基于PSO 的電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

賈俊青，武文麗，蔡文超，楊洋，梁帥

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

電氣設(shè)備絕緣故障診斷能夠維持電氣設(shè)備運行狀態(tài)的平穩(wěn)性，因此，其成為眾多學(xué)者研究的焦點。相較于傳統(tǒng)故障分析方法，電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)實施方便，無需建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，是推進(jìn)故障診斷技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[1]將機(jī)器算法應(yīng)用于電氣設(shè)備絕緣故障診斷工作中，能夠預(yù)防設(shè)備故障惡化的問題，避免產(chǎn)生不可挽回的后果，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行起到重要作用；文獻(xiàn)[2]結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和圖像識別技術(shù)實現(xiàn)了對電氣設(shè)備發(fā)熱網(wǎng)的遠(yuǎn)程精度檢測。然而，上述研究成果存在局部極小點收斂過慢、考慮故障問題片面、滯后于高新技術(shù)發(fā)展等問題。

針對上述問題，基于PSO 算法提出一種新的電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 傳感器

系統(tǒng)硬件中的傳感器模塊主要分為定性傳感器與定量傳感器兩種。其中，定性傳感器采用LEI 型傳感器，定量傳感器采用TDK 型傳感器。傳感器模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳感器模塊結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集過程中，定性傳感器首先識別各種信號，如電力系統(tǒng)中的溫度、連通情況等。然后由定量傳感器分析處理信號數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理[3-4]。公式如下：

其中，Q為定量傳感器輸出的數(shù)值；ai為輸入數(shù)據(jù)；1,2,…,i,…,N為數(shù)據(jù)的數(shù)量。

一旦電氣設(shè)備發(fā)生故障，定性傳感器的電阻率會迅速升高，從而將電阻率的異常變化轉(zhuǎn)化為故障信號并輸出，實現(xiàn)對故障的檢測。同時，為了確定故障位置，將定量傳感器輸出信號的頻率范圍調(diào)整至0～1 000 Hz，能夠靈活準(zhǔn)確地檢測不同故障位置。

1.2 核心處理器

中央處理器是數(shù)據(jù)處理的主要運算模塊。將WQA427J524NC核心處理器作為中央處理器，中央處理器是數(shù)據(jù)處理的主要運算途徑。WQA427J524NC是核心處理器，其具有低能耗、高運算能力的特點，能夠滿足不同信號數(shù)據(jù)的運算處理[5-6]。同時，該處理器還設(shè)置有過熱診斷單元，能夠保證運算的安全，提高運算精度；通過多個EMUI 拓展接口、JAT 接口和轉(zhuǎn)換接口保證不同數(shù)據(jù)處理時的兼容性。核心處理器的計算公式如下：

其中，B為核心處理器的輸出值，α、β為不同接口的輸入的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)計算過程中，首先通過EMUI 拓展口輸入數(shù)據(jù)，在64 位高性能處理器中完成數(shù)據(jù)處理后，通過JAT 接口輸出信號。核心處理器需要設(shè)計轉(zhuǎn)換接口，將各種復(fù)雜信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實現(xiàn)信號的快速轉(zhuǎn)換[7-8]。

1.3 通訊器

通訊器模塊要起到及時接發(fā)短信、數(shù)據(jù)等作用。因此，該模塊采用1.6 V 輸入電壓，并包含數(shù)據(jù)接口、信號放大器、數(shù)據(jù)接發(fā)器三個部分，能夠支持不同溫度條件，能源消耗較少。

通訊器輸出的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行歸類打包和傳輸，通過數(shù)據(jù)接發(fā)器發(fā)送。信號放大器在該過程中起到了增強(qiáng)信號、凸顯數(shù)據(jù)特征的作用。信號放大器的作用機(jī)理計算公式如下：

其中，E為放大器輸出的數(shù)據(jù)值；c為輸入時的信號強(qiáng)度；e為輸入到通訊器中的數(shù)據(jù)。

由于在核心處理器模塊中存在過熱診斷單元，因此需要在通訊模塊中設(shè)置串行數(shù)據(jù)通訊。采用CIS 接口進(jìn)行連接，使不同模塊既具有獨立運算的能力，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)接發(fā)器包含YTR 接收器和YTS 發(fā)送器，使用YTS 發(fā)送器完成對模塊中數(shù)據(jù)的發(fā)送，對外來信號轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號通過YTR接收器進(jìn)行接收，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)交流[9-10]。信號放大器能夠?qū)拵Х糯螅瑥亩鰪?qiáng)各種信號的數(shù)據(jù)特征。

2 故障診斷程序設(shè)計

2.1 故障信息提取程序

絕緣故障小波信息分為高、中、低頻三個波段。在提取故障信息時，先要對三個頻段的信號進(jìn)行分解，分解公式如下：

其中，R為分解得到的數(shù)據(jù)；A代表高頻數(shù)據(jù)；D代表低頻數(shù)據(jù)。

信號分析過程中，首先得到的高頻低頻數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步分解，得到量化函數(shù)上的兩種信號數(shù)據(jù)[11-12]。一個信號的再分解模型可以表示為：

