配電變壓器低壓隔離開關(guān)柜內(nèi)母線短路監(jiān)測研究

陳健　劉娟

摘要：開關(guān)柜故障會引起整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，通過對開關(guān)柜母線短路進(jìn)行監(jiān)測，可以有效地減少故障的發(fā)生。通過紅外測溫法，對開關(guān)柜中總線進(jìn)行檢測，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，提高了測溫精度。將LSTM算法與小波變換算法相結(jié)合，在判斷母線短路時(shí)綜合考慮了歷史數(shù)據(jù)的影響，提高了判斷力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;母線;紅外線檢測;LSTM算法;短路監(jiān)控;變壓器

電網(wǎng)的運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其運(yùn)行的穩(wěn)定與安全有著非常重要意義。伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)測日益受到重視。開關(guān)柜作為配電系統(tǒng)中最為重要的組成部分，由于封閉的環(huán)境及散熱條件，極易引起母線短路、火災(zāi)等安全事故。在開關(guān)柜中對母線等主要部件進(jìn)行溫度監(jiān)控，可有效地防止這類事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。在開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行溫度監(jiān)控，可預(yù)先防止母線短路。測溫法按接觸方式可分為接觸測量溫度法，非接觸測量。電池組或電感線圈在測溫時(shí)，電池容易發(fā)生爆炸，對開關(guān)操作有影響。

1紅外線溫度測量原理

在絕對零度以上的物體，就會向外輻射紅外能量，而其輻射能量和波長與其溫度有著直接的關(guān)系。如果開關(guān)柜母線短路或電路異常，電路中將產(chǎn)生較大的電流，使母線溫度上升。輻射和溫度之間的關(guān)系可以用斯蒂潘-波茲曼定律來描述：

J=εT4。

在公式中：T是絕對溫度;J是物體的紅外輻射度，表示物體在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射出的總能量;π是斯蒂潘-玻爾茲曼常數(shù);ε是黑體的輻射系數(shù)。因其輻射度隨溫度變化而變化較大，可用于紅外測溫。

2低電壓隔離開關(guān)柜母線短路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1開關(guān)柜母線短路監(jiān)控系統(tǒng)

開關(guān)柜內(nèi)母線短路監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，開關(guān)柜內(nèi)總線溫度通過紅外無線測溫傳到監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，通過總線傳送到服務(wù)器。在開關(guān)柜中，當(dāng)母線溫度發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警或啟動(dòng)閉鎖裝置，確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，還可根據(jù)溫度的變化，對母線故障做出預(yù)警與判斷，方便員工巡視，提醒維修人員做好設(shè)備檢修工作。

將系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)分為三層結(jié)構(gòu)，分別是系統(tǒng)監(jiān)測層、數(shù)據(jù)傳輸層和溫度采集層。該系統(tǒng)監(jiān)測層由服務(wù)器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，可進(jìn)行系統(tǒng)控制、溫度查詢等。

2.2溫度傳感器的電路

感溫電路主要由傳感器芯片和0.1μF電容組成，可調(diào)電阻為10kΩ。Vdd端口輸入+5V工作電壓，通過SMBUS模式選擇控制輸出數(shù)字信號，可變電阻大小決定信號傳輸距離，端口Vss接地。

2.3微控制器電路。

溫度測量傳感器與單片機(jī)接口電路，將SCL和SDA口連接到MCUI/O口，傳感器芯片MLX90614接R2上拉電阻R1和R2，保證輸出到MCU處于高電平狀態(tài)。

2.4調(diào)節(jié)裝置。

在后端處理電路中，通過雙層屏蔽電纜向總線傳輸溫度信號。用ADuM1250總線磁隔離器隔離外部電路電位對測溫系統(tǒng)的干擾，防止共模干擾。

3開關(guān)柜母線溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

因?yàn)閭鬏斁€比較長，雖然屏蔽得比較好，但在環(huán)境中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，仍然會對服務(wù)器所接收到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。所以服務(wù)器需要對接接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，排除異常數(shù)據(jù)。

將小波-LSTM算法應(yīng)用于聯(lián)機(jī)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)循環(huán)器判斷數(shù)據(jù)波形的變化情況，就能得到開關(guān)柜中母線的短路故障信息和老化程度數(shù)據(jù)。

LSTM主要有輸入、輸出和遺忘三個(gè)門，其中遺忘門決定了歷史數(shù)據(jù)的遺留比例。精確的數(shù)據(jù)被記入網(wǎng)絡(luò)，并成為歷史記憶的一部分，無用的數(shù)據(jù)將被剔除。前一分鐘的輸入閾值與輸入閾值有很大的相關(guān)性，體現(xiàn)了該算法的長短期記憶能力。

在配變設(shè)備中，母線設(shè)備的故障信號一般為階躍信號，有時(shí)會發(fā)生瞬態(tài)突變，需要對信號進(jìn)行小波變換，變換后的信號經(jīng)過分析得到設(shè)備的老化情況，如果出現(xiàn)信號突變信息，說明母線發(fā)生短路等故障。

4結(jié)果和討論

通過對一臺電站開關(guān)設(shè)備的仿真分析，對循環(huán)編碼LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對母線短路的監(jiān)測效果。該算法需要對歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，將歷史溫度數(shù)據(jù)的85%作為算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其余15%作為測試結(jié)果。通過對不同算法進(jìn)行對比驗(yàn)證，得到的測試結(jié)果是正確的。所獲得的主要數(shù)據(jù)除采用紅外測溫系統(tǒng)測量的溫度外，還提供了其他環(huán)境參數(shù)，主要包括水分、氣體含量等六個(gè)參數(shù)。收集到500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可得到6×500的數(shù)據(jù)矩陣。用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代入計(jì)算，可獲得6×500的輸出值。對輸出值小于0.5的數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)刪除，并在下一次采樣期間補(bǔ)充，直到滿足500個(gè)樣本，完成數(shù)據(jù)清理過程。

對清洗過的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，然后再對其進(jìn)行小波分解，其分解比例為5，然后根據(jù)算法得到小波系數(shù)，然后得到變換后的信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)根據(jù)其大小可分解為5個(gè)獨(dú)立的信號，得到新的30×500矩陣。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以500組作為1組，依次進(jìn)行編碼，就能獲得一個(gè)新的編碼向量，將編碼向量輸入LSTM，在LSTM算法中獲得記憶值和輸出值，并將輸出值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連，即能對母線狀態(tài)進(jìn)行判斷和故障定位。每條母線的工作狀態(tài)可分為四類：正常、謹(jǐn)慎、異常、短路。在輸出層對應(yīng)的神經(jīng)元值中，4個(gè)大于0的值為0，表示4個(gè)狀態(tài)的可信度，某一位值越大，其處于那個(gè)狀態(tài)的可能性就越大。對系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，得出的結(jié)果。母線的輸出結(jié)果可信度編碼為[0.950.250.130.002]，其值接近1，可見該值具有較高的可信度，表明母線工作在正常狀態(tài)。

結(jié)束語

利用紅外測溫方法對母線溫度進(jìn)行監(jiān)測，判斷其是否發(fā)生短路、虛連等異常工作，具有簡便、快速、高效的特點(diǎn)。將LSTM算法與小波變換相結(jié)合，綜合考慮歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，有效地去除無效數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)表明，與CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，該算法具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于配電變壓器母線短路檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉杰， 王勝輝， 劉暢. 高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)[J]. 中國科技信息， 2018（23）： 35-36.

[2] 韓捷， 孫奇珍， 黨衛(wèi)軍. 一種新型的開關(guān)柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電信息， 2018 （36）： 39-42.