Fraktal Kutu Boyutuna Dayalı Seri Ark Hatası Teşhis Teknolojisi Araştırması
Chen Kai1, Wang Jinquan1, Yan Jun1, Cai Jiexuan2, Zhou Siyu2
(1. PLA Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 210007, Jiangsu; 2. Shenyang Teknoloji Üniversitesi, Shenyang 110870, Liaoning)
: Bir seri ark hatası deney platformu kurarak, çeşitli tipte yük deneyleri yaparak, normal çalışma ve seri ark arızaları sırasında akım sinyallerini analiz ederek ve fraktal kutu boyutuna dayalı bir dizi arıza ark teşhis yöntemi önererek. Farklı sinyal-gürültü oranları altında fraktal kutu boyutunun hesaplama hatası ayrıca çalışılmış, fraktal kutu boyutunun anti-gürültü performansı analiz edilmiş ve normal çalışma ve seri ark arızası altında farklı yükler altında fraktal kutu boyutunun referans aralığı hesaplanmıştır. Deneyler, fraktal kutu boyutuna dayanan arıza teşhis yönteminin, yükün seri ark hatasını doğru bir şekilde tanımlayabildiğini ve iyi bir çok yönlülüğe sahip olduğunu göstermektedir.
: Seri ark hatası; arıza ark akımı; fraktal kutu boyutu; gürültü önleyici performans
: TM501 Belge Tanımlama Kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.07.022
Alıntı biçimi Chen Kai, Wang Jinquan, Yan Jun, ve diğerleri.Fraktal kutu boyutuna dayalı seri ark hatası teşhis teknolojisi araştırması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017,36 (7): 74-77,87.
0 Önsöz
Toplumun gelişmesiyle birlikte, elektriklenme derecesi artmaya devam etmekte ve elektrik arızalarından kaynaklanan yangın kazaları gittikçe daha sık hale gelmekte ve elektrik yangınları, yangın kazalarının en önemli parçası haline gelmektedir [1]. Çin itfaiyesi tarafından sağlanan ilgili verilere göre, her yıl ülke çapındaki elektrik yangınlarının yaklaşık% 31'i ark arızalarından kaynaklanmaktadır [2].
Hatta bir ark arızası meydana geldiğinde, arkın yakınındaki fiziksel karakteristik değerler, örneğin sıcaklık, ark voltajı, ark ışığı, ark sesi, elektromanyetik dalga ve diğer karakteristik sinyaller [3-4] daha belirgindir, ancak bu özelliklerin tümü, sınırlı olan ark oluşum noktasına yakındır. Daha büyük. Son yıllarda devrede ilgili akım ve gerilim sinyallerini toplayarak ark arızalarının tespitinde belirli ilerlemeler kaydedilmiştir. Literatür [5], fraktal kutu boyutu ve destek vektör makinesini bir seri yayı tanımlamak için birleştirme yöntemini önermiştir, ancak "daha iyi doğrusallığa sahip alanı seçin" makalesindeki kutu boyutunun hesaplama yöntemi, işlenmesi zor olan insan faktörlerinden etkilenmektedir. Kutu boyutunun hesaplanmasında gürültü sinyalinin paraziti dikkate alınmadan gerçekleştirilmiştir; Literatür [6], belirli sonuçlar elde eden, ancak bu yöntem bazı spesifik yükler için uygun olan ve diğer tipik yükleri hedefleyen otoregresif parametre modelini kullanan bir tanımlama yöntemi önermiştir. Ayrımcılığının doğruluğunun iyileştirilmesi gerekiyor.
Bu makale, genel uygulanabilirliği olan fraktal kutu boyutuna dayalı bir arıza ark tespit yöntemi önermektedir. Kutu boyutu hesaplaması, gürültü sinyallerinden kaynaklanan parazitlere karşı hassastır.Sinyalin kutu boyutunu hesaplayarak, sinyal-gürültü oranının değişmesiyle kutu boyutunun belirli bir kuralı karşıladığı bulunmuştur: sinyal-gürültü oranı belirli bir değerden büyük olduğunda, kutu boyutu hesaplaması Değer hatası küçüktür ve sinyalin fraktal özelliklerini yansıtabilir.Bu sırada, çıkarılan arıza ark sinyali, gerçek zamanlı teşhisi geliştiren basit bir filtreleme algoritması veya eklenmeden daha doğru bir şekilde tanımlanabilir. Bu yazıda, ilgili standartlara göre seri ark arızaları için deneysel bir platform oluşturulmuş ve çeşitli yük türleri ile çoklu deney setleri gerçekleştirilmiştir.Bu yazıda önerilen fraktal kutu boyut hesaplama yöntemi kullanılarak, farklı yükler altında bir seri ark arızası meydana geldiğinde kutu boyutu verilmiştir. Referans aralığı, seri arıza arkının teşhisini gerçekleştirebilir.
