周秀樺

(廣西電網(wǎng)有限責任公司欽州供電局，廣西 欽州 535000)

1 引言

現(xiàn)階段基于人工智能的電氣設(shè)備故障診斷方式已經(jīng)有了較為深入的研究，已經(jīng)成熟地應(yīng)用在了電力斷路器技術(shù)狀態(tài)診斷等領(lǐng)域。在人工智能領(lǐng)域，通常采用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方式，對一些具有高度不確定性的系統(tǒng)進行控制、命令和診斷，因此越來越多受到關(guān)注[1]。其中模糊邏輯是一種處理不確定性和模糊信息等復(fù)雜問題的方法，在控制系統(tǒng)、信息處理、機器人操控、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在電氣檢測領(lǐng)域方面，廣泛應(yīng)用于高壓斷路器的監(jiān)測與診斷。

高壓斷路器是確保電力系統(tǒng)高效安全運行的最重要設(shè)備之一，而且斷路器的采購和維護的成本較高。因此利用模糊邏輯通過分析斷路器收集到的數(shù)據(jù)，以檢測故障的狀態(tài)量，并且判斷出故障類型[2－3]。

本文介紹了一種模糊診斷方法在斷路器故障診斷中的應(yīng)用，該模糊邏輯系統(tǒng)的目標是通過獲取的參數(shù)來識別高壓斷路器的故障，并且通過分析診斷出故障類型。

2 模糊理論

當系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間的關(guān)系無法通過數(shù)學方式精確描述時，可以考慮采用模糊邏輯?；舅枷肜媚：荡婢_值，由隸屬度函數(shù)[3]表示。文獻[4]采用基于變分模態(tài)分解VDM模糊熵的方法，并利用SVM分類器來識別斷路器的故障類型。引入概念離群集是將隸屬度概念推廣到集合中的二進制元素。模糊集是一個與特征函數(shù)相關(guān)聯(lián)的子集，該特征函數(shù)的取值區(qū)間為[0，1]，這個取值區(qū)間包含了一個元素在該子集中的隸屬度[5]。將X視為定義域，定義域X的模糊集A由一個隸屬函數(shù)μA(x)表示，該函數(shù)將每個元素X與集合A的隸屬度聯(lián)系在一起，根據(jù)如下關(guān)系:

μA(x):X→[0，1](1)

X定義域中的模糊集合A表示為:

A＝{x，μA(x)}，x∈X(2)

模糊集可以表示為其整體元素的有序?qū)碗`屬度函數(shù)的等級的集合。形式(x，μA(x))的一個有序?qū)Ρ环Q為一個模糊單例，因此整個模糊集A可以被視為所有組成的模糊單例的集合。

下面定義了模糊邏輯中使用的特征術(shù)語:

●變量x代表被分析對象的一個屬性；

●模糊集A被稱為關(guān)聯(lián)模糊集。

●定義域X為模糊集的經(jīng)典集合；

●隸屬函數(shù)μA(x)根據(jù)式(1)將模糊集A的隸屬度與各元素相關(guān)聯(lián)；

●隸屬度μA(x)是指元素屬于模糊集，μA(x)∈[0，1]。

構(gòu)建模糊集主要取決于建立一個隸屬度函數(shù)。隸屬函數(shù)是集合中指示函數(shù)的一般化。隸屬函數(shù)可以人為主觀設(shè)定，選擇不同的隸屬函數(shù)來表達相同的概念。

最常用的隸屬函數(shù)如圖1所示的梯形和三角形隸屬函數(shù)，對稱梯形函數(shù)由式(3)定義，對稱三角函數(shù)由式(4)定義。

圖1 隸屬度函數(shù)類型

其表達式為[4]:

