CN113281682B - 一种母线接头高阻连接故障诊断方法 - Google Patents

一种母线接头高阻连接故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种输变电系统中母线接头高阻连接故障诊断方法，采集母线各支线上每个母线接头表面温度和环境温度，聚类分析得到异常节点和正常工作节点；将母线接头平均接触电阻，各支线上正常工作节点平均表面温度和平均环境温度作为训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ的输入，输出各支线上的母线接头工作电流；将每个异常节点的母线接头表面温度、环境温度、此异常节点的工作电流输入训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ中，输出此异常节点的接触电阻；将每个异常节点的接触电阻与接触电阻阈值进行比较，如果超过接触电阻阈值，则该异常节点为故障节点，实现在无电流参数情况下对母线接头进行故障诊断，解决单独测量温度信号无法提前预警的问题。

Description

一种母线接头高阻连接故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电气设备故障诊断领域，特别是针对输变电系统中母线接头的高阻连接故障诊断。
背景技术
母线接头作为输变电系统的关键设备之一，高阻连接故障是母线接头主要故障之一，大部分是由于长期温升过高发热，导致绝缘材料老化、接触电阻变大而引起火灾事故。母线接头处的温升主要是由电流热效应产生的，所以故障情况下接触电阻的增大是母线接头出现异常温升最主要的原因。
中国发明专利申请号为201210289448.0的文献公开的一种气体绝缘开关设备母线接头过热故障诊断方法和系统、以及中国发明专利申请号为201210289036.7的文献公开的气体绝缘开关设备母线接头过热故障检测与判别方法等，只对母线接头温度进行测量做出诊断和报警，只有在温度达到超温限才会作出反应，无法提前预警，故障判断存在滞后性。由于母线接头内温升主要是由接触电阻在电流的热效应下产生的，所以监测接触电阻的变化可以在温度超限前检测到故障。但是对接触电阻的监测很难在不改变母线原有结构的情况下实现，所以目前大多是基于母线接头的温度信号和电流信号对母线接头运行状态进行监测和故障诊断，例如中国发明专利申请号为201810488399.0的文献公开的一种母线槽远程智能监控系统，需要对母线接头的电流信号进行采集，但是电流信号的采集同样比较困难，封闭的母线接头结构无法安装电流互感器，而电流信号的无接触测量在多节点监测情况下成本较高，实用性差。随着传感器网络规模的增大，大量实时到达的数据在处理和诊断过程中给系统的运算资源带来了极大的挑战，许多正常工作的节点占用着计算资源，造成了不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的在于解决现有母线接头故障诊断存在的问题，提供一种优化的母线接头高阻连接故障诊断方法，实时准确地提前预警故障。
为实现上述诊断方法的目的，本发明采用的技术方案是按以下步骤：
步骤A：采集母线各支线上每个母线接头表面温度和环境温度，对所有母线接头表面温度和环境温度数据进行聚类分析，得到异常节点和正常工作节点；
步骤B：计算出母线接头平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000011
分别求取各支线上正常工作节点的平均表面温度
Figure BDA0003135611440000021
和平均环境温度
Figure BDA0003135611440000022
步骤C：将所述的母线接头平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000023
各支线上正常工作节点的平均表面温度
Figure BDA0003135611440000024
和平均环境温度
Figure BDA0003135611440000025
作为训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ的输入，最小二乘支持向量机模型Ⅰ输出各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K、I2K+1，K是支线数量；
步骤D：根据各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K、I2K+1计算出总线上的母线接头工作电流I1、I3…I2K-1，I1为总线初始电流；
步骤E：将每个异常节点的母线接头表面温度、环境温度、此异常节点的工作电流输入训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ中，最小二乘支持向量机模型Ⅱ输出此异常节点的接触电阻；
