CN102721919A - 高压真空断路器在线监测方法及在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
针对高压断路器在线工作时高电压、大电流不易使用传感器监测一次线路电流、电压的情况，本发明提供了一种高压真空断路器在线监测方法及一种在线监测装置，使用与高压断路器动触头直接相连的位移传感器采集动触头的行程信号，经过一系列的滤波与修正，计算行程曲线上的特征点，通过分析这些特征点计算出相关参数，从而能够在线判断断路器的工作情况。本发明提供的在线监测方法及装置有效的实现了高压断路器的在线监测，且能够耐受高电压、大电流监测环境；由于本发明仅使用与断路器动触头直接相连的位移传感器作为唯一的信号采集装置，避免了在1次侧线路上使用需要耐高压的电压或电流传感器带来的难以实现、价格昂贵的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够在线监测高压真空断路器工作状态的装置及基于本装置实现的在线监测方法。
背景技术
高压断路器是能开断、闭合和承载运行状态的正常电流,并能在规定时间承载、闭合和开断异常电流(如短路电流)的电器设备。其工作特点是瞬时从导通状态变为绝缘状态或者瞬时从绝缘状态变为导通状态。在电力系统中,有效地运用高压断路器的控制和保护功能来保证电网的安全、可靠运行具有实际意义。高压断路器所造成的事故无论是在次数，还是在事故所造成的停电时间上都占据总量的60%以上。因此，及时了解断路器的工作状态对提高供电可靠性有决定性的意义，并可以大大减少盲目定期检修带来的资金浪费。
在高压断路器的监测问题中，由于一次线路高电压、大电流以及强磁场环境的特点，很难实现断路器的在线监测。大多数做法都是离线条件下，在一次线路上加低压、小电流的直流电源，通过在此回路上的电流或电压传感器采集断路器的分、合信号，从而判断断路器的工作状况。显然低压小直流电的环境与高压环境截然不同，这种方法只能在断路器出现明显故障的时候才能判断准确，而对断路器的在线工作情况，性能变化情况无从分析和判断。另一方面，具有耐高压、大电流的电流、电压传感器价格一般都非常昂贵，不符合产品化的要求。
发明内容
针对高压断路器在线工作时高电压、大电流不易使用传感器监测一次线路电流、电压的情况，本发明提供了一种高压真空断路器在线监测装置及基于该装置实现的在线监测方法，使用与高压断路器动触头直接相连的位移传感器采集动触头的行程信号，经过一系列的滤波与修正，计算行程曲线上的特征点，通过分析这些特征点计算出相关参数，从而能够在线判断断路器的工作情况。
为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种高压真空断路器在线监测方法，包括如下步骤：
（1） 采用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号，得到断路器位移-时间曲线；
（2） 采用有限冲击响应滤波器对初始行程信号进行滤波；
（3） 对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；
（4） 基于滤波修正后的位移-时间曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；
（5） 根据步骤（4）中得到的换位点数据，计算其他关键参数，当参数超出或即将超出正常范围时，显示屏显示相应的报警或预警信息。
作为一种优选方案，所述步骤（2）的具体实现方法是：使用Kaiser窗对步骤（1）中得到的位移-时间曲线进行滤波，窗函数为 
，其中n、N均为整数。
作为一种优选方案，所述步骤（3）的具体实现方法是：将经过滤波环节处理后的位移-时间曲线整体平移
个补偿点以消除FIR滤波器引入的信号时延。
作为一种优选方案，所述步骤（4）中合闸换位点的计算方法包括如下步骤：
（a）对经过上述处理后的位移-时间曲线进行连续两次差分，分别求出相应的速度-时间曲线和加速度-时间曲线，合闸状态下，依次找出速度-时间(v-t)曲线上相邻的极大值和极小值点对，并据此判断合闸和分闸换位点；
（b）若在极值点对所对应的加速度-时间曲线段上，加速度连续小于零的时间超过预先设定的阀值K1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值K2并且满足速度极小值为负的条件，则速度极大值所对应的时刻即为合闸换位点；
（c）若在极值点所对应的加速度-时间曲线段上，加速度连续大于零的时间超过预先设定的阀值M1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值M2，则速度极小值所对应的时刻即为分闸换位点。
作为一种优选方案，所述步骤（4）中对分闸换位点进行修正的方法是：将步骤（c）中计算出的分闸换位点减去预先设定的滞后时间差。
作为一种优选方案，所述步骤（5）中的其他关键参数包括：分闸时间、合闸时间、开距、超行程，断路器平均速度，刚合速度、刚分速度。
