CN102721922A - 一种断路器绝缘系数预测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种断路器绝缘系数预测装置及方法，该装置包括断路器、信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元；信号采集单元采集的信号输出至数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接中央处理单元的I/O接口，中央处理单元通过串口与变换电路的数据转换引脚相连，工控机的输入端和无线通信单元的输入端连接到中央处理单元的串口。本方法直接测量合闸时间，电磁阀线圈电压，电磁阀线圈电流，环境气压，绝缘系数，环境温度和环境湿度，利用信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元实现断路器绝缘系数的监测，避免传统方法建模和选取参数时造成的误差，输入量提取简单，预测效率高。

Description

一种断路器绝缘系数预测装置及方法

技术领域

本发明属于断路器技术领域，具体是一种断路器绝缘系数预测装置及方法。

背景技术

近些年来，我国迅猛发展的电力事业以及日趋增加的用电负荷需求，带动着我国的电网规划建设前进步伐。近年来，断路器作为配电网中的重要开关设备，以其投资低、节约线损、供电能力强等强大优势，在配电系统中得到广泛的应用，蕴涵着深远的社会效益和经济效益。为满足国内配网建设的需要，研发制造出技术先进质量可靠的户外高压交流真空断路器，是目前高压开关制造行业迫切需要解决的课题。真空断路器一直以其优异的灭弧性能和杰出的绝缘耐受特性，在配电系统中得到了广泛的应用，是电力系统中很有发展前景的一类开关产品。绝缘套筒是真空断路器中核心的部件，对于断路器的绝缘保护起着至关重要的保护作用。由于真空断路器正在朝向高电压等级发展，因此，对户外真空的绝缘性能更需要进行深入的研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种断路器绝缘系数预测装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种断路器绝缘系数预测装置，包括断路器、信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元；

所述信号采集单元包括电压互感器、电流互感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、位移传感器和绝缘测试仪；电流互感器和电压互感器用于实时测量电磁阀线圈电流和电压，气压传感器用于采集断路器所在环境气压，温度传感器用于采集断路器所在环境温度，湿度传感器用于采集断路器所在环境湿度，位移传感器安装在断路器操动机构的拉杆上，用于采集断路器的合闸时间；绝缘测试仪放置于断路器的绝缘壳上，用于采集绝缘系数；

所述数据采集器对信号采集单元采集的模拟量进行AD转换；

所述变换电路用于进行电平和逻辑关系的变换；

所述中央处理单元对采集的数据进行计算和数据处理，并通过通信接口与工控机相连，将断路器绝缘系数预测结果数据经无线通信单元传输至远方调度终端。

本发明装置的连接如下：

信号采集单元采集的信号输出至数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接中央处理单元的I/O接口，中央处理单元通过串口与变换电路的数据转换引脚相连，工控机的输入端和无线通信单元的输入端连接到中央处理单元的串口。

采用断路器绝缘系数预测装置进行断路器绝缘系数预测的方法，包括如下步骤：

步骤1：采集断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数；

通过位移传感器采集断路器的合闸时间，通过电压传感器和电路传感器采集电磁阀线圈中的电压和电流，通过气压传感器采集断路器所在环境气压，通过湿度传感器和温度传感器采集断路器所在环境湿度和环境温度，通过绝缘测试仪采集断路器绝缘系数；

步骤2：通过数据采集器对采集量进行AD转换，输出至中央处理单元；

步骤3：对断路器绝缘系数进行预测；

步骤3.1：对AD转换后的数字信号进行空间重构，在一个时间序列内采集到的断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数作为系统输入量，重构出表征断路器绝缘系数的非线性系统的空间；

步骤3.2：建立基于复杂网络的数学模型来描述断路器绝缘系数，并求解该数学模型；

步骤3.3：得到断路器绝缘系数的预测结果；

步骤4：将断路器绝缘系数的预测结果通过无线通信单元传输至远方调度终端，以便维修人员及时检修。

有益效果：

本发明断路器绝缘性能预测装置及方法，提出了利用直接测量断路器的合闸时间，电磁阀线圈电压，电磁阀线圈电流，环境气压，绝缘系数，环境温度和环境湿度做输入量，并最终利用信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元实现断路器绝缘系数的监测。这种方法避免了传统方法建立模型和选取参数时造成的误差，并且具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

