基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法

摘要

本发明属于断路器故障诊断技术领域，涉及一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，构建断路器不同故障状态下线圈分合闸电流信号时间序列数据集；对线圈分合闸电流信号时间序列数据集进行相空间重构，将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化；提取断路器分合闸线圈电流信号相空间重构后的相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征；以网格相对位置特征作为故障特征量构建故障诊断特征集，将故障诊断特征集输入SVM以此构建断路器故障诊断模型。本发明通过相平面吸引子轨迹转变点的比较可以准确辨识断路器故障类型。

权利要求

1.一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，其特征是，步骤如下：S1、构建断路器不同故障状态下线圈分合闸电流信号时间序列数据集；

S2、相空间重构及相平面网格化：对线圈分合闸电流信号时间序列数据集进行相空间重构，确定相空间重构的最优重构参数，最优重构参数包括最优延迟时间和最优嵌入维数，将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化；将采集到的线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)依据选取的最优重构参数进行相空间重构，以重构后的数据集X中的 x(t)为横坐标，x(t+τ)为纵坐标，构建相平面吸引子轨迹图，其中x(t)={x1，x2，…，xM}，x(t+τ)={x1+τ，x2+τ，…，xM+τ}，划分单位网格尺寸为R×R的相平面网格范围， ；

S3、提取相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征：根据处于网格范围的相平面吸引子轨迹，提取断路器分合闸线圈电流信号相空间重构后的相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征；

提取相空间吸引子轨迹转变点，然后计算当前相空间吸引子轨迹转变点所处网格到相对应的正常相空间吸引子轨迹转变点所处网格 的距离，记为网格相对特征 ，P为正常 相空间吸引子轨迹转变点的编号 ，网格相对特征距离计算公式为，其中 表示  之间的网格数，式中距离的

±符号取决于故障相空间吸引子轨迹转变点网格相对于正常相空间吸引子轨迹转变点网格的横坐标轴方向，若为正方向则取+，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏大；负方向为－，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏小；

若处于同一列网格则距离为0，表示分合闸线圈电流转变点的电流幅值处于正常范围；

S4、以网格相对位置特征作为故障特征量构建故障诊断特征集，将故障诊断特征集输入SVM以此构建断路器故障诊断模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，其特征是，步骤S2中，相空间重构是基于相空间重构技术将线圈分合闸电流信号时间序列重构至高维相空间，其过程为：对于线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)={x1，x2，…，xN}，N为信号长度，x1，x2，…，xN分别为第1，2，…，N个线圈分合闸电流信号，重构后相空间信号数据集为 ，其中M=N‑(m‑1)τ，M为重构后的信号长度，τ为延迟时间，m为嵌入维数，x1+τ，x1+2τ，…，x1+(m‑1)τ分别为第1个线圈分合闸电流信号x1在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号，x2+τ，x2+2τ，…，x2+(m‑1)τ分别为第2个线圈分合闸电流信号x2在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；xM+τ，xM+2τ，…，xM+(m‑1)τ分别为第M个线圈分合闸电流信号xM在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；选取合适的延迟时间τ、嵌入维数m使电流信号重构至能完整表现原系统状态信息的高维空间。

3.根据权利要求1所述的一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，其特征是，步骤S2中利用互信息法选取最优延迟时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，其特征是，步骤S2中采用伪近邻法选择最优嵌入维数。

说明书

基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，属于断路器故障诊断技术领域。

背景技术

[0002] 高压断路器作为在电力系统中起到保护和控制作用的重要关键设备，诊断其工作运行状态对于维护电力系统的安全运行有着重要意义。高压断路器分合闸线圈的电流信号蕴藏了丰富且复杂的断路器操作机构状态信息，故提取和分析电流信号特征能够有效评估断路器的故障状态和故障类型识别。

[0003] 现有技术对高压断路器的分合闸线圈电流信号特征提取技术，主要以时频分析方法进行信号特征提取，如快速傅里叶变换、小波变换、经验模态分解等。但由于断路器的机械结构属于复杂的非线性动力学系统模型，故观测单一变量的时间序列所反映的信息过于片面化，而近年来采用相空间重构技术对时域观测信号进行高维空间重构越来越受到重视并得到了广泛应用。但目前在断路器故障诊断领域，相空间重构技术还未应用到断路器分合闸线圈电流信号的特征提取研究中。

