基于神经网络原理的高压断路器状态监测分析

２０１０年第４期　中图分类号：ＴＭ５６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２５５２（２０１０）０４—０１３１—０３　基于神经网络原理的高压断路器状态监测分析　艾红卫　（哈尔滨电力职业技术学院，哈尔滨１５００３０）　摘要：断路器在电力系统的安全进行与事故处理中有着极其重要的作用。ＳＦ６断路器的故障直　接影响了电力系统的安全性和可靠性。在ＳＦ６断路器故障中，气体状态故障和机械状态故障占　有相当大的比重，针对目前ＳＦ６断路器状态监测和故障诊断系统在气体状态和机械状态两个方　面存在的缺点和不足，从湿度监测、振动信号特征提取、故障诊断方法以及实际应用等几个方　面进行了深入的研究。　关键词：人工神经网络；状态检修；ＳＦ６断路器；状态监测；故障诊断　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０ｆ　ｌｌｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｂｒｅａｋｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｅｕｉａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ＡＩ　Ｈｏｎｇ－ｗｅｉ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ（ＨＶＣＢ）ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ＳＦ６　ＨＶＣＢ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｇｏｏｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｒｃｉｎｇ，ａｎｄ　ＳＯ　ｔｈｅ　ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＦ６　ＨＶＣＢ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｇａｓ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｑｕｉｔｅ　ａ　ｐｏｒｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ＳＦ６　ＨＶＣＢ，Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｉｔ，ｆｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈｕｍｉｄｉｙ　ｍｏｎｉｔｔｏｒｉｎｇ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ｆａｉｌｕｒｅ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｍｅｔｈｅｄ　ａｎｄ　ｐｒａｔｔｉｃａｌ　ａｐｐｉｌｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｉｃｉａｌ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｏｎｄｉｆｉｏｎ—ｂａｓｅｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｔｎｃｅ；ＳＦ６　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　１　高压断路器振动信号的监测　国内外对断路器事故的统计分析表示，高达　７０％～８０％的断路器故障源于机械原因，因此加强　断路器机械状态和诊断对保障断路器安全具有重要　意义，断路器机械状态的监测方法主要有触头行程　和速度的监测、合分闸线圈电流的监测和操作过程　中振动信号的监测。断路器机械状态的改变将导致　振动信号的改变，这是利用振动信号作为故障诊断　依据的理论基础。　面的冲击振动。在断路器操作过程中每次碰撞引起　一次机械振动，称为一个振动事件。断路器每一次　合或分的操作都产生若干次振动事件。如果在检测　断路器的振动信号中。断路器振动信号中包含有丰　富的机械状态信息，甚至机械系统结构上某些细微　变化也可以从振动信号中发现。因此，以外部振动　信号中为特性信号，进行处理的识别，可以对断路的　机械状态进行监测。　测量振动信号可选测量位移、速度或加速度参　数，一般根据振动的频率来确定测量哪个参数。其　断路器的一部分、合动作一般由操作机构器　（电磁铁、储能弹簧等）经过传动机构和提升机构，　推动触头运动来完成。