柔性接觸網(wǎng)線(xiàn)夾故障診斷方法研究

劉 鵬

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 061000）

接觸網(wǎng)作為電力機(jī)車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力源，是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的重要部分，其中接觸網(wǎng)線(xiàn)夾極易出現(xiàn)輕微松動(dòng)現(xiàn)象，由此帶來(lái)局部過(guò)熱和燒傷的早期故障問(wèn)題，因此線(xiàn)夾松動(dòng)的早期識(shí)別是提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的重要措施。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，在電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已有很多溫度測(cè)量方法[1-3]，并且取得了不錯(cuò)的效果。然而，接觸網(wǎng)作為鐵路供電系統(tǒng)中規(guī)模最大的裸導(dǎo)體，工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷電流較大，目前檢驗(yàn)裸導(dǎo)體使用的紅外非接觸式測(cè)溫及其他模塊的接觸式測(cè)溫，只通過(guò)分析溫度的高低判定裸導(dǎo)體熱狀態(tài)的運(yùn)行范圍，極難排除早期故障，也難以分析隱患。因此接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評(píng)定仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要更深入的研究。

文獻(xiàn)[4-5]均是利用紅外測(cè)溫的基本原理，通過(guò)不同種類(lèi)的紅外探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)硬件和軟件測(cè)溫系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小來(lái)確定接觸網(wǎng)熱狀態(tài)。這種方法對(duì)溫度補(bǔ)償算法的要求較高，若考慮到時(shí)間等因素的限制便會(huì)有較大的誤差。文獻(xiàn)[6]通過(guò)差值計(jì)算裸導(dǎo)體接觸電阻變化量，提出了一套基于理論溫度與實(shí)際溫度對(duì)比值的以接觸電阻大小為告警閾值的裸導(dǎo)體健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7-8]提出一種基于紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量方案，根據(jù)熱狀態(tài)分布診斷設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。該方法需要配備高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)和合理的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，考慮到接觸網(wǎng)所處的環(huán)境因素和檢測(cè)成本，該方案在鐵路接觸網(wǎng)實(shí)際工況下實(shí)施難度較大。

基于上述問(wèn)題，本文將大數(shù)據(jù)聚類(lèi)（big data clustering，BDC）思想應(yīng)用于裸導(dǎo)體檢測(cè)，結(jié)合時(shí)間序列相似性度量（time series similarity measure，TSSM）方法，建立了一套接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，在測(cè)量裸導(dǎo)體溫度變化的基礎(chǔ)上，對(duì)裸導(dǎo)體的當(dāng)前性能和隱患進(jìn)行了綜合評(píng)估。

1 基于點(diǎn)密度函數(shù)加權(quán)的數(shù)據(jù)分析

由于該系統(tǒng)定時(shí)采樣的采樣數(shù)據(jù)是一連串同周期的離散點(diǎn)，不妨設(shè)采樣周期為T(mén)S，計(jì)算周期為T(mén)C，由此定義一個(gè)長(zhǎng)度為n 的數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口：

計(jì)算過(guò)程中窗口長(zhǎng)度n 都比較小，那么TC的取值一般小于TSo因此所分配到窗口的數(shù)據(jù)應(yīng)比較集中，而異常點(diǎn)和正常數(shù)據(jù)之間距離略遠(yuǎn)于正常數(shù)據(jù)之間的距離，常以單點(diǎn)的形式較為分散的分布在數(shù)據(jù)源兩側(cè)，由此可判斷為噪聲。然而如果發(fā)現(xiàn)待處理數(shù)據(jù)集中分布在若干個(gè)中心，則應(yīng)該判定為環(huán)境突變。

數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布情況可以近似看作鄰近度，即到k 個(gè)最接近數(shù)據(jù)點(diǎn)（最近鄰點(diǎn)）平均距離的倒數(shù)。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)Xi，其點(diǎn)密度函數(shù)為

式中：dij為Xi和Xj的歐式距離，e 為點(diǎn)密度范圍限定值。第l 個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口中的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)xl和yl之間的距離d（xl，yl）可用式（4）表示。

式中：m 為數(shù)據(jù)維數(shù)；xli為數(shù)據(jù)點(diǎn)xl在維度i 上的坐標(biāo)；yli代表數(shù)據(jù)點(diǎn)yl在維度i 上的坐標(biāo)。利用歸一化方法克服了多種維度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)相異的難點(diǎn)，歸一系數(shù)λ 的實(shí)際意義在于：可以準(zhǔn)確確定第l 個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理窗口Nl中所有正常數(shù)據(jù)點(diǎn)在維度i 上的總距離為Dli。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類(lèi)思想的熱狀態(tài)分析