附图说明

图1本发明具体实施方式的断路器绝缘系数预测装置工作示意图；

图2本发明具体实施方式的断路器绝缘系数预测装置结构框图；

图3本发明具体实施方式的数据采集器与中央处理单元电路连接原理图；

图4本发明具体实施方式的断路器绝缘系数预测方法总流程图；

图5本发明具体实施方式的采用基于复杂网络的数学模型进行断路器绝缘系数预测的流程图；

图6本发明具体实施方式的复杂网络结构示意图；

图7本发明具体实施方式的断路器绝缘系数预测曲线与实际曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

如图1、2所示，一种断路器绝缘系数预测装置，包括断路器、信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元；

本实施方式中，断路器采用真空10kv的ZW27-17，该断路器已使用10年。

信号采集单元包括电压互感器、电流互感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、位移传感器和绝缘测试仪；电流互感器和电压互感器用于实时测量电磁阀线圈电流和电压，气压传感器用于采集断路器所在环境气压，温度传感器用于采集断路器所在环境温度，湿度传感器用于采集断路器所在环境湿度，位移传感器安装在断路器操动机构的拉杆上，用于采集断路器的合闸时间；绝缘测试仪放置于断路器的绝缘壳上，用于采集绝缘系数；电压互感器选用JDG4-0.5100000/100型号，电流互感器选用LZJC-10Q型号，温度传感器和湿度传感器选用PCMini70，气压传感器选用PT603，绝缘测试仪选用DL09-SDM50，位移传感器选用CTL；

数据采集器对信号采集单元采集的模拟量进行AD转换，本实施方式中，该数据采集器采用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器，该器件使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。串行A/D转换器与单片机的连接非常简单。AIN0-AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。使用单片机自带的串行口，可实现与计算机的串行通信。因为现在PC机提供的COM1、COM2是采用RS-232接口标准的。而RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或与终端的TTL器件(如单片机)连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，变换电路选用由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片MAX232。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路，该电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平，每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。单片机是整个系统的核心，串行A/D转换器TLC2543对输入的模拟信号进行采集，采样分辨率、转换通道及输出极性由软件进行选择，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，单片机采集的数据通过串口(10、11脚)经MAX232转换成RS232电平与上位机间实现传输。

中央处理单元采用51单片机STC89C51，对采集的数据进行计算和数据处理，并通过通信接口与工控机相连，将断路器绝缘系数预测结果数据经无线通信单元传输至远方调度终端。无线通信单元选用H7000系列无线通信系统，工控机采用UNO-3072系列Pentium M/CeleronM嵌入式工控机。

电流互感器和电压互感器均放置于断路器的电磁阀线圈中，实时测量电磁阀线圈中的电流和电压，气压传感器、温度传感器和湿度传感器放置于断路器所处环境中，采集断路器所在环境气压、环境温度、环境湿度；位移传感器安装在断路器操动机构的拉杆上，用于采集断路器的合闸时间；绝缘测试仪放置于断路器的绝缘壳上采集绝缘系数；温度传感器、湿度传感器、电压互感器、电流互感器、位移传感器、绝缘测试仪和气压传感器的输出端连接数据采集器TLC2543的输入端AIN0~AIN6，如图3所示，数据采集器TLC2543的输出端EOC，CLK，DIN，DOUT分别连接到STC89C51单片机的P10，P11，P12，P13，STC89C51通过串口10（RXD）、11（TXD）与变换电路MAX232的数据转换引脚9（R2out）、10（T2in）相连，工控机的输入端和无线通信单元的输入端连接到STC89C51单片机的串口。

断路器的电气信息和机械信息经信号采集单元采集，由数据采集器进行同步采样、保持、A/D转换，变成数字信号，送入单片机进行计算和数据处理，通过通信接口与工控机相连并把数据送到无线通信单元，为与远方调度终端通讯做好准备。

采用上述断路器绝缘系数预测装置进行断路器绝缘系数预测的方法，其流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤1：采集断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数；