步骤F：将每个异常节点的接触电阻与接触电阻阈值进行比较，如果超过接触电阻阈值，则该异常节点为故障节点。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明通过改变工作电流、接触电阻和环境温度，测量母线接头表面温度得到数据集，以环境温度、接触电阻和母线接头表面温度为输入量，工作电流为输出量训练第一个最小二乘支持向量机模型；再以工作电流、环境温度、母线接头表面温度为输入量，接触电阻为输出量训练第二个最小二乘支持向量机模型。两个最小二乘支持向量机模型组合使用，即可实现在无电流参数的情况下对母线接头进行故障诊断：首先将正常工作节点的温度数据及电阻数据作为输入量导入第一个最小二乘支持向量机模型中估测出工作电流，再将异常节点的温度数据和工作电流估测值导入第二个最小二乘支持向量机模型估测出异常节点的接触电阻，以此判断母线接头是否发生高阻连接故障。
2、本发明由于在每条支线上的母线接头都是串联工作的，他们的工作电流相同，通过位于同一支线的正常工作节点的平均母线接头温度、平均母线接头环境温度以及平均接触电阻即可估测出此条支线的工作电流，结合基尔霍夫电流定律即可计算出所有节点的工作电流，解决了电流信号测量困难的问题；通过估测出的工作电流、异常节点的环境温度和接头表面温度估测出异常节点的接触电阻值，解决了单独测量温度信号无法提前预警的问题。
3、本发明采用面向数据流的聚类处理算法作为异常检测模块实现母线接头运行状态的预诊断，只对异常检测结果中的异常点进行故障诊断，避免了同时对大量正常节点和传感器数据进行故障诊断造成的资源损耗，减少了运算成本，提高了系统的实时性。
4、本发明采用Lora自组网技术，兼具了组网灵活和通信距离远的优点，能够满足长距离数据传输、布局灵活和远程实时监控等要求。
附图说明
图1为输配电上的母线接头布置图以及Lora通信网络6、数据汇集节点7和上位机8的布置示意图；
图2为基于聚类的异常节点和正常工作节点的判断原理图；
图3为基于两个最小二乘支持向量机模型的诊断原理图；
图4为本发明所述的母线接头高阻连接故障诊断方法流程图；
图中各个部件的序号及名称：1、工作总线，2、总线母线接头，3、第一条支线母线接头，4、第二条支线母线接头，5、第K条支线母线接头，6、Lora通信网络，7、数据汇集节点，8、上位机，9、异常节点，10、正常工作节点。
具体实施方式
参见图1所示，从输配电的工作总线1开始处，依次引出K条支线，K是支线数量，每条支线上串联若干个母线接头。总线初始电流I1从工作总线1处出发，流经第一条支线，第一条支线上的电流是I2，第一条支线中所有的母线接头3的工作电流均为I2。总线初始电流I1经第一条支线分流后，剩余电流I3流经总线母线接头2，又分出第二条支线，第二条支线上若干个母线接头4的工作电流为I4。如此，总线初始电流I1依次经(K-1)条支线分流后，在输配电末端最后一条支线上所有母线接头5的工作电流为I2K，在输配电末端是总线末端电流，总线末端电流为I2K+1。总线初始电流I1与第K条支线上的电流关系为：
I1＝I2+I3
I3＝I4+I5
···
I2K-1＝I2K+I2K+1。
在每条支线上的每个母线接头上均设置接头表面温度传感器和环境温度传感器，采集每个母线接头表面温度以及环境温度，所有的接头表面温度传感器和环境温度传感器均通过Lora通信网络6将测得的温度数据传输至数据汇集节点7，再由数据汇集节点7通过串口上传到上位机8中。上位机8的软件部分由Visual Studio2019开发平台编写，设计有UI显示界面展示相关数据和分析结果。
在母线接头正常工作时，其接触电阻只在小范围变化，所有母线接头正常工作时的接触电阻的平均值可以视为正常工作的接触电阻值，因此，所有母线接头正常工作时的平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000041
为所有母线接头正常工作时接触电阻的平均值：
Figure BDA0003135611440000042
其中L为母线接头的总数量，R1、R2…RL分别为第1个、第2个…第L个母线接头正常工作时的接触电阻，R1、R2…RL的值在母线接头安装时可测得，因此，正常工作时的平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000045
在安装时就可计算得到，可以存入上位机8中作为常量值。