1 Fraktal Teori
Doğrusal olmayan yük, Fourier dönüşümüne dayanan geleneksel arıza arkı teşhisi yöntemini etkisiz hale getirir. Fraktal teori, doğrusal olmayan sistemdeki düzensiz geometrik konfigürasyonu etkin bir şekilde tanımlayabilir ve son yıllarda yavaş yavaş sinyal işlemeye uygulanmıştır [7].
1.1 Fraktal teori ve fraktal kutu boyutu
Fraktal çalışmalar, parça ile bütün arasındaki ilişkiyi ve hareket yasasını kaotik fenomen ve düzensiz konfigürasyon yoluyla tanımlar. Bunlar arasında, ölçeksiz ve kendine benzerlik fraktalların en temel iki özelliğidir [8] . Fraktal teoride, fraktal boyut sistemin doğrusal olmayışını ve kaotik çekerin karmaşıklığını iyi bir şekilde tanımlayabilir [9]. Yaygın fraktal boyutlar arasında kutu boyutu, korelasyon boyutu, Lyapunov boyutu, Hausdroff boyutu vb. Bulunur. Bunlar arasında, kutu boyutu matematiksel hesaplama ve deneysel ölçüm için uygundur ve pratikte daha çok kullanılan daha az parametrenin ayarlanması gerekir.
1.2 Fraktal kutu boyutunun hesaplama yöntemi
M'nin herhangi bir boş olmayan sınırlı Rn alt kümesi olduğunu varsayalım ve N (M, ), maksimum çapın olduğu ve M kümesini kaplayabilecek en küçük sayı olduğu anlamına gelir, bu durumda M'nin kutu boyutu şu şekilde tanımlanır:
Ayrık sinyal için y (i) Y (Y, n-boyutlu Öklid uzayında kapalı bir kümedir), sınır bulmak için tanım kullanılamaz.Bu çalışmada, dijital ayrıklaştırılmış sinyal uzay noktası kümesinin kutu boyutunun hesaplama yöntemi aşağıdaki gibi basitleştirilmiştir:
Sinyalin örnekleme sırasının y (1), y (2), y (3), ..., y (N), y (N + 1) olduğunu varsayalım, burada N çift sayıdır, diyelim:
Ve N () = F () / , N (2) = F (2) / 2, burada örnek aralığı = 1 / fs, fs örnek sinyalin örnekleme frekansıdır, bu durumda ayrık sinyalin kutu boyutu :
Kutu boyutunun hesaplanan değeri, gürültü sinyallerinden kaynaklanan parazitlere karşı hassastır.Girişimi ortadan kaldırmak için genellikle filtreleme algoritmaları kullanılır, ancak bu aynı zamanda sinyal işlemenin zorluğunu arttırır ve pratik uygulamalarda hata teşhisinin gerçek zamanlı performansını azaltır. Bu makale, gürültü sinyallerinin fraktal kutu boyutunun hesaplanması üzerindeki etkisini analiz etmekte ve fraktal kutu boyutunun belirli bir gürültü önleyici performansa sahip olduğunu bulmaktadır.Makul bir aralıkta, sinyal işleme hızı filtreleme algoritmaları olmadan geliştirilebilir.
1.3 Fraktal kutu boyutuna dayalı ark hatası teşhis yöntemi
İki farklı fraktal kutu boyut değeri elde etmek için denklemler (2) ~ (4) kullanarak sırasıyla yük normal çalışmada ve bir seri ark hatası oluştuğunda toplanan hattaki akım sinyallerini hesaplayın ve yükü elde etmek için birden fazla deney yapın Normal çalışma ve ark hatası sırasında fraktal kutu boyutunun referans aralığı. Toplanan akım sinyalini değerlendirmek için fraktal kutu boyutunun kullanılması, arıza teşhisi için bir temel olarak kullanılabilir. Aşağıdaki ileri deneysel veri doğrulaması.