通过位移传感器采集断路器的合闸时间，通过电压传感器和电流传感器采集电磁阀线圈中的电压和电流，通过气压传感器采集断路器所在环境气压，通过湿度传感器和温度传感器采集断路器所在环境湿度和环境温度，通过绝缘测试仪采集断路器绝缘系数；

将断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数作为输入量，采集样本值见表1：

表1采集样本值

采集样本	采集值
		合闸时间/ms	88
电磁阀线圈电压/v	110.4
		电磁阀线圈电流/a	0.1105
气压值/Kpa	101
		绝缘系数	3.03
温度/°C	27
		湿度	88%

步骤2：通过数据采集器对采集量进行AD转换，输出至中央处理单元；

步骤3：对断路器绝缘系数进行预测，其流程如图5所示；

步骤3.1：对AD转换后的数字信号进行空间重构，在一个时间序列内采集到的断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数作为系统输入量，重构出表征断路器绝缘系数的非线性系统的空间；

设采集的系统时间序列为(x₁,x₂，......x_n)，由表1可知，输入量个数n；

重构的系统空间形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=(x_{11},x_{12},...,x_{1N})\\ x_2=(x_{21+\mathrm{\τ}},x_{22+\mathrm{\τ}},x_{2N+\mathrm{\τ}})\\ ...\\ x_i=(x_{i1+(i-1)\mathrm{\τ}},x_{i2+(i-1)\mathrm{\τ}},...,x_{\mathrm{iN}+(i-1)\mathrm{\τ}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中x_iN为某一时刻采集数据中的一个相关像素，τ为时间延迟，N为自然数，x_i为重构空间中相点，i=1，2，…，n。

步骤3.2：建立基于复杂网络的数学模型来描述断路器绝缘系数，并求解该数学模型；

把重构的空间看成一个由两层网络构成的复杂网络，该复杂网络中，第一层中心只有一个节点，第二层中心有6个节点，因此这个有N个节点（N=7）的复杂网络为1~6中心网络。

复杂网络如图7所示，具体是由合闸时间，环境气压值和电压，电流，绝缘系数，环境温度，环境湿度组成的一个网络，把每个采集量看成一个节点，节点之间的关系看成边。

建立基于复杂网络的数学模型来描述断路器绝缘系数，并求解该数学模型，该数学模型表示为：

$x_i(t+1)=f_i\left(x_i\left(t\right)\right)+\mathrm{\ϵ}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{h}_j\left(x_j\left(t\right)\right),i=\mathrm{1,2}...n,---\left(2\right)$

其中x_i(t)=(x_i1(t),x_i2(t),.....x_iN(t))^T∈R^N表示节点i的状态向量，A=(a_ij)_n×n为耦合矩阵，ε为耦合强度（0<ε<1），本实施方式ε=0.005，f_i：:R^N→R^N表示节点i自身演化函数，f_i(x)=4x(1-x)，h_j:R^N→R^N为内部耦合法则，表示节点j的输出函数h_j(x)=εf(x(t))。f_i,h_i，i＝1，2......n均有界，并且

线性无关。

在系统（2）中，f_i,h_i（i,j=1，2，…，n)已知，并且对于i＝1，2，…，n，t＝0，1，2，…，变量x_i(t)的值为直接测得的断路器的采集量，而复杂网络的拓扑结构是未知的。估计网络的拓扑结构，具体地说就是估计耦合矩阵A=（a_ij）中的元素。

将系统(2)作为驱动系统。引入下面的响应系统

$y_i(t+1)=f_i\left(x_i\left(t\right)\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{h}_j\left(x_j\left(t\right)\right),i=\mathrm{1,2},...n---\left(3\right)$

这里y_i(·)=(y_i1(·),y_i2(·)，......y_iN(·))^T∈R^N,i＝1,2，......n,b_ij(·)∈R是时变参数序列，i,j=1，2，........n，引入参数自适应控制系统

b_ij(t+1)=b_ij(t)-k(y_i(t+1)-x_i(t+1))^Th_j(x_j(t))，i,j=1，2，......n，(4)