参见图2，所有的接头表面温度和环境温度经Lora通信网络6、汇集节点7上传到上位机8中，在上位机8中建立横轴为环境温度，纵轴为接头表面温度的坐标网格，网格横纵轴间距均为1℃，将所有温度数据投入网格中，计算每个网格拥有的数据数量即数据密度，当数据密度低于设定阈值ε时，将网格内所有温度数据点标记为异常节点，反之，其余节点即视为正常工作节点。例如图2中聚类结果中的异常节点9和正常工作节点10，对于聚类结果中的异常节点9，将对异常节点9进行故障诊断，而正常工作节点10，用于诊断过程中估测工作电流，采用这种基于聚类算法的异常节点检测进行预诊断。
由图1可知每条支线上的母线接头均采用串联方式连接，他们的工作电流相同，所以，同一支线上，正常工作节点的工作电流值同时也是故障节点的工作电流值。
由于母线接头内温升主要是由导体电阻以及接触电阻在电流的热效应下产生的：
Figure BDA0003135611440000043
式中，Q为母线接头温升，ρ为母线接头导体电阻率,A为导体截面积，R为导体接触电阻，I为母线接头工作电流。
所以，母线接头表面温度需要考虑封闭母线接头外壳对周围环境的对流换热量QⅠ和辐射换热量QⅡ，分别为：
Figure BDA0003135611440000044
QⅡ＝h(T表-T环)，
式中，h为对流换热系数，单位为W/(m2·K)，T表为母线接头表面温度，T环为环境温度，δ为斯忒藩-波尔兹曼常量，其值为5.76×10-8W/(m2×K4)，ξ为外壳表面发射率。
由上述公式以及传热学原理可以看出，对母线接头表面温度T表影响最大的为接触电阻R、工作电流I以及环境温度T环几个因素：
Figure BDA0003135611440000051
式中，△t为母线接头表面温度变化量，c为导体的比热容，m为导体的质量。
由上述公式可知，通过位于同一支线上的各正常工作节点10母线接头的平均表面温度、平均环境温度以及平均接触电阻即可估测出此条支线的工作电流，同样再由工作电流、此支线上异常节点的环境温度和接头表面温度即可以估测出异常节点的接触电阻值。其中，平均表面温度为：
Figure BDA0003135611440000052
平均环境温度为：
Figure BDA0003135611440000053
式中：N为某条支线上正常工作节点10的数量，T表1、T表2...T表N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点10的母线接头表面温度，T环1、T环2...T环N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点10的母线接头环境温度。
本发明提出的诊断方法需要预先训练好两个最小二乘支持向量机诊断模型，模型训练所需要的数据由COMSOL物理仿真软件搭建的母线接头温度场仿真模型得到，其中模型训练所用的母线有如下参数：导电母排、导电连接排材料为铜，导热系数为398W/(m·K)；连接螺栓材料为钢，导热系数为50W/(m·K)；绝缘隔板部分材料为复合材料，导热系数为0.25W/(m·K)。模型采用四面体网格进行剖分，默认考虑所有面和边。
根据国家标准规定，母线接头高阻连接故障标准为：接触电阻大于同等长度母线电阻的120％。仿真实验中，采用一个支路，该支路中含有正常工作节点和故障节点，在R1'到RU'范围内改变母线接头接触电阻，U是第U个母线接头接触电阻，也是母线接头接触电阻的改变次数；在I1'到IB'范围内改变工作电流，B是第B个工作电流，也是工作电流的改变次数；在T环1'到T环D'范围内改变环境温度，D是第D个环境温度，也是环境温度的改变次数。每改变一次接触电阻、工作电流或者环境温度，都得到一个母线接头表面温度值，如此，得到U·B·D个母线接头表面温度值，共U·B·D组数据。将仿真实验得到的U·B·D组数据中的母线接头接触电阻、环境温度、母线接头表面温度作为输入量，工作电流作为输出量，训练最小二乘支持向量机模型Ⅰ。将仿真实验得到的U·B·D组数据中工作电流、环境温度、母线接头表面温度作为输入量，母线接头接触电阻作为输出量，训练最小二乘支持向量机模型Ⅱ。将两个训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ和最小二乘支持向量机模型Ⅱ存储在上位机8中。
参阅图1-4所示，在每个母线接头上均设置接头表面温度传感器和环境温度传感器，采集每个母线接头表面温度以及环境温度并经Lora通信网络6将每个母线接头的表面温度和环境温度数据都通过汇集节点7汇集到存储有两个训练好的最小二乘支持向量机模型的上位机8中。
由于母线接头正常工作时接触电阻只在小范围变化，正常工作时所有母线接头的接触电阻的平均值可以视为正常工作节点的接触电阻值，因此，母线接头平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000061
为所有母线接头正常工作时接触电阻的平均值：
Figure BDA0003135611440000062
