基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统

王明明

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300163）

目前，传统三相配电线路故障诊断系统的诊断方法包括物理诊断方法和信号诊断方法。三相配电线路物理故障诊断方法的原理是通过故障线路传递出光、热量、辐射强度等其他物理属性，对三相配电线路的运行状态进行判断，完成故障诊断[1]。三相配电线路的物理属性是易受到外界环境干扰，使其变化规律发生改变，导致三相配电线路故障状态数据真实性较差，从而导致故障诊断结果不准确[2]。

为此，三相配电线路诊断领域通常通过识别线路运行信号，完成配电线路运行状态诊断的初次提取，将故障信号中存在一定冗余和无效的信号频段进行有效处理，在没有特定技术约束下，该方法诊断精度也达不到预期效果。因此，文中通过多特征融合技术，集成三相配电线路故障运行过程中具有代表性的特征作为故障诊断约束，完成故障诊断。

1 故障诊断系统硬件设计

基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统硬件如图1 所示。

图1 故障诊断系统硬件结构图

1.1 电子互感器

基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统硬件区域的电子互感器工作任务是对电路基本参数进行测试。为了提升系统的运行效率，硬件区域选择HD-8 系列的电子互感器。其器件采用CS86 芯片，可以实时更新线路的电压值和电流值，通信采用西门子系列的GPRS和GSM 通信模块，维持电子互感器的通信功能。为了提高电子互感器与硬件系统内部其他设备的连接性能，选择YD7 航空插口，此插口防尘防水，具有较高的性能。电子互感器的外壳采用XH-87 装置，对于其他设备的辐射防护等级为IP65，具有独立接地保护功能[3-5]。电子互感器如图2所示。

图2 电子互感器

1.2 电路控制器设计

电路控制器的工作任务是提高系统在采集线路故障数据中瞬时线路停运问题，此过程不影响线路正常运行，硬件系统采用PO 电路控制器协作系统工作。控制器主要由单机片、零序滤波电路以及HUD电能计量芯片组成。电路控制器设计天线固定端口。为了排除外界其他信号的干扰，控制电路自身将三相配电线路的控制回路和输入信号隔开，维持线路内电信号的正常运行[6-7]。电路控制器如图3 所示。

图3 电路控制器工作原理图

1.3 电源设计

电源为系统提供运行能量，为了提高系统电源工作周期时长，选择容值为3 300 pF、耐压为4.2 kV/分钟的YU-90 电源模型，此电源对电资源能量的分解为100%，对于系统其他设备的损伤辐射程度最低[8]。电源模块可根据实时情况完成固定电压等级自动调节，可调节电压范围为2.5～60 V，运行有效电压为3 V。电源模型采用型号为CS837 系列的AD 模数转换芯片，电压的工作功率采用VRMS 调频，模块的超低漂移量为±1 V，如图4 所示。

图4 电源内部工作电路示意图

1.4 处理器设计

处理器是硬件系统运行基础，文中选择性价比较高的麒麟系列HYD-3 处理器。处理器单核睿频可高达4.8 GHz，采用8 核心16 线程运行模式，器件基本运行频率为9.8 GHz。处理器光刻为14 nm，可提高处理响应速率，处理器工作频率为65 W，降低系统运行开销，提高系统工作速度[9-10]。

2 系统软件设计

2.1 多特征融合算法分析

多特征融合算法在三相配电线路故障诊断系统中可提高特征认证识别度。数据库内包括三相配电线路故障的多种特征，利用算法将其集成在数据库内，一方面多特征融合算法可以提高配电线路故障诊断的预测性，另一方面根据三相配电线路故障诊断行为特点，选择低层特征融合算法，以便达到提高线路故障诊断准确度的目的[11-12]。多特征融合算法的结构示意图如图5 所示。

图5 多特征融合算法结构示意图

2.2 三相配电线路信号特征提取

信号的熵是三相配电线路故障信号的主要表现属性，熵表示信号模量中新信号产生的概率，熵的数值越大，表示信号数据的复杂度越大，频率信息越多，熵越低代表信号的周期更变速度快，频谱较窄。文中分析了三相配电线路故障特征信号的提取，选择不同尺度的小波变换算法完成操作[13-14]。首先识别配电线路中电流信号，识别公式如下所示：

