【原】基于灰度-梯度共生矩陣的串聯(lián)故障電弧特征

電氣技術(shù)雜志社 2020-11-18

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遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院的研究人員郭鳳儀、鄧勇、王智勇、游江龍、高洪鑫，在2018年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，為了獲取非線性負(fù)載回路中串聯(lián)故障電弧的特征，利用自行研制的故障電弧實驗系統(tǒng)開展了變頻器和工控機(jī)負(fù)載條件下的串聯(lián)故障電弧實驗。提出一種基于灰度-梯度共生矩陣的特征提取方法。

采用前向差分法對電流信號進(jìn)行預(yù)處理，并利用小波包技術(shù)對差分信號進(jìn)行分解、重構(gòu)，將重構(gòu)信號按頻率高低依次放入二維數(shù)組；二維數(shù)組中同時刻各頻段的能量歸一化后，將其轉(zhuǎn)換為0~255的灰度值圖像，對灰度值圖像進(jìn)行Wiener濾波并采用Laplace算子進(jìn)行銳化和加強(qiáng)處理，取頻率高于1 562.5 Hz的圖像求解灰度-梯度共生矩陣。

通過計算共生矩陣的15種特征量，篩選得到工控機(jī)和變頻器負(fù)載條件下串聯(lián)故障電弧的特征向量。將獲取的故障電弧特征向量輸入到支持向量機(jī)進(jìn)行故障電弧識別測試，驗證了上述故障電弧特征提取方法的有效性。

電器設(shè)備在使用過程中，由于電纜老化、電連接松動、觸頭虛接等情況，經(jīng)常會發(fā)生故障電弧。如果不及時采取有效的滅弧措施，可能導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸的危險發(fā)生。發(fā)生串聯(lián)型故障電弧時，回路電流略小于正常電流，常規(guī)的過電流保護(hù)型斷路器難以及時斷開回路。因此，研究串聯(lián)故障電弧特征對研發(fā)故障電弧斷路器（Arc-FaultCircuit-Interrupter, AFCI）具有重要的實際意義。

串聯(lián)型故障電弧的檢測及識別方法主要分為兩類：一類是從故障電弧產(chǎn)生時的聲、光、磁等物理現(xiàn)象進(jìn)行檢測及識別[1,2]，此方法受傳感器位置限制，大多用于定點檢測；另一類是通過分析故障電弧發(fā)生時電流信號或電壓信號的時域、頻域和時-頻域特征對故障電弧進(jìn)行診斷，此方法不受故障電弧發(fā)生位置的限制。

常用的特征提取和識別方法有：通過小波、小波包變換對電流信號進(jìn)行分解，利用各頻段的能量比例、信息熵、小波熵找出故障電弧的特征頻段并判斷是否有故障電弧發(fā)生[3-8]；利用小波細(xì)節(jié)信號模的極大值、各層細(xì)節(jié)信號能量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等特征建立特征向量，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障電弧進(jìn)行識別[9,10]；利用信息維度、客觀熵權(quán)等方法進(jìn)行故障電弧的識別[11-13]；將發(fā)生故障電弧時電流的高次諧波含有率急劇上升、諧波分量相對變化作為故障電弧的特征[14,15]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的使用急劇增加。由于非線性負(fù)載中含有電容、電感等儲能元件以及電子開關(guān)電路，導(dǎo)致負(fù)載電流不隨電壓同步變化，電流頻率成分復(fù)雜，諧波含有率較高。當(dāng)非線性負(fù)載發(fā)生故障電弧時，僅使用小波熵、能量熵、諧波含有率等單一的特征量難以準(zhǔn)確地識別。

以工業(yè)現(xiàn)場動力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的變頻器-電動機(jī)負(fù)載（簡稱變頻器負(fù)載）以及測控系統(tǒng)的工控機(jī)作為研究對象，研究非線性負(fù)載回路中故障電弧的特征提取和識別方法。

該方法將電流信號轉(zhuǎn)換為各頻段能量分布的灰度圖像，計算圖像的灰度-梯度共生矩陣的15種特征量，篩選出有效的特征量輸入支持向量機(jī)（Support VectorMachine, SVM）進(jìn)行故障狀態(tài)識別。最后利用電磁爐、PC機(jī)和手電鉆等非線性負(fù)載對該方法的有效性進(jìn)行了對比驗證。

圖1 串聯(lián)故障電弧發(fā)生器