2 Seri ark deney platformunun yapımı ve model simülasyonu
2.1 Seri ark deney platformunun kurulması
Bir arkın volt-amper özellikleri, bir AC arkının en önemli fiziksel özelliklerinden biridir. Amerikan UL1699-2011 "Ark Arızalı Devre Kesiciler için Güvenlik Standardı" na göre, seri ark simülasyon deney platformu oluşturulmuştur. Şekil 1'de gösterildiği gibi, deneysel platform çeşitli yük türlerini, ark jeneratörlerini, yüksek hassasiyetli akım sensörlerini ve Tektronix MDO3054 osiloskoplarını içerir.
Yükler arasında akkor lambalar, elektrikli fanlar, bilgisayarlar, flüoresan lambalar vb. Bulunur. Ark jeneratörü kendi kendine yapılır ve yukarıdaki standartlara göre kurulur. Takip araştırması için deneyler yoluyla normal çalışma ve seri ark arızasındaki farklı yüklerin mevcut verilerini toplayın.
2.2 Tipik yük hatası ark sinyali analizi
Tipik yük türleri, geleneksel doğrusal yükleri ve doğrusal olmayan yükleri içerir.Bu yükler, farklı çalışma dalga biçimlerine sahiptir ve bunların ark hatası sinyalleri de farklı hata özelliklerine sahiptir.Akkor lambaları (doğrusal yükler) ve bilgisayarları (doğrusal olmayan yükler) örnek olarak alın. Normal çalışması ve arıza ark işleminin dalga biçimi özelliklerini analiz edin.
Şekil 2, akkor lamba normal çalıştığında ve bir seri ark arızası meydana geldiğinde akım dalga biçimini gösterir. Şekilden, akkor lambanın akım dalga biçiminin normal çalışırken standart sinüs dalgasına yakın olduğu ve arıza arkı dalga biçiminin ciddi şekilde bozulduğu görülebilir. Ark hatası dalga formunun frekans spektrumunu analiz ederek, saf direnç yükünün ark hatası kriteri olarak kullanılabilecek çok sayıda harmonik olduğu bulunmuştur.
Şekil 3, bilgisayar yükü normal çalışırken ve bir seri ark hatası meydana geldiğinde mevcut dalga biçimini gösterir. Şekilden, doğrusal olmayan yükün akım distorsiyonunun normal çalışma sırasında çok ciddi olduğu görülmektedir ki bu, saf bir direnç yükünde bir arıza ark arızası olduğunda "sıfır dinlenme" fenomenine benzer Bir ark arızası meydana geldiğinde, akım bozulması daha ciddidir. Arıza tanımlama için harmonikleri bulmaya yönelik Fourier dönüşümü yöntemi geçersizdir.
2.3 AC ark modelinin simülasyon analizi
Şu anda, üç ana yay modeli türü vardır: kara kutu modelleri, matematiksel modeller ve diğer analitik ve grafiksel araçlar. Bunların arasında, enerji perspektifine dayalı daha klasik matematiksel modeller Cassie modeli ve Mayr modelidir [10], ancak bu iki model AC arkının dış özelliklerini yansıtamaz. Bu makale, Tammy Gammon ve John Matthews [11] tarafından önerilen (denklem (5) 'de gösterildiği gibi), doğrusal yük altında AC serisi arkın akım ve gerilim karakteristiklerini daha iyi eşleştirebilen kontrollü kaynak matematiksel modelini benimser. Aşağıdakiler, fraktal kutu boyutunun gürültü önleyici performansını incelemek için modele dayanmaktadır.
Formülde, Vmax güç kaynağı voltajıdır, iarc hattaki akımdır, L hattaki endüktandır, R hattaki empedanstır ve g sabit bir değerdir, genellikle 0,02'dir. Model simülasyonuna göre, fay ark dalga formu Şekil 4'te gösterilmiştir.
3.1 Gauss beyaz gürültü sinyalinin ve gürültülü arıza ark sinyalinin kutu boyutu analizi
Gürültü sinyali ve arıza sinyali kendi içsel fraktal özelliklerine sahiptir, bu nedenle kutu boyut değeri de sabittir. Genellikle toplanan sinyal Gauss beyaz gürültüsü içerir, güç yoğunluğu spektrumu sabittir ve genlik dağılımı Gauss dağılımına uyar. Sinyal-gürültü oranı ile sinyal kutusu boyutunun değişim yasasını elde etmek için, farklı sinyal-gürültü oranı değerleri belirlenir ve Şekil 5'te gösterildiği gibi, farklı gürültü yoğunluklarında arıza ark sinyalinin kutu boyut değeri elde edilir.
