基于PCA和聚類的斷路器分合閘線圈電流研究

李春鋒，孔海洋，王　璇，方福歆，關(guān)偉民

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)公司電務(wù)廠，河南 平頂山　467000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢　430072)

基于PCA和聚類的斷路器分合閘線圈電流研究

李春鋒1，孔海洋2，王璇2，方福歆2，關(guān)偉民2

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)公司電務(wù)廠，河南 平頂山467000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072)

摘要：斷路器的機(jī)械特性故障可以通過分合閘線圈電流反應(yīng)。通過對(duì)分合閘線圈的電流分析提取出7個(gè)時(shí)間和電流特征量，對(duì)所有特征量進(jìn)行主分量分析(PCA)，在保留原特征量信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)的降維可視化。對(duì)降維后的數(shù)據(jù)通過K-means聚類分析，經(jīng)過大量樣本的學(xué)習(xí)，即可直觀地區(qū)分?jǐn)嗦菲鞯恼Ｅc各種故障狀態(tài)。該研究方法為高壓斷路器的實(shí)時(shí)在線故障診斷提供了一種新途徑，與人工識(shí)別線圈電流波形判斷故障相比，利用機(jī)器識(shí)別具有更高的可靠性和工作效率。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器；線圈電流；PCA；聚類分析

斷路器的分合閘線圈的電流波形可以間接反應(yīng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，目前，國(guó)內(nèi)外基于分合閘電流信號(hào)對(duì)斷路器的機(jī)械故障監(jiān)測(cè)已取得一定的成果，文獻(xiàn)[1]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)斷路器的機(jī)械狀態(tài)；文獻(xiàn)[2]提出了一種通過對(duì)分合閘線圈電流進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)而對(duì)斷路器狀態(tài)進(jìn)行決策支持的方法；文獻(xiàn)[3]用支持向量機(jī)對(duì)分合閘電流信號(hào)進(jìn)行分類，然后診斷斷路器的不同機(jī)械故障；文獻(xiàn)[4]利用小波分析和動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整相結(jié)合的方法分析分合閘電流信號(hào)，得到斷路器的狀態(tài)信息。 而本文闡述了一種根據(jù)分合閘線圈電流信號(hào)來進(jìn)行故障自動(dòng)判定的方法，較上述方法更為簡(jiǎn)單易行，且具有較高的準(zhǔn)確性。具體的首先通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分合閘線圈的電流，提取出電流波形的時(shí)間及電流特征量，采用主分量分析的方法對(duì)多維特征量降維，從而得到新的二維特征量。經(jīng)過對(duì)歷史線圈電流數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，繪制出二維特征量的特征圖譜，然后對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行K-means聚類分析，即可區(qū)分出正常點(diǎn)與故障點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)新的線圈電流數(shù)據(jù)時(shí)，同樣對(duì)其進(jìn)行上述分析，從特征圖譜中新數(shù)據(jù)的落點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)斷路器的故障判定。通過對(duì)變電站斷路器分合閘線圈電流的分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性。本方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)斷路器故障進(jìn)行判定，省去了人工識(shí)別的諸多不便，同時(shí)可以對(duì)斷路器的故障狀態(tài)做出預(yù)判，這對(duì)于斷路器的狀態(tài)檢修有重要的指導(dǎo)意義。

1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要采集斷路器主副分閘線圈和合閘線圈電流，并對(duì)其電流波形進(jìn)行數(shù)字化處理與分析。采集分合閘線圈電流信號(hào)采用的是霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器響應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量精度高，特別適合測(cè)量微小電流。電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中輸入電流為I1，通過傳感器內(nèi)部的互感線圈輸出電流為I2，輸入輸出電流的關(guān)系為I1N1=I2N2。

圖1　霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)圖

將傳感器采集到的電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理部分的濾波、轉(zhuǎn)換等變換成電壓信號(hào)，通過IS0124隔離放大器將此電壓信號(hào)放大到AD7606端口所需的電壓，由AD7606將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到STM32微處理中。STM32將處理后的數(shù)據(jù)，通過RS-422接口傳送給上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[5]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2原理分析

高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級(jí)控制件。大多數(shù)斷路器均以直流為其控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著豐富的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性信息，反映電磁鐵本身以及所控制的鎖門或閥門以及連鎖觸頭在操動(dòng)過程中的工作情況。因此，斷路器分合閘線圈的電流是斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容[6]。高壓斷路器的分合閘線圈回路可等效為電阻與電感的串聯(lián)，其等值電路如圖3所示。

圖3　斷路器分/合閘線圈等值電路圖

圖3中，R為線圈的等效電阻，L為等效電感，i為線圈電流，則電路的微分方程為

(1)

