基于改进动态时间规整算法的断路器故障诊断.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 No． 8 Au g ． 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 5 2 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 1 3 蒋志浩 ， 于群 ， 董骊． 基于改进动态时间规整算法的断路器故障诊断[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 5 2 5 5 ． 基于改进动态时闻规整算法的断路器故障诊断 蒋 志浩 ， 于群 ， 董骊 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学 院，山东 青岛2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 福建工程学院 信息科学与工程学院， 福建 福州 3 5 0 1 1 8 摘要 为 能够根 据 断路 器状 态监 测数据 准确诊 断 断路 器故 障 ， 提 出了一种 基 于改进 动 态时 间规 整 算 法的 故 障诊 断方 法 。该 方 法将 S a k o e C h i b a窗与传 统动 态 时间规 整算 法相 结合 ， 以分 合 闸线 圈电流 为 分析 对 象 ， 从 中提 取 断路 器 分合 闸机 构 中的 潜在故 障信 息 ， 为断路 器状 态检修 提 供依 据 。设 计 了断路 器分 合 闸线 圈 电 流采 集电路 ， 并通过 实际 电流信 号 采样 分析验 证 了所提 方 法的有 效性 。 关 键词 断路 器 ；故 障诊 断；动 态 时间规整 ； S a k o e - C h i b a窗 中图分类号 T D 6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 O 1 6 0 8 一 O 3 1 O 0 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 5 ． 0 1 3 ． h t ml Fa ul t d i a g n os i s o f c i r c ui t br e a ke r ba s e d o n i mp r o v e d dy na mi c t i me wa r p i n g a l go r i t h m J I ANG Z h i h a o ， YU Qu n ，DONG Li 1． Co l l e g e of El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng a nd Au t o m a t i o n，S ha nd o ng Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，Ch i n a ；2 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，Fu j i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Fu z h o u 3 5 0 1 1 8 ，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o a c c ur a t e l y d i a g no s e t h e f au l t o f c i r c u i t b r e a ke r a c c or d i ng t o i t s c o nd i t i on mo n i t o r i n g d a t a ，a f a u l t d i a g n o s i s me t h o d o f c i r c u i t b r e a k e r b a s e d o n i mp r o v e d d y n a mi c t i me wa r p i n g a l g o r i t h m wa s p r o p o s e d ． Th e me t h o d c o mb i n e s S a k o e Ch i b a wi n d o w wi t h t r a d i t i o n a l d y n a mi c t i me wa r p i n g a l g o r i t h m，t a k e s o p e n i n g ／ c l o s i n g c o i l c u r r e n t a s a n a l y s i s o b j e c t ， a n d e x t r a c t s p o t e n t i a l f a u l t i n f o r ma t i o n o f t h e c i r c u i t b r e a k e r o p e n i n g ／ c l o s i n g me c h a