其中μ(x)為隸屬度等級，x為分析量，a1，a2，a3，a4為分析量值。

任何使用模糊邏輯的應(yīng)用程序的開發(fā)都需要經(jīng)歷模糊化、模糊推理、去模糊化的步驟。模糊化是指輸入量與根據(jù)特定標準選擇的隸屬度函數(shù)相關(guān)聯(lián)，并基于它們定義適當?shù)妮斎肓康膮⒖贾担庙憫?yīng)的隸屬度函數(shù)變換結(jié)果，整合成為機器可識別的語言，構(gòu)建出模糊子集合。模糊推理是根據(jù)現(xiàn)有知識庫中的模糊規(guī)律，將模糊化處理后的輸入信號進行推理計算，輸出一個機器語言量表示的輸出信號。解模糊化是模糊控制的最后一步，是將模糊推理出的模糊量輸出信號轉(zhuǎn)化為精確量，并應(yīng)用到輸出變量的特定域返回的結(jié)果。

3 斷路器模糊邏輯診斷

斷路器模糊診斷邏輯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由參考輸入、模糊化、知識庫、模糊推理、解模糊化和輸出組成[6]。為了實現(xiàn)對電氣設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的診斷，需要對其參數(shù)進行實時監(jiān)測。因此，模糊系統(tǒng)的參考輸入是通過監(jiān)測裝置獲得的數(shù)值。其中包括移動觸點的行程和速度，打開和關(guān)閉操作通過螺線管線圈的電流和操作電壓，以及打開和關(guān)閉線圈螺線管電流的剖面面積。

圖2 模糊邏輯診斷系統(tǒng)

知識庫是根據(jù)人的操作經(jīng)驗所構(gòu)建的，其本身代表了一種算法機制，能夠預(yù)測輸入?yún)?shù)演化的結(jié)果。模糊化是給每個輸入變量設(shè)定隸屬度函數(shù)，并應(yīng)用到檢測技術(shù)中。在執(zhí)行模糊化之后，定義并構(gòu)建了控制分析過程的規(guī)程。知識庫是通過記錄斷路器上發(fā)生的一系列故障并通過檢測得出的一系列參數(shù)。采用基于模糊系統(tǒng)的知識庫對斷路器進行診斷，利用模糊邏輯斷路器監(jiān)控與診斷軟件的設(shè)置，可以推導(dǎo)出斷路器的技術(shù)條件。

斷路器的常見故障如下:

●控制和輔助電路中的電氣故障；

●彈簧儲能機構(gòu)發(fā)生機械故障；

●傳感器發(fā)生故障。

控制斷路器模糊診斷系統(tǒng)通常使用IF/THEN規(guī)則，如下:

(1)IF觸點移動行程、觸點移動速度、平均操作電壓、通過線圈的電流正常時，THEN斷路器狀態(tài)正常；

(2)IF觸點車的行程和速度正常，平均工作電壓低，通過電磁線圈的電流低，通過電磁線圈的電流面積正常時，THEN斷路器技術(shù)狀態(tài)異常，輔助回路電壓低；

(3)IF觸點移動行程和觸點移動速度正常，平均工作電壓高，通過電磁線圈的電流高，THEN斷路器狀態(tài)異常，輔助回路電壓高；

(4)IF觸頭行程和觸頭速度正常，平均操作電壓高，通過電磁線圈的電流正常，通過電磁線圈的電流剖面面積大，THEN斷路器技術(shù)條件異常，電磁閥氣隙自由行程大；