一种高压真空断路器在线监测装置，包括A/D转换电路，数字信号处理器，信号调理电路一和位移传感器，所述位移传感器测得位移传感器触头行程信号后，通过信号调理电路一传输入A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的触头行程模拟信号转换成数字信号后送入数字信号处理器进行运算处理，数字信号处理器还与存储器和显示屏相连，以存储和显示数字信号器运算出的结果。
作为一种优选方案，所述位移传感器为线性位移传感器。
作为一种改进方案，还包括电流感测电阻和信号调理电路二，所述电流感测电阻测得的线圈电流经过信号调理电路二传输至A/D转换电路，进行模数转换后送入数字信号处理器进行处理，数字信号处理器将线圈电流测量结果通过显示屏进行显示。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1. 本发明提供的在线监测方法及装置有效的实现了高压断路器的在线监测，且能够耐受高电压、大电流监测环境；由于本发明仅使用与断路器动触头直接相连的位移传感器作为唯一的信号采集装置，避免了在1次侧线路上使用需要耐高压的电压或电流传感器带来的难以实现、价格昂贵的问题，结构简单，安装方便，成本较低，利于产业化。
2. 本发明中断路器与位移传感器良好的接地使得动触头位移-时间(s-t)曲线的测量结果噪声较小，容易滤除。
3. 本发明中对位移-时间(s-t)曲线采用Kaiser窗进行数字滤波以去除测量噪声的影响，仅保留与计算有关的数个行程拐点，有益于感兴趣点的计算。
4. 本发明中对滤波后的曲线进行补偿，能去除数字滤波器引入的信号失真。
5. 本发明中采用双极值法求取换位点，对阻尼扰动的鲁棒性强。
6. 本在线监测装置还进一步提供了电流检测功能。
附图说明
图1为高压真空断路器在线监测装置的电路结构示意图；
图2为合闸过程中的位移-时间(s-t)曲线图
其中:曲线a为经过步骤（2）滤波后的位移-时间(s-t)曲线图，
曲线b为经过步骤（3）修正后的位移-时间(s-t)曲线图；
图3为根据图2中曲线b差分得到的速度-时间(v-t)曲线和加速度-时间(a-t)曲线。
图4为分闸过程中的位移-时间(s-t)曲线图
其中:曲线a为经过步骤（2）滤波后的位移-时间(s-t)曲线图，
曲线b为经过步骤（3）修正后的位移-时间(s-t)曲线图；
图5为根据图4中曲线b差分得到的速度-时间(v-t)曲线和加速度-时间(a-t)曲线。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明公开了一种高压断路器在线监测装置以及基于该装置实现的高压断路器在线监测方法。在线监测装置电路结构由图1所示，包括位移传感器，与位移传感器相连的信号调理电路一，连接着信号调理电路一的A/D转换电路以及A/D转换电路连接的数字信号处理器。位移传感器与与高压断路器动触头直接相连以测量触头行程信号，所述触头行程信号通过信号调理电路一传输入A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的触头行程模拟信号转换成数字信号后送入数字信号处理器（DSP）进行运算处理；数字信号处理器（DSP）与存储器和显示屏相连，存储器用于存储数字信号器运算出的结果，显示屏将运算结果进行显示，并能根据预先设定的参数进行警报提示。其中，数字信号处理器（DSP）通过串口RS485进行通信。本装置中还可进一步提供测量分（合）闸线圈电流的功能，如图1所示，本装置还包括互相连接的电流感测电阻和信号调理电路二，其中信号调理电路二与A/D转换电路相连。通过电流感测电阻能够测得分（合）闸线圈电流，所述线圈电流通过信号调理电路二传输至A/D转换电路进行模数转换后送入数字信号处理器（DSP）进行处理；数字信号处理器（DSP）将分（合）闸线圈电流测量结果通过显示屏进行显示。
使用与高压断路器动触头直接相连的位移传感器采集动触头的行程信号，经过一系列的滤波与修正，计算行程曲线上的特征点，通过分析这些特征点，判断断路器的工作情况，其具体监测步骤如下：
（1）采用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号；
（2）采用有限冲击响应滤波器(FIR)对初始行程信号进行滤波；
（3）对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；
（4）基于滤波修正后的位移-时间(s-t)曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；
（5）根据步骤（4）中得到的换位点数据，计算其他关键参数，当参数超出或即将超出正常范围时，显示屏显示相应的报警或预警信息。
其中所述步骤（1）中的位移传感器为线性位移传感器，通过该线性位移传感器能够采集得到断路器位移-时间(s-t)曲线，断路器工作状态的所有特征均可以通过 (s-t)曲线，以及对该曲线进行一次和二次差分得到的速度-时间(v-t)和加速度-时间(a-t)曲线进行计算得出，传感器的金属外壳与断路器的外壳均使用粗、短的导线直接接地。