n i s m，p r o v i d e s b a s i s f o r c o n d i t i o n ma i n t e n a n c e o f c i r c u i t b r e a k e r ． Cu r r e n t a c q u i s i t i o n c i r c u i t o f o p e n i n g ／ c l o s i n g c o i l o f b r e a k e r wa s d e s i g n e d ， a n d t h e e f f e c t i v e n e s s of t he pr o p os e d me t h o d wa s v e r i f i e d t hr ou gh a c t u a l c ur r e n t s i g na l s a mp l i ng a n d a na l y s i s． Ke y wo r ds c i r c u i t br e a k e r；f a ul t d i a g no s i s ；d y na mi c t i m e wa r p i ng；Sa ko e Chi ba wi ndo w 0引言 在电力系统 中， 高压断路器是极其重要 的主设 备之一 。为保障高压断路器可靠运行 ， 断路器状态 监测技术越来越得到重视， 同时也对断路器的故 障 诊断方法提 出了更高的要求 。根据 国家 电网公 司 2 0 0 4年统计 数 据 ， 2 7 5 3 7 3台 7 ． 2 ～5 5 0 k V 高压 断 路器共故 障 3 9 2次 ， 其 中拒 动故 障 占到 了总数 的 23 _ 1 ] 。分合闸线圈是启动断路器分 闸和合闸动作 的关键机构 ， 分合闸线圈出现故障极易引起断路器 发 生拒 动或 误动 ， 从 而导 致 重 大 安 全事 故 。实 现 断 路器分合闸线圈故障诊断是保证断路器可靠运行的 重 要手 段 。本文 提 出了一 种基 于改进 的动态 时问规 整 D y n a mi c Ti me Wa r p i n g ， D T W 算法 的断路器 故 障诊断 方法 。 1 故障 诊断 方法 比较 断路器分合 闸线圈故障诊断的主要任务是采集 线圈电流 ， 从中获得分合闸机构 的故障信息。参考 文献[ 2 1 采用 B P神经 网络和小波方法从测得 的线 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 2 3 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 6 2 4 ； 责任编辑 胡娴 。 作者简介 蒋志浩 1 9 9 1 一 ， 男 ， 山东泰安人 ， 硕士研究 生 ， 主要研究方 向为 电力系统 自动化 ， E ma i l j i a n g z h i h a o 1 6 1 6 3 ． C O I n 。 2 0 1 6年第 8期 蒋志浩等 基于改进动 态时间规整算法的断路 器故障诊 断 5 3 圈电流信号中找到畸变点， 进而推断故障点。参考 文献E 3 3 利用粗糙集一支持 向量机的故 障诊断策略 ， 该 诊 断过 程需 要进 行较 复 杂 的训练 样本 提取 。以上 2种方法在 断路器故 障诊断 中应用较多 ， 但计算过 程 复 杂 ， 处 理 结果 不够 直 观 。 典型分合 闸线圈电流波形如图 1 所示 。参考文 献I- 4 - 1 对图 1所示的电流波形各个时刻 对应分合 闸 线圈的状态进行 了详细分 析 ， 并使用小 波分析结合 动态时间规整算法进行诊断故障。该故障诊断方法 合理 ， 但是其分析对象不符合分合闸线圈的实际电 流 波形 。 图 1 典 型 的 分 合 I嗣线 圈 电流 波 形 在 实 际 运 行 中 ， 断 路 器 驱 动 电 源 大 多 是 由 5 0 Hz 交 流 电经 桥 式 电 路 整 流 而 来 ， 整 流 后 的 电 流 幅值 往往 不恒 定 ， 而是 以类 似正 弦 半波周 期 性变 化 。 Z N6 3 A VS 1 型 1 2 k V户 内高压真空断路器正常动 作时的分闸线圈电流波形如 图 2所示 ， 很 明显针对 该波形不适合用参考文献[ 4 ] 中的方法进行故 障分 析。本文介绍了添加 S a k o e - C h i b a窗的动态时间规 整算法 ， 并提 出了基于该算法 的断路器故 障诊 断方 法 ， 该方法不需要提取临界点即可进行故障诊断。 图 2 实际运行 的断路器 分闸线圈电流波形 2 D T w 算法原理 DTW 算法来 源于动态 规划 的思想 ， 它 的 目标 是构造代价矩阵 ， 通过特定 的约束条件找出 2个时 间序列 曲线 间的最优路径_ 5 ] 。该算法能很好地处理 动态过程 ， 具有计算速度快 、 结果直观的优点 。 假设有 2组由时间序列描述的特征 R和 T， 其 中 R作为参 考时间序列 ， 长度为 ， 如式 1 所示； T作为测试时间序列 ， 长度为 ， 如式 2 所示 。 