其中k∈R是一个可选参数。分别改写方程(2)，(3)，(4)为下面的矩阵形式，得

X(t+1)=FX(t)+AH(X(t))           (5)

Y(t+1)=F(X(t))+B(t)H(X(t))      (6)

B(t+1)=B(t)-kE(t+1)H(X(t))^T    （7）

其中，x_i(t+1)表示为X(t+1)，f_i(x_i(t))表示为FX(t)，h_j(x_j(t))表示为H(X(t))，a_ij为A,y_i(t+1)为Y(t+1)，x_i(t)^T为X(t)^T。

这里X（·）=（_x1(·),x₂(·),......x_n(·))^T∈R^n×N,Y(·)=（y₁(·),y₂(·),......y_n(·))^T∈R^n×N，E(·)=Y(·)-X(·),F(X)=(f₁(x₁),f₂(x₂),......f_n(x_n))∈R^n×N,H(X)=(h₁(x₁),h₂(x₂),......h_n(x_n))∈R^n×N方程(6)减去方程(5)，得到

E(t+1)=(B(t)-A)H(X(t))                (8)

将(8)的结果代入式(7)，并且两边减去A，可以得到

ΔB(t+1)=ΔB(t)[I-kH(X(t))H(X(t))^T]   (9)

其中，△B(·)=B(·)-A，I为一个单位矩阵。

首先，构造Lyapunov函数W(t)

$W\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}{\left(t\right)}^2,---\left(10\right)$

其中Δb_ij(t)=b_ij(t)-a_ij。

trA表示一个方阵A的迹，则有下面的结果：

（1） $\mathrm{trA}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{ii}},A=\left(a_{\mathrm{ij}}\right)\&Element;M_{n\&times;n};$

（2）tr(αA+βB)=αtrA+βtrB,A,B∈M_n×n,α,β∈R

（3）tr(AB)=tr(BA),A∈M_m×n,B∈M_n×m;

（4） $\mathrm{tr}\left({\mathrm{AA}}^T\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{ij}}^2,A\&Element;M_{m\&times;n};$

（5）若A=(a_ij)∈M_m×n,B=(b_jk)∈M_n×p,则有

tr((AB)(AB)^T)≤tr(AA^T)tr(BB^T)          （11）

其次，根据差分的Lasalle不变原理，差分式为：

x_m+1=T(x_m),m=0,1，......

其中T：R^N →R^N，V是方程在G中的Lyapunov函数，如果V连续并且

对一切x∈G成立，则记作E={x:V=0,x∈G}，M为E的最大不变集，V^-1(c)={x:V(x)=c,x∈R^N}这里Δb(t)=b_ij(t)-a_ij。

最后，根据式（11）矩阵迹的结果，可以得t+1时刻的Lyapunov函数W(t+1)：

W(t+1)=tr(ΔB(t+1)ΔB(t+1)^T)=tr(ΔB(t)ΔB(t)^T)-2k·tr[((ΔB(t)H(X(t)))(ΔB(t)H(X(t)))^T]+k²·tr[(ΔB(t)H(X(t))·H(X(t))^T)(ΔB(t)H(X(t))H(X(t))^T)^T]                  （12）≤W(t)-2k·tr[((ΔB(t)H(X(t)))(ΔB(t)H(X(t)))^T]+k²·tr[(ΔB(t)H(X(t))·H(X(t))^T)(ΔB(t)H(X(t))H(X(t))^T)^T]=W(t)-k(2-k·tr[H(X(t))^T·H(X(t)))·tr[(ΔB(t)H(X(t))(ΔB(t)H(X(t)))^T]使-k(2-k·[H(X(t))^TH(X(t))]<0，为此只要选取参数k满足下式即可

$0<k<2{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_j^2\right)}^{-1}---\left(13\right)$

|h_j(·)|≤L_j,j=1,2,....n。其中k=k_n，k_n为

中的最大正整数，

$\mathrm{tr}\left[\mathrm{\&Delta;B}\left(t\right)H\left(X\left(t\right)\right){\left(\mathrm{\&Delta;B}\left(t\right)H\left(X\left(t\right)\right)\right)}^T\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_{\mathrm{jk}}\left(x_j\left(t\right)\right)\right)}^2\&GreaterEqual;0$

