基于模糊逻辑的断路器状态检测

周秀桦

(广西电网有限责任公司钦州供电局，广西 钦州 535000)

1 引言

现阶段基于人工智能的电气设备故障诊断方式已经有了较为深入的研究，已经成熟地应用在了电力断路器技术状态诊断等领域。在人工智能领域，通常采用模糊逻辑、神经网络、专家系统等方式，对一些具有高度不确定性的系统进行控制、命令和诊断，因此越来越多受到关注[1]。其中模糊逻辑是一种处理不确定性和模糊信息等复杂问题的方法，在控制系统、信息处理、机器人操控、能源等领域有着广泛的应用。在电气检测领域方面，广泛应用于高压断路器的监测与诊断。

高压断路器是确保电力系统高效安全运行的最重要设备之一，而且断路器的采购和维护的成本较高。因此利用模糊逻辑通过分析断路器收集到的数据，以检测故障的状态量，并且判断出故障类型[2－3]。

本文介绍了一种模糊诊断方法在断路器故障诊断中的应用，该模糊逻辑系统的目标是通过获取的参数来识别高压断路器的故障，并且通过分析诊断出故障类型。

2 模糊理论

当系统的输入量和输出量之间的关系无法通过数学方式精确描述时，可以考虑采用模糊逻辑。基本思想利用模糊值代替精确值，由隶属度函数[3]表示。文献[4]采用基于变分模态分解VDM模糊熵的方法，并利用SVM分类器来识别断路器的故障类型。引入概念离群集是将隶属度概念推广到集合中的二进制元素。模糊集是一个与特征函数相关联的子集，该特征函数的取值区间为[0，1]，这个取值区间包含了一个元素在该子集中的隶属度[5]。将X视为定义域，定义域X的模糊集A由一个隶属函数μA(x)表示，该函数将每个元素X与集合A的隶属度联系在一起，根据如下关系:

μA(x):X→[0，1](1)

X定义域中的模糊集合A表示为:

A＝{x，μA(x)}，x∈X(2)

模糊集可以表示为其整体元素的有序对和隶属度函数的等级的集合。形式(x，μA(x))的一个有序对被称为一个模糊单例，因此整个模糊集A可以被视为所有组成的模糊单例的集合。

下面定义了模糊逻辑中使用的特征术语:

●变量x代表被分析对象的一个属性；

●模糊集A被称为关联模糊集。

●定义域X为模糊集的经典集合；

●隶属函数μA(x)根据式(1)将模糊集A的隶属度与各元素相关联；

●隶属度μA(x)是指元素属于模糊集，μA(x)∈[0，1]。

构建模糊集主要取决于建立一个隶属度函数。隶属函数是集合中指示函数的一般化。隶属函数可以人为主观设定，选择不同的隶属函数来表达相同的概念。

最常用的隶属函数如图1所示的梯形和三角形隶属函数，对称梯形函数由式(3)定义，对称三角函数由式(4)定义。

图1 隶属度函数类型

其表达式为[4]:

其中μ(x)为隶属度等级，x为分析量，a1，a2，a3，a4为分析量值。

任何使用模糊逻辑的应用程序的开发都需要经历模糊化、模糊推理、去模糊化的步骤。模糊化是指输入量与根据特定标准选择的隶属度函数相关联，并基于它们定义适当的输入量的参考值，利用响应的隶属度函数变换结果，整合成为机器可识别的语言，构建出模糊子集合。模糊推理是根据现有知识库中的模糊规律，将模糊化处理后的输入信号进行推理计算，输出一个机器语言量表示的输出信号。解模糊化是模糊控制的最后一步，是将模糊推理出的模糊量输出信号转化为精确量，并应用到输出变量的特定域返回的结果。

3 断路器模糊逻辑诊断

断路器模糊诊断逻辑系统的结构如图2所示，由参考输入、模糊化、知识库、模糊推理、解模糊化和输出组成[6]。为了实现对电气设备技术状态的诊断，需要对其参数进行实时监测。因此，模糊系统的参考输入是通过监测装置获得的数值。其中包括移动触点的行程和速度，打开和关闭操作通过螺线管线圈的电流和操作电压，以及打开和关闭线圈螺线管电流的剖面面积。

图2 模糊逻辑诊断系统

知识库是根据人的操作经验所构建的，其本身代表了一种算法机制，能够预测输入参数演化的结果。模糊化是给每个输入变量设定隶属度函数，并应用到检测技术中。在执行模糊化之后，定义并构建了控制分析过程的规程。知识库是通过记录断路器上发生的一系列故障并通过检测得出的一系列参数。采用基于模糊系统的知识库对断路器进行诊断，利用模糊逻辑断路器监控与诊断软件的设置，可以推导出断路器的技术条件。