(5)IF觸點移動行程和速度正常，平均操作電壓高，通過電磁線圈的電流正常，THEN斷路器狀態(tài)異常，電磁氣隙自由行程?。?/p>

(6)IF觸點移動行程大，移動速度低，平均操作電壓正常，通過電磁線圈的電流正常，THEN斷路器技術(shù)狀態(tài)異常，傳感器故障；

(7)IF觸點移動行程正常，觸點移動速度低，平均操作電壓正常，通過電磁線圈的電流正常，THEN斷路器技術(shù)狀態(tài)異常，能量積累低；

(8)IF接觸器的行程正常，移動速度高，平均工作電壓正常，通過電磁線圈的電流正常，THEN環(huán)線斷路器技術(shù)條件異常，積累能量高。

模糊化的目的是從一些標量的模糊信息中獲取與輸出變量相關(guān)的信息，并以模糊集的形式顯示。通過從模糊值可以得出輸出結(jié)果。最常用的解模糊化方法是中位數(shù)法，研究模糊理論的其他方法有最大隸屬度法和加權(quán)平均法(重心法)。表1給出了一個或多個監(jiān)測參數(shù)不同而導(dǎo)致的斷路器的不同故障狀況。并在表1中給出了可能的故障原因和故障點。模糊診斷通過對斷路器的狀態(tài)進行分析，得出合適的控制規(guī)則，并在斷路器處于異常狀態(tài)時產(chǎn)生預(yù)警提示。

表1 斷路器狀態(tài)

4 高壓斷路器模糊PID控制器設(shè)計

高壓斷路器可以通過對電網(wǎng)參數(shù)的采集和分析，對斷路器自身狀態(tài)的檢測和判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序動作，并通過需要來調(diào)節(jié)斷路器機械結(jié)構(gòu)的動作參數(shù)，從而計算出合適的斷路器分合閘速度和動作時間。斷路器的控制原理圖如圖3所示。

圖3 高壓斷路器控制系統(tǒng)圖

高壓斷路器的PID調(diào)節(jié)器的離散表示方式為:

控制參數(shù)kp能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加調(diào)節(jié)精度，ki能夠消除調(diào)節(jié)時產(chǎn)生的誤差，kd能夠減小控制的動作幅度，提高穩(wěn)定性。因此可以通過調(diào)節(jié)kp和ki的值，得到想要的檢測效果。

對于模糊PID控制器自調(diào)節(jié)的計算公式為:

因此，將基于模糊理論的高壓斷路器設(shè)計為一個2輸入2輸出的系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 2輸入2輸出模糊控制器

在高壓斷路器中，eω(k)為位移誤差，Δeω(k)為位移誤差的變化量，其表達式為:

在實際應(yīng)用中，將位移誤差eω(k)的輸入轉(zhuǎn)化為隸屬度函數(shù)區(qū)間，通過量化因子將區(qū)間規(guī)劃為[0，1]，其隸屬度函數(shù)如圖5所示。其模糊子集趨于零的速度越快，其靈敏度和控制效果越好。

圖5 eω隸屬度函數(shù)

Δeω(k)的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 Δeω隸屬度函數(shù)

對于不同的位移誤差和位移誤差變化率，參數(shù)自調(diào)整一般采用以下規(guī)則:

(1)位移誤差較大時，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，kp和kd的取值應(yīng)該較大，為了防止響應(yīng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，ki應(yīng)該取較小的值；

(2)位移誤差為中大時，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，kp的取值應(yīng)該較小，同時為了保證合理的響應(yīng)速度，ki和kd的值應(yīng)該選取適中；

(3)位移誤差較小時，為提高使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取適中的kp和較大的ki和kd。

經(jīng)過對高壓斷路器多次調(diào)整，最終確定當kp＝0.8，ki＝0.2，kd＝0.3 時檢測系統(tǒng)最為穩(wěn)定。

5 結(jié)論

對于斷路器的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，最基本的技術(shù)問題是分析所測得的數(shù)據(jù)，模糊邏輯通過分析監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)來診斷斷路器的狀態(tài)，實現(xiàn)了對斷路器重要診斷參數(shù)的監(jiān)控，并通過一套控制模糊系統(tǒng)的規(guī)則分別對斷路器的異常狀態(tài)進行檢測和識別。本文介紹了模糊邏輯的數(shù)學模型，通過在斷路器診斷中采用模糊邏輯，設(shè)計了高壓斷路器的模糊PID控制器，最后得出合理的控制參數(shù)，實現(xiàn)了對斷路器的控制和診斷。利用基于模糊邏輯的斷路器監(jiān)控裝置和診斷系統(tǒng)，能夠有效地提高設(shè)備可靠性、降低故障率、降低壽命成本、延長設(shè)備使用壽命、提高設(shè)備性能、提高設(shè)備利用率等效益。