其中，s為采樣的時間差；h(s)為特征信號；?(s)為標(biāo)準(zhǔn)信號；q(s)為輸出信號。

分解后得到數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)系數(shù)μ和概況系數(shù)ρ，對細(xì)節(jié)系數(shù)和概況系數(shù)構(gòu)造特征矢量，得到特征矢量J為：

其中，k為數(shù)據(jù)的特征值，μk和μk-1分別表示在數(shù)據(jù)特征為k和k-1 時的細(xì)節(jié)系數(shù)，ρk和ρk-1分別表示數(shù)據(jù)特征為k和k-1時的概況系數(shù)。在求得特征矢量后，進(jìn)一步處理故障信號，得到方差矢量值。然后設(shè)定方差矢量值閾值，并對得到的故障信息特征值進(jìn)行限制。若滿足閾值要求，則輸出故障信息特征值；若不滿足閾值要求，則重復(fù)特征提取過程，進(jìn)一步分解數(shù)值，直到得到滿足閾值要求的數(shù)值。

在經(jīng)過上述過程后，有效消除了信號中的冗余信息，后續(xù)可將故障信息完整、準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來。同時，也為下一步計算提供了數(shù)據(jù)樣本，減少了空間維數(shù)，降低了運算復(fù)雜程度[13-14]。

2.2 PSO優(yōu)化程序

粒子群算法可以提升計算過程的泛化性能和收斂性能。因此，利用粒子群算法提高BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度。首先確認(rèn)粒子群的位置和速度特征，對粒子群位置和速度進(jìn)行初始化處理，通過隨機(jī)演變得到下一時刻的預(yù)計值。按照該方法得到最佳的全局解，具體演變規(guī)則為：

在數(shù)據(jù)演變過程中，為了保證算法的收斂性，需要預(yù)先設(shè)定學(xué)習(xí)因子值，利用式（7）計算后，的范圍通常在0～0.9 之間。若不滿足上述條件，則更新學(xué)習(xí)因子值：

其中，Umax表示學(xué)習(xí)因子最大值，sng 表示符號函數(shù)。終止運算的條件：得到滿足取值條件的數(shù)據(jù)值或達(dá)到最大重復(fù)運算次數(shù)，按照上述方法，得到的數(shù)據(jù)相較原始數(shù)據(jù)更具泛化性[15]。

2.3 設(shè)備故障診斷程序

利用上述由粒子群算法改進(jìn)得到的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運算，分析得到的數(shù)據(jù)，并采用粒子群算法進(jìn)行進(jìn)一步加工處理，才能得到更加準(zhǔn)確的故障類型。具體步驟如圖2 所示。

圖2 設(shè)備故障診斷流程

首先提取得到的數(shù)據(jù)內(nèi)部的有效信息，如波長、頻率等，并提取節(jié)點S；然后對提取到的節(jié)點S進(jìn)行挖掘處理。存在故障時，輸入節(jié)點S+1，輸出節(jié)點應(yīng)為S，其余正常情況不能得到輸出節(jié)點數(shù)據(jù)[16]；完成挖掘后，存儲訓(xùn)練得到的樣本，并保留閾值及誤差，再進(jìn)行模擬運算，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步運算，得到故障特征數(shù)據(jù)；最后，診斷故障類型，對得到的故障特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析后，輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用粒子群算法進(jìn)行計算，得到的輸出數(shù)據(jù)即為故障類型。

3 實驗研究

為驗證基于PSO 的電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用效果，設(shè)計如下實驗。實驗選取的電氣設(shè)備的故障類型如表1 所示。

表1 實驗診斷故障類型

通過LabVIEW 開發(fā)程序確定時域信號，設(shè)定工作頻率為15 Hz，采用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，采樣時間為80 s。在分析故障點后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)故障點，并對比基于PSO 的診斷系統(tǒng)、傳統(tǒng)的基于機(jī)器算法的故障診斷方法及基于高精度配電網(wǎng)電氣設(shè)備故障診斷方法。同時檢測單一故障和復(fù)合故障，比較故障檢測準(zhǔn)確率得到實驗結(jié)果。

單一故障檢測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單一故障檢測準(zhǔn)確率

觀察圖3 可知，三種診斷方法在面對單一故障時，檢測結(jié)果準(zhǔn)確率普遍較好，準(zhǔn)確率始終在90%以上。隨著診斷時間的增加，診斷準(zhǔn)確率也在不斷增加，表明三種診斷方法都有極強(qiáng)的應(yīng)對單一故障的能力。復(fù)合故障檢測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 復(fù)合故障檢測準(zhǔn)確率

根據(jù)圖4 可知，在面對復(fù)合故障時，傳統(tǒng)故障方法顯現(xiàn)出極大的局限性，而基于PSO 的診斷系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確率始終在95%以上，明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，說明其能夠滿足診斷需求。

4 結(jié)束語

以粒子群算法為研究基點，圍繞系統(tǒng)硬件、故障診斷程序設(shè)計兩個方面對電氣設(shè)備絕緣故障診斷系統(tǒng)展開設(shè)計。該系統(tǒng)在設(shè)計上不局限于局部極小點，具有泛化性，且考慮故障問題較全面，診斷正確率較高。

該系統(tǒng)也存在一定缺陷，主要體現(xiàn)在故障診斷程序設(shè)計步驟復(fù)雜。今后的研究方向為刪減任務(wù)量，使系統(tǒng)具有較高的推廣性。