基于免疫Agent的電力電纜線路故障檢測(cè)系統(tǒng)

呂 超，李 赫，劉文杰，鄭大鵬，李 寧

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 011200）

電力電纜是用于分配、傳輸電能的線路。作為電力系統(tǒng)的主干結(jié)構(gòu)之一，電力電纜對(duì)于電能信號(hào)的負(fù)載能力極強(qiáng)[1]。

電力電纜線路故障是由故障信號(hào)、非故障信號(hào)混合現(xiàn)象導(dǎo)致的電量不合理分配問題。若不能準(zhǔn)確定位故障信號(hào)所處位置，則會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)過度消耗問題。

為避免上述情況的發(fā)生，基于MW-KECA 與變量貢獻(xiàn)SVDD 的檢測(cè)系統(tǒng)借助SVDD 分類器回路，對(duì)電信號(hào)時(shí)變特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，又按照非線性原則，將故障信號(hào)、非故障信號(hào)區(qū)別開來[2]。然而此系統(tǒng)的應(yīng)用能力有限，難以滿足準(zhǔn)確檢測(cè)電力電纜線路故障行為的需求。

Agent 是一種同時(shí)具有意圖、目標(biāo)、信念等認(rèn)知屬性與交互、協(xié)商、規(guī)劃等行為屬性的自主計(jì)算實(shí)體，在智能特性方面的表現(xiàn)能力較好，可以快速完成對(duì)高級(jí)應(yīng)用問題的求解。免疫Agent 是以多個(gè)Agent協(xié)調(diào)實(shí)體為基礎(chǔ)構(gòu)建的自治系統(tǒng)，可以與分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相融合，從而在篩選具有極強(qiáng)適應(yīng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)象的同時(shí)，將衰退特征較為明顯或異體抵抗能力較弱的節(jié)點(diǎn)對(duì)象排除在外[3-4]。

基于上述分析，為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，針對(duì)基于免疫Agent 的電力電纜線路故障檢測(cè)系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)。

1 前端檢測(cè)裝置

1.1 前端檢測(cè)電路

前端檢測(cè)電路可以為故障分析模塊、測(cè)距方式切換模塊提供電量驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而使得檢測(cè)主機(jī)能夠準(zhǔn)確定位電力電纜線路故障行為所處區(qū)域。在智能電網(wǎng)環(huán)境中，電力電纜線路的布局滿足一致性原則，因此，無論是故障信號(hào)還是非故障信號(hào)都只能由電網(wǎng)高壓端傳輸至電網(wǎng)低壓端[5-6]。

FPGA 諧波檢測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)感知故障信號(hào)與非故障信號(hào)之間的傳輸配比關(guān)系，在內(nèi)阻數(shù)值保持不變的情況下，故障信號(hào)的傳輸占比量越大，F(xiàn)PGA諧波檢測(cè)設(shè)備所承擔(dān)的負(fù)載電壓數(shù)值也就越大。此時(shí)，示波器元件內(nèi)部傳輸電流的數(shù)值水平也就相對(duì)較大。完整的前端檢測(cè)電路連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前端檢測(cè)電路連接結(jié)構(gòu)

作為智能電網(wǎng)的兩個(gè)連接端口，VCC 端電壓水平始終高于VDD 端。

1.2 故障分析模塊

故障分析模塊可以在接收前端檢測(cè)電路輸出的傳輸電量信號(hào)的同時(shí)，判斷電力電纜線路故障行為的具體表現(xiàn)情況。一般來說，故障信號(hào)的傳輸占比量越大，該模塊所需承擔(dān)的數(shù)據(jù)樣本處理量也就越大[7-8]。假設(shè)α表示故障信號(hào)標(biāo)記系數(shù)，Zα表示故障信號(hào)α的實(shí)時(shí)傳輸特征，其取值范圍如下：

在式（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)c表示故障行為定位系數(shù)的初始賦值，δ表示故障指征，β表示故障信號(hào)提取系數(shù)，ΔZ表示電力電纜線路故障信號(hào)的單位累積量，表示故障信號(hào)的傳輸步長值向量，建立故障分析模塊的輸出量為：