所述步骤（2）中的有限冲激响应（FIR）滤波器进行滤波时使用Kaiser窗。Kaiser窗是一种最优化窗，它的优化准则是：对于有限的信号能量，能够确定一个有限时宽的信号波形，使得频宽内的能量为最大，即最优Kaiser窗的频带内能量主要集中在主瓣中，它有最好的旁瓣抑制性能。这个窗函数由下式给出：
式中
是修正的零阶贝塞尔（Besel）函数；
是滤波器的长度，它决定了窗函数响应的峰值主瓣宽度
，这个宽度正比于1/。而主瓣宽度与过渡带的宽度正相关。为了使滤波器具有最窄主瓣宽度，的值越大越好，然而
的增大也会增加相应的计算量以及实现成本。而
是一个参数，它与有关并可以将它选择成产生多个过渡带和接近最优的阻带衰减，由仿真实验分析Kaiser窗的频谱特性得到，所选的
要求兼顾Kaiser窗的主瓣宽度
和旁瓣高度的平衡。在N固定时，调节
会得到不同的主瓣和旁瓣特征，比如当
＝0时，它等价为矩形窗，当
为7附近时，它等价为布莱克曼窗。考虑到本系统中N的取值不大，因此，对
在8~12取值。综合考虑上述因素，一般取40~90。
所述步骤(3)中对滤波后的位移-时间(s-t)曲线进行修正的方法为：将经过滤波环节处理后的位移-时间(s-t)曲线整体平移个补偿点以消除FIR滤波器引入的信号时延，经过大量的实验结果可得到此补偿点值, M一般取40±5且M为整数。
所述步骤(4)中合闸换位点和分闸换位点的计算方法采用双极值法：
对经过上述处理后的位移-时间(s-t)曲线进行连续两次差分，分别求出相应的速度-时间(v-t)曲线和加速度-时间(a-t)曲线。依次找出速度-时间(v-t)曲线上相邻的极大值和极小值点对（将速度-时间曲线中相邻的波峰值和波谷值作为一对极值点），并据此判断合闸和分闸换位点：
若在极值点对所对应的加速度-时间(a-t)曲线段上，加速度连续小于零的时间超过预先设定的阀值K1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值K2并且满足速度极小值为负的条件，则速度极大值所对应的时刻即为合闸换位点。图2为合闸过程中位移-时间(s-t)曲线图，图3为对图2中经过滤波和修正处理后的位移-时间(s-t)曲线图进行差分得到的速度-时间(v-t)曲线和加速度-时间(a-t)曲线图。通过前述合闸换位点的判断条件，在图3中能够找到相应的合闸换位点。
若在极值点所对应的加速度-时间(a-t)曲线段上，加速度连续大于零的时间超过预先设定的阀值M1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值M2，则速度极小值所对应的时刻即为分闸换位点。图4为合闸过程中位移-时间(s-t)曲线图，图5为对图4中经过滤波和修正处理后的位移-时间(s-t)曲线图进行差分得到的速度-时间(v-t)曲线和加速度-时间(a-t)曲线图。通过前述合闸换位点的判断条件，在图5中能够找到相应的合闸换位点。
上述合闸、分闸换位点的求取过程中，阀值K1为断路器厂商提供的标准断路器合闸加速度特性曲线上最大连续小于0的时间的80%；阀值K2为断路器厂商提供的标准断路器合闸速度特性曲线上第一个主峰下降高度的1/2；阀值M1为断路器厂商提供的标准断路器分闸速度特性曲线上第一个主谷上升持续时间的3/4；阀值M2为断路器厂商提供的标准断路器分闸速度特性曲线上第一个主谷上升高度的1/2。
经过大量的实验结果可发现采用双极值法得到的分闸换位点与真实值之间存在着恒定的误差，这种误差主要是由于通过软件程序计算出双极值需要一定的程序执行时间，所以软件程序中求得的换位点时刻比实际换位点时刻要滞后一段时间，因此在计算时需要把滞后的这段时间补偿进去，通过上万次的试验可以得出滞后的时间应该在1ms~1.5ms，例如软件程序中计算得出换位点在20ms，实际换位点在18ms左右。因此在步骤（4）中需要对分闸换位点进行修正，即用计算出的分闸换位点减去滞后的时间差，即可得出真实换位点；该滞后时间差可以在设备调试时进行大量实验得出，并预先设定。
为提高所求得的换位点的准确性，按照具体的高压断路器产品出厂检验报告，可以得到超行程参数要求范围，并检验所求得的分合闸换位点是否落在超行程要求范围内。
所述步骤(5)中其他关键参数的计算方法如下：
A. 分、合闸时间：从断路器的控制开关发出分合闸指令起，到动触头移动到换位点的时间（即求出的分合闸换位点），即是分、合闸时间；分合闸时间是否稳定反映了断路器机构灵活性及磨损情况，分合闸时间范围在25~70ms，若测得的数据超出此范围，数字信号处理器则通过显示屏报警并显示“断路器动作时间超标”。
B. 动触头开距、超行程：从动触头合闸前的稳态位置到合闸后的稳态位置之间的位移量之差，为动触头合闸行程，所述的稳态位置，即为位移-时间(s-t)曲线平直时的状态；超行程为合闸换位点时刻到稳态位置为止的动触头位移量之差；而合闸行程减去超行程即为相应的动触头开距。开距、超行程是断路器最重要的2个参数，开距范围通常为9~11mm，超行程范围一般为2~4mm，若测得的数据超出此范围，数字信号处理器则通过显示屏报警并显示“断路器超行程超标”或“断路器开距超标”这样的警报信息。
