CN104267343A - 断路器故障状态诊断方法和断路器故障状态诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种断路器故障状态诊断方法和断路器故障状态诊断装置，其中方法包括如下步骤：获取断路器出厂试验的合分合闸线圈的电流信号特征值f₀(t₁₀，i₁₀，S₀)，获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号，对电流信号进行形态学滤波处理得到去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号；计算去噪后的电流信号的相应特征值f₁(t₁₁，i₁₁，S₁)；判断是否满足若满足，进一步判断是否满足若不满足，则判定断路器铁心正常、合分闸线圈的供电电源故障；如果不满足进一步判断是否满足(S₁-S₀)/S₀＞θ，若满足，则判定断路器的铁心出现起动滞后故障。本发明的技术方案，既能够提高诊断速率，又能够明显提升诊断精确度，可以很好的满足现场对断路器在线诊断的要求。

Description

断路器故障状态诊断方法和断路器故障状态诊断装置

技术领域

本发明涉及断路器监测技术领域，特别是涉及一种断路器故障状态诊断方法和断路器故障状态诊断装置。

背景技术

断路器是电力系统中的重要设备。断路器性能的可靠性直接关系到整个电网的运行可靠性，因此对断路器工作状态的实时评估具有重要的意义。不同的在线监测方法越来越多的被提出，现有文献通常采用小波变换方法提取监测对象的波形特征，或者仅记录监测对象波形的特征点而不做任何处理。相应地，在高压断路器状态评估和故障诊断方面，现有文献只能通过查表法或if-then模式根据参量的特征值进行判断，例如分合闸线圈电流平均值、分合闸线圈电流持续时间、分合闸行程、合分闸速度等，若测量值与特征值相比差别超过某一阈值，则认为是故障。或者采用简单的分类算法(如支持向量机)来判断断路器故障情况。

河北工业大学张永奎等人在《High Voltage Apparatus(高压电器)》第49卷第2期刊登了一种以DSP为核心硬件电路，通过小波分析和动态时间规整法相结合，对信号处理并判别断路器故障类型的方法，然而这种方法引入了小波分解，降低了信号处理的速度，不利于实现断路器的实时监测。

在公开号为CN 103336243A的中国发明专利，公布了一种基于分合闸线圈电流信号的故障诊断方法，涉及粒子群算法、模糊C-均值聚类算法以及向量机算法，虽然其分析思路具有可行性，但是由于其冗杂的计算方式，以及现场实测信号的不确定性，无法满足对断路器进行在线状态评估的准确性。

综上所述，现有技术方案难以实现对断路器的故障状态进行快速、准确的诊断。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种快速、准确的断路器故障状态诊断方法和断路器故障状态诊断装置。

一种断路器故障状态诊断方法，包括如下步骤：

获取断路器出厂试验的合分合闸线圈的电流信号特征值f₀(t₁₀，i₁₀，S₀)，其中，铁心起动时刻t₁₀，铁心起动瞬时电流i₁₀，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₀；

获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号，对所述电流信号进行形态学滤波处理得到去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号；

计算所述的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁(t₁₁，i₁₁，S₁)；其中，铁心起动时刻t₁₁，铁心起动最大电流i₁₁，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₁；

判断是否满足若满足，进一步判断是否满足若不满足，则判定断路器铁心正常、合分闸线圈的供电电源故障；其中，为设定的电流比例阈值，为设定的时间比例阈值；

如果不满足进一步判断是否满足(S₁-S₀)/S₀＞θ，若满足，则判定断路器的铁心出现起动滞后故障；其中，θ为设定的能耗比例阈值。

上述断路器故障状态诊断方法，利用断路器出厂试验的合分合闸线圈的电流信号的特征值作为参考值，对获取的断路器运行中合分闸线圈电流信号曲线进行形态学滤波处理，消除了电流信号曲线的毛刺，通过对处理后的合分闸电流信号曲线的上升速率进行计算分析，结合参考值的对比给出断路器的具体故障类型，既能够提高诊断速率，又能够明显提升诊断精确度，可以很好的满足现场对断路器在线诊断的要求。

一种断路器故障状态诊断装置，包括：依次连接的霍尔电流传感器、AD芯片、可编程硬件平台、状态显示模块；

所述霍尔电流传感器用于获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号；

所述AD芯片用于对电流信号进行模数转换；

所述可编程硬件平台用于采用权利要求1至7任一项所述的断路器故障状态诊断方法诊断待测断路器的故障状态；

所述状态显示模块用于显示断路器的状态。

上述断路器故障状态诊断装置，充分利用断路器故障状态诊断方法具有计算复杂度低、延时小等优点，通过可编程硬件平台保证了算法在实际应用的实现过程中能够进行平滑的移植，同时能够根据实际测试的结果进一步改进算法的性能。