在電力電纜線路故障輸出量不為零的情況下，式（2）的取值也不可能為零。

1.3 測(cè)距方式切換模塊

測(cè)距方式切換模塊對(duì)于ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制作用包括D、CLK、CLR 三種形式。D 形式作用下，電力電纜線路故障信號(hào)快速輸入ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備；CLK形式作用下，非故障信號(hào)輸入ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備；CLR 形式作用下，故障信號(hào)、非故障信號(hào)同時(shí)輸入ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備[9]。完整的測(cè)距方式切換模塊連接原理如圖2所示。

圖2 測(cè)距方式切換模塊連接原理

若故障信號(hào)所處位置距離電力電纜線路中控主機(jī)相對(duì)較遠(yuǎn)，ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所承擔(dān)的信號(hào)總量也就相對(duì)較多；反之，若二者距離較近，則表示ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所承擔(dān)的信號(hào)總量相對(duì)較少[10]。

2 故障檢測(cè)原理

2.1 免疫Agent檢測(cè)原理

免疫Agent 檢測(cè)理論的實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)初始化、檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。由于測(cè)距方式切換模塊可以獨(dú)立完成由傳輸數(shù)據(jù)到檢測(cè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)所接收到故障信號(hào)數(shù)據(jù)的排列形式，始終與Agent 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的分布狀態(tài)保持一致[11-12]。設(shè)ε表示一個(gè)隨機(jī)選取的Agent 節(jié)點(diǎn)邊界系數(shù)，基于系數(shù)ε的電力電纜線路故障信號(hào)數(shù)據(jù)初始化處理表達(dá)式為：

其中，Vε表示故障數(shù)據(jù)檢測(cè)特征，Bε表示故障數(shù)據(jù)查詢特征。聯(lián)立式（2）、式（3），可將免疫Agent檢測(cè)表達(dá)式定義為：

式中，γmin表示故障數(shù)據(jù)發(fā)送特征的最小取值，γmax表示最大取值，σ表示故障信號(hào)傳輸參量。基于免疫Agent 檢測(cè)原理處理電力電纜線路故障數(shù)據(jù)，既能夠幫助檢測(cè)主機(jī)將故障信號(hào)與非故障信號(hào)區(qū)別開來，也可以避免故障傳輸信號(hào)對(duì)檢測(cè)主機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性造成的影響。

2.2 提取故障特征

由于免疫Agent 檢測(cè)理論對(duì)于待處理數(shù)據(jù)的選取機(jī)制并不細(xì)致，因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜線路故障行為的準(zhǔn)確定位，還需要根據(jù)具體提取原則，將故障信號(hào)與非故障信號(hào)區(qū)別開來[13-14]。設(shè)χ表示基于免疫Agent 檢測(cè)理論的非故障信號(hào)波頻度量系數(shù)，f表示故障信號(hào)波頻度量系數(shù)，表示非故障信號(hào)的波動(dòng)特征，k′表示故障信號(hào)波動(dòng)特征。聯(lián)立式（4），可將電力電纜線路故障特征的提取表達(dá)式為：

檢測(cè)系統(tǒng)的主要運(yùn)行目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障信號(hào)與非故障信號(hào)的準(zhǔn)確辨別，所以要求系數(shù)、系數(shù)k′不能取得相同數(shù)值。

2.3 檢測(cè)插值

插值指標(biāo)可以理解為距離待測(cè)電力電纜線路故障信號(hào)與檢測(cè)主機(jī)完全相等的節(jié)點(diǎn)，在免疫Agent 理論的認(rèn)知中，插值節(jié)點(diǎn)與免疫賦值節(jié)點(diǎn)類似，都可以用來描述主機(jī)元件對(duì)于待處理數(shù)據(jù)的檢測(cè)強(qiáng)度[15-16]。設(shè)φn表示n個(gè)隨機(jī)選取的電力電纜線路故障信號(hào)，L1表示插值節(jié)點(diǎn)與待測(cè)故障信號(hào)之間的間隔距離，L2表示插值節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)之間的間隔距離，聯(lián)立式（5），可將基于免疫Agent 的檢測(cè)插值求解結(jié)果表示為：

