變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障及處理技術(shù)研究

李文淵

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

雙電源自動(dòng)切換開關(guān)具有成本低、操作簡單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。但是，受外部因素和自身缺陷影響，雙電源切換開關(guān)失控，無法完成自動(dòng)切換動(dòng)作，出現(xiàn)自動(dòng)切換故障，造成變電壓電源間的短路，甚至出現(xiàn)負(fù)荷斷電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為保證變電站雙電源切換開關(guān)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，電力企業(yè)引進(jìn)自動(dòng)切換開關(guān)故障及處理技術(shù)，采取人工處理方式，但人工處理結(jié)果主觀性過強(qiáng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與革新，自動(dòng)化處理方式逐漸取代人工方式，但是故障識(shí)別與處理具有較高的技術(shù)難度。雖然近幾年雙電源切換開關(guān)故障及處理受到研究領(lǐng)域的重視與專注，但是在實(shí)際應(yīng)用中處理效果并不理想，已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，為此提出對(duì)變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障及處理技術(shù)進(jìn)行研究。

1 雙電源切換開關(guān)傳感測(cè)試

變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障類型有很多種，主要包括開關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)松動(dòng)、切換開關(guān)部件松動(dòng)、部件磨損等[1]。但是，任何類型的故障均有共同的故障特征，即振動(dòng)頻率存在差異。當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)自動(dòng)切換故障時(shí)，開關(guān)振動(dòng)頻率、范圍等指標(biāo)均異常。傳感測(cè)試儀器設(shè)備主要包括獲取振動(dòng)信號(hào)的傳感器和對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、變換的放大器與變換器。此次選用型號(hào)為IFAFJ-A4F4振動(dòng)傳感器，傳感器線性度為20 000 m/s2，安裝諧振點(diǎn)30 kHz，靈敏度為2 pC/ms2，掃描頻率范圍為0～10 000 Hz，放大器選用型號(hào)為IHRA-A4F5信號(hào)放大器，變換器選用型號(hào)為KHFA8-AF44變換器[2]。通過振動(dòng)傳感器底部的螺栓將其固定在磁座上，利用磁座將振動(dòng)傳感器吸附在變電站雙電源切換開關(guān)本體外部。在對(duì)傳感器安裝時(shí)，盡量選取距離開關(guān)本體比較近的位置，并且要防護(hù)遮擋，避免受到外界干擾。在測(cè)試過程中，令雙電源切換開關(guān)處于運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)傳感器在雙電源切換開關(guān)外部拾取振動(dòng)加速度信號(hào)，并由電荷放大器對(duì)信號(hào)放大處理，最后經(jīng)過轉(zhuǎn)換器將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量形式的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)電纜將信號(hào)傳輸?shù)阶冸娬局骺厥覂?nèi)安裝的開關(guān)故障數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，以便后續(xù)處理和分析數(shù)據(jù)。

2 自動(dòng)切換故障識(shí)別

利用具有可調(diào)Q因子的小波變換算法對(duì)傳感測(cè)試拾取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，提取到振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征[3]。可調(diào)信號(hào)品質(zhì)因子的小波變換算法是一種基于信號(hào)品質(zhì)因子數(shù)設(shè)計(jì)多層變尺度高通低通濾波算法，通過對(duì)信號(hào)分解獲取多層子序列的離散小波，振動(dòng)信號(hào)能量聚集程度可以通過信號(hào)品質(zhì)因素反映出來，其計(jì)算公式為

式中：Q表示信號(hào)品質(zhì)因子，即振動(dòng)信號(hào)能量聚集度；f表示由振動(dòng)信號(hào)頻域中極大值對(duì)應(yīng)的中心頻率；BW表示信噪比為3 dB頻帶寬度[4]。根據(jù)信號(hào)品質(zhì)因子計(jì)算小波變換算法中尺度因子和最大分解層數(shù)2個(gè)參數(shù)，公式為

式中：α表示小波變換算法中信號(hào)分解尺度因子；β表示小波變換算法中振動(dòng)信號(hào)最大分解層數(shù)；r表示過采樣冗余因子[5]。根據(jù)尺度因子和最大分解層數(shù)，確定小波變換算法中低品質(zhì)因子濾波器的頻響與高品質(zhì)因子濾波器的頻響，公式為

式中：Hg表示低品質(zhì)因子濾波器的頻響；ρ表示頻響函數(shù)；w表示振動(dòng)信號(hào)的歸一化角頻率。使用傅里葉變換獲取開關(guān)振動(dòng)信號(hào)的頻譜，將振動(dòng)信號(hào)作為算法的輸入信號(hào)，由低品質(zhì)因子濾波器和高品質(zhì)因子濾波器對(duì)信號(hào)分解獲取低品質(zhì)因子分量和高品質(zhì)因子分量，再將其作為下層濾波器的輸入量進(jìn)行傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)的時(shí)域分量。振動(dòng)信號(hào)由幅頻特性和相頻特性組成。幅頻特性指信號(hào)幅度，相頻特性指信號(hào)頻率。根據(jù)分解得到的信號(hào)時(shí)域分量，計(jì)算出振動(dòng)信號(hào)2個(gè)特征值，公式為

式中：W表示振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分量；A表示雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換振動(dòng)信號(hào)幅值；ψ表示雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換振動(dòng)信號(hào)頻率。根據(jù)正常狀態(tài)下開關(guān)自動(dòng)切換振動(dòng)信號(hào)幅值與頻率，設(shè)定2個(gè)閾值。如果振動(dòng)信號(hào)幅度大于閾值，同時(shí)頻率也大于閾值，則表示存在自動(dòng)切換故障，否則開關(guān)狀態(tài)正常。