附图说明

图1为本发明的断路器故障状态诊断方法流程图；

图2为断路器的分合闸线圈的电流信号特性波形图；

图3为一个优选实施例的断路器故障状态诊断方法流程图；

图4为断路器的分合闸线圈的正常波形图；

图5为断路器的铁心起动延迟波形图；

图6为断路器的储能电机储能不足波形图；

图7为断路器的铁心运动卡滞示意图；

图8为本发明的断路器故障状态诊断装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的断路器故障状态诊断方法的具体实施方式作详细描述。

参考图1所示，图1为本发明的断路器故障状态诊断方法流程图，包括如下步骤：

步骤S101，获取断路器出厂试验的合分合闸线圈的电流信号特征值f₀(t₁₀，i₁₀，S₀)，其中，铁心起动时刻t₁₀，铁心起动瞬时电流i₁₀，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₀。

参考图2所示，图2为断路器的分合闸线圈的电流信号特性波形图(横轴为时间，纵轴为电流)，包括五个阶段(①～⑤)，分别为：

①t＝t₀-t₁，t₀时刻线圈通电，t₁时刻铁心开始运动；

②t＝t₁-t₂，铁心运动，电流下降。t₂为铁心触动操作机械明显减速或停止；

③t＝t₂-t₃，铁心停止运动，电流开始指数上升；

④t＝t₃-t₄，阶段③的延续，电流趋于稳定；

⑤t＝t₄-t₅，电流开断，迅速减小。

步骤S102，获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号，对所述电流信号进行形态学滤波处理得到去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号；

步骤S103，计算去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁(t₁₁，i₁₁，S₁)；其中，铁心起动时刻t₁₁，铁心起动最大电流i₁₁，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₁；

步骤S104，判断是否满足若满足，转步骤S105，若不满足，转步骤S107，；

步骤S105，判断是否满足若不满足，转步骤S106；

步骤S106，判定断路器铁心正常、合分闸线圈的供电电源故障；其中，为设定的电流比例阈值，为设定的时间比例阈值；

步骤S107，判断是否满足(S₁-S₀)/S₀＞θ，若满足，转步骤S108；

步骤S108，判定断路器的铁心出现起动滞后故障；其中，θ为设定的能耗比例阈值。

上述实施例的断路器故障状态诊断方法，利用出厂试验的合分合闸线圈的电流信号特征值，对获取的断路器运行中分合闸电流信号曲线进行形态学滤波处理，消除了电流信号曲线的毛刺，通过对处理后的合分闸电流信号曲线的上升速率进行计算分析，给出断路器的具体故障类型，既能够提高诊断速率，又能够明显提升诊断精确度，可以很好的满足现场对断路器在线诊断的要求。

在一个实施例中，本发明的断路器故障状态诊断方法，在步骤S103的计算去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁的步骤前还可以包括：

确定待测断路器合分闸线圈的电流信号在达到稳定值之前出现的折返(曲线由上升变为下降)次数k；若k＞1，则判定断路器的铁心运动过程中出现卡滞现象；否则，执行步骤S103。

在一个实施例中，本发明的断路器故障状态诊断方法还可以包括：若满足则判定断路器正常工作。

在一个实施例中，所述所述所述θ＝0.2；需要说明的是， θ的取值根据实际应用中具体情况而定，不同取值能够得到不同的精度。

在一个实施例中，所述形态学滤波处理包括膨胀、腐蚀处理；

假设采样得到的一维电流信号为f(n)，其定义域为D[f]＝{1,2,3,...,N}；N为f(n)的序列长度；g(k)为一维结构元素序列，其定义域为D[g]＝{1,2,3,...,P}；其中，P为g(k)的序列长度，P和N都是整数，N≥P。

f(n)在以下公式中记为f，g(k)在以下公式中均记为g，则f(n)灰值膨胀和腐蚀(fΘg)(n)分别定义为：

(fΘg)＝min{f(n+x)-g(x)|(n+x)∈D_f且x∈D_g}；

其中，表示膨胀运算，Θ表示腐蚀运算，腐蚀是求取极小值，膨胀运算是求取极大值；max表示集合{f(n-x)+g(x)|(n-x)∈D_f且x∈D_g}中的最大元素。min表示集合{f(n+x)-g(x)|(n+x)∈D_f且x∈D_g}中的最小元素，x为平移变量；先膨胀后腐蚀为灰值闭运算。