断路器的常见故障如下:

●控制和辅助电路中的电气故障；

●弹簧储能机构发生机械故障；

●传感器发生故障。

控制断路器模糊诊断系统通常使用IF/THEN规则，如下:

(1)IF触点移动行程、触点移动速度、平均操作电压、通过线圈的电流正常时，THEN断路器状态正常；

(2)IF触点车的行程和速度正常，平均工作电压低，通过电磁线圈的电流低，通过电磁线圈的电流面积正常时，THEN断路器技术状态异常，辅助回路电压低；

(3)IF触点移动行程和触点移动速度正常，平均工作电压高，通过电磁线圈的电流高，THEN断路器状态异常，辅助回路电压高；

(4)IF触头行程和触头速度正常，平均操作电压高，通过电磁线圈的电流正常，通过电磁线圈的电流剖面面积大，THEN断路器技术条件异常，电磁阀气隙自由行程大；

(5)IF触点移动行程和速度正常，平均操作电压高，通过电磁线圈的电流正常，THEN断路器状态异常，电磁气隙自由行程小；

(6)IF触点移动行程大，移动速度低，平均操作电压正常，通过电磁线圈的电流正常，THEN断路器技术状态异常，传感器故障；

(7)IF触点移动行程正常，触点移动速度低，平均操作电压正常，通过电磁线圈的电流正常，THEN断路器技术状态异常，能量积累低；

(8)IF接触器的行程正常，移动速度高，平均工作电压正常，通过电磁线圈的电流正常，THEN环线断路器技术条件异常，积累能量高。

模糊化的目的是从一些标量的模糊信息中获取与输出变量相关的信息，并以模糊集的形式显示。通过从模糊值可以得出输出结果。最常用的解模糊化方法是中位数法，研究模糊理论的其他方法有最大隶属度法和加权平均法(重心法)。表1给出了一个或多个监测参数不同而导致的断路器的不同故障状况。并在表1中给出了可能的故障原因和故障点。模糊诊断通过对断路器的状态进行分析，得出合适的控制规则，并在断路器处于异常状态时产生预警提示。

表1 断路器状态

4 高压断路器模糊PID控制器设计

高压断路器可以通过对电网参数的采集和分析，对断路器自身状态的检测和判断，根据预先设定的程序动作，并通过需要来调节断路器机械结构的动作参数，从而计算出合适的断路器分合闸速度和动作时间。断路器的控制原理图如图3所示。

图3 高压断路器控制系统图

高压断路器的PID调节器的离散表示方式为:

控制参数kp能够提高系统的响应速度，增加调节精度，ki能够消除调节时产生的误差，kd能够减小控制的动作幅度，提高稳定性。因此可以通过调节kp和ki的值，得到想要的检测效果。

对于模糊PID控制器自调节的计算公式为:

因此，将基于模糊理论的高压断路器设计为一个2输入2输出的系统，如图4所示。

图4 2输入2输出模糊控制器

在高压断路器中，eω(k)为位移误差，Δeω(k)为位移误差的变化量，其表达式为:

在实际应用中，将位移误差eω(k)的输入转化为隶属度函数区间，通过量化因子将区间规划为[0，1]，其隶属度函数如图5所示。其模糊子集趋于零的速度越快，其灵敏度和控制效果越好。

图5 eω隶属度函数

Δeω(k)的隶属度函数如图6所示。

图6 Δeω隶属度函数

对于不同的位移误差和位移误差变化率，参数自调整一般采用以下规则:

(1)位移误差较大时，为了提高系统的响应速度，kp和kd的取值应该较大，为了防止响应产生较大的超调量，ki应该取较小的值；

(2)位移误差为中大时，为了减小系统的超调量，kp的取值应该较小，同时为了保证合理的响应速度，ki和kd的值应该选取适中；

(3)位移误差较小时，为提高使系统的稳态性能，应取适中的kp和较大的ki和kd。

经过对高压断路器多次调整，最终确定当kp＝0.8，ki＝0.2，kd＝0.3 时检测系统最为稳定。

5 结论

对于断路器的监测和诊断系统，最基本的技术问题是分析所测得的数据，模糊逻辑通过分析监测系统获得的数据来诊断断路器的状态，实现了对断路器重要诊断参数的监控，并通过一套控制模糊系统的规则分别对断路器的异常状态进行检测和识别。本文介绍了模糊逻辑的数学模型，通过在断路器诊断中采用模糊逻辑，设计了高压断路器的模糊PID控制器，最后得出合理的控制参数，实现了对断路器的控制和诊断。利用基于模糊逻辑的断路器监控装置和诊断系统，能够有效地提高设备可靠性、降低故障率、降低寿命成本、延长设备使用寿命、提高设备性能、提高设备利用率等效益。