4. derece polinom eğri uydurma, sinyal-gürültü oranının 34'ten az olduğu aralık için elde edilebilir:
y = 2 × 107x47 × 106x31,1 × 104x26,2 × 104x + 1,4 (6)
Formülde y, kutu boyutunun hesaplanan değeridir ve x, sinyal-gürültü oranıdır (x < 34), artık modül 0,0751 olarak hesaplanır.
3.2 Fraktal kutu boyutu anti-gürültü analizi
Hepimizin bildiği gibi, fraktal kutu boyutunun değeri gürültü sinyalleri tarafından kolayca bozulur. Yukarıdaki analize göre, hesaplanan kutu boyut hatası% 1'den küçük olan karşılık gelen sinyal-gürültü oranı değerine C değeri denir. Doğrusal yük serisi arıza ark sinyali için C değeri 34'tür. Sinyal-gürültü oranı ne zaman > C'de hesaplanan fraktal kutu boyutu sabittir ve hata küçüktür, bu da sinyalin fraktal özelliklerini yansıtabilir; sinyal-gürültü oranı < C'de, fraktal kutu boyutunun hesaplanan değeri, sinyal-gürültü oranı değiştikçe polinom eğri fonksiyonunu karşılar.
Formül (1) 'e göre, kutu boyutu için iki önemli ölçek vardır, biri hiperküpün yan uzunluğu ve diğeri M boşluğunu doldurmak için kullanılan hiperküpün N (M, ) sayısıdır. Uzay geometrisi perspektifinden bakıldığında, fraktal boyut, sinyalin sisteme doldurulma yeteneğini ve sinyalin karmaşıklığını yansıtır. Orijinal sinyal bir gürültü sinyali ile üst üste bindirildiğinde, sinyal-gürültü oranı büyük olduğunda, orijinal sinyal baskındır ve sinyal alanı fraktal özellikleri orijinal sinyale benzer; sinyal-gürültü oranı küçük olduğunda, sinyal alanı gürültü sinyali tarafından bozulmuştur ve hiperküp doldurulur Sayı, gürültü sinyalinden etkilenir ve şu anda hesaplanan kutu boyutu doğru değildir. Bu bölümdeki analizden, kutu boyutunun gürültüye karşı belirli bir dirence sahip olduğu görülebilir.Sinyal-gürültü oranı büyük olduğunda, karmaşık filtreleme algoritmalarına ihtiyaç duyulmaz, bu da hata sinyali teşhisinin hızını artırır. Daha sonra kutu boyutu hesaplaması yapılır Bu zamanda hesaplanan kutu boyutu, hattaki arıza ark sinyalini doğru bir şekilde ayırt etmek için arıza sinyalinin fraktal özelliklerini daha doğru bir şekilde yansıtabilir [8].
4 Fraktal kutu boyutuna dayalı ark hatası teşhis yönteminin deneysel doğrulaması
Dahili seri ark hatası deney platformuna göre çeşitli tipik yüklerle deneyler yapın. Deneyde, yükün iki çalışma durumu vardır: normal çalışma ve seri ark hatası. Ark hatası deneyi sırasında, havanın kırılma voltajı nispeten büyük olduğundan, havanın bozulmasını sağlamak için bakır çubuk ile karbon çubuk arasındaki mesafeyi sürekli olarak ayarlamak gerekir. Her yük için 80 set veri toplanır, bunlardan 50 set eğitim seti olarak ve 30 set test seti olarak kullanılır. Normal çalışma ve seri ark hatası altında farklı yükler için kutu boyutu referans aralığını hesaplamak için formülü kullanın. Tablo 1'de gösterildiği gibi.