其中L为母线接头的总数量，R1、R2…RL分别为第1个、第2个…第L个母线接头正常工作时的接触电阻，R1、R2…RL在母线接头安装时可测得，因此，平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000065
在安装时就可计算得到，然后存入上位机8中作为常量值。
上位机8所有的表面温度和环境温度数据进行聚类分析，建立横轴为环境温度，纵轴为接头表面温度的坐标网格，网格横纵轴间距均为1℃，将所有表面温度和环境温度数据投入网格中，参见图2，计算每个网格拥有的数据点数量即数据密度，当密度阈值低于设定值时，将网格内所有数据点标记为异常节点9，识别出数据中异常节点9以及正常工作节点10。若存在异常节点9，则对异常节点9进行故障诊断，否则继续数据采集。
取所有正常工作节点10的母线接头表面温度和环境温度，分别求取各支线正常工作节点10的母线接头表面温度的平均值和环境温度的平均值，即平均表面温度
Figure BDA0003135611440000063
和平均环境温度
Figure BDA0003135611440000064
Figure BDA0003135611440000071
Figure BDA0003135611440000072
式中，N为某条支线上正常工作节点10的数量，T表1、T表2...T表N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点10的母线接头表面温度，T环1、T环2...T环N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点10的母线接头环境温度。
参见图3，将得到的各支线的正常工作节点10的平均接触电阻
Figure BDA0003135611440000073
平均表面温度
Figure BDA0003135611440000074
和平均环境温度
Figure BDA0003135611440000075
作为训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ的输入，输入到训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ中，训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ估测出各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K和I2K+1。上位机8基于各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K和I2K+1，再根据工作电流关系即可计算出总线上母线接头工作电流I1、I3…I2K-1，电流关系为：
I1＝I2+I3
I3＝I4+I5
···
I2K-1＝I2K+I2K+1。
取所有异常节点9的母线接头表面温度和环境温度数据，基于工作电流I2、I4…I2K、I2K+1和I1、I3…I2K-1，分别将每个异常节点9的母线接头表面温度、环境温度、此异常节点9的工作电流输入训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ中，最小二乘支持向量机模型Ⅱ输出此异常节点9的接触电阻值。
设异常节点9数量为J，先取J个异常节点9中的第一个异常节点，根据异常节点9所在的支线或者总线，获得其对应的工作电流，将第一个异常节点的母线接头表面温度、环境温度、工作电流输入训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ中，最小二乘支持向量机模型Ⅱ输入此节点的接触电阻值。然后针对第二个异常节点重复第一个异常节点的步骤，得到第二个异常节点的接触电阻，如此循环J次，得到J个异常节点9的接触电阻值。
将所有异常节点9的接触电阻与接触电阻阈值R阈进行比较，接触电阻阈值R阈为母线接头同等长度母线电阻的120％，如果超过阈值R阈，则将该异常节点9即诊断为故障节点，通过上位机8发出报警，反之，虽然是异常节点9但并非是故障节点。

Claims (8)

1.一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是按以下步骤：
步骤A：采集母线各支线上每个母线接头表面温度和环境温度，对所有母线接头表面温度和环境温度数据进行聚类分析，得到异常节点和正常工作节点；
步骤B：计算出母线接头平均接触电阻
Figure FDA0003949265420000011
分别求取各支线上正常工作节点的平均表面温度
Figure FDA0003949265420000012
和平均环境温度
Figure FDA0003949265420000013
步骤C：将所述的母线接头平均接触电阻
Figure FDA0003949265420000014