在電力電纜線路總長難以被準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的特殊情況下，可以將檢測(cè)插值看作一個(gè)虛擬指標(biāo)。對(duì)于系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)來說，通過多次改變插值指標(biāo)取值的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)與非故障信號(hào)的準(zhǔn)確辨別。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

設(shè)計(jì)圖3 所示的實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)A/D 計(jì)量裝置中的電信號(hào)示數(shù)值來判斷電路環(huán)境中是否存在故障行為。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)電路

分別將圖4 所示故障電纜與非故障電纜接入圖3 的電路中，記錄在電力電纜線路故障、非故障情況下，電信號(hào)波頻的具體數(shù)值。

圖4 實(shí)驗(yàn)用電力電纜線路

實(shí)驗(yàn)過程如下：首先在StarReport 軟件中輸入免疫Agent 算法執(zhí)行程序，閉合實(shí)驗(yàn)回路，記錄故障、非故障情況下，電信號(hào)波頻的具體數(shù)值，將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果記為實(shí)驗(yàn)組變量；然后在StarReport 軟件中輸入MW-KECA 算法執(zhí)行程序，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記為對(duì)照組變量；最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 結(jié)果與結(jié)論

在檢測(cè)電力電纜線路故障時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)能否準(zhǔn)確區(qū)分故障信號(hào)與非故障信號(hào)是關(guān)鍵影響要素，若主機(jī)元件對(duì)于故障信號(hào)與非故障信號(hào)的檢測(cè)波頻不同，則表示在發(fā)生故障行為時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)可以針對(duì)電力電纜線路故障行為進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

圖5、圖6 分別反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組系統(tǒng)對(duì)于故障信號(hào)與非故障信號(hào)傳輸波頻的檢測(cè)情況。

圖5 故障信號(hào)檢測(cè)波頻

圖6 非故障信號(hào)檢測(cè)波頻

圖5 中，在5 s 的檢測(cè)時(shí)長內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組都獲得了3 組故障信號(hào)波頻檢測(cè)曲線。其中，實(shí)驗(yàn)組曲線分布區(qū)間為10～20 Hz、40～50 Hz、60～70 Hz；對(duì)照組曲線分布區(qū)間為10～20 Hz、30～40 Hz、40～50 Hz。

圖6 中，在5 s 的檢測(cè)時(shí)長內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組也都獲得了三組非故障信號(hào)波頻檢測(cè)曲線。其中，實(shí)驗(yàn)組曲線分布區(qū)間為20～30 Hz、30～40 Hz、50～60 Hz；對(duì)照組曲線分布區(qū)間為30～40 Hz、50～60 Hz、60～70 Hz。

對(duì)比圖5、圖6 可知，在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組檢測(cè)系統(tǒng)后，故障信號(hào)、非故障信號(hào)傳輸波頻不會(huì)出現(xiàn)重合的部分；而在應(yīng)用對(duì)照組檢測(cè)系統(tǒng)后，故障信號(hào)、非故障信號(hào)傳輸波頻在30～40 Hz 區(qū)間之內(nèi)出現(xiàn)了重合，即對(duì)照組檢測(cè)系統(tǒng)不能使故障信號(hào)與非故障信號(hào)完全處于不同的波頻區(qū)間之內(nèi)，不符合準(zhǔn)確識(shí)別電力電纜線路故障行為的需求。

4 結(jié)束語

在免疫Agent 理論的基礎(chǔ)上，電力電纜線路故障檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合前端檢測(cè)電路、故障分析模塊等硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)，對(duì)故障信號(hào)特征進(jìn)行提取，又通過求解插值指標(biāo)的方式，判斷系統(tǒng)主機(jī)所制定檢測(cè)指令的執(zhí)行能力。與傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)相比，新型檢測(cè)系統(tǒng)符合針對(duì)性識(shí)別故障信號(hào)與非故障信號(hào)的應(yīng)用需求，在準(zhǔn)確檢測(cè)電力電纜線路故障行為方面的應(yīng)用能力更強(qiáng)。