其中，N表示线路的有效距离；M表示线路切割的测试段个数；表示电流频率；n表示小波变换系数。

然后识别线路内各信号节点之间信号频率的稀疏特征向量[15]，完成三相配电线路信号的提取。提取信号频率特征的公式如下所示：

其中，xij表示第j层小波系数对应频段离散信号的幅值；sj表示能量算子；ο表示共轭函数。

最后将提取的三相配电线路特征带入线路线性负载特征系数表中进行查询，查看此线路信号是否为故障信号。线路线性负载特征系数表如表1 所示。

表1 线路线性负载特征系数表

三相配电线路故障频率暂态如图6 所示。

图6 三相配电线路故障频率暂态示意图

2.3 三相配电线路故障诊断

在三相配电线路故障诊断信号特征提取基础上，文中完成基于多特征融合的三相配电线路故障诊断流程的分析，具体流程如下所示：

首先调用系统硬件设备完成三相配电线路基本数据的采集，然后将采集到的数据进行预处理，保证采集数据精度。

根据上述特征提取三相配电线路故障信号特征，完成诊断配电线路信号提取。提取完成后及时对信号进行校验，如果信号为正常信号，则停止诊断，直接输出结果；如果信号不是正常信号，那么系统自动存储信号，并且继续完成线路故障诊断流程。

最后将提取的三相配电线路故障信号和获取的相关数据信息进行集成计算，得到配电线路故障特征值，将故障特征值与配电线路故障信号频段，在系统多特征故障数据库中进行约束查询，最后输出三相配电线路故障诊断结果。如果在数据库内不存在对应线路故障，那么以三相配电线路故障提取的故障信号特征为查询目标[16]，将线路故障特征值进行分解对照查询，检索到相线路故障即可。诊断集成计算公式如下所示：

其中，γj表示主成分分析的特征值；γk表示配电线路内信号频率和电流信号的关系。

3 试验分析

为了检验设计的基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统的工作效率和诊断精度，搭建了三相配电线路故障模拟环境，利用基于DSP 低压测试的三相配电线路故障诊断系统（传统诊断系统1）和基于单向接地分析的三相配电线路故障诊断系统（传统诊断系统2）作为对照系统，共同完成试验测试，保证测试的有效性。

为了保证试验测试的可靠性，文中分别设计超负载故障的三相配电线路、电弧故障的三相配电线路以及正常状态三相配电线路作为测试样本，提高试验测试的难度。在试验测试前，分别模拟搭建相同线路环境，搭建完成后，同一时间触发3 个系统，将3 个三相配电线路与3 个系统相互连接，开始试验，当3 个系统全部向中心计算机提交诊断报告后，结束试验，整理试验数据和试验场地，完成试验数据的分析。经过试验数据的整理，试验系统数据表如2所示。

表2 实验数据表

通过以上试验的基本数据可以得出，设计的三相配电线路故障诊断系统完成3 个线路状态的诊断时间最短，传统诊断系统2的诊断时间最长。设计的系统在完成任务时间内，系统电源消耗量最低，由于传统诊断系统2 诊断时间最长，影响此系统的电池消耗量也最多，此数据反映设计的电池器件功能，电池可以将能量最大化。基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统运行负载峰值的比重也最低，在相同任务量下，系统运行的负载比重越大，代表系统单次可容纳数据的规模越小，系统的运行基础不稳定。

分析诊断系统的工作效率不仅仅要分析系统完成任务的时间，还要分析系统对于任务完成的准确度，得到的结果如图7 所示。

观察图7 可以明显地对比出，设计的基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统和传统诊断系统1 对于任意3 个状态的配电线路的诊断的误差相比之下较低，且呈现下降的趋势，但所设计系统的诊断误差低于传统诊断系统1，传统系统2的诊断误差始终高于文中系统的诊断误差和传统诊断系统1的误差，验证了文中系统诊断的精度较高。

图7 试验测试对比结果图

综上所述，基于多特征融合的三相配电线路故障诊断系统的工作效率、诊断准确度、精度全部达到了预期设计的目标，具有应用价值，可以投入使用。

4 结束语

通过文中方法完成基于多特征融合的三相配电线线路故障诊断系统的设计。在系统硬件区域，电源、处理器、主板为系统提供基本运行环境，电子互感器和电路控制器与系统的软件区域进行交互，两者相互调用，完成三相配电线路的故障诊断。对比传统的故障诊断系统，设计系统的诊断方法一方面制定特定的信号处理流程，既减少系统的工作量，又为系统后期对三相配电线路故障诊断分析提供真实稳定的数据，以便集成高精度的三相配电线路故障诊断系统；另一方面将目前存在三相配电线路故障的特征进行集成归纳处理，提高系统对于故障状态的三相配电线路故障状态的响应速度，提高系统工作效率。通过文中设计，可以促进三相配电线路故障诊断系统的发展。