CN103698698A - 一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，属于电力设备在线监测与故障诊断技术领域。该方法包括以下步骤：1）将开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻因素列入因素集，作为诊断因素，确定诊断语集；2）确定权重集，采用层次分析法来确定各因素权重；3）确定隶属函数及关系矩阵；4）进行模糊算子和评价指标的处理。该方法将模糊理论应用于高压断路器的电寿命诊断中，考虑了反映断路器电寿命的开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻等因素，建立了高压断路器电寿命诊断指标体系。本发明所述的高压断路器电寿命诊断方法不需要大量的故障诊断样本库，易于编程实现，能够快速准确地诊断出高压断路器的电寿命。

Description

一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法

技术领域

本发明属于电力设备在线监测与故障诊断技术领域，具体涉及一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法。

背景技术

随着社会与经济快速发展，电力系统在国民经济中的地位日趋重要。随着电压等级的提高与装机容量的增大，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，这给电力设备监测与诊断技术提出了更高要求。高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，正常情况下能够在规定时间内承载、开断、关合正常和故障电流。高压断路器的可靠运行对电力系统的安全稳定至关重要。

随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理等技术的发展，以及故障机理、特征信号提取方法的深入研究，使得在线监测和故障诊断技术逐步进入了实用化阶段。高压断路器故障诊断的任务是根据在设备的在线监测信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，参考设备的运行历史，确定设备故障的性质、程度、类别和部位，明确故障的征兆、原因以及发展趋势。

目前支持向量机、神经网络等人工智能算法已广泛应用于高压断路器的故障诊断，但是由于这些方法仍存在自身的局限性，实际的诊断准确率与诊断效率仍难以满足现场应用的要求。以基于神经网络的故障诊断方法为例，该方法需要大量的故障样本库供神经网络训练，且神经网络学习收敛速度慢，容易陷入局部极小点，导致诊断效率低，诊断准确性差，难以满足现场应用的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，该方法将模糊理论应用于高压断路器的电寿命诊断中，充分考虑了反映断路器电寿命的开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻等因素，建立高压断路器电寿命诊断指标体系，并对高压断路器电寿命进行诊断。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，包括以下步骤：步骤一：将开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻因素列入因素集，作为诊断因素，确定诊断语集，将各因素诊断统一设为：

V={V_i|i=1,2,3,4}={优良(V₁)，一般(V₂)，注意(V₃)，警戒(V₄)}；

步骤二：确定权重集，采用层次分析法来确定各因素权重；步骤三：确定隶属函数及关系矩阵；步骤四：进行模糊算子和评价指标的处理。

进一步，在步骤一中，将开关磨损因素具体分为触头电磨损、累计使用次数、累计使用年数三个因素；将时间参数具体分为三相分闸不同期性和三相和闸不同期性；上述具体因素与平均合闸速度、平均分闸速度、接触电阻一起作为诊断高压断路器电寿命的8个具体因素。

进一步，在步骤三中，将每一个诊断因素信号经模糊化以后分为四级，每个因素对应矩阵的一行，每一组因素对应一个矩阵。

进一步，在步骤三中，根据断路器的N_l-I_c曲线，可求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断数N_l，则对应的单次开断的相对电磨损为1／N_l(定义为Q_m)，求得∑Q_m，其电寿命就为f(x)=∑Q_m，∑Q_m为0到1之间的数字，直接作为隶属函数x值。

进一步，在步骤三中，分、合闸同期性应满足下列要求：相间合闸不同期≯5ms；相间分闸不同期≯3ms；同相各断口间合闸不同期≯3ms；同相各断口间分闸不同期≯2ms，建立三相分闸不同期性和三相和闸不同期性的隶属函数。

进一步，在步骤三中，对于平均分闸速度与平均合闸速度，其对断路器状态影响的模糊分布用Gauss分布函数表示为：

$f\left(x\right)=\exp [-{\left(\frac{x-a}{b}\right)}^2]$

式中，x的单位为m/s，a为隶属函数的中心，即断路器厂家所要求的最佳速度，b为隶属函数的宽度，根据厂家对平均分闸速度与平均合闸速度的要求而定。

进一步，在步骤三中，通过对测量断路器的分合过程电流、电压波形的分析，求得断路器的接触电阻；监测断路器的接触电阻了解断路器的触头烧损或磨损情况，从而预测断路器的触头的寿命；接触电阻过大，反映出断路器本身运行状态不佳；对于断路器影响的表示函数定义为：

$f\left(x\right)=\frac{170-x}{170}$

得到断路器接触电阻的隶属函数。

进一步，在步骤四中，采用加权平均型模糊算子，将步骤三中已经确定的权重和关系矩阵代入下式可得到最终诊断结果之后，根据最大隶属度原则取中的最大值相对应的V_i作为高压断路器电寿命的诊断结果。