其中，ψ=Li為分合閘線圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁鏈，L不隨i變化，但與氣隙δ有關(guān)，則有

(2)

通過解微分方程可以得到分合閘過程中線圈電流的波形如圖4所示。

圖4　分合閘線圈電流波形

通過監(jiān)測(cè)分合閘線圈的電流波形可獲取斷路器的狀態(tài)信息，因此選擇采集主副分閘線圈和合閘線圈電流，并對(duì)電流信號(hào)波形進(jìn)行分析。選擇斷路器分合閘過程的各極值電流及其時(shí)間點(diǎn)，作為波形的各特征量值。

圖4中，t0～t1為鐵芯觸動(dòng)階段，其中t0為斷路器分(合)命令到達(dá)時(shí)刻，是斷路器分合時(shí)間計(jì)時(shí)起點(diǎn)。t1為線圈電流上升到I1，足以驅(qū)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)，即鐵芯開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻。

t1～t2為鐵芯在電磁力作用下，克服重力和彈簧力等阻力開始加速運(yùn)動(dòng)，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)為止。這一階段可以反映鐵心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否發(fā)生卡滯、脫扣、負(fù)載變動(dòng)的情況。

該系統(tǒng)以機(jī)動(dòng)車為載體，針對(duì)移動(dòng)指揮特性的需求，集成多種通信手段，提供數(shù)據(jù)感知、傳輸和共享功能，配置單兵圖傳，開發(fā)了車載指揮決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)集信息采集、實(shí)景監(jiān)控、遠(yuǎn)程會(huì)商、輔助決策、指揮調(diào)度為一體，作為固定指揮中心的有效延伸，充分發(fā)揮省市系統(tǒng)互聯(lián)、資源共享、統(tǒng)一調(diào)度優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提高了防汛防旱應(yīng)急指揮能力。

t2～t3為通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)斷路器觸頭分、合閘的過程。t2時(shí)鐵芯停止運(yùn)動(dòng)，而觸頭則在t2后開始運(yùn)動(dòng)。t3為斷路器輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻，t2～t3可以反映斷路器操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

t3-t4為電流開斷過程。t3時(shí)刻后會(huì)出現(xiàn)一段相對(duì)穩(wěn)態(tài)過程，t4時(shí)刻斷路器分合閘過程結(jié)束[8-10]。

因此，通過分析線圈電流波形的t1、t2、t3、t4、I1、I2、I3等特征量可以分析并計(jì)算出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥鐵閂以及輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，并根據(jù)斷路器自身參數(shù)，比較判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)是否有鐵芯空行程，彈簧卡滯等故障，從而監(jiān)測(cè)出斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，預(yù)告故障。例如I1、I2、I3三個(gè)電流可分別反映電源電壓、線圈電阻以及鐵芯運(yùn)動(dòng)的速度信息[11]。所以，斷路器分合閘線圈的電流曲線對(duì)分析斷路器的機(jī)械操動(dòng)特性具有重要意義。變電站實(shí)際監(jiān)測(cè)的斷路器分合閘線圈電流如圖5和圖6所示。

圖5　實(shí)測(cè)分閘線圈電流

圖6　實(shí)測(cè)合閘線圈電流

3主分量分析

由于提取的分合閘線圈電流特征量多，采用主分量分析(Principal Component Analysis)的方法對(duì)提取的特征量進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，從而大大簡(jiǎn)化分析過程。PCA的目的是尋找一個(gè)最優(yōu)化的特征子空間，使觀測(cè)數(shù)據(jù)在此特征子空間下進(jìn)行投影，并獲得有最大方差的分量。PCA就是尋找一個(gè)正交變換矩陣，使得多維數(shù)據(jù)進(jìn)行正交變換后，其變換后的新分量之間互不相關(guān)。PCA的出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)n維隨機(jī)向量x=(x1，x2，…xn)T，向量x首先用去均值的方法進(jìn)行中心化。

x←x-E{x}

(3)

然后求得向量的樣本協(xié)方差矩陣Cx，

Cx=E{xxT}

(4)

前m個(gè)主分量y1，y2，…ym的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為

(5)

當(dāng)P(m)大于設(shè)定門檻值，就可取前m個(gè)主分量來表征原始信息。這樣就把x通過變換矩陣e1，e2，…，em線性變換到另一個(gè)m維向量y，m

圖7　PCA二維效果圖

圖8　方差貢獻(xiàn)率

4聚類分析

線圈電流特征量PCA后，為了判別二維特征量的正常與故障狀態(tài)，采用K-means聚類分析。K-means聚類也被稱為K均值聚類，是應(yīng)用最為廣泛的一種聚類方法，這里K即為分類的個(gè)數(shù)。K-means聚類的目標(biāo)是將N維的數(shù)據(jù)點(diǎn)自動(dòng)歸類，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征識(shí)別。K-means聚類步驟如下：

