双地刀隔离开关新型防误操作装置故障自动化诊断研究

钟秋添，李德才，吴益斌

（国网龙岩供电公司，龙岩 364000）

双地刀隔离开关广泛应用于高压电力系统的大电流、高频次开关控制场景中[1]。电力检修时，可通过隔离开关实现检修设备与其它运行设备的中断，为检修人员提供安全屏障[2-3]。隔离开关与断路器存在巨大差异，由于其不具备灭弧装置，故而无法将其用在带负荷电路分合中，一旦发生误操作问题，其触头间生成的电弧将会给检修作业人员甚至电力系统带来极大安全风险[4-5]。双地刀隔离开关新型防误操作装置投入运行后，无法避免地会出现各种故障，采用智能化手段快速诊断其故障对保证电网安全具有积极作用[6-7]。有学者为准确识别隔离开关机构故障，在定子电流特性分析的基础上，采用混合滤波方式处理采集的隔离开关电机电流信号后，对其基波电流等效值特征以及边频分量特征进行提取，将其作为支持向量机（SVM）的输入，实现隔离开关机构故障诊断，该方法受SVM 性能影响，错误诊断率较高[8-9]。

针对上述研究存在的问题，本文研究双地刀隔离开关新型防误操作装置故障自动化诊断方法。

1 双地刀隔离开关新型防误操作装置故障诊断

1.1 双地刀隔离开关新型防误操作装置工作原理

双地刀隔离开关新型防误操作装置工作原理如图1 所示，该装置通过以下6 个模块实现分合闸闭锁控制：

图1 双地刀隔离开关新型防误操作装置工作原理Fig.1 Working principle of a new type of anti misoperation device for double ground switch isolation switch

（1）数据采集模块。该模块通过电压互感器、霍尔传感器、温湿度传感器等实现装置控制回路电动机运行状态数据的采集、计算与保存。

（2）逻辑诊断与异常提示模块。获取分合闸输入状态时间序列数据后，将其与分合闸逻辑作为该模块处理依据，实现分合闸状态的不间断核验，同时对异常状态进行预警提示。

（3）人机交互模块。该模块可通过指示灯与显示屏实现双地刀隔离开关新型防误操作装置分合闸逻辑结果等的可视化呈现。当输入条件与分合闸逻辑完全相符时，指示灯会亮起绿色；反之指示灯将亮起红色，从而实现异常预警。

（4）防误闭锁模块。该模块依据分合闸逻辑处理结果以及控制命令，在考虑空气开关实时状态的情况下，对隔离开关进行处理，避免其出现误操作问题。

（5）变频驱动控制模块。该模块通过脉冲宽度调制实现装置控制回路电动机电压的调节，以确保其进行正、反转以及运行速度的改变。

（6）保护控制模块。双地刀隔离开关新型防误操作装置控制回路电动机出现故障，该模块会对变频驱动控制模块输出进行限制，以使电动机不再继续运行。

1.2 电机定子电流特性分析

双地刀隔离开关新型防误操作装置运行过程中，电机定子绕组的输入信号为三相正弦电流，信号输入后，电机中会形成fp频率的旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子绕组可得到sfp频率的感应电动势，转差率通过s 表示。双地刀隔离开关新型防误操作装置产生分合闸卡涩等故障时，因转子的非对称性，电机中会形成2 个同大小但反向的旋转磁场，磁场频率分别为sfp、-sfp，在-sfp磁场的作用下，定子绕组中会产生表示为I2s的定子电流，其频率为（1-2s）sfp，其瞬时值可表示为

式中：α2s为I2s和转子旋转磁场所成角度；ω 为三相电流频率。I2s在基波磁场的作用下，会形成波动转矩，表示为ΔT（t），其计算公式为

式中：δ 为电机极对数；αφ为基波磁场和基波电流所成角度。

通过式（2）可实现波动转矩相对值的确定，公式为

式中：J 为转动惯量；ωr、T 分别为电机稳态均速、转矩；I 为I2s的基波分量；cosφ 为功率因数。

当因双地刀隔离开关新型防误操作装置故障造成波动转矩问题出现时，也会使电机出现转速波动，公式为

转子绕组的转速波动会使定子绕组电流发生改变，定子电流值为基波电流与转子转速波动造成的（1±2s）fp频率边频分量的加和结果。i′为定子绕组电流变化量，其计算公式为

式中：X 为定子网孔阻抗值。

双地刀隔离开关新型防误操作装置故障会对定子绕组电流造成影响，其电流变化量和基波、（1±2s）fp频率边频分量具有关系。基波和边频分量频率差异小且相互扰动，为此，本文对其45～55 Hz 频率-幅值特征进行提取，以实现电机定子电流特性的准确描述[10]。

1.3 电机电流特征提取

1.3.1 变频分量特征提取

双地刀隔离开关新型防误操作装置故障时，定子绕组可生成（1±2ks）fp频率的边频分量，在k 取值为1 时，其所受到的感应电动势分量最高。故本文采用快速傅立叶变换（FFT）法对电机电流信号进行处理时，通过对45～55 Hz 频率-幅值曲线分析以完成其边频分量特征的提取。