则序列f(n)关于g(k)的开运算fοg和闭运算f·g分别定义为：

$f\·g=f\⊕\mathrm{g\Θg};$

其中，“ο”为形态开运算，“·”为形态闭运算。

综合上述实施例的技术方案，基于合分闸线圈电流信号对断路器机械状态诊断，对已获取的分合闸电流信号曲线进行形态学滤波处理，消除了电流信号曲线的毛刺，通过对处理后的合分闸电流信号曲线的局部电流折返次数及电流信号曲线上升速率进行计算分析，结合参考值的对比给出断路器的具体故障类型。该方法算法过程简洁、计算量少、延时小、可靠性高，既能够提高诊断速率，又能够明显提升诊断精确度，可以很好的满足现场对断路器在线诊断的要求。

参考图3所示，图3为一个优选实施例的断路器故障状态诊断方法流程图，主要包括如下步骤：

步骤S301，获取断路器原始(出厂试验)的分合闸线圈的电流信号；

步骤S302，根据所述电流信号获取正常信号下的特征值f₀(t₁₀，i₁₀，S₀)；

步骤S303，获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号；

步骤S304，对所述电流信号进行膨胀、腐蚀处理得到平滑的电流信号曲线；

步骤S305，计算电流信号曲线进入稳态前的折返次数k；

步骤S306，判断是否k＞1？若是，则判定断路器的铁心运动过程中出现卡滞现象，否则执行步骤S307；

步骤S307，根据所述电流信号曲线计算铁心起动时刻t₁₁和铁心起动最大电流i₁₁；

步骤S308，判断是否满足|i₁₁-i₁₀|/i₁₀≤0.1？若是，执行步骤S309，若否，执行步骤S310；

步骤S309，判断是否满足|t₁₁-t₁₀|/t₁₀＞0.1？若是，则判定断路器正常工作；若否，则判定断路器铁心正常、合分闸线圈的供电电源故障；

步骤S310，计算线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₁；

步骤S311，判断是否满足(S1-S0)/S0＞0.2；若是，则判定断路器的铁心出现起动滞后故障，此时，需要检查断路器的传动装置及锁扣装置。

上述实施例的方案，采用膨胀、腐蚀算法对原始电流信号进行处理，只涉及到少量的运算，算法实现的步骤简单、计算量小，可以通过简单的硬件即可实现，对所提取的特征值处理方式不同于现有的方式，结合时间特征值和铁心起动耗能总量的比较，能够快速地给出准确的诊断结果。

参考图4～图7所示，图示为正常和故障状态相关示意图(横轴为时间，纵轴为电流)。

图4中：t₁₀＝17ms，i₁₀＝1.254A，S0＝13.9243，k＝1；

图5中：t₁₁＝23ms，i₁₁＝1.9302A，S1＝28.4296，k＝1；

图6中：t₁₂＝22ms，i₁₂＝1.2596A，S2＝16.845，k＝1；

图7中：k＝2；

图4为断路器的分合闸线圈的正常波形图；图5为断路器的铁心起动延迟波形图；图6为断路器的储能电机储能不足波形图；图7为断路器的铁心运动卡滞示意图。

参见图8所示，图8为本发明的断路器故障状态诊断装置的结构示意图，包括：依次连接的霍尔电流传感器、AD(模数)芯片、可编程硬件平台、状态显示模块；

所述霍尔电流传感器用于获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号；

所述AD芯片用于对电流信号进行模数转换；

所述可编程硬件平台用于采用权利要求1至7任一项所述的断路器故障状态诊断方法诊断待测断路器的故障状态；

所述状态显示模块用于显示断路器的状态。

本发明的断路器故障状态诊断装置，是一种专门为断路器故障状态诊断方法设计的应用装置。充分利用该诊断方法具有计算复杂度低、延时小等优点，通过可编程硬件平台保证了算法在实际应用的实现过程中能够进行平滑的移植，同时能够根据实际测试的结果进一步改进算法的性能。

在一个实施例中，所述可编程硬件平台采用FPGA芯片作为SoC芯片。

在一个实施例中，所述状态显示模块采用彩色指示灯来指示故障状态；其中，灯亮表示出现对应故障。

综合上述各实施例的断路器故障状态诊断装置，由于断路器故障状态诊断方法具有计算复杂度低、延时小等优点，非常适合于在片上系统(SoC)上实现和应用。为此断路器故障状态诊断装置，通过SoC硬件验证保证了算法的平滑移植和算法性能改进。可以合理配置硬件计算资源的要求，采用FPGA作为SoC芯片。