在分、合闸操作过程中断路　器内部主要机构部件的运动、撞击和摩擦都引起表　中表明断路操作机构信号的频率高达几千赫兹，因　收稿日期：２ｏｏ９—１Ｏ一１Ｏ　作者简介：艾红卫（１９６８一），男，硕士，高级讲师，微软数据库工程　师，主要研究方向为电力系统及自动化。　一ｌ３１—　此，在断路器操作振动监测中选取测量加速度信号，　而且，加速度传感器是二阶导数型传感器，灵敏度　高。在断路器适当位置（如具有较大振动强度、较　大信噪比的部位）安装加速度传感器，当断路器进　行合、分闸操作时，在传感器处测到的是一系列衰减　的冲击加速度波形。　２　操作线圈电流信号　由于振动信号的一些关键理论尚未解决，以及　一些理论成果实现起来上有一定的技术困难，单靠　监测振动信号来诊断断路器的健康状况和进行故障　诊断是并不合适的。所以本文同时监测了断路器的　合、分闸线圈电流，使二者结合起来判断断路器的　状态。　２．１　操作线圈的作用与工作机理　断路器的基本结构由导电回路、灭弧装置、绝缘　部件、操动结构和附属部件构成，电磁铁及合分闸是　操动机构中重要组成部件，控制断路器动作的关键　元件。当线圈通过电流时，在电磁铁内部产生磁通，　动铁心受磁力吸动使断路器分闸或合闸。　电磁铁等值为一个电阻Ｒ和一个无电阻的电　感线圈Ｌ从能量角度看电磁铁的作用是把来自电　源的电能转化为磁能，并通过动铁心的运动，再转化　为机械能输出。高压断路器一般都是及电磁铁作为　操作的第一级控制元件。根据电磁铁线圈的电源不　同分为交流电磁铁直流电磁铁。操动机构中使用的　绝大部分是直流电。因此线圈中的电流也是直流　电流。　２．２操作线圈电流信号反映的状态　直流电磁线圈的电流随时间变化，此变化波形　中蕴藏着极为重要的信息。线圈电流波形可以反映　的状态有铁芯行程、铁芯卡滞、摩擦情况、线圈状态　（如是否有短路）、与铁芯预杆连续的铁门和阀门的　状态，合、分线圈的辅助接点的状态与转换时间，从　而可以诊断出断路器机械故障状态，对断路器中发　生几率危害最大的拒动、误动故障的诊断尤为有效。　在实际运行中，在线监测通过霍尔型电流变换　器采集操作线圈的电流作为界面器件。它精度高，　线性度、动态特性和气体性能好，而且体积小，分、闸　电磁铁线圈回路引线穿芯而过，不会对高压断路的　主要系统的正常运行造成影响，也不会对断路器本　体造成伤害。　２．３开路电流信号　在电力系统运行中，作为开合电流设备的高压　断路器，其电寿命一般比高压断路器整体寿命短。　可通过对高压断路器电寿命的线监测，确定在其性　能下降时及时检修或更换，可延长高压断路器的使　一】３２一　用寿命；另一方面。也可以避免盲目检修，延长设备　的使用期。所以计算断路器的电寿命也是对高压短　路的在线监测的一个重要方面。　３　ＳＦ６气体微水含量的监测分析　１９５５年美国西星公司制造出一台ＳＦ６断路　器　，至今已四十余年。ＳＦ６断路器技术不断完善，　市场占有速度扩大。在高压领域取代油断路器与空　气断路器已成定局，在中压领域与空气断路器的角　逐几乎是平分秋色。　３．１微水含量及其对断路器的影响　对于ＳＦ６断路器，ＳＦ６气体即是断路器的灭弧　介质，又是断路器的主绝缘，因此依据检测到的ＳＦ６　气体微水含量可以判断其主要绝缘与灭弧性能的　好坏。　３．２　ＳＦ６气体湿度在线监测原理　上述的湿度检测的方法，虽然现在仍然被广泛　的应用，但是其缺点十分的明显。这些离线的测量　方法，耗气量大，测试复杂，费时费力，对环境温度和　工作人员的技术熟练程度和经验要求高。　采用灵敏高度的传感器　，将ＳＦ６气体的微水　信号转换成可以实时采集的电信号，在线监测ＳＦ６　高压断路器中ＳＦ６气体湿度，对危险隋况进行报警，　对ＳＦ６断路器的安全运行十分重要，为发展智能化　断路器提供了基础，同时也是电站管理自动化的一　部分。　３．３　ＲＢＦ神经网络法在温度测量中的应用　本文应用湿敏电容传感器在线监测ＳＦ６气体温　度。当采用单个传感器测量气体湿度时，使用硬件　的方法几乎无法补偿温度变化带来的影响，即使采　用双差法也存在不可忽视的测量误差，所以需要从　软件上进行补偿。　３．３．１温度监测硬件实现原理　应用湿敏电容传感器测量湿度的原理，采用应　用电容一频率变换电路，通过测取频率来监测这种　微小的电容值的变化以获得与其对应的相对湿度，　进而经过最终的数据处理得到较为准确的湿度值。　由于电容容量与其对湿度成正比关系　，即　ＲＨ正比于Ｃ，所以气体湿度变化时，湿敏电容容量　随之变化。当初始频率较大时（一般至少要１０ｋ左　右），只要电容容量稍有微小变化，反映在频率上的　变化就较为明显，实现了信号的放大作用。　所以应用此种方法在将信号变化放大的同时也　实现了模块转换，容易被ＣＰＵ采集。这就是实现硬　件设计的理论基础。　３．３．２　ＲＢＦ神经网络原理　神经网络模式识别技术具有很强的非线行处理　能力和容错能力而德到广泛的应用。１９８５年，　Ｐｏｗｅｌｌ提出了多变量插值的径向基函数（Ｒａｄｉａｌ—　Ｂａｓｉｓ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＲＢＦ）方法。　