式中：

分别为高压断路器电寿命诊断指标体系中开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标所对应的模糊关系矩阵；A为开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标的权重；A₁、A₂、A₃分别为开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标下各子指标的权重。

本发明的有益效果在于：本发明所述的高压断路器电寿命诊断方法不需要大量的故障诊断样本库，易于编程实现，能够快速准确地诊断出高压断路器的电寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为高压断路器电寿命诊断指标体系；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明将模糊理论应用于高压断路器的电寿命诊断中，考虑了反映断路器电寿命的开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻等因素，建立高压断路器电寿命诊断指标体系，提出了一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，包括以下步骤：1）将开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻因素列入因素集，作为诊断因素，确定诊断语集，将各因素诊断统一设为：

V={V_i|i=1,2,3,4}={优良(V₁)，一般(V₂)，注意(V₃)，警戒(V₄)}；

2）确定权重集，采用层次分析法来确定各因素权重；3）确定隶属函数及关系矩阵；4）进行模糊算子和评价指标的处理。

影响高压断路器电寿命的因素很多，考虑到一些离线或在线数据收集的完整性及方便性，在本发明中将主要因素列入因素集，并将其设定为8个级别。各因素具体分级情况如图1所示。

1）确定诊断语集

将各因素诊断统一设为：

V={V_i|i=1,2,3,4}={优良(V₁)，一般(V₂)，注意(V₃)，警戒(V₄)}；（1）

式中：优良阶段，表示高压断路器电磨损小，工作性能稳定，故障发生可能性极低；一般阶段，说明断路器已运行一段时间，已经有一定电磨损，工作性能还基本稳定，故障发生可能性低；注意阶段，表示断路器的触头已有很大程度的磨损，发生故障的可能性较之以前有所增加，但断路器整体工作性能仍能满足电力系统的要求，不需要对断路器进行更换；警戒阶段，表明高压断路器整体工作性能欠佳，在实际运行和预防性试验中需要对其密切关注，发生故障的可能性很高，可考虑对断路器进行更换。

2）确定权重集

采用层次分析法来确定权重：

A₁=[0.7693,0.1467,0.0840]，A₂=[0.35,0.65]，A₃=[0.4434,0.3873,0.1692]，A=[0.6,0.2,0.2]。

3）确定隶属函数及关系矩阵

每一个诊断因素信号经模糊化以后分为四级，即每个因素对应矩阵的一行，每一组因素对应一个矩阵。开关磨损3个因素组成的关系矩阵见表1。

表1   相对电磨损程度、累计开断次数隶属函数表

表2  使用年数隶属函数表

（a）根据断路器的N_l-I_c曲线，可求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断数N_l，则对应的单次开断的相对电磨损为1／N_l(定义为Q_m)，求得∑Q_m，其电寿命就为f(x)=∑Q_m，因为∑Q_m为0到1之间的数字，直接作为隶属函数x值。

如高压断路器允许动作次数为N次，一般取3000次。所以可以将其转换函数可设为：

$f\left(x\right)=\frac{n}{N},$ 即 $f\left(x\right)=\frac{n}{3000}---\left(2\right)$

对于规定使用年数为M年的断路器，ZN48A-40.5断路器取M年为20年。

设其函数形式为：

$f\left(x\right)={\left(\frac{x}{M}\right)}^2,$ 即 $f\left(x\right)={\left(\frac{x}{20}\right)}^2---\left(3\right)$

（b）三相分闸不同期与三相合闸不同期

根据《电力设备预防性试验规程》（DL/T596－1996）时间参数中关于不同期的规定：“1）分、合闸时间应符合制造厂的规定；2）分、合闸同期性如制造厂无规定时应满足下列要求，相间合闸不同期≯5ms；相间分闸不同期≯3ms；同相各断口间合闸不同期≯3ms；同相各断口间分闸不同期≯2ms。”建立评判因素的隶属函数如表2。

表2合、分闸不同期隶属函数表

（c）平均分闸速度与平均合闸速度

对于平均分闸速度与平均合闸速度，其对断路器状态影响的模糊分布可用Gauss分布函数表示为：

$f\left(x\right)=\exp [-{\left(\frac{x-a}{b}\right)}^2]---\left(4\right)$

式中，x的单位为m/s,a为隶属函数的中心，即断路器厂家所要求的最佳速度，b为隶属函数的宽度，根据厂家对平均分闸速度与平均合闸速度的要求而定。如：ZN48A-40.5断路器平均分闸速度要求为1.7±0.3m/s，平均合闸速度要求为1.2±0.3m/s，可定义为：

建立评判因素的隶属函数如表3：

表3   平均分闸速度与平均合闸速度隶属函数表

（d）接触电阻

通过对测量断路器的分合过程电流、电压波形的分析，可以求得断路器的主回路电阻。监测断路器的主回路电阻可以了解断路器的触头烧损或磨损情况，从而可以预测断路器的触头的寿命。主回路的电阻过大，反映出断路器本生运行状态不佳。回路电阻过大除了造成断路器内部发热过度而加速接触处的氧化之外，严重的会导致断路器本身的损毁。对于断路器影响的表示函数定义为：

