故障出現(xiàn)。

圖5 連續(xù)3次分閘操作信號(hào)（3次依次為倒角由左至右）

4.2 操作線圈故障

圖6 斷路器分閘操作信號(hào)（上曲線正常）

操作線圈故障也是斷路器運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的另外一種故障。這種故障的發(fā)生時(shí)一般比較突然，看不出前期預(yù)兆，圖6就是以典型的分閘線圈故障時(shí)的操作電流與觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)的對(duì)比圖。從圖6中可以看出，在發(fā)生線圈故障時(shí)，線圈電流低于正常值，同時(shí)器操作時(shí)間也較正常狀況加長(zhǎng)。如上所述，以信號(hào)方式輸入專家系統(tǒng)診斷，此時(shí)與I1，I2，I3，t4相關(guān)的規(guī)則激活，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電流AB段斜率低于正常，電流擾動(dòng)有所增加；趨勢(shì)分析認(rèn)為這是偶然狀況，不能預(yù)測(cè)。綜合分析后，系統(tǒng)得出結(jié)果：分閘線圈阻抗增加。

5 結(jié)語

該文在詳細(xì)介紹斷路器分、合閘操作過程的基礎(chǔ)上，分析了斷路器操作線圈電流的特性及其在斷路器故障診斷中的應(yīng)用，并專門就操作線圈電流信號(hào)和觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)設(shè)計(jì)一實(shí)用的故障診斷專家系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該專家系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地診斷出斷路器多種故障，并在目前斷路器維護(hù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上給出合理的檢修建議。不過同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的故障診斷專家系統(tǒng)由于推理過程復(fù)雜、用時(shí)較長(zhǎng)，難以用于小型CPU如單片機(jī)、DSP等所設(shè)計(jì)的本體在線診斷系統(tǒng)，不過這可以通過變電所的所有斷路器監(jiān)測(cè)組網(wǎng)、主控室集中深層診斷來解決。

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