直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障產(chǎn)生的原因分析

宮宇飛， 陳珊珊， 朱曉松， 徐燁

(國華能源投資有限公司， 北京 100007)

0 引 言

中性母線避雷器是實現(xiàn)設(shè)備和建筑避雷的重要裝置，直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器由于長期處于過負(fù)荷和雷擊的強電流沖擊，容易導(dǎo)致避雷器故障，需要進(jìn)行直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障的診斷優(yōu)化設(shè)計，客觀科學(xué)地評價直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障產(chǎn)生的原因[1]。結(jié)合對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障數(shù)據(jù)的特征分析和大數(shù)據(jù)融合處理，進(jìn)行關(guān)聯(lián)因素分析，發(fā)掘避雷器故障數(shù)據(jù)之間的類別屬性因素，根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性特征分析結(jié)果實現(xiàn)故障類別判斷，提高故障的檢測和識別能力，相關(guān)的故障診斷方法研究受到人們的極大關(guān)注[2]。

對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障產(chǎn)生的原因分析是建立在故障數(shù)據(jù)特征檢測的基礎(chǔ)上的。當(dāng)前診斷直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障的方法主要有統(tǒng)計分析法、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換法以及融合差分聚類法[3-4]。統(tǒng)計分析法需結(jié)合人工經(jīng)驗判斷，進(jìn)行直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的輸出穩(wěn)定性測試，實現(xiàn)對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障診斷，但該方法需人為介入，具有一定誤差。而分?jǐn)?shù)階傅里葉變換法是通過高階累積量特征提取直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障，采用傳感信號監(jiān)測方法，進(jìn)行故障特征分析和故障類別識別，但該方法的計算復(fù)雜度較高，對故障檢測的實時性差。融合差分聚類法是借助融合差分聚類對故障進(jìn)行自動診斷方法的一種方法，采用大數(shù)據(jù)融合分析方法，實現(xiàn)直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障診斷識別，但該方法對不確定故障的診斷智能性差。

針對上述問題，本文提出基于多隱層深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測和原因分析方法，最后進(jìn)行仿真試驗分析，展示了本文方法在提高對母線避雷器的故障辨識和原因分析能力方面的優(yōu)越性能。

1 母線避雷器故障數(shù)據(jù)采集及特征自學(xué)習(xí)

1.1 故障樣本信息采集

為實現(xiàn)直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測和原因分析，首先構(gòu)建直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障信息采集模型，對采集的母線避雷器故障以沖擊電流等特征量進(jìn)行因素關(guān)聯(lián)[5]。假設(shè)母線避雷器故障檢測的階數(shù)為p，統(tǒng)計特征分布參量為ai(t)，在關(guān)聯(lián)規(guī)則分布窗口t內(nèi)，得到直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障樣本統(tǒng)計特征集，可用下式表示。

(1)

式中：σ(t)為母線避雷器故障樣本特征值;w(t)為母線避雷器故障樣本基數(shù)。根據(jù)雷擊風(fēng)險因素，分析直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障分布原始信息，原始信息獲取過程為：

(2)

式中：雷擊故障數(shù)據(jù)挖掘的變性函數(shù)m(t)在區(qū)間[m0-Δm/2,m0+Δm/2]上服從均勻分布，避雷器故障高維數(shù)據(jù)為一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在Δm和Δθ中，避雷器遭受雷害風(fēng)險評估的特征值滿足n(t)，且服從正態(tài)分布。

綜上分析，通過加大訓(xùn)練誤差來進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，得到多源信息的有機融合特征值m和n，且兩者滿足m=n。在滿足α≠Dπ的條件下，建立避雷器故障樣本數(shù)據(jù)采集的最優(yōu)的深度網(wǎng)絡(luò)模型：

X=FαXα

(3)

其中：

Xα=[Xα(0),Xα(1),…，Xα(N-1)]

(4)

式中：Fα為N×N維矩陣。采用置信度來量化不同特征因子，得到故障訓(xùn)練樣本集的輸出屬性特征分布集，其表達(dá)式為：

Fα(m,n)=Fαe-1

(5)

在多維信息融合體系進(jìn)行故障樣本數(shù)據(jù)的時域分布統(tǒng)計，結(jié)合本體因素和雷擊風(fēng)險導(dǎo)致的故障原因進(jìn)行特征分析[6]。通過上述方法，完成母線避雷器故障數(shù)據(jù)采集，得到故障樣本集為：

(6)

式中：P為直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障樣本分布的特征因子；I為訓(xùn)練集。在存在擾動誤差的條件下，輸入直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障信號x(t)。

根據(jù)母線避雷器故障數(shù)據(jù)采集結(jié)果，進(jìn)行特征自學(xué)習(xí)，以提高故障的檢測識別能力[7]。

1.2 輸出沖激模型

在采用傳感監(jiān)測方法進(jìn)行母線避雷器故障數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對采集的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行特征自學(xué)習(xí)，第j個特征因子的偏移量為α=pπ/2，可描述為：

(7)

式中：n為整數(shù)，n∈Z。單極閉鎖下中性母線避雷器的區(qū)間屬性特征計算公式為：

(8)

式中：pi為第i個直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障大數(shù)據(jù)規(guī)則特征量?，F(xiàn)對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障自動診斷[8]，設(shè)置流延遲控制器進(jìn)行直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器構(gòu)件的雷擊風(fēng)險數(shù)據(jù)采集，得到直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測統(tǒng)計量為{δxi+1(jk)=xjk+1-xi+1|k∈1,…,Nb}，得到直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障的統(tǒng)計分析模型為：