$f\left(x\right)=\frac{170-x}{170}---\left(5\right)$

所以得到断路器主回路电阻的隶属函数如表4所示：

表4   主回路电阻隶属函数表

3）模糊算子和评价指标的处理

采用加权平均型模糊算子，将已经确定了的权重和关系矩阵代入式（6）可得到最终诊断结果。之后，根据最大隶属度原则取

中的最大值相对应的V_i作为高压断路器电寿命的诊断结果。

实施例：

某ZN48A-40.5断路器已工作11年，累计动作662次，触头相对电磨损程度经计算为0.46，主回路电阻为73Ω，三相分闸不同期1.7ms，三相合闸不同期1.2ms，平均分闸速度1.3m/s，平均合闸速度0.7m/s。

确定模糊关系矩阵：

${\tilde{R}}_1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0.35& 0.65& 0\\ 0.9& 0.1& 0& 0\\ 0& 0.53& 0& 0\end{array}\right]{\tilde{R}}_2=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0.2& 0.4\\ 0& 0& 0.8& 0\end{array}\right]$

${\tilde{R}}_3=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0.23& 0.77\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0.85& 0.15& 0\end{array}\right],$ 代入评判模型公式，计算结果。将已经确定了的权重代入可得到最终诊断结果 $\tilde{B}=\left(\begin{array}{cccc}0.0792& 0.2258& 0.4435& 0.1737\end{array}\right),$ 根据最大隶属度原则得出该断路器电寿命处于“注意”级别，表示断路器发生故障的可能性较大，需要密切注意，但断路器整体工作性能仍能满足电力系统的要求。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将开关磨损、时间参数、平均分合闸速度、接触电阻因素列入因素集，作为诊断因素，确定诊断语集，将各因素诊断统一设为：

V={V_i|i=1,2,3,4}={优良(V₁)，一般(V₂)，注意(V₃)，警戒(V₄)}；

步骤二：确定权重集，采用层次分析法来确定各因素权重；

步骤三：确定隶属函数及关系矩阵；

步骤四：进行模糊算子和评价指标的处理。

2.根据权利要求1所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤一中，将开关磨损因素具体分为触头电磨损、累计使用次数、累计使用年数三个因素；将时间参数具体分为三相分闸不同期性和三相和闸不同期性；上述具体因素与平均合闸速度、平均分闸速度、接触电阻一起作为诊断高压断路器电寿命的8个具体因素。

3.根据权利要求2所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤三中，将每一个诊断因素信号经模糊化以后分为四级，每个因素对应矩阵的一行，每一组因素对应一个矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤三中，根据断路器的N_l-I_c曲线，可求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断数N_l，则对应的单次开断的相对电磨损为1／N_l(定义为Q_m)，求得∑Q_m，其电寿命就为f(x)=∑Q_m，∑Q_m为0到1之间的数字，直接作为隶属函数x值。

5.根据权利要求3所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤三中，分、合闸同期性应满足下列要求：相间合闸不同期≯5ms；相间分闸不同期≯3ms；同相各断口间合闸不同期≯3ms；同相各断口间分闸不同期≯2ms，建立三相分闸不同期性和三相和闸不同期性的隶属函数。

6.根据权利要求3所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤三中，对于平均分闸速度与平均合闸速度，其对断路器状态影响的模糊分布用Gauss分布函数表示为：

$f\left(x\right)=\exp [-{\left(\frac{x-a}{b}\right)}^2]$

式中，x的单位为m/s,a为隶属函数的中心，即断路器厂家所要求的最佳速度，b为隶属函数的宽度，根据厂家对平均分闸速度与平均合闸速度的要求而定。

7.根据权利要求3所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤三中，通过对测量断路器的分合过程电流、电压波形的分析，求得断路器的接触电阻；监测断路器的接触电阻了解断路器的触头烧损或磨损情况，从而预测断路器的触头的寿命；接触电阻过大，反映出断路器本身运行状态不佳；对于断路器影响的表示函数定义为：

$f\left(x\right)=\frac{170-x}{170}$

得到断路器接触电阻的隶属函数。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于模糊理论的高压断路器电寿命诊断方法，其特征在于：在步骤四中，采用加权平均型模糊算子，将步骤三中已经确定的权重和关系矩阵代入下式可得到最终诊断结果

之后，根据最大隶属度原则取

中的最大值相对应的V_i作为高压断路器电寿命的诊断结果。

式中：

分别为高压断路器电寿命诊断指标体系中开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标所对应的模糊关系矩阵；A为开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标的权重；A₁、A₂、A₃分别为开关磨损、时间参数与其他因素3大类指标下各子指标的权重。

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