1.3.2 基波等效值特征提取

双地刀隔离开关新型防误操作装置定子电流有效值可表示为

式中：N 为单周期工频频率采样时定子电流信号采样点总数；ij为第j 个采样时间点电机定子电流值。

1.4 基于改进SVM 的双地刀隔离开关新型防误操作装置故障诊断模型

1.4.1 支持向量机（SVM）基本原理

支持向量机（SVM）的基本原理是依据最低结构风险原则，在确保分类器具有突出特征学习能力的同时，提升算法的泛化性能。利用SVM 可实现其原始输入向高维特征空间的映射，通过分类间隔的最大化确定最佳分类超平面，分类时不仅不依靠先验知识，而且用较少的特征向量即可实现分类面的表达。因此，SVM 在故障诊断中具有较为广泛的应用。已知Z=｛z1=（x1，y1），z2=（x2，y2），…，zN=（xN，yN）｝为特征空间上的双地刀隔离开关新型防误操作装置电机定子电流特征训练样本，其中xi∈Rn，yi∈｛1，-1｝，i=1，2，…，N，f（x）＝sign（wx+b）用于定义双地刀隔离开关新型防误操作装置故障诊断的分类决策函数，则：

1.4.2 改进SVM 故障诊断模型

利用SVM 对双地刀隔离开关新型防误操作装置进行故障诊断时，单个分类器SVMi，j确定的第i 类故障的概率估计值只有2 种取值结果，分别为0 或1，忽略了第j 类故障的生成概率。因此，本文对进行调整，以实现双地刀隔离开关新型防误操作装置多故障类型的识别。采用SVM 双地刀隔离开关新型防误操作装置故障进行诊断时，输入样本归属于第i 类故障类型的概率表示为Pi，j（i|x），也可认为产生第j 类故障条件下，样本被识别为第i类故障类型的后验概率，基于贝叶斯概率求解公式，输入样本x 故障类型为i 的后验概率值可表示为

式中：i=1，2，…，N；故障类型j 发生的条件概率表示为p（j），p（j）不是给定值，但与后验概率P（j|x）的相似程度较高，故可通过近似估计确定：

通过式（9）、式（10）可确定P（i|x）：

根据式（9）完成矩阵方程的构建：

通过最小二乘法获得式（12）的计算结果，对于每个输入样本，最大评分结果对应的故障类别即为输入样本所属故障类型。

将提取的双地刀隔离开关新型防误操作装置电机电流信号特征作为改进SVM 故障诊断模型的输入，即可确定具体故障类别，完成其故障诊断。

2 结果与分析

以运行在某区域配电网中的2 台双地刀隔离开关新型防误操作装置为实验对象，两装置具有相同的结构，采集该装置电机定子电流信号，构建样本数据集，样本数据总量3000，其中包括正常、卡涩故障、分合闸不到位故障、弹簧故障4 种类型样本。以5∶1 比例划分训练、测试样本，采用本文方法对双地刀隔离开关新型防误操作装置故障进行诊断，分析其诊断性能。

对不同运行工况下的双地刀隔离开关新型防误操作装置电机电流信号进行采集，通过对正常与3 种故障下的装置原始电流信号曲线进行分析，结果如图2～图5 所示。

图2 正常运行工况装置原始电流信号Fig.2 Original current signal of the device under normal operating conditions

图3 装置卡涩故障电流信号Fig.3 Device jamming fault current signal

图4 分合闸不到位故障电流信号Fig.4 Fault current signal for incomplete opening and closing

图5 弹簧故障电流信号Fig.5 Spring fault current signal

分析图2～图5 可知，当双地刀隔离开关新型防误操作装置运行在不同工况下，对其电机原始电流信号进行采集，获得电流信号波形存在明显差异，将其作为依据实现双地刀隔离开关新型防误操作装置故障诊断具有可行性。

对故障、正常工况下的电流特征提取结果进行分析，结果如图6 所示。

图6 电流特征提取结果对比分析Fig.6 Comparison and analysis of current feature extraction results

分析图6 可知，双地刀隔离开关新型防误操作装置在4 s 时间内完成合闸，电机在0.4 s 内开启，在旋转磁场的快速作用下，转子开始运动起来，定子电流快速上升到4.5 A 左右。装置若在此阶段发生卡涩故障，将使其力矩、电机电流不断增大，其电流有效值将比正常工况大约增加0.4 A，边频分量也会高于正常工况；装置出现弹簧故障时，装置的重力矩将无法抵消，只能通过提高力矩方式实现合闸，这将加大合闸冲击性，电流等效值将有一定幅度提升，边频分量的对称性规律被打破；装置在3.5 s 后发生合闸不到位故障，电流等效值微弱上涨。边频分量变化幅度不大。表明本文方法可实现电流信号特征提取。

基于上述提取的电流信号特征，采用本文方法进行故障诊断，通过对比分析故障诊断结果与实际故障类型之间的差异，验证本文方法的故障诊断性能，结果如表1 所示。

表1 故障诊断结果与实际故障类型的对比分析Tab.1 Comparative analysis of fault diagnosis results and actual fault types

分析表1 可知，应用本文方法后的故障诊断结果与实际结果一致。实验结果表明，本文方法可实现双地刀隔离开关新型防误操作装置故障诊断，诊断效果突出。

3 结语

以某区域配电网的双地刀隔离开关新型防误操作装置为研究对象，通过对不同工况下装置原始电流信号波形、特征提取结果以及故障诊断结果进行对比分析，研究本文方法的故障诊断性能。实验结果表明，不同运行工况下装置电机电流信号波形存在差异，本文方法可实现电流有效值特征以及边频分量特征的提取，故障诊断结果与实际结果一致，故障诊断效果突出。