建筑電氣系統(tǒng)故障診斷方法研究

李浩儒 中國核電工程有限公司河北分公司

電能已成為人類最重要的能源之一，建筑電氣系統(tǒng)在保障人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活方面發(fā)揮著重要作用。伴隨著用電量大幅度增加，電氣火災作為一種主要災害類型，給人民的生命和財產(chǎn)造成的損失也與日俱增。當電氣火災故障發(fā)生后，探測器雖然能夠感知故障現(xiàn)象的存在，但不能準確提供故障的位置信息，很大程度上延誤了電氣故障處置時機，可能導致事故升級。目前電氣故障定位研究主要集中于高壓電力系統(tǒng)輸電線纜，而在建筑電氣系統(tǒng)的方面故障定位研究還較少，建筑電氣系統(tǒng)的故障定位主要依靠人工排查來實現(xiàn)，對于短路，由于故障現(xiàn)象明顯很容易排查，而諸如接觸不良、過載、斷相、漏電等電氣故障，隱蔽性較強，很難及時發(fā)現(xiàn)并排除，電氣火災隱患將長期存在，很容易引發(fā)電氣火災事故。

一、貝葉斯方法

貝葉斯方法是在理論的基礎上進行發(fā)展而得到的推理統(tǒng)計方法。該種方法是以貝葉斯公式為基礎，基于現(xiàn)有的樣本信息先驗信息，對后驗信息進行計算分析，從而推算未知參數(shù)的方法。對先驗信息在基于樣本信息的基礎上進行調(diào)整，以取得后驗信息即為貝葉斯定理。

（一）貝葉斯網(wǎng)絡

當前最為理想的概率推理模型即為貝葉斯網(wǎng)絡，其理論基礎較為嚴格，能夠根據(jù)較為形象的圖形來取得相關知識，并按照條件概率的方式進行隨機變量影響程度的表達，當前在不確定問題的推理分析上多有應用。將貝葉斯網(wǎng)絡應用到故障診斷當中，主要環(huán)節(jié)包括建立網(wǎng)絡節(jié)點間的連接關系，再確定各節(jié)點條件概率分布情況。以有向無環(huán)的方式進行貝葉斯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型的建立，系統(tǒng)變量以節(jié)點的方式表示，各變量間的因果關系和相關程度則通過有向邊和條件概率的方式表達。在建模完成之后，該網(wǎng)絡即代表了模型的最佳知識，可通過相關計算公式求解各變量的依賴關系以及概率分布情況。在獲得具體模型信息數(shù)據(jù)之后，將其輸入該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，即可以全局更新的方式更換各自的因果關系和變量。

（二）樸素貝葉斯分類器

通過各待分類項，對各分類項中可能出現(xiàn)的各類別概率進行計算，通過有著最大概率分布的類別確定眾多分類項的歸屬類別即為樸素貝葉斯分類的主要思想。對于樸素貝葉斯分類器而言，需先確定樣本數(shù)據(jù)中各類別出現(xiàn)的最大可能性，即極大后驗假設。此過程可通過貝葉斯公式進行計算確定。

二、基于貝葉斯網(wǎng)絡的建筑電氣故障診斷系統(tǒng)

文章基于某實驗平臺為背景，取得了10 組故障數(shù)據(jù)。在建筑物結(jié)構(gòu)中，線路阻抗、電阻連續(xù)性故障、接地電阻以及絕緣電阻故障是較為常見的電氣系統(tǒng)故障類型，為便于后續(xù)分析，文章將分別用E1 到E5 的符號來代表上述故障類型。將貝葉斯結(jié)構(gòu)輸入MATLAB 中，以建立計算模型。若需定義貝葉斯網(wǎng)絡，需指定其具體參數(shù)，文章所采用的方式為矩陣方式，即當有一條有向邊出現(xiàn)在i 節(jié)點到j 節(jié)點之間時，所對應矩陣為1，反之則為0。為便于分析，文章將節(jié)點各自編號定義如下：以1～5 的數(shù)字代表E1 到E5 故障類型，以6～15 代表10 種故障類型。文章共采集了55 組試驗數(shù)據(jù)，其中各組維數(shù)均為10，并且每隔開11 組即確定一種設定狀態(tài)，以確定網(wǎng)絡模型匯中的條件概率分布情況?；谠\斷電氣故障的工作特點，在按照上述方法確定條件概率分布情況，并學習了少量數(shù)據(jù)參數(shù)之后，能夠顯著提高建筑電氣故障診斷的精度。在所采集的55 組數(shù)據(jù)中，用于參數(shù)學習的共有25 組。

從具體診斷結(jié)果來看，當建筑電氣系統(tǒng)出現(xiàn)E1 故障時，所建立模型中的貝葉斯網(wǎng)絡在學習參數(shù)的前后均表現(xiàn)出能夠?qū)1 故障進行診斷的結(jié)果。在學習參數(shù)前，診斷E1，E2 和E3 故障出現(xiàn)的診斷概率分別為0.834、0.2442 以及0.3165；在完成參數(shù)學習之后，診斷E1，E2，E3 故障出現(xiàn)的診斷概率分別為0.9146、0.1647 以及0.2184?？梢姡趯W習完參數(shù)之后，能夠較好地提高模型診斷精度。在學習參數(shù)前后E4 和E5 的故障發(fā)生概率均為0.0916。

對貝葉斯診斷模型在參數(shù)學習前后的分類效果進行測試可發(fā)現(xiàn)：在診斷測試中共進行了8 組試驗，其中出現(xiàn)了錯誤分類的分別為5、7、9 號樣本。當模型學習完參數(shù)之后，共對15 組試驗開展了診斷測試，在此過程中，貝葉斯診斷模型能夠完整有效地診斷出15 組樣品的故障類型。由此可知，在學習完參數(shù)之后，貝葉斯故障診斷的效果明顯提高，能夠在不斷更新的建筑電氣系統(tǒng)中應用。

三、結(jié)束語

文章主要對貝葉斯方法及其網(wǎng)絡等理論內(nèi)容進行了探討。通過樸樹貝葉斯的理論方法，基于某實驗平臺所獲取的故障數(shù)據(jù)，建立其電氣故障的診斷模型。在貝葉斯網(wǎng)絡中應用樸素貝葉斯獲取了條件概率分布情況，并對參數(shù)學習前后數(shù)據(jù)進行了對比，確定出參數(shù)學習前后模型診斷效果，基于仿真測試結(jié)果可知，該模型能夠取得較好的故障診斷效果。通過上述分析可知，該診斷模型在學習完參數(shù)之后，通過貝葉斯模型能夠較好地自我調(diào)整，從而顯著提高了診斷的精度。隨著樣品診斷數(shù)量的提高，該診斷模型的診斷精度不斷提高，該種增量特點能夠使得模型精度以增加樣本數(shù)量的方式不斷疊加，具備足夠的優(yōu)勢。但對于其診斷精度而言，因樸素貝葉斯分類器所需的樣本數(shù)據(jù)支撐量較大，尚不適合在小樣本中使用。