3 自動(dòng)切換故障處理

當(dāng)識(shí)別到開關(guān)存在自動(dòng)切換故障時(shí)，利用反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確定故障類型，從而采取相應(yīng)的處理措施。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的學(xué)習(xí)能力，收集雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換所有類型故障數(shù)據(jù)，將其作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本，輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層，在輸入層中對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化處理，公式為

式中：y表示批量化處理后的開關(guān)自動(dòng)切換故障數(shù)據(jù)；表示原始數(shù)據(jù)；ymin表示開關(guān)自動(dòng)切換故障數(shù)據(jù)最小值；ymax表示開關(guān)自動(dòng)切換故障數(shù)據(jù)最大值。通過歸一化處理消除開關(guān)自動(dòng)切換故障數(shù)據(jù)量綱，將其規(guī)范在0～1數(shù)值范圍內(nèi)。將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到隱含層，在隱含層內(nèi)利用激活函數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)到不同故障類型下開關(guān)振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性和相頻特性，公式為

式中：Z(Ak,ψk)表示第k隱含層輸出開關(guān)自動(dòng)切換故障對(duì)應(yīng)的時(shí)域特征；ek表示激活函數(shù)；ok表示第k隱含層目標(biāo)函數(shù)。將隱含層輸出向量輸入到輸出層，并將之前提取到的振動(dòng)信號(hào)的幅頻特性和相頻特性也輸入到輸出層，并與學(xué)習(xí)到的故障特征匹配，輸出與故障特征一致的開關(guān)自動(dòng)切換故障類型，對(duì)故障采取對(duì)應(yīng)的處理措施。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的可靠性與可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。以某變電站雙電源切換開關(guān)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開關(guān)為施耐德萬高ATNSXA型雙電源切換開關(guān)。該開關(guān)由控制器和IHDA-FA455塑殼型斷路器2部分組成。由于投入使用時(shí)間較長，經(jīng)常出現(xiàn)故障，利用設(shè)計(jì)方法對(duì)切換開關(guān)自動(dòng)切換故障識(shí)別及處理，選擇基于機(jī)器視覺的處理技術(shù)和基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的處理技術(shù)作為比較對(duì)象，以下分別用傳統(tǒng)技術(shù)1與傳統(tǒng)技術(shù)2表示。按照上述流程對(duì)開關(guān)傳感測(cè)試，共采集到10 000個(gè)開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，提取到故障特征，并對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別及處理。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)以識(shí)別率作為3種技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。識(shí)別率越高，開關(guān)自動(dòng)切換故障識(shí)別準(zhǔn)確度越高，其計(jì)算公式為

式中：ε表示變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障識(shí)別率；TF表示正確識(shí)別故障樣本數(shù)量；TN表示錯(cuò)誤識(shí)別故障樣本數(shù)量。實(shí)驗(yàn)以雙電源切換開關(guān)狀態(tài)樣本數(shù)量為變量，利用式（7）計(jì)算3種技術(shù)故障識(shí)別率，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3種技術(shù)故障識(shí)別率對(duì)比

由表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)識(shí)別樣本數(shù)量達(dá)到10 000個(gè)時(shí)，設(shè)計(jì)技術(shù)故障識(shí)別率為95.13%，可以將識(shí)別率控制在95%以上，說明設(shè)計(jì)技術(shù)基本可以高精度識(shí)別出變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障，而2種傳統(tǒng)技術(shù)識(shí)別樣本數(shù)量達(dá)到10 000個(gè)時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)1故障識(shí)別率比設(shè)計(jì)技術(shù)低近44個(gè)百分點(diǎn)，傳統(tǒng)技術(shù)2低近50個(gè)百分點(diǎn)，證明在故障識(shí)別精度方面設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)的可行性，對(duì)3種技術(shù)應(yīng)用下變電站雙電源切換開關(guān)跨檔頻率對(duì)比，跨檔頻率越高則表示故障處理效果越差。在對(duì)故障開關(guān)處理完成之后對(duì)開關(guān)進(jìn)行試運(yùn)行，執(zhí)行電源切換動(dòng)作，總次數(shù)為10 000次，統(tǒng)計(jì)在運(yùn)行過程中開關(guān)跨檔頻率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3種技術(shù)應(yīng)用下開關(guān)跨檔頻率對(duì)比

由表2中數(shù)據(jù)可知，在設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用下變電站雙電源切換開關(guān)跨檔頻率較低，當(dāng)開關(guān)執(zhí)行切換動(dòng)作10 000次，開關(guān)跨檔頻率僅為0.08%，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)自動(dòng)切換。相比之下，當(dāng)開關(guān)執(zhí)行切換動(dòng)作10 000次，傳統(tǒng)技術(shù)1比設(shè)計(jì)技術(shù)高約14個(gè)百分點(diǎn)，傳統(tǒng)技術(shù)2比設(shè)計(jì)技術(shù)高約17%個(gè)百分點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)技術(shù)無論是在故障識(shí)別方面還是在故障處理效果方面，均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，更適用于變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障及處理。

5 結(jié) 論

自動(dòng)切換故障是變電站雙電源切換開關(guān)最為常見的故障，針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足與缺陷，提出了一個(gè)全新的處理技術(shù)，有效提高了故障識(shí)別率，降低了變電站雙電源切換開關(guān)跨檔頻率，提高了變電站雙電源切換開關(guān)自動(dòng)切換故障及處理工作自動(dòng)化、智能化水平，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。