[0004] 现有技术（CN202011359477）中有基于故障相电流相空间重构和分形理论进行线路故障识别的报道，提取电流信号相空间轨迹的分形维数，当发生故障时电流信号变化波动较大，因此获得故障电流信号相空间轨迹的分形维数，从而表示原复杂电流信号的非规则程度。但是断路器发生故障时，线圈分合闸电流相空间重构后的形态变化较小，使得不同故障对应电流信号相空间轨迹的分形维数差距较小，故提取相空间轨迹的分形维数作为故障特征的方法不适用于断路器电流故障特征提取。

[0005] CN201611014853公开了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，采集有载分接开关工作状态下的电流信号以及振动信号，首先基于希尔伯特变换，通过采集到的电流信号包络线与故障阈值来判断是否发生故障；然后根据通过相空间重构获得振动信号的的几何分布特征参数，与已建立的有载分接开关故障信息特征库进行匹配，确定故障种类。提取振动信号相空间轨迹的几何分布特征，可以反映整体相点在相空间内的分布特性和原信号特性。当振动模式相对稳定时，特征值保持相对稳定;一旦该值发生较大变动，可以认为开关操作的振动模式出现异常。而断路器发生故障时，线圈分合闸电流只在某个或多个局部变化较大，而采用CN201611014853的方法，则不同故障对应电流信号相空间轨迹的几何分布特征变化不明显，无法对断路器故障类型进行区分，故不适用于断路器电流故障特征提取。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，基于断路器分合闸线圈电流信号的混沌特性进行特征提取，提取的不同故障状态下的相空间轨迹的相平面吸引子轨迹转变点网格相对位置特征集利用SVM进行特征分
类，实现断路器故障状态的准确识别。

[0007] 本发明采用的技术方案是：一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，步骤如下：

[0008] S1、构建断路器不同故障状态下线圈分合闸电流信号时间序列数据集；

[0009] S2、相空间重构及相平面网格化：对线圈分合闸电流信号时间序列数据集进行相空间重构，确定相空间重构的最优重构参数，最优重构参数包括最优延迟时间和最优嵌入维数，将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化；

[0010] S3、提取相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征：根据处于网格范围的相平面吸引子轨迹，提取断路器分合闸线圈电流信号相空间重构后的相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征；

[0011] S4、以网格相对位置特征作为故障特征量构建故障诊断特征集，将故障诊断特征集输入SVM以此构建断路器故障诊断模型。

[0012] 进一步优选，步骤S2中，相空间重构是基于相空间重构技术将线圈分合闸电流信号时间序列重构至高维相空间，其过程为：对于线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)={x1， x2，…，xN} ，N为信号长度， x1，x2，…，xN分别为第1，2，…，N个线圈分合闸电流信号，重构后相空间信号数据集为 ，其中M=N‑(m‑1)τ，M为重构后的信号长度，τ为延迟时间，m为嵌入维数，x1+τ，x1+2τ，…，x1+(m‑1)τ分别为第1个线圈分合闸电流信号x1在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号，x2+τ，x2+2τ，…，x2+(m‑1)τ分别为第2个线圈分合闸电流信号x2在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；xM+τ，xM+2τ，…，xM+(m‑1)τ分别为第M个线圈分合闸电流信号xM在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；选取合适的延迟时间τ、嵌入维数m使电流信号重构至能完整表现原系统状态信息的高维空间。

[0013] 进一步优选，步骤S2中利用互信息法选取最优延迟时间。

[0014] 进一步优选，步骤S2中采用伪近邻法选择最优嵌入维数。

[0015] 进一步优选，步骤S2中将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化的过程为：将采集到的线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)依据选取的最优重构参数进行相空间重构，以重构后的数据集X中的x(t)为横坐标，x(t+τ)为纵坐标，构建相平面吸引子轨迹图，其中x(t)={x1，x2，…，xM}，x(t+τ)={x1+τ，x2+τ，…，xM+τ}，划分单位网格尺寸为R×R的相平面网格范围，。

[0016] 进一步优选，步骤S3具体过程为：提取相空间吸引子轨迹转变点，然后计算当前相空间吸引子轨迹转变点所处网格 到相对应的正常相空间吸引子轨迹转变点所处网格的距离，记为网格相对特征 ，P为正常相空间吸引子轨迹转变点的编号，网格相对特
征距离计算公式为 ，其中 表示 之间的网格
数，式中距离的±符号取决于故障相空间吸引子轨迹转变点网格相对于正常相空间吸引子轨迹转变点网格的横坐标轴方向，若为正方向则取+，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏大；负方向为－，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏小；若处于同一列网格则距离为0，表示分合闸线圈电流转变点的电流幅值处于正常范围。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 1.采用相空间重构对断路器不同故障状态下分合闸线圈电流信号时间序列进行重构，可以在高维空间下反映原始线圈电流信号的混沌特性，实现时域信号的多维状态表征。

