故障診斷技術(shù)在建筑電氣系統(tǒng)上應(yīng)用

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摘要：為解決建筑電氣系統(tǒng)故障診斷和監(jiān)測(cè)中高度依賴人工巡查和檢測(cè)，自動(dòng)化程度低下導(dǎo)致故障診斷滯后的問題，有必要研究以智能化的監(jiān)測(cè)方法或手段診斷出故障位置，達(dá)到高效和經(jīng)濟(jì)的目的。本文以實(shí)際工程案例為依托，在研究建筑電氣故障事故的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，以此為機(jī)器學(xué)習(xí)樣本，提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和ELM機(jī)器極限學(xué)習(xí)機(jī)法的建筑電氣故障診斷方法。研究結(jié)果可為新建建筑或者老舊小區(qū)改造的建筑電氣故障診斷和監(jiān)測(cè)提供方法和案例。

關(guān)鍵詞：故障診斷；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；建筑電氣；監(jiān)測(cè)方法；ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法

現(xiàn)代建筑是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含了結(jié)構(gòu)工程、給排水工程、電氣工程等。由于智能建筑技術(shù)的發(fā)展和建筑使用者對(duì)建筑功能的多樣化需求，不同的建筑物對(duì)建筑電氣系統(tǒng)的功能要求也不一致，導(dǎo)致建筑電氣系統(tǒng)也日益復(fù)雜化、多樣化。依靠以往的人工巡查和檢測(cè)，需要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度低，效率低下且浪費(fèi)大量的人力，對(duì)于故障的診斷時(shí)效存在明顯不足。為保證建筑電氣能夠安全運(yùn)行，有必要研究以智能化的監(jiān)測(cè)方法或手段診斷出故障位置，達(dá)到高效和經(jīng)濟(jì)的目的，預(yù)防由于建筑電氣超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的短路、斷電、電氣火災(zāi)等事故，以保證建筑電氣功能的實(shí)現(xiàn)和建筑使用者的安全，提供一個(gè)人性化的生活環(huán)境。

1建筑電氣系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)

建筑電氣系統(tǒng)主要分為供電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)。其中供電系統(tǒng)是將電源輸送至用電設(shè)備；用電系統(tǒng)又可以細(xì)分為弱電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，弱點(diǎn)系統(tǒng)由消防報(bào)警系統(tǒng)、電話通訊系統(tǒng)和有線電視組成，動(dòng)力系統(tǒng)是指將建筑電梯、給排水水泵以及通風(fēng)空調(diào)功能設(shè)備等，照明系統(tǒng)是滿足人們生產(chǎn)生活，提供光源和視覺環(huán)境的系統(tǒng)，主要為燈具照明。由上可知，建筑電氣的故障分析受到多種因素的影響，目前尚未有一個(gè)適用于全面故障診斷的理論方法，但是對(duì)于一般的建筑電氣故障可以根據(jù)以往的建筑監(jiān)測(cè)檢測(cè)中進(jìn)行總結(jié)，并作為機(jī)器學(xué)習(xí)的樣本。經(jīng)過大量的工程總結(jié)，對(duì)建筑電氣系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)異常現(xiàn)象主要可以分為以下6類，如圖1所示。從圖1a中可以看出，A相發(fā)生單線接地故障時(shí)，其電壓出現(xiàn)明顯的下降，B相和C相的電壓則相反，其電壓幅值上升，但B相和C相的電流保持不變，而A相的電流激增；從圖1b中可以看出，A相和B相發(fā)生短路事故時(shí)，兩者的電壓相位發(fā)生變化，電壓線性發(fā)生畸變，在電流曲線上表現(xiàn)出激增，而C相的電壓和電流均保持不變；從圖1c中可以看出，A相和B相發(fā)生短路接地故障時(shí)，A相、B相和C相的電壓出現(xiàn)畸變和激增，在電流上，A相、B相的電流明顯增加而C相電流保持不變；從圖1d中可以看出，A相、B相和C相均發(fā)生短路故障時(shí)，電壓幅值明顯下降，而電路則激增十幾倍，出現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即斷電否則會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不可逆的嚴(yán)重?fù)p害；從圖1e中可以看出，A相發(fā)生單箱缺相故障后，它的電流值直降至0，電壓也隨之上升，而B相和C相的電壓和電流保持不變；從圖1f中可以看出，A相、B相和C相均發(fā)生斷相故障時(shí)，三者的電流均直降至0，而電壓仍維持在原先的水平。