R { r 1 ， r 2 ， ⋯ ， r } 1 T 一 { t 1 ， t 2 ， ⋯ ， t } 2 构 造 一 个 阶 的 代 价 矩 阵 D， 矩 阵 元 素 D i ， J 为 和 t ， 的欧 氏距离 ， 即 D i ， J 一 ， 一 r f r 3 从代价矩阵 中找到一个使元素间累计距离最小 的路径 ， 以达到 2组序列的最佳 匹配 。R与 T之间 的规整路径 厂的累计代价函数可表示为 D R， T ， 它是关于局部代价度量 D 的加权和， 即 Q D， R， T一 D r ， t j 。 4 口一 1 式 中 Q 为 所 有 规 整 路 径 的 个 数 ； r ， t J 分 别 为 第 q条规 整路 径 对 应 的参 考 时 间 序 列 R 和测 试 时 间序列 T 中的元素 。 R与 T之间的最优规整路径 ， 就是累计代价 函数 取 得最 小值 时 的路 径 ， 于 是 D TW 距 离 度 量 公 式 为 DTW R， T一 rai n { D， * R， T } 5 最 优规 整路 径 -厂 可 以通 过 以下 递归公 式得 到 ， 代价矩阵第 1 行 的元素为 J D ， * 1 ， 一∑D t k ， J E[ 1 ， ] 6 k l 代价矩阵第 1列的元素为 i D ， * ， 1 一∑D r ， t ， i E[ 1 ， ] 7 1 代价矩阵中除第 1 行和第 1 列外的其他元素为 D， * ， D i ， J rai n { D， * 一 1 ， J ， D， * ， J一 1 ， D， * 一 1 ， 一 1 } ， i E [ 1 ， m] ， ∈ [ 1 ， ， z ] 8 按照正向计算与反向寻优的原则 ， 从点 1 ， 1 到 点 m， 计算累计代价矩阵 ， 从点 ， 到点 1 ， 1 寻找最 优 规 整 路 径_ 6 ] 。最 后 以测 试 时 间 序 列 为 z轴 ， 参考时间序列为 Y轴建 立坐标 系。若测试数 据正常 ， 最优规整路径表现为 近似 4 5 。 的直线 ； 若测 试数据异常， 最优规整路径会出现明显的偏移 ， 向上 偏移表示测试时间序列有超前量 ， 向下偏移表示有 滞后量 ， 当出现与纵轴垂直的部分时， 表示出现多余 的折点 。 3 D T W 算 法改 进 虽然 D TW 算法可 以通过非 线性 对齐来 计算 2组时间序列元 素之 间的相 似度 ， 但 是在某些情况 下 ， DT W 算法会将 一个时 间序列上 的一 点映射到 另一条时间序列上相隔时间较 长的区间， 这就造成 5 4 工矿 自动化 2 0 1 6年第 4 2卷 了病态 规整 l 5 ] 。为避 免 发生 病 态 规 整 ， 需 要 对规 整 路径添加约束条件 。由于好的规整路径都分布在代 价矩阵对角线周围， 可以在对角线两侧设置边界 ， 使 路径只在这一窗 口中移动 ， 这样还可达到减少计算 量 的 目的 。 最常用的全局约束条件是添加 S a k o e C h i b a窗 和 I t a k u r a平 行 四 边 形 窗 ， 如 图 3所 示 。参 考 文 献[ 7 ] 采用 I t a k u r a 窗作为约束条件 ， 但在实际应用 中发现 I t a k u r a 平 行 四边形 窗 对 路径 起 点 和 终 点 的 搜索路径过窄， 容易造成起点和终点路径规整不准 确 。而 S a k o e C h i b a窗在全 局都 可实 现等 宽度搜 索 ， 其搜索路径更 加合理 。本文采 用 S a k o e C h i b a 窗作为约束条件 ， 不仅避免了病态规整 ， 而且减少了 计算量和数据存储空间。 a S a k o e C h i b a 窗 b I t a k u r a 平行 四边形窗 图 3 全局约束 限制规整路径 的范 围 S a k o e C h i b a 窗 的约束 条件 为 i h≤ J≤ i h 9 h是约束边界在 Y方 向上离对角线的高度， 也 是约束边界在 z方 向上离对角线 的宽度 。根据多 次测试情 况得 出， 将 S a k o e C h i b a窗 的边界宽度设 置为 1 0即可包括所有的偏移路径 。S a k o e C h i b a 窗 的参数 方程 为 一 』 0 ≤ ≤m 一 1 0h 1 o 一f 、 、 1 O 【 m i m 一 1 0≤ i ≤ m 4 分 合 闸线 圈电流 采集方 式 高压 断路器分合 闸线圈一般都采用直流 电磁 铁_ 8 ] 。本文采用 HC S 一 2 ． 5 E闭环霍尔电流传感器 采集分合 闸线 圈电流信 号。该型传感 器具有精度 高、 线性度好 、 反应速度快 、 性价 比高的特点， 额定输 入 2 ． 5 A 时 的额 定 输 出 为 2 5 mA， 测量 范 围为 0 ～ 3 ． 6 A。该 电流传感 器不仅 可将 大 电流 变成 小 电 流 ， 还可实现线圈电流和电路板电信号的隔离 ， 提高 了测试电路 的抗干扰能力 。分合 闸线圈电流采集电 路如图 4所示。传感器输 出的电流信号经电阻 R 后转换为 ADC可以处 理的电压信号 。R 、 ， c 、 C ， 以及 L M3 5 8组 成 了二 阶有 源 滤 波 电路 ， 用 于消 除高 频干 扰 。 