论文中文题名: | 基于振动信号的高压断路器故障诊断方法研究 |
姓名: | |
学号: | 22206227124 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085800 |
学科名称: | 工学 - 能源动力 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2025 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 电气设备故障诊断 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2025-06-16 |
论文答辩日期: | 2025-06-05 |
论文外文题名: | Research on Fault Diagnosis Method for High-Voltage Circuit Breaker Based on Vibration Signal |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | High-voltage circuit breaker ; Vibration signal ; Feature extraction ; Graph attention network ; Fault diagnosis |
论文中文摘要: |
高压断路器作为现代电力系统的核心设备之一,在电力系统运行中发挥着不可替代 的双重作用:既承担着正常工况下负荷投切的操作功能,又肩负着快速切除故障线路的 保护使命。高压断路器一旦发生故障,不仅会影响其他电气设备的正常运行,更可能危 及整个电力系统的安全稳定。因此,开展高压断路器故障诊断方法的研究对于提升电力 系统可靠性具有重要的理论价值和实践意义。 本文基于搭建的高压断路器实验平台,系统采集了高压断路器在正常运行状态及典 型故障工况下的振动信号,从振动信号的特征提取与故障识别方面进行研究,主要研究 工作内容包括以下三个方面: (1)针对高压断路器振动信号的故障特征提取较为困难的问题,提出一种基于 CPO-VMD-GPLVM 的特征提取方法,采用冠豪猪优化算法(CPO)对变分模态分解 (VMD)的关键参数(分解层数和惩罚因子)进行智能寻优;完成 VMD 自适应分解 后,根据各模态分量与原信号的皮尔逊相关系数大小进行筛选,选取相关系数最大的模 态分量作为敏感分量,提取敏感分量的时域、频域特征和复合多尺度样本熵(CMSE) 构成 16 维的多域特征集,最后采用高斯过程潜在变量模型(GP-LVM)进行特征降维, 提取出关键的特征量。 (2)针对当前高压断路器故障诊断中存在的模型精度不足及样本关联性缺失问题, 提出一种基于图注意力网络(GAT)的高压断路器故障诊断方法,将提取出的特征向量 构成 k 近邻图,通过图建立了故障样本之间的联系,充分挖掘样本之间的潜在相似性特 征并利用 GAT 的注意力机制以提高模型精度。实验结果表明,GAT 故障诊断模型在测 试集上的准确率可达 99.37%,与其他故障诊断模型相比,GAT 的准确率明显高于其他 模型,且抗噪性更好。 (3)针对在工程实际中由于条件因素限制难以采集到足够的样本数据,导致故障 诊断模型性能下降或失效的问题,提出一种基于元学习的高压断路器小样本故障诊断方法。该方法将 k 近邻图输入到图编码器中提取出特征向量,运用基于度量的元学习方法 实现小样本故障诊断。实验结果表明,所提方法在有限样本条件下仍能保持优异的诊断 性能,为解决断路器故障诊断中的小样本难题提供了一种可行的方案。 综上所述,本文研究针对高压断路器故障诊断中振动信号特征提取困难、诊断模型 精度不足及小样本问题导致诊断模型性能大幅下降甚至失效等问题,提出了相应的解决 方案,为更好的推动高压断路器故障诊断的发展提供参考。 |
论文外文摘要: |
High-voltage circuit breakers, as one of the core components in modern power systems, play an irreplaceable dual role in power system operation: they are responsible for performing load switching operations under normal operating conditions while simultaneously fulfilling the critical protective mission of rapidly isolating faulted lines. When failures occur in high-voltage circuit breakers, they not only compromise the normal operation of adjacent electrical equipment but also pose significant risks to the overall security and stability of the power grid. Therefore, conducting research on fault diagnosis methodologies for high-voltage circuit breakers holds substantial theoretical significance and practical implications for enhancing the reliability of power systems. Based on the established experimental platform for high-voltage circuit breakers, this study systematically collected vibration signals under both normal operating conditions and typical fault scenarios. The research focuses on feature extraction and fault identification from the vibration signals, with the primary research efforts encompassing the following three aspects: (1) To address the challenge of fault feature extraction from vibration signals in high-voltage circuit breakers, this paper proposes the CPO-VMD-GPLVM-based feature extraction methodology. Firstly, the Crested Porcupine Optimizer (CPO) is employed for intelligent optimization of critical parameters in Variational Mode Decomposition (VMD), specifically the decomposition layer number and penalty factor. Subsequently, after completing the adaptive VMD decomposition, modal components are filtered based on Pearson correlation coefficients between each component and the original signal. The component with the maximum correlation coefficient is selected as the sensitive component. the 16-dimensional multi-domain feature set is then constructed by extracting time-domain features, frequency-domain features, and Composite Multi-scale Sample Entropy (CMSE) from the sensitive component. Finally, Gaussian Process Latent Variable Model (GP-LVM) is implemented for feature dimensionality reduction to extract essential characteristic quantities. (2) To address the issues of insufficient model accuracy and lack of sample correlation in current high-voltage circuit breaker fault diagnosis, this paper proposes the fault diagnosis method based on Graph Attention Network (GAT). The extracted feature vectors are constructed into a k-nearest neighbor graph, which establishes connections between fault samples. This approach fully exploits the potential similarity features among samples and utilizes GAT's attention mechanism to improve model accuracy. Experimental results show that the GAT fault diagnosis model achieves an accuracy of 99.37% on the test set. Compared with other fault diagnosis models, the GAT model demonstrates significantly higher accuracy and better noise immunity. (3) To address the problem of performance degradation or failure of fault diagnosis models due to insufficient sample data collection under practical engineering constraints, this paper proposes the meta-learning-based few-shot fault diagnosis method for high-voltage circuit breakers. The method inputs the k-nearest neighbor graph into a graph encoder to extract feature vectors and employs metric-based meta-learning to achieve few-shot fault diagnosis. Experimental results demonstrate that the proposed method maintains excellent diagnostic performance even with limited samples, providing a feasible solution to the fewshot challenge in circuit breaker fault diagnosis. In summary, this study addresses critical challenges in high-voltage circuit breaker fault diagnosis, including difficult vibration signal feature extraction, insufficient diagnostic model accuracy, and significant performance degradation or failure caused by few-sample problems. Corresponding solutions are proposed, providing valuable references for advancing the development of high-voltage circuit breaker fault diagnosis technologies. |
参考文献: |
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中图分类号: | TM561 |
开放日期: | 2025-06-16 |