2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的建筑電氣故障診斷及實(shí)現(xiàn)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是在仿生學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的數(shù)學(xué)系統(tǒng)計(jì)算算法，它通過模擬生物的神經(jīng)信號(hào)傳遞過程對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并不斷地進(jìn)行優(yōu)化隱藏層的權(quán)函數(shù)，以達(dá)到理想的參數(shù)輸出，為決策提供定量化和自動(dòng)化計(jì)算的目的，它廣泛應(yīng)用于工程管理、圖像優(yōu)化、計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)以及人工智能等領(lǐng)域。在建筑電氣領(lǐng)域，它可以應(yīng)用于電氣故障排查和診斷、優(yōu)化電氣線路，為建筑電氣管理人員的決策提供依據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理如圖2所示，它是正向?qū)W習(xí)的及其學(xué)習(xí)方法，其層次主要分為3層，分別為輸入層、隱藏層（可以為多個(gè)層級(jí)，如圖2中所示，有兩層隱藏層）和輸出層。輸出層中包含了大量的訓(xùn)練樣本，將其與訓(xùn)練集中的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，即經(jīng)過隱藏層的運(yùn)算和傳遞，達(dá)到輸出層，輸出層參數(shù)結(jié)果與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，如果兩者出現(xiàn)誤差，則通過調(diào)整隱藏層的權(quán)函數(shù)值、閾值等，直到計(jì)算結(jié)果達(dá)到精度要求，即為期望的優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于圖1中的輸入層參數(shù)假設(shè)為x=[x1，x2，……xm]，實(shí)際樣本值為y=[y1，y2，……yn]，各個(gè)隱藏層的權(quán)值函數(shù)如方程（1）、方程（2）所示。各個(gè)隱藏層的閾值可以用公式（3）、公式（4）所示。輸出層參數(shù)結(jié)果與實(shí)際值的誤差如公式（5）所示。對(duì)誤差求偏導(dǎo)，將偏導(dǎo)賦值為零即為得到各層的閾值函數(shù)，如公式（6）、公式（7）所示?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立建筑電氣故障診斷模型，輸入?yún)?shù)分別為故障發(fā)生后的三相電壓值、三相電流值、三相電壓畸變率和三相電流畸變率，對(duì)110個(gè)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，采用120次的迭代，將訓(xùn)練目標(biāo)誤差設(shè)定為0.0035，得到診斷結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在110個(gè)樣本中，12個(gè)樣本點(diǎn)的誤差偏離0，但誤差范圍在-1%~2%之間，得到的輸出結(jié)果與預(yù)期符合程度較好。

3基于ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法的建筑電氣故障診斷及實(shí)現(xiàn)

盡管BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有多隱藏層的結(jié)構(gòu)，加大了診斷計(jì)算能力，但是也存在著一些明顯的缺點(diǎn)，比如對(duì)學(xué)習(xí)率η值敏感，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果收斂慢或者不容易收斂。因此在基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基礎(chǔ)上發(fā)展出了ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法，它與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法最大的不同是在中間隱藏層中具有不固定的隱藏層神經(jīng)元數(shù)目，在計(jì)算過程中可以不斷修改隱藏層神經(jīng)元的數(shù)目，以達(dá)到快速計(jì)算和全局最優(yōu)搜尋的目的。同樣地，在ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)中，建立輸入層與隱藏層之間的權(quán)值函數(shù)如方程（8）所示、建立隱藏層與輸出層之前的權(quán)值函數(shù)如方程（9）所示。設(shè)定輸入層參數(shù)假設(shè)為x=[x1，x2，……xm]，實(shí)際樣本值為y=[y1，y2，……yn]，可以得到基于ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法的計(jì)算輸出值，如方程（10）、方程（11）所示。法采用仿真軟件建立建筑電氣故障診斷模型，輸入?yún)?shù)分別為故障發(fā)生后的三相電壓值、三相電流值、三相電壓畸變率和三相電流畸變率，對(duì)110個(gè)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，采用120次的迭代，得到診斷結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在110個(gè)樣本中，3個(gè)樣本點(diǎn)的誤差偏離0，比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算誤差大大減小，但誤差范圍在-8%~2%之間，得到的輸出結(jié)果與預(yù)期符合程度較好。

4BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法的對(duì)比分析

以內(nèi)蒙古呼和浩特市某安置房小區(qū)一期為研究對(duì)象，小區(qū)位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍，附近已有配套公用設(shè)施，交通便利。項(xiàng)目包含4棟住宅樓，均為混凝土框剪結(jié)構(gòu)，樓棟地上建設(shè)15層，地下建設(shè)1層地下車庫，小區(qū)現(xiàn)有住戶130戶，每戶建筑面積約98m2，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，每個(gè)樓棟內(nèi)的電力設(shè)計(jì)負(fù)荷為15kW，使用三相線路進(jìn)行供電，小區(qū)共配備了5臺(tái)總配電箱。分別基于BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)法對(duì)工程實(shí)例的建筑電氣故障建立仿真模型進(jìn)行分析，得到仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，基于BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在單相接地、單相缺相預(yù)測(cè)上存在較大的誤差，而ELM極限學(xué)習(xí)法則在單相階地。兩相短路的預(yù)測(cè)上準(zhǔn)確率相對(duì)較小；基于BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率明顯低于ELM極限學(xué)習(xí)法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的故障預(yù)測(cè)時(shí)間耗費(fèi)0.475s，而于ELM極限學(xué)習(xí)法的故障預(yù)測(cè)時(shí)間耗費(fèi)0.202s，后者比前者的計(jì)算效率提高約一倍，因此在建筑電氣系統(tǒng)故障診斷中，可以優(yōu)先選用ELM極限學(xué)習(xí)法。

5結(jié)論

以內(nèi)蒙古呼和浩特市某安置房小區(qū)一期為依托，在研究建筑電氣故障事故的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，以此為機(jī)器學(xué)習(xí)樣本，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和ELM機(jī)器極限學(xué)習(xí)機(jī)法對(duì)建筑電氣故障進(jìn)行診斷，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

5.1對(duì)建筑電氣系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)異?，F(xiàn)象主要可以分為6類，即單相接地故障、兩相短路接地故障、三相短路故障、兩相短路故障、單相缺相故障、三相缺相故障。

5.2基于BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在單相接地、單相缺相預(yù)測(cè)上存在較大的誤差，而ELM極限學(xué)習(xí)法則在單相階地。兩相短路的預(yù)測(cè)上準(zhǔn)確率相對(duì)較小；基于BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率明顯低于ELM極限學(xué)習(xí)法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，后者比前者的計(jì)算效率提高約一倍，因此在建筑電氣系統(tǒng)故障診斷中，可以優(yōu)先選用ELM極限學(xué)習(xí)法。

作者:馬曙光 單位:內(nèi)蒙古呼和浩特市建設(shè)工程質(zhì)量安全中心