得到ΔW(t)=W(t+1)-W(t)≤0令ΔW(t)=0，则

tr[ΔB(t)H(X(t))(ΔB(t)H(X(t)))^T]=0           （14）

即

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_{\mathrm{jk}}\left(x_j\left(t\right)\right)=0,i=\mathrm{1,2},...,n,k=\mathrm{1,2},...,N$

或

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_j\left(x_j\left(t\right)\right)=0,i=\mathrm{1,2},...,n$

因为

线性无关，因此Δb_ij(t)=0，对一切i,j=1，2，.......n都成立。根据Lasalle不变原理，Δb_ij(t)=0是ΔW(t)=0的最大不变集，因而b_ij(t)=a_ij，i,j=1，2，.....n自适应控制系统的全局吸引子，其中取b_ij的初值为

N为像素的最大值。综上，运用响应系统(3)和自适应控制系统(4)，实现对(2)中拓扑结构参数即耦合矩阵a_ij的估计。可以表示为

$a_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}-k\left[4x_i(1-x_i\left(t\right))\right]-4\mathrm{\&epsiv;}{x}_i{(t+1)}^T{x}_j\left(t\right)[1-x_j\left(t\right)]$

其中当i≠j时，如果从节点j到节点i有连线，则规定a_ij=1，否则a_ij=0;而当i＝j时， $a_{\mathrm{ij}}=-\underset{j=1}{\overset{7}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{ij}},i,j=\mathrm{1,2}...7,$ 根据（13）计算出 $2{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L_j}^2\right)}^{-1}=47.0588,$ 取0<k<47.0588，则对所有的i,j=1，2，.......7，都可以用b_ij(t)来计算出a_ij，这里取k=47，初始值取为

2，.........7。

步骤3.3：得到断路器绝缘系数的预测结果；

以预测断路器的24天绝缘系数为例，横轴代表使用时间，纵轴代表绝缘系数，即绝缘强度，由图5可知预测断路器绝缘系数与实际断路器绝缘系数曲线，预测误差在±8%以内。

步骤4：将断路器绝缘系数的预测结果通过无线通信单元传输至远方调度终端，以便维修人员及时检修。

Claims (2)

1.一种断路器绝缘系数预测装置，包括断路器，其特征在于：还包括信号采集单元、数据采集器、中央处理单元、工控机、变换电路和无线通信单元；

所述信号采集单元包括电压互感器、电流互感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、位移传感器和绝缘测试仪；电流互感器是用于实时测量电磁阀线圈电流的装置，电压互感器是实时测量电磁阀线圈电压的装置，气压传感器是用于采集断路器所在环境气压的装置，温度传感器是用于采集断路器所在环境温度的装置，湿度传感器是用于采集断路器所在环境湿度的装置，位移传感器是用于采集断路器的合闸时间的装置；绝缘测试仪是用于采集绝缘系数的装置；

信号采集单元采集的信号输出至数据采集器的输入端，数据采集器的输出端连接中央处理单元的I/O接口，中央处理单元通过串口与变换电路的数据转换引脚相连，工控机的输入端和无线通信单元的输入端连接到中央处理单元的串口。

2.采用权利要求1所述的断路器绝缘系数预测装置进行断路器绝缘系数预测的方法，其特征在于：

步骤1：采集断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数；

步骤2：通过数据采集器对采集量进行AD转换，输出至中央处理单元；

步骤3：对断路器绝缘系数进行预测；

步骤3.1：对AD转换后的数字信号进行空间重构：在一个时间序列内采集到的断路器的合闸时间、电磁阀线圈电压、电磁阀线圈电流、环境气压、环境湿度、环境温度和绝缘系数作为系统输入量，重构出表征断路器绝缘系数的非线性系统的空间；

步骤3.2：建立基于复杂网络的数学模型来描述断路器绝缘系数，并求解该数学模型；

步骤3.3：得到断路器绝缘系数的预测结果；

步骤4：将断路器绝缘系数的预测结果通过无线通信单元传输至远方调度终端，以便维修人员及时检修。

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