各支线上正常工作节点的平均表面温度
Figure FDA0003949265420000015
和平均环境温度
Figure FDA0003949265420000016
作为训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ的输入，最小二乘支持向量机模型Ⅰ输出各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K、I2K+1，K是支线数量；
步骤D：根据各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K、I2K+1计算出总线上的母线接头工作电流I1、I3…I2K-1，I1为总线初始电流；
步骤E：将每个异常节点的母线接头表面温度、环境温度、此异常节点的工作电流输入训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ中，最小二乘支持向量机模型Ⅱ输出此异常节点的接触电阻；
步骤F：将每个异常节点的接触电阻与接触电阻阈值进行比较，如果超过接触电阻阈值，则该异常节点为故障节点。
2.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤A中的聚类分析方法是：建立横轴为环境温度，纵轴为接头表面温度的坐标网格，网格横纵轴间距均为1℃，将所有母线接头表面温度和环境温度数据投入网格中，计算每个网格拥有的数据数量即数据密度，当数据密度低于设定阈值时，网格内所有温度数据点为异常节点，其余节点即为正常工作节点。
3.根据权利要求2所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：所述的坐标网格中，网格横纵轴间距均为1℃。
4.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤B中，平均接触电阻
Figure FDA0003949265420000017
平均表面温度
Figure FDA0003949265420000018
平均环境温度
Figure FDA0003949265420000019
L为母线接头的总数量，R1、R2…RL分别为第1个、第2个…第L个母线接头正常工作时的接触电阻，N为某条支线上正常工作节点的数量，T表1、T表2...T表N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点的母线接头表面温度，T环1、T环2...T环N为此条支线上第1个、第2个...第N个正常工作节点的母线接头环境温度。
5.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤C中，采用一个支路进行仿真实验，仿真实验的支路中含有正常工作节点和故障节点，在R1'到RU'范围内改变母线接头接触电阻，在I1'到IB'范围内改变工作电流，在
Figure FDA0003949265420000021
到
Figure FDA0003949265420000022
范围内改变环境温度，每改变一次接触电阻、工作电流或环境温度，都得到一个母线接头表面温度值，如此得到U·B·D个母线接头表面温度值，U是第U个母线接头接触电阻，B是第B个工作电流、D是第D个环境温度，将U·B·D组数据中的母线接头接触电阻、环境温度、母线接头表面温度作为输入量，工作电流作为输出量，训练得到训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅰ，将U·B·D组数据中工作电流、环境温度、母线接头表面温度作为输入量，母线接头接触电阻作为输出量，训练得到训练好的最小二乘支持向量机模型Ⅱ。
6.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤D中，各支线上的母线接头工作电流I2、I4…I2K、I2K+1和总线上的母线接头工作电流I1、I3…I2K-1的计算关系为：I1＝I2+I3，I3＝I4+I5，…，I2K-1＝I2K+I2K+1。
7.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤F中，所述的接触电阻阈值为母线接头同等长度母线电阻的120％。
8.根据权利要求1所述的一种母线接头高阻连接故障诊断方法，其特征是：步骤A中，在每条支线上的每个母线接头上均设置表面温度传感器和环境温度传感器，所有的接头表面温度传感器和环境温度传感器均通过Lora通信网络将测得的温度数据传输至数据汇集节点，数据汇集节点通过串口上传到上位机中。
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