[0019] 2.针对不同故障状态下的电流信号所对应经网格化的相平面吸引子轨迹，提取相平面吸引子轨迹的特征点的网格相对位置特征，由于该特征量在断路器处于不同故障状态下会发生明显变化，故可作为故障特征量构建故障诊断特征集。

[0020] 3.依据所建立的故障诊断特征集构建SVM故障辨识模型，可以准确辨识断路器故障类型。

附图说明

[0021] 图1 为本发明的方法流程图。

[0022] 图2为典型断路器分合闸线圈电流信号波形。

[0023] 图3为铁芯卡涩与正常状态的典型分合闸线圈电流信号对比图。

[0024] 图4为匝间短路与正常状态的典型分合闸线圈电流信号对比图。

[0025] 图5为铁芯空行程大与正常状态的典型分合闸线圈电流信号对比图。

[0026] 图6为电源电压过低与正常状态的典型分合闸线圈电流信号对比图。

[0027] 图7为四种故障电流波形重构后的相平面吸引子轨迹图。

[0028] 图8为铁芯卡涩故障电流波形重构后的网格化相平面吸引子轨迹图。

[0029] 图9为匝间短路故障电流波形重构后的网格化相平面吸引子轨迹图。

[0030] 图10为铁芯空行程大故障电流波形重构后的网格化相平面吸引子轨迹图。

[0031] 图11为电源电压过低故障电流波形重构后的网格化相平面吸引子轨迹图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细阐明。

[0033] 参照图1，一种基于电流信号相空间重构的断路器故障诊断方法，步骤如下：

[0034] S1、构建断路器不同故障状态下线圈分合闸电流信号时间序列数据集；

[0035] S2、相空间重构及相平面网格化：对线圈分合闸电流信号时间序列数据集进行相空间重构，利用互信息法和伪近邻法确定相空间重构的最优重构参数，将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化；

[0036] 典型断路器分合闸线圈电流信号如图2所示，T0为分合闸线圈电流信号起始时间，T1、T3、T5分别为第1、3、5个分合闸线圈电流转变点，I1、I3、I5分别为第1、3、5个分合闸线圈电流转变点的电流幅值。相空间重构是基于相空间重构技术将线圈分合闸电流信号时间序列重构至高维相空间，其过程为：对于线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)={x1，x2，…，xN} ，N为信号长度，x1，x2，…， xN分别为第1，2，…，N个线圈分合闸电流信号，重构后相空间信号数据集为 ，其中M=N‑(m‑1)τ，M为重构后的信号长度，τ为延迟时间，m为嵌入维数，x1+τ，x1+2τ，…，x1+(m‑1)τ分别为第1个线圈分合闸电流信号x1在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号，x2+τ，x2+2τ，…，x2+(m‑1)τ分别为第2个线圈分合闸电流信号x2在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；xM+τ，xM+2τ，…，xM+(m‑1)τ分别为第M个线圈分合闸电流信号xM在延迟时间为τ，2τ，…，(m‑1)τ的重构信号；选取合适的延迟时间τ、嵌入维数m使电流信号重构至能完整表现原系统状态信息的高维空间。

[0037] 确定最优延迟时间：延迟时间τ决定了线圈分合闸电流信号各个分量之间的相关程度，影响了相平面吸引子轨迹的系统特性表征性能，故有必要确定最优的延迟时间τ。利用互信息法选取最优延迟时间。

[0038] 确定最优嵌入维数：嵌入维数m决定了重构后的相平面吸引子轨迹，选取合适的嵌入维数可以使相平面吸引子轨迹完全展开而还原系统的状态信息。这里采用伪近邻法选择最优嵌入维数m。

[0039] 将线圈分合闸电流信号重构至高维空间得到相平面吸引子的相轨迹，获得相空间轨迹图并对所构建的相平面进行网格化的过程为：将采集到的线圈分合闸电流信号时间序列数据集x(t)依据选取的最优重构参数进行相空间重构，以重构后的数据集X中的x(t)为横坐标，x(t+τ)为纵坐标，构建相平面吸引子轨迹图，其中x(t)={x1，x2，…，xM}，x(t+τ)={x1+τ，x2+τ，…，xM+τ}，划分单位网格尺寸为R×R的相平面网格范围， ，其中R取值越低，故障诊断精度越高，R需根据断路器的电流信号故障实际认定规则进行设定。