作为一种实施方式，本发明的断路器故障状态诊断装置具体开发过程可以如下：

(1)搭建物理平台

平台采用可编程的FPGA芯片，AD芯片模块采用高精度模数转换芯片，状态显示模块采用三种不同颜色指示灯，如绿色、红色、黄色等三种颜色指示灯(检测结果有三种情况，检测结果为其中一种情况时，相应的指示灯亮；否则，指示灯灭)；测试信号单向传送到AD芯片，AD芯片与FPGA之间存在数据流与控制信息传送，FPGA单向传送诊断结果至状态显示模块。

(2)配置FPGA硬件设置

通过SOPC Builder在FPGA上组建Nios/II处理器，建立RAM/ROM用于存储算法程序；构建AD控制模块，锁相环模块；通过Verilog语言在FPGA芯片上实现电路的AD芯片控制部分并配置FPGA管脚。

(3)代码转换

将基于分合闸线圈电流信号的断路器状态诊断方法的MATLAB语言代码转化为硬件可识别的C语言代码，通过Nios IDE软件，下载到FPGA芯片中。

(4)验证与调试

传送测试信号至AD芯片，在Nios IDE开发平台上，对断路器故障状态诊断方法在断路器故障状态诊断装置上的实现进行调试与验证。

本发明的断路器故障状态诊断装置的具体工作过程如下：

(1)设置初值

设置正常信号的铁心启动耗能S₀，起动最大电流i₁₀，启动时刻t₁₀，编译判断算法程序，通过Nios IDE软件下载至FPGA芯片。

(2)数据读取并转换

FPGA芯片中AD控制部分控制AD芯片模块不断读取待测量电流信号数据并进行AD转换。

(3)故障判断

FPGA芯片中检测算法程序对读取数据进行判断。

(4)输出结果

FPGA芯片根据故障判断情况，将判断结果输出到指示灯(绿色发光二极管表示正常工作；红色发光二极管表示储能电机故障；1号黄色发光二极管表示铁心启动滞后；2号黄色发光二极管表示铁心运动中出现卡滞)。

上述实施例开发的断路器故障状态诊断装置，具有如下特点：

采用了FPGA芯片这种具有灵活的硬件性能的可编程芯片，可以根据算法所需计算资源来灵活配置FPGA的计算资源。

采用了高精度AD芯片，模数转换时间最小可以达到微妙级，配合FPGA的灵活性，可以充分发挥高精度AD芯片的性能，从而使得断路器故障状态诊断方法能更有效地对电流信号进行识别。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种断路器故障状态诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取断路器出厂试验的合分合闸线圈的电流信号特征值f₀(t₁₀，i₁₀，S₀)，其中，铁心起动时刻t₁₀，铁心起动瞬时电流i₁₀，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₀；

获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号，对所述电流信号进行形态学滤波处理得到去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号；

计算所述的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁(t₁₁，i₁₁，S₁)；其中，铁心起动时刻t₁₁，铁心起动最大电流i₁₁，线圈通电至铁心起动电流对时间积分S₁；

判断是否满足若满足，进一步判断是否满足若不满足，则判定断路器铁心正常、合分闸线圈的供电电源故障；其中，为设定的电流比例阈值，为设定的时间比例阈值；

如果不满足进一步判断是否满足(S₁-S₀)/S₀＞θ，若满足，则判定断路器的铁心出现起动滞后故障；其中，θ为设定的能耗比例阈值。

2.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，在计算去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁的步骤前，还包括：

确定待测断路器合分闸线圈的电流信号在达到稳定值之前出现的折返次数k；

若k＞1，则判定断路器的铁心运动过程中出现卡滞现象；否则，执行计算去噪后的待测断路器合分闸线圈的电流信号的相应特征值f₁的步骤。

3.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，还包括：

若满足则判定断路器正常工作。

4.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，所述 ${\∂}_t=0.1.$

5.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，所述 ${\∂}_i=0.1.$

6.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，所述θ＝0.2。

7.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断方法，其特征在于，所述形态学滤波处理包括膨胀、腐蚀处理。

8.一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，包括：依次连接的霍尔电流传感器、AD芯片、可编程硬件平台、状态显示模块；

所述霍尔电流传感器用于获取待测断路器合分闸线圈通电过程中的电流信号；

所述AD芯片用于对电流信号进行模数转换；

所述可编程硬件平台用于采用权利要求1至7任一项所述的断路器故障状态诊断方法诊断待测断路器的故障状态；

所述状态显示模块用于显示断路器的状态。

9.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述可编程硬件平台采用FPGA芯片作为SoC芯片。

10.根据权利要求1所述的断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述状态显示模块采用彩色指示灯来指示故障状态；其中，灯亮表示出现对应故障。