Hesaplamadan sonra, fraktal kutu boyutuna dayalı ark hatası teşhis yönteminin doğruluğu% 94,67 olup, bu iyi bir teşhis etkisine sahiptir. Tablo 1'den, farklı yüklerin normal çalışma sırasında ve bir seri ark arızası meydana geldiğinde kutu boyutu için farklı aralıklara sahip olduğu görülebilir. Bu makale tek bir yük üzerinde deneyler yapmıştır.Çizgide birden fazla yük olduğunda, normal çalışma ve ark arızası koşullarında kutu boyutunun da kendine özgü aralığı vardır.Kutu boyutunun referans aralığı, birden fazla deney seti yapılarak elde edilebilir. .
5. Sonuç
Seri ark arızası, elektriksel yangın arızalarına yol açan önemli faktörlerden biridir. Hatalı ark sinyalini doğru bir şekilde tanımlamak için, bu makale, normal çalışma ve fay arkı altında fraktal özellikleri çıkarmak için fraktal kutu boyutu yöntemini kullanır. Bir arıza arkı deney platformu oluşturarak, normal çalışma ve bir dizi ark arızası sırasında veri toplayarak ve simülasyon yoluyla sinyal ve gürültü sinyalini üst üste bindirerek, farklı sinyal-gürültü oranlarını kurarak ve fraktal kutu boyutunu analiz ederek farklı yük deneyleri gerçekleştirildi. özelliği. Ana sonuçlar aşağıdaki gibidir:
(1) Hat üzerinde bir seri ark arızası meydana geldiğinde, hat akımı ciddi şekilde bozulur ve çok sayıda harmonik bileşen üretilir.Fourier analizine dayalı geleneksel ark hatası teşhis yöntemi başarısız olur.
(2) Fraktal kutu boyutunun belirli bir anti-gürültü yeteneği vardır.Sinyal-gürültü oranı büyük olduğunda, karmaşık filtreleme algoritmalarına ihtiyaç duyulmaz, bu da hata sinyali teşhisinin süresini kısaltabilir ve gerçek zamanlı performansı iyileştirebilir.
(3) Fraktal kutu boyutunu hesaplama yöntemi, farklı yüklerin normal çalışma durumunu ve seri ark arızası oluşum durumunu ve normal çalışma ve seri ark arızası oluşumundaki birkaç tipik yük için fraktal kutu boyutunun referansını ayırt edebilir. Aynı zamanda, hatta birden fazla yük varsa, fraktal kutu boyutu yöntemi hala uygulanabilir ve bu yöntem daha iyi uygulanabilirliğe sahiptir.
Referanslar
[1] Lin Zhang. Arıza ark tespiti ve devre kesici geliştirmenin anahtar teknolojisi üzerine araştırma D. Hangzhou: Çin Jiliang Üniversitesi, 2013.
[2] Li Shixiong. Çin Yangın İstatistikleri Yıllığı M. Pekin: Çin Personel Yayınevi, 2009.
3 GREGORY G D, KON W, DVORAK R F. Ark arızası devre kesiciler hakkında daha fazla bilgi C 38. IAS Yıllık Toplantısı, Endüstri Uygulamaları Konferansı, 2003: 1306-1313.
[4] Wang Jinghong, Liu Jiaomin. Anahtarlamalı arkın görüntü işleme, binoküler stereo teknolojisi J tabanlı. Elektroteknik Mühendisliği Dergisi, 2011, 26 (1): 86-91.
[5] Yang Kai, Zhang Rencheng, Yang Jianhong, et al. Fraktal boyuta ve destek vektör makinesine J dayalı seri ark hatası teşhis yöntemi. Elektrik Mühendisliği ve Teknolojisi Dergisi, 2016, 31 (2): 70-76.
[6] Yong Jing, Gui Xiaozhi, Niu Liangliang, vb. Otoregresif parametre modeli based J temelinde düşük voltajlı sistemde seri ark arızası tanımlama. Elektroteknik Mühendisliği Dergisi, 2011, 26 (8): 213-219.
[7] Jia Lihui, Zhang Xiuru. Sinyal işlemede fraktal teorinin uygulanması J. Bilgisayar Teknolojisi ve Geliştirme, 2007,17 (9): 203-208.
[8] Hao Yan, Wang Taiyong, Wan Jian, et al. Fraktal kutu boyutu anti-gürültü araştırması ve arıza teşhisinde uygulaması J. Çin Bilimsel Enstrüman Dergisi, 2011,32 (3): 540-544.
9 Xia Jingjing, Zhu Haodong. Özellik ayırt etme yeteneği ve fraktal boyuta dayalı özellik seçim yöntemi J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2010, 29 (7): 68-71.