C. 断路器平均速度、刚合速度、刚分速度：断路器平均速度包括平均合闸速度和平均分闸速度；动触头在合闸换位点之前6mm的速度为平均合闸速度，动触头在分闸换位点之后6mm的速度为平均分闸速度，动触头在合闸换位点之前2mm的速度为刚合速度，动触头在分闸换位点之后2mm的速度为刚分速度，这几个数据是断路器开断短路电流能力的体现，上述平均速度、刚合速度、刚分速度一般取值在0.5~1.5m/s之间，超出范围时数字信号处理器则通过显示屏报警并显示相应报警参数。
计算的关键参数不限于上述列出的几种，还可包括分、合闸同期性，最大速度等常规参数。
在本步骤中对各项参数均可设定一个预警区间，预警区间为正常范围的边缘区域，当参数值落在预警区间内时，数字信号处理器通过显示屏进行预警提示。例如设定分合闸时间范围25~30ms，65~70ms时为预警区间，当分合闸时间落入该区间时，显示屏上显示如下预警信息：“断路器动作时间即将超标”。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (10)
1.一种高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号，得到断路器位移-时间曲线；
（2）采用有限冲击响应滤波器对初始行程信号进行滤波；
（3）对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；
（4）基于滤波修正后的位移-时间曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；
（5）根据步骤（4）中得到的换位点数据，计算其他关键参数，当参数超出或即将超出正常范围时，显示屏显示相应的报警或预警信息。
2.根据权利要求1所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体实现方法是：使用Kaiser窗对步骤（1）中得到的位移-时间曲线进行滤波，窗函数为 
，其中n、N均为整数。
3.根据权利要求1或2所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体实现方法是：将经过滤波环节处理后的位移-时间曲线整体平移
个补偿点以消除FIR滤波器引入的信号时延。
4.根据权利要求1或2所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，所述步骤（4）中合闸换位点的计算方法包括如下步骤：
（a）对经过上述处理后的位移-时间曲线进行连续两次差分，分别求出相应的速度-时间曲线和加速度-时间曲线，合闸状态下，依次找出速度-时间(v-t)曲线上相邻的极大值和极小值点对，并据此判断合闸和分闸换位点；
（b）若在极值点对所对应的加速度-时间曲线段上，加速度连续小于零的时间超过预先设定的阀值K1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值K2并且满足速度极小值为负的条件，则速度极大值所对应的时刻即为合闸换位点；
（c）若在极值点所对应的加速度-时间曲线段上，加速度连续大于零的时间超过预先设定的阀值M1，且此极值点对的速度差的绝对值大于预先设定的阀值M2，则速度极小值所对应的时刻即为分闸换位点。
5.根据权利要求4所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，所述步骤（4）中对分闸换位点进行修正的方法是：将步骤（c）中计算出的分闸换位点减去预先设定的滞后时间差。
6.根据权利要求1所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于，所述步骤（5）中的其他关键参数包括：分闸时间、合闸时间、开距、超行程，断路器平均速度，刚合速度、刚分速度。
7.根据权利要求1所述的高压真空断路器在线监测方法，其特征在于:所述传感器为线性位移传感器，所述传感器的外壳与断路器的外壳均使用导线直接接地。
8.一种高压真空断路器在线监测装置，其特征在于：包括A/D转换电路，数字信号处理器，信号调理电路一和位移传感器，所述位移传感器测得位移传感器触头行程信号后，通过信号调理电路一传输入A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的触头行程模拟信号转换成数字信号后送入数字信号处理器进行运算处理，数字信号处理器还与存储器和显示屏相连，以存储和显示数字信号器运算出的结果。
9.根据权利要求8所述的高压真空断路器在线监测装置，其特征在于：所述位移传感器为线性位移传感器。
10.根据权利要求8或9所述的高压真空断路器在线监测装置，其特征在于：还包括电流感测电阻和信号调理电路二，所述电流感测电阻测得的线圈电流经过信号调理电路二传输至A/D转换电路，进行模数转换后送入数字信号处理器进行处理，数字信号处理器将线圈电流测量结果通过显示屏进行显示。
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