图 4分 合 I 线 圈 电 流采 集 电路 5 实验 验证 使用所设计的分合 闸线 圈采集 电路对 Z N6 3 A VS 1 型 1 2 k V 户 内高压真 空断 路器 的分 闸线 圈 电 流信号进行采集。断路器正常动作的分闸线圈电流 波形 如 图 5 所 示 ， 分 闸线 圈 铁 芯运 动 空 行 程 变长 的 电流波形 简称 故障波形 1 如 图 6所示 ， 铁 芯卡滞 的电流波形 简称故障波形 2 如图 7 所示。 图 5 线 圈电流正常波形 图 6 故 障波形 1 图 7故 障波 形 2 采用添加 S a k o e C h i b a窗的 DT W 算法对故障 波形 1进行 诊断 ， 结果 如 图 8所示 。由图 8可得 ， 故 障波形 l 在 2 0 2 6 ms内相对正常电流波形出现明 显 的滞 后现 象 ， 在 3 9 ～4 6 ms内相 对 正 常 电流 波 形 也 出现 明显的滞后现象 。其原因是延长分闸线圈铁 2 0 1 6年第 8期 蒋志浩等 基于改进动态时间规整算法的断路器故障诊断 5 5 芯运动的空行程后 ， 在空行程增大 的时间里分 闸线 圈 电流继 续减 小 ， 而 后 在 铁 芯撞 击 分 闸脱 口器 后 电 流再升高 ， 致使在 2 O ～2 6 ms内出现故 障电流滞后 于正常电流的情况 。因为分 闸时间变长 ， 所 以分 闸 线圈电流被切断的时间被延后 。图 6 所示的分闸线 圈电流波形与正常电流相 比， 在最后 多出一个小波 峰 ， 用 D TW 算法对故障波形进行最优规整时， 显示 为 3 9 ～4 6 ms内的滞后 。 图 8 采用 添加 S a k o e - C h i b a窗的 D wT算法对 故障波形 1的诊断结果 采用添加 S a k o e - C h i b a窗 的 DTW 算法对故 障 波形 2进行诊断的结果如图 9所示 。在 1 3 ～1 9 ms 内， 故障波形相对正常波形出现明显超前 ， 之后基本 相 同。其原 因为模拟铁芯卡滞故障， 在铁芯卡滞 时 分闸线圈 电流升高 ， 卡滞结束 后 电流再 回到正常 。 通过以上 2 个故障案例 的分析可 以得出， 采用添加 S a k o e C h i b a 窗的动态时间规整算法可以准确识别 断路器分合闸线圈故障。 图 9 采用添加 S a k o e - C h i b a窗 的 D WT算法 对 故 障波形 2的诊 断结 果 使用 I t a k u r a窗的 D WT算法对故障波形 1重 新进行诊断 ， 结果如图 1 0所示 。在 4 z ～4 6 ms内， I t a k u r a窗限制 了最优规整路径 ， 使其只能沿约束窗 的边界规整 ， 规整路径不正确 ， 所以在断路器分合闸 线圈的故障诊断中， I t a k u r a 窗在终点 或起点 的约 束与 S a k o e C h i b a窗相比显得不够合理 。 图 1 0采 用 添 加 I t a k u r a窗 的 DW T算 法 对 故障波形 1的诊断结果 6 结 语 分析和 比较 了 目前 常用的断路器故 障诊断方 法， 提 出了使用 添加 S a k o e C h i b a窗 的动态时 间规 整算法诊断断路器故障的方法 。对实际电流的采样 分析结果表明， 该方法可以准确判断断路器分合 闸 线圈的故障 ， 添加 S a k o e C h i b a窗作为约束条件 ， 不 仅避免了规 整路 径 的病态扭 曲， 也减 少 了计算量 。 该方法也可推广到断路器其他机构的故障诊断中。 参 考 文献 [ 1 ] 段传宗 ， 鄢 志平 ， 鄢志辉． 高 压断路器 故 障检测 与诊 断 技术[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 1 4 ． [ 2 ] 段青． 基 于小波分 析 的低 压断路 器在线 监测技 术研 究 [ D ] ． 镇 江 江苏大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 黄新波 ， 陶晨 ， 刘 斌． 智 能 断路器机 械特性 在线 监测 技 术和状态评估 [ J ] ． 高压电器 ， 2 0 1 5 ， 5 1 3 1 2 9 1 3 4 ． [ 4 ] 张永奎 ， 赵智忠 ， 冯旭 ， 等． 基于分合闸线圈电流信号 的 高压断 路器 机械故障诊断[ J ] ． 高压 电器 ， 2 0 1 3 ， 4 9 2 37 42 ． [ 5 ] 代 仲君 ． 图像 到类 的动 态 时间 规整算 法及 其 在 3 D手 势识别 中的应用[ D ] ． 成都 电子科技大学 ， 2 0 1 3 ． [ 6 ] 周 东华 ， 李钢 ， 李元． 数 据驱动 的工业 过程故 障诊 断技 术 基于主元 分析 与偏最 小二 乘 的方法[ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ] 王振浩 ， 杜凌艳 ， 李 国庆 ， 等． 动态 时间规整算法 诊断 高 压断路器故障[ J ] ． 高 电压技术 ， 2 0 0 6 ， 3 2 1 O 3 6 3 8 ． [ 8 ] 苗红霞． 高压断路器 故障 诊断 [ M] ． 北 京 电子 工业 出 版社 ， 2 0 1 1 ．