接觸網(wǎng)局部過(guò)熱和燒傷是接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體常見(jiàn)的故障類(lèi)型。將裸導(dǎo)體過(guò)熱故障的所有歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)稱(chēng)為一簇C，采用接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體熱狀態(tài)評(píng)定系統(tǒng)算法的思想，通過(guò)式（7），可得鄰近度l（x，k）。

式中：d（x，y）是x 和y 之間的歐式距離，可由式（8）計(jì)算。

將所有歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式（7）中計(jì)算可得簇內(nèi)鄰近度（PWC）。將整個(gè)簇內(nèi)的歷史故障數(shù)據(jù)的PWC 做平均處理，得到C 的基準(zhǔn)鄰近度lref。

當(dāng)整個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與C 的鄰近度的數(shù)值變化越來(lái)越大時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)點(diǎn)與簇的距離反而越小，也就是說(shuō)在其附近區(qū)域，同時(shí)反映到的問(wèn)題就是出現(xiàn)故障的幾率越大。相對(duì)鄰近度lc（x，k）的計(jì)算表達(dá)式為：

3 基于時(shí)間序列相似性度量的趨勢(shì)預(yù)測(cè)

接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體發(fā)生故障前溫度的變化具有時(shí)序特征，對(duì)于具有潛伏故障風(fēng)險(xiǎn)的接觸網(wǎng)線(xiàn)夾，需要判斷其故障狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速度與趨勢(shì)。

3.1 確定待測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列

當(dāng)待評(píng)價(jià)設(shè)備的數(shù)據(jù)點(diǎn)x 和裸導(dǎo)體故障數(shù)據(jù)簇C間相對(duì)鄰近度處于區(qū)間[0.6，0.8]時(shí)，截取數(shù)據(jù)點(diǎn)x 在采集時(shí)刻前的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為待測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間列U，其步驟如下：

（1）取初始隊(duì)列U 的長(zhǎng)度為N。

（2）設(shè)定最后故障數(shù)據(jù)參數(shù)時(shí)間坐標(biāo)txN：初始采集時(shí)間為txN。

（3）獲取相對(duì)鄰近度。

（4）確定初始數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)標(biāo)tx1。

（5）獲取時(shí)間序列。

3.2 時(shí)間序列相似性度量計(jì)算

不同時(shí)間序列的相似性可以由其距離關(guān)系表示，時(shí)間序列的相似性與其距離關(guān)系成反比。一般情況下，時(shí)間序列距離可由歐式距離、編輯距離、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離等代替計(jì)算。其中，歐式距離體現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)維度間的直線(xiàn)距離，編輯距離用于計(jì)算兩字符串序列間轉(zhuǎn)化所需要的編輯步數(shù)。為了避免出現(xiàn)裸導(dǎo)體溫度信息時(shí)間序列數(shù)據(jù)元素錯(cuò)位造成的時(shí)間序列距離評(píng)估結(jié)果偏大的現(xiàn)象，在本文中選取了動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離來(lái)衡量?jī)蓵r(shí)間序列的相似性。時(shí)間序列U 和V 之間的動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離可以通過(guò)兩時(shí)間序列U 和V 間的最小路徑遞歸計(jì)算獲得。

由于在不同情況下有不同長(zhǎng)度的序列，為了測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，將計(jì)算所得的動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離經(jīng)過(guò)歸一化處理，由此判斷序列相似性的歸一距離可由公式（11）得到。

式中，N 為序列U 和序列V 的長(zhǎng)度。

4 接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)

4.1 狀態(tài)評(píng)價(jià)方法流程

接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)流程如圖1 所示。

圖1 方法流程圖

4.2 計(jì)算設(shè)備健康得分

lc（x，k）數(shù)值不超過(guò)0.6 的條件下，需要確定接觸網(wǎng)線(xiàn)夾的健康得分，以此來(lái)判斷該裝置的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于確定接觸網(wǎng)線(xiàn)夾故障j，可以將鄰近度轉(zhuǎn)化為裸導(dǎo)體與過(guò)熱故障相關(guān)的健康得分。如果設(shè)備狀態(tài)滿(mǎn)分設(shè)定為10 分，則設(shè)備的健康得分F（t）為：