(9)

式中：si(t)為直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器中的射頻特征量第i個輸出基陣單元信號；xm(t)為直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器信號；nm(t)為采集陣元m接收到的故障信號的高頻分量[9]。構(gòu)建直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障信號采集的輸出沖激模型為：

(10)

式中：ai(t)為直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器射頻特征量；Ts為采用故障特征自學(xué)習(xí)方法得到的直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障信號的延展寬度。故障特征自學(xué)習(xí)模型如圖1所示。

2 故障檢測及原因判別

2.1 中性母線避雷器的故障檢測

在上述采用傳感監(jiān)測方法進(jìn)行母線避雷器故障數(shù)據(jù)采集，并對采集的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行特征自學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測和原因分析。本文提出基于多隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測方法，結(jié)合直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器中的射頻傳感器分布[10]，得知Kp(t,u)滿足如下條件。

(11)

(12)

通過時頻變換處理，結(jié)合直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器受擾響應(yīng)特性進(jìn)行有功功率增量特征分析，實現(xiàn)對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器中的射頻信號識別[11]，將直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障信號分解為若干個固有模態(tài)分量，所得ai(t)可視為單分量信號，將原直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障信號x(t)表示為：

(13)

式中：Re為原直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障信號頻率分量。根據(jù)區(qū)間屬性特征分析此類避雷器桿塔單元發(fā)生雷擊的故障支持度屬性，得到線路桿塔單元的故障特征分量表示為H(ω,t)，即：

(14)

以關(guān)聯(lián)規(guī)則量化不同特征為測試樣本，并以H(ω,t)作為母線避雷器的特征因子，得到直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障信號的邊際譜：

(15)

對于某一端包含有n個故障特征的直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障干擾信號，在窗口以外的信號特性，進(jìn)行中性母線避雷器的故障檢測，去掉低頻分量，由此獲得直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障樣本的分布值λi(n)，在此基礎(chǔ)上，對避雷器進(jìn)行故障檢測，其檢測過程表示為：

(16)

根據(jù)上述完成中性母線避雷器的故障檢測。通過特征分布，結(jié)合直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器受擾響應(yīng)特性進(jìn)行有功功率增量特征分析。

2.2 基于隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)

分析母線避雷器聚合的微小負(fù)荷進(jìn)行故障異常特征檢測，對檢測到的故障異常特征量采用多隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行故障辨識和故障原因分析[12]。首先構(gòu)建母線避雷器故障診斷的閾值函數(shù)為：

(17)

式中：W為屬性類別的窄時域窗；α為寬時域窗調(diào)節(jié)系數(shù)，取值范圍為0≤α≤1；Ts為直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測的最大監(jiān)測閾值。得到直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障樣本集的正交項Qx(t)之間存在如下偏差：

(18)

式中：Qx(t)為不同特征因子的傅氏譜；Hx(t)為不同特征因子的曲線譜；Sx(ω)為雷擊故障的關(guān)聯(lián)關(guān)系。計算故障檢測的期望輸出為：

(19)

式中：ci(n)為第j個特征因子的模態(tài)分量;r(n)為特征因子的形態(tài)分量。通過分析母線避雷器聚合的微小負(fù)荷進(jìn)行故障異常特征檢測，實現(xiàn)直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障診斷和檢測識別，對檢測到的故障異常特征量采用多隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行故障辨識和故障原因分析，多隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)為：

(20)

(21)

3 仿真測試分析

在MATLAB仿真環(huán)境中分析直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障檢測性能并進(jìn)行故障原因分析，設(shè)置初始采樣頻率f0=1 kHz，雷擊故障相關(guān)因素的采樣時長T=0.1 s，故障數(shù)據(jù)的采樣長度為0.1，訓(xùn)練集為500,直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障調(diào)制的上變頻為60 Hz，下變頻為50 Hz，本體特征因子為0.45，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障自動檢測和原因分析，得到故障數(shù)據(jù)采樣樣本分布如圖2所示。

取母線避雷器故障樣本數(shù)據(jù)的300個樣本作為測試集，測試?yán)讚艄收系臋z測效率。首先需獲取正常工作情況下某一時段中避雷器工作效率，其結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知在正常工作情況下該建筑遭受的雷擊頻率。通過本文方法獲取避雷器異常特征量，以實現(xiàn)對雷擊故障的智能檢測，并在此基礎(chǔ)上分析避雷器的故障檢測的誤差率，測試結(jié)果如圖4所示。

本文方法能夠在短時間內(nèi)完成避雷器的故障檢測，且故障的特征辨識能力較好。通過上述分析，了解到母線避雷器故障產(chǎn)生的原因主要有電壓擾動、頻率擾動和負(fù)荷波動等，通過對不同故障原因下的故障特征進(jìn)行相關(guān)一致性分析，實現(xiàn)故障智能檢測和診斷。

4 結(jié)束語

通過直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障的優(yōu)化診斷設(shè)計，能夠客觀科學(xué)地評價直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障產(chǎn)生的原因。本文結(jié)合對直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器的故障數(shù)據(jù)的特征分析和大數(shù)據(jù)融合處理，提出基于多隱層的深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的直流系統(tǒng)單極閉鎖下中性母線避雷器故障檢測和原因分析方法。研究證明，本文方法能準(zhǔn)確分析故障原因，實現(xiàn)避雷器雷擊故障檢測識別。