[0040] S3、提取相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征：根据处于网格范围的相平面吸引子轨迹，提取断路器分合闸线圈电流信号相空间重构后的相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征；

[0041] 本实施例步骤S3提取相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征，网格相对位置特征的变化对应于分合闸线圈电流信号相对应的故障范围。依据断路器不同故障状态下线圈分合闸电流信号经相空间重构后在经网格化的相平面吸引子轨迹，提取相平面吸引子轨迹中的3个相平面吸引子轨迹转变点的网格相对位置特征。

[0042] 本实施例中，某型号断路器四种故障状态：铁芯卡涩、匝间短路、铁芯空行程大、电源电压过低与正常状态的典型分合闸线圈电流信号对比如图3‑图6所示，四幅图表示了分合闸线圈电流信号四种故障状态下相较于正常状态的差异，主要体现在三个分合闸线圈电流转变点（对应图2中T1、T3、T5）的变化和对应电流幅值的升高或降低。四种故障状态和正常状态分合闸线圈电流信号重构后对应的相平面吸引子轨迹对比如图7，五种状态的相平面吸引子轨迹处于同一相平面，轨迹转变点对应于分合闸线圈电流信号中的分合闸线圈电流转变点，故障状态相较于正常状态相平面吸引子轨迹的轨迹转变点会有不同程度的偏移。

[0043] 由图7分析可知，相平面吸引子轨迹均匀地分布在相空间中且同工况的相平面吸引子轨迹分布基本处于相同空间区域，分合闸线圈电流信号的分合闸线圈电流转变点与相空间吸引子轨迹中的轨迹转变点之间存在明显的对应关系，当断路器发生故障时，相空间吸引子轨迹分布特征会发生相应变化，故以此为区分断路器不同故障状态提供基础。

[0044] 断路器分合闸线圈工作过程的分合闸线圈电流转变点T1、T3、T5与相对应的分合闸线圈电流转变点的电流幅值I1、I3、I5可以反映线圈电流、电阻和电磁铁运动状态等物理信息。从图7中可以看出，第1个分合闸线圈电流转变点T1对应于相空间吸引子轨迹靠近相平面中心的曲线内陷点，记作相空间吸引子轨迹转变点A，相空间吸引子轨迹转变点A反映了分合闸线圈电流信号在T0～T1阶段的总体状态；第3个分合闸线圈电流转变点T3所对应的则是内陷点上方的距离相平面中心较远的突出点，记作相空间吸引子轨迹转变点B，该点反映了分合闸线圈电流信号在T1～T3阶段的总体状态；第5个分合闸线圈电流转变点T5对应的是相空间吸引子轨迹的最高顶点，记作相空间吸引子轨迹转变点C，该点反映了分合闸线圈电流信号在T3～T5阶段的总体状态。以上三个相空间吸引子轨迹转变点在相平面位置相对于正常点位的变化反映了断路器发生故障的具体情况。

[0045] 获取相空间吸引子轨迹转变点A、B、C的网格相对特征DA、DB、DC：如图8，相空间吸引子轨迹转变点A、B、C所处网格G分别记为 。当断路器分合闸工作发生故障，对应相空间吸引子轨迹转变点所处网格分别标记为 ，计算其到相对应的正
常相空间吸引子轨迹转变点所处网格 的距离，记为网格相对特征 ， P为正
常相空间吸引子轨迹转变点的编号，P∈{A、B、C}，网格相对特征距离计算公式为
，其中 表示 之间的网格数，式中距离的±符
号取决于故障相空间吸引子轨迹转变点网格相对于正常相空间吸引子轨迹转变点网格的
横坐标轴方向，若为正方向则取+，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏大；负方向为－，表示分合闸线圈电流转变点的时间或电流幅值较正常工作偏小；若处于同一列网格则距离为0，表示分合闸线圈电流转变点的电流幅值处于正常范围。图9、图
10、图11的分析方法与图8相同。

[0046] S4、以网格相对位置特征作为故障特征量构建故障诊断特征集，将故障诊断特征集输入SVM以此构建断路器故障诊断模型。

[0047] 基于获取的不同故障状态下分合闸线圈电流信号对应的相平面吸引子轨迹，如图8提取相平面吸引子轨迹分布的3个相空间吸引子轨迹转变点的网格位置特征作为故障特
征量(相平面网格化单位网格尺寸为0.2×0.2)。

[0048]

[0049] 参照表1的方式构建断路器故障特征集，并且划分训练集和测试集，将其输入SVM模型进行训练、测试，建立断路器线圈分合闸电流故障诊断模型。

[0050] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。