基于關聯分析的配電柜故障自動化監測系統

吳俊興，黃墀志，張冬冬，劉傳毅

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

運行過程中，配電柜由于負荷集中且存在較多回路易出現故障[1]。目前，我國應用的配電柜故障自動化監測系統，主要采用主動自報的方式監測配電柜故障中的具體參數，并通過GPRS傳輸監測數據。此系統在實際應用中存在監測精度低的問題，且無法實時動態精準監測配電柜故障，經常會出現誤報警情況。關聯分析能夠通過關聯挖掘的方式發現項目集合中的相關性，同時具備覆蓋范圍廣、精度高、耗能低以及成本低廉等優勢。因此，本文基于關聯分析設計了一種新型配電柜故障自動化監測系統。

1 關聯分析

關聯分析的核心是Apriori算法。通過Apriori和AprioriTid等關聯規則挖掘，可加快整個挖掘過程。通過關聯分析中Apriori的計算，能夠搜索出配電柜故障自動化監測的最短傳輸路徑，從而提高配電柜故障自動化監測的精準度，為配電柜故障自動化監測提供理論依據。

2 基于關聯分析的配電柜故障自動化監測系統硬件設計

2.1 傳感器

本文設計的傳感器型號為MKBT-A500-E432，用于實時測量配電柜故障的電壓和電流等關鍵參數[2]。傳感器內置MPU-58974100芯片，如圖1所示。MPU-58974100芯片作為一種封裝的復合型芯片，能夠有效提高配電柜故障自動化監測的數據傳感精度，且能測量故障和非故障狀態下的配電柜運行參數，實現多種維度監測配電柜故障中的各項參數指標，從而滿足配電柜故障監測的要求。

2.2 專用集成電路

為確保系統中監測數據能夠高效傳輸，系統運用關聯分析中的Apriori性質設計了專用集成電路。將傳感器接收端的有效信號功率表格化，可縮小頻繁項集的搜索空間。本文設計的專用集成電路引入了關聯分析，通過專用的數據算法進行轉換，并傳輸配電柜故障中的各項監測數據，減小了信源信號的冗余度，將出現傳輸錯誤的幾率降至最低。

2.3 監測主機

圖1 MPU-58974100芯片原理圖

在專用集成電路的基礎上設計監測主機。監測主機型號為OM-A6 LKX2547777，帶獨立看門狗，具有大容量存儲器，無需依賴網絡即可完成配電柜配電、UPS、溫濕度、煙感以及圖像采集等運行參數，并采用集中監控管理方式，通過短信和電話等進行報警。在故障狀況下，監測主機可以完成關鍵數據監測、現場圖像采集、報警信息發布以及遠程控制等操作。

3 基于關聯分析的配電柜故障自動化監測系統軟件設計

基于關聯分析的配電柜故障自動監測流程，如圖2所示。初始化配電柜網絡后，編碼配電柜的故障信號特征，基于關聯分析法計算故障電壓電流數據，重構配電柜故障檢測信號傳輸路徑并接收監測數據，對數據執行匯編代碼并轉換為數字格式，通過計算數字格式的故障數據的映射值輸出終端監測數據。

3.1 基于關聯分析計算配電柜故障電壓和電流數據

配電柜故障自動化監測時，首先進行網絡初始化，根據提取的配電柜故障特征設計拓撲結構[3]，然后利用關聯分析對配電柜故障特征進行權值和閾值編碼，得到故障電壓和電流數據初始種群。利用關聯分析編碼時，對不符合故障電壓和電流數據的權值和閾值采用實數編碼法，通過關聯分析訓練獲得故障電壓和電流數據誤差平方和的倒數作為適應函數。設配電柜故障電壓和電流數據誤差平方和的倒數為f：

圖2 配電柜故障自動監測流程圖

式中，m為適應度高的已編碼配電柜故障特征權值；i為輸出神經元的配電柜故障特征個數，為實數；ti為配電柜故障第i個特征輸出的期望值；ai為配電柜故障第i個特征輸出的實際值。求得配電柜故障電壓和電流數據誤差平方和的倒數后，對選取的配電柜故障電壓和電流數據進行個體之間的交叉和個體自身的變異，從而得出故障電壓和電流數據[4]。

基于關聯分析計算故障電壓和電流數據的激活函數，發現其與理想sigmoid函數擬合狀態良好。利用關聯分析的迭代過程，結合輸出神經元的交叉計算，提高配電柜故障電壓和電流數據計算的精準度。

3.2 自動化追蹤配電柜故障監測信號

在基于關聯分析計算配電柜故障電壓和電流數據的基礎上，明確配電柜故障監測信號的發射點與傳輸路徑[4,5]。基于關聯信號分析，假定監測振動信號可表示配電柜故障的實時狀態，從而重構配電柜故障監測信號在傳輸路徑上的排列。利用配電柜故障監測信號的映射函數與信號庫映射的方式，接收配電柜故障監測數據，從而推理監測信號的故障點。

3.3 配電柜故障監測數據處理

接收配電柜故障監測數據后，配置故障監測數據的匯編代碼。通過關聯分析統一配電柜故障監測信息中的參數屬性，將配電柜故障監測信息屬性與語義關系相關聯，強化各部分之間的互聯共享。本文采用XCOM V2.0定點模塊對故障監測數據執行匯編代碼，每個配電柜故障監測數據信號分配一個唯一標識，并將信號轉換為數字形式，從而減少配電柜故障監測數據中的冗余值。

3.4 顯示配電柜故障監測結果

監測數據處理后，將系統故障監測報警功能連接后臺，并顯示出配電柜故障的監測數據。數字形式數據在終端的顯示映射取值范圍設置在0～1，通過計算每個數據的映射值來獲得配電柜故障的監測結果。配電柜故障監測結果Q的表達式為：

式中，K為配電柜故障監測數字形式數據的可信任度；E為配電柜故障的電壓值；φ為配電柜故障的電流值，η為映射值。計算得出的映射值是配電柜故障監測的關鍵依據，同時結合監測數據的實時傳遞情況和傳輸終端數據，最終顯示數據信息，從而實現配電柜故障的監測。

4 實例分析

4.1 實驗準備

為構建實例分析，選取某配電柜為實驗對象，并設計配電柜故障的基本參數，如表1所示。

表1 配電柜故障參數

根據表1，通過Weapectl 1.2.1軟件獲取本文設計系統和傳統監測系統的監測誤報警率。監測誤報警率越低，說明監測精度越高。實驗中共設置7個測試點位，分別為2 mA、3 mA、4 mA、5 mA、6 mA、7 mA和8 mA。

4.2 實驗結果分析與結論

整理實驗結果，如圖3所示。可見，本文設計系統監測的誤報警率明顯低于傳統監測系統，具有更高的實際應用價值。

圖3 監測誤報警率對比圖

5 結 論

基于關聯分析的配電柜故障自動化監測系統能夠解決傳統配電柜故障自動化監測中存在的問題，優化配電柜故障的自動化監測，具有重要的現實意義。下一步應加大關聯分析在配電柜故障自動化監測中的應用力度，以提高配電柜的綜合性能。