5 算例分析

5.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本論文建立了一套能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裸導(dǎo)線(xiàn)接觸狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)；充分屏蔽載流大小和外部環(huán)境因素對(duì)裸導(dǎo)體實(shí)時(shí)測(cè)溫的影響，構(gòu)建裸導(dǎo)體接觸電阻與差動(dòng)溫度的數(shù)量關(guān)系；選擇接觸電阻微動(dòng)量作為故障判別特征，將差動(dòng)溫度的微弱變動(dòng)轉(zhuǎn)化為接觸電阻微動(dòng)量的顯著變化，做到裸導(dǎo)體接觸不良的早預(yù)判和早預(yù)警，并最終實(shí)現(xiàn)降低技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和保障鐵路供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)利用實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合不同規(guī)格型號(hào)和外界干擾因素下的裸導(dǎo)體錨段關(guān)節(jié)處測(cè)溫模型；利用數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，準(zhǔn)確提取出溫度特征和不同工作狀況下溫度門(mén)限值，并為實(shí)際應(yīng)用中的整定值整定提供數(shù)據(jù)支撐；利用visual studio 2017，基于C#開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)出了接觸網(wǎng)線(xiàn)夾實(shí)測(cè)溫度分析平臺(tái)，該平臺(tái)可自動(dòng)記錄測(cè)溫時(shí)間，記錄數(shù)據(jù)，按上述算法計(jì)算數(shù)據(jù)，輸出計(jì)算結(jié)果和相關(guān)參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，隱患報(bào)警等相關(guān)功能。

受該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件的影響，本論文模擬室外接觸網(wǎng)供電過(guò)程，搭建了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)中所選的線(xiàn)夾是鐵路接觸網(wǎng)JQJL06-2004 銅接觸線(xiàn)接頭線(xiàn)夾。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量過(guò)程均處在室外環(huán)境，但為了更清晰體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)回路中僅接入一個(gè)接觸線(xiàn)線(xiàn)夾，以此代替測(cè)量整個(gè)線(xiàn)夾組的溫度變化。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)16 分鐘，檢測(cè)到接觸網(wǎng)夾線(xiàn)故障時(shí)間為15 分鐘。在整個(gè)測(cè)溫過(guò)程中，接觸網(wǎng)線(xiàn)夾的實(shí)時(shí)溫度反映在“接觸網(wǎng)線(xiàn)夾實(shí)測(cè)溫度分析”界面，如圖4 所示。其中部分線(xiàn)夾組實(shí)測(cè)溫度如表1 所示。為驗(yàn)證接觸網(wǎng)裸導(dǎo)體發(fā)生故障前的溫度變化有時(shí)序特征，得到的部分線(xiàn)夾組的時(shí)間-溫度序列圖如圖5 所示。

圖4 溫度分析界面

表1 部分線(xiàn)夾實(shí)測(cè)溫度

圖5 時(shí)間-溫度序列圖

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)其中一個(gè)線(xiàn)夾組溫度偏高，溫度變化曲線(xiàn)上升速率較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)程序報(bào)警彈框，此時(shí)在時(shí)間序列分析中就會(huì)發(fā)現(xiàn)不合格的樣本。如圖6 所示，第2 條溫度變化曲線(xiàn)隨著時(shí)間的推移，溫度值不斷升高，在初始溫度值的基礎(chǔ)上大幅度變化，此測(cè)量結(jié)果表明該樣本不合格，已發(fā)生過(guò)熱故障。

圖6 不合格樣本

根據(jù)上述算法，該結(jié)果與后臺(tái)歸一距離反應(yīng)一致，結(jié)果如表2 所示。本方案可將歸一距離值和大量樣本故障記錄間關(guān)系編寫(xiě)故障時(shí)間預(yù)測(cè)功能，由于缺乏足夠的故障數(shù)據(jù)，該模塊暫時(shí)無(wú)法演示。

表2 時(shí)間序列歸一距離

6 結(jié)論

本文提出了一種新的柔性接觸網(wǎng)線(xiàn)夾熱狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，得到以下結(jié)論：

（1）該方法基于PDFW 對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，消除了噪聲數(shù)據(jù)的影響。利用聚類(lèi)思想，將接觸網(wǎng)線(xiàn)夾狀態(tài)劃分為三個(gè)類(lèi)別，進(jìn)而對(duì)接觸網(wǎng)線(xiàn)夾進(jìn)行故障診斷。

（2）利用實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合不同規(guī)格型號(hào)和外界干擾因素下的裸導(dǎo)體線(xiàn)夾測(cè)溫模型。

（3）在實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)功能過(guò)程中，需要事先收集不同規(guī)格裸導(dǎo)體線(xiàn)夾的故障數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)量對(duì)預(yù)測(cè)時(shí)間的精度影響較大。