转化或与这对应的频率值，便于数据采集。所选的　传感器在较大范围内的线性度是非常好的。但是高　压电器中使用ＳＦ６气体湿度是相当低的，而这种传　感器在低湿度环境下恰恰呈现出明显的非线性。选　用ＲＢＦ神经网络进行曲线拟合，寻找出相对湿度与　频率值的变化规律，可以对任意其它点进行理论　计算。　输入层仅起到数据信息的传递作用，对输入信　息不进行任何变换　。而此处隐层神经元的核函　数（或称作用函数）取为高斯函数，构成隐含层空间　将输入向量直接隐射到隐层空间，对输入信息进行　空间变换。输出层神经元的作用函数为线性函数，　对隐层神经元输出的信息进行线性加权后输出，作　为网络的输出结果。　３．３．３在湿度测量中应用ＲＢＦ方法　基于上述所讲的ＲＢＦ网络的特性，同时它具有　良好的范化特性（即插值特性），用这种方法用于本　由此可见，结果已相当精确。运用适当方法优　化隐节点数可以使仿真结果更加精确，满足更高的　要求。使用这种方法有效地解决了湿度测量中遇到　的问题，为湿度测量提供了理论上的依据。　４　结束语　断路器的工作状态和寿命可以通过它的一些特　课题中即可以进行曲线拟合、温度补偿，又可以进行　插值。极大的方便了数据处理过程。本文应用径向　基函数神经网络两个功能；实现在相同温度下，对实　验所测得的参数进行曲线拟合；实现对温度进行补　偿。在实际测量中，我们不可能测量出ＳＦ６气体任　意一点的湿度，对于有些点要根据传感器的局部特　性，应用适当的方法寻找规律，计算出它的湿度值，　作为储备数据。对于因湿度引起的湿度测量出的误　差也要适当的方法加以解决。基于本文的需要，参　考了ＲＢＦ神经网络的特性，使用这一方法可以很好　的解决以上的问题。　３．３．４神经网络应用结果　首先，应用径向基神经网络解决湿度测量中的　曲线拟合问题。所选则的一个传感器在２５摄氏度　时的测量频率值与相对湿度的对应值；此处选用频　率形式输出，将由湿度引起的电容的变化通过电路　性参数近似的表示和判断。其中，振动信号、合分闸　线圈电流信号和断口电流信号对于状态检测和故障　诊断起着极其重要的作用。而对于ＳＦ６高压断电器　来说，它的绝缘特性也是在线监测的重要方面。其　中，绝缘特性与气体中的：水分含量有直接的关系。　因此在ＳＦ６断路器中要对水分含量进行有效的监　测。本文分析了用于ＳＦ６高压断路器状态监测和故　障诊断的特征量；振动信号、分合闸线圈电流信号、　开断电流信号和湿度信号的特征；重点阐述了湿度　测量中的应用径向神经网络进行处理方法。　参考文献：　［１］何振亚．数字信号处理的理论与应用［Ｍ］．人民邮电出版社，　２ｏｏ３．　［２］沈兰荪．数据采集技术［Ｍ］．中国科学技术大学出版社，　２００５．　［３］刘延刚．基于计算机的多速数据采集方法的实现［Ｊ］．国外电　子测量技术，２０００．　［４］　何立民．系统设计［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００７．　责任编辑：张荣香　（上接第１３０页）　表４关键路径任务工期压缩代价表　以最小的代价１．０对项目工期压缩了６天。　４　结束语　６　１　２　３　４　５　项目的工期优化具有很强的实际意义，目前在　该领域也提出了很多优化方法。本文提出的工期优　Ｗ１　∞　∞　∞　∞　ａ。　∞　Ｗ４　。。　∞　∞　∞　∞　∞　化方法适合项目的工期压缩代价可以进行一定量化　的项目。　参考文献：　［１］　Ｒａｎｄ。Ｇ．Ｋ．Ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｈａｉｎ：ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｏｊｃｔｅ　Ｍａｎａｇｅ—　ｍｅｎｔ．２０００，１８（３）：１７３—１７７．　Ｗ６　Ｗ７　Ｗ９　０。３　０．２　０．４　０．４　０．４　０．５　０．５　∞　０．７　０．６　∞　１．０　∞　∞　１．２　∞　∞　∞　ＷＩＩ　Ｗｌ３　０．１　Ｏ．６　Ｏ．３　１．０　Ｏ．４　∞　∞　∞　∞　∞　。。　∞　［２］Ｒｏｌｌ　Ｈ．Ｍ０ｆｉｎｇ，Ａｎｄｒｅａｓ　Ｓ．Ｓｃｈｕｌｚ，Ｆｒｅｄｅｒｉｋ　Ｓｔｏｒｋ．Ｓｏｌｖｉｎｇ　Ｐｒｏ—　ｊｅｃｔ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｂｙ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｃｕｔ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍａｎ－　ａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．２００３，４９（３）：３３０－３５０．　责任编辑：李光辉　根据本文的优化方法得到最优的工期压缩方案　为：ｓ—ｓｅｔ＝｛Ｗ６，Ｗ７，Ｗ１ｌ｝，Ｓ（ｓ—ｓｅｔ）＝｛（Ｗ６，４），（Ｗ７，　１），（Ｗ　１）｝。压缩后并没有改变关键路径，并且　～ｌ３３—