1) 任意選擇K個(gè)對(duì)象作為初始的聚類中心。

2) 計(jì)算每一點(diǎn)到聚類中心的距離，將數(shù)據(jù)點(diǎn)分到距離最近的聚類中。

3) 所有對(duì)象分配完成后，重新計(jì)算聚類中心。

4) 與前一次計(jì)算得到的K個(gè)聚類中心比較，如果聚類中心發(fā)生變化，返回第2步迭代，否則輸出聚類結(jié)果[14]。

對(duì)15組主分量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，設(shè)置分為正常和故障兩類，聚類后效果圖如圖9所示。10組正常波形特征點(diǎn)聚集為一類，5組故障波形特征點(diǎn)較為分散，且與正常點(diǎn)有明顯區(qū)分，其分類結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖9　聚類后主分量圖

利用少量隨機(jī)樣本對(duì)故障識(shí)別程序進(jìn)行訓(xùn)練，再利用典型的正常和故障樣本進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證分類結(jié)果。當(dāng)出現(xiàn)故障未知的分合閘電流波形時(shí)，同樣進(jìn)行PCA和聚類分析，再映射到相應(yīng)的特征分量圖譜中，就能夠判定該電流波形屬于何種狀態(tài)。聚類是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)的過程，在完成對(duì)新數(shù)據(jù)的判定后，同時(shí)重新將正常與故障特征數(shù)據(jù)保存，從而不斷更新故障判定系統(tǒng)，提高判定的準(zhǔn)確性。

典型的正常與故障波形樣本進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果如圖10與圖11所示。正常的分合閘線圈電流主分量經(jīng)K-means聚類后歸到了正常的類別，而故障電流主分量歸到了故障的類別。整個(gè)判定過程隨樣本點(diǎn)的增多而不斷更新，最終形成故障樣本庫(kù)，通過該樣本庫(kù)可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)故障類別的判定。

圖10　正常波形

圖11　故障波形

通過對(duì)變電站斷路器線圈電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的判定，驗(yàn)證了K-means聚類方法對(duì)正常特征點(diǎn)與故障特征點(diǎn)的區(qū)分效果。該方法可實(shí)現(xiàn)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的機(jī)器判別，同時(shí)可作為斷路器故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輔助故障判別手段。

5結(jié)語

高壓斷路器的故障主要為機(jī)械特性故障，尤其是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問題比較突出，嚴(yán)重影響斷路器的可靠運(yùn)行和電力系統(tǒng)的安全。本文研究了一種基于PCA和K-means聚類分析的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障判別方法，原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)分合閘線圈電流信號(hào)中的關(guān)鍵特征量進(jìn)行PCA降維，畫出二維主分量圖譜，并對(duì)圖譜中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行聚類，實(shí)現(xiàn)了故障波形與正常波形的劃分。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，可實(shí)現(xiàn)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的預(yù)判。經(jīng)過對(duì)變電站實(shí)測(cè)分合閘電流波形的分析，驗(yàn)證了本方法的可靠性，并且有較高的工作效率，這對(duì)斷路器在線監(jiān)測(cè)有重要的參考價(jià)值，對(duì)及時(shí)做出檢修決策，減少事故的發(fā)生有重要的指導(dǎo)意義。

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(本文編輯：趙艷粉)

Research of the Circuit Breakers′ Switching Coil Currents Based on PCA and Clustering Algorithm

LI Chun-feng1, KONG Hai-yang2, WANG Xuan2, FANG Fu-xin2, GUAN Wei-min2

(1. Electric Factory of China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan 467000, China;2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:The mechanical failure of circuit breakers can be responded by switching coil current. This paper extracted seven time and current characteristics through the analysis of switching coil current, and analyzed all characteristics using Principal Component Analysis (PCA). This method can not only retain the original information of the characteristic, but also implement the dimension reduction and visualization of multidimensional data. Through K-means clustering analysis of the data after dimension reduction, and after a large sample of study, we can distinguish between normal and all kinds of fault state of circuit breakers intuitively. The research method provides a new way for real-time online fault diagnosis of HV circuit breakers. Compared with judging fault using the artificial identification of the switching coil current waveform, the machine identification will have higher reliability and working efficiency.

Key words:HV circuit breaker; coil currents; PCA; clustering analysis

DOI：10.11973/dlyny201601007

作者簡(jiǎn)介：李春鋒(1978)，男，工程師，長(zhǎng)期從事電氣設(shè)備的維護(hù)和管理。

中圖分類號(hào)：TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-10-15