CN106291344B - 基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法及系统，该方法包括：1)获取分闸过程中的压力‑时间曲线和位移‑时间曲线；2)在压力‑时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m；3)依据对应时刻t_m在位移‑时间曲线上找取点S_m，对数据{S_k～S_m}进行处理，S_k为数据的起始数值，求取数据对应的速度，取速度最大值位置S_c为实际刚分点。本发明的方法科学有效，且计算结果精确，从而能够实现对断路器工作状态的实时监测。

Description

基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法及系统

技术领域

本发明涉及断路器监测领域，特别是一种基于分闸压力曲线检测断路器刚分点的方法及系统。

背景技术

断路器是实现电力系统有效控制的关键设备，一旦发生故障将带来严重后果，以往对断路器检修存在很大的盲目性，而且频繁拆卸可能会降低断路器动作的可靠性，有效运用断路器对保护电网的安全性和稳定性具有重要意义。因此，及时了解断路器工作状态，提早发现出现问题的部位，提高检修针对性，避免不必要的停电损失。有效监测机械特性参数的关键在于刚分时刻的确定，但现有的检测方法中使用单一传感器，容易产生干扰偏差，同时现有的检测方法存在数据处理结果不精确的问题，若对数据的处理方式不当，将导致曲线数据分析时，得出的实际刚分点定位不准确，大小与实际值偏差较大，以致无法准确判断断路器状态，最终电力系统不能及时对故障进行监测，系统控制不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，用于解决因单纯的依据一条曲线进行数据分析导致的断路器刚分点检测不准确的问题。同时，本发明还提供了一种基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统。

为解决上述问题，本发明利用基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，包括如下步骤：

1)获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线；

2)在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m；

3)依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数据{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数据的起始数值，求取数据中各点对应的速度，则速度最大值位置S_c即为实际刚分点。

进一步的，步骤2)中对压力-时间曲线上的数据按时刻从前往后进行分组，每N个数据为一组，并求取每组数据的均值，依次判断相邻组均值的大小，当出现接连几个组的均值具有下降趋势，且紧邻的下一组均值具有上升趋势，则判定所求点在最后两个下降趋势的均值所在的数据中；

将得到的数据再进行分组，每N1个数据为一组，同样对每组数据求取均值，当存在一个均值不大于下一个均值时，则取当前均值对应数据中的最小值，即压力-时间曲线上的极小值，并记录极小值位置对应的时刻。

进一步的，有下降趋势的连续数据组数为3～4。

进一步的，在步骤3)中找取位移-时间曲线的起始位置作为数据{S_k～S_m}中的起始数值S_k；

对于位移-时间曲线先平缓后下降的情况，首先对包含起始位置的数据X1{x₁～x_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x_p，然后在所述数据X1中找到时刻上最后一个大于x_p的数x_n，对数据X2{x₁～x_n}根据直线拟合法求取直线x＝k，以k为转折时刻最优值x_d，最后在所述数据X2中找到时刻上最后一个大于x_d的数值x_z，将x_z对应的点记为曲线上的起始位置；

对于位移-时间曲线先平缓后上升的情况，首先对包含起始位置的数据X1′{x′₁～x′_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x′_p，然后在所述数据X1′中找到时刻上最后一个小于x′_p的数x′_n，对数据X2′{x′₁～x′_n}根据直线拟合法求取直线x′＝k′，以k′为转折时刻最优值x′_d，最后在所述数据X2′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数值x′_z，将x′_z对应的点记为曲线上的起始位置。

进一步的，对位移-时间曲线先平缓后下降情况中的所述数据X2的前半段

求均值x_m，将概率最大值x_p与直线拟合数值k进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x_d，加权系数与k、x_p和x_m有关，

表示对“n/2”向下取整；

对位移-时间曲线先平缓后上升情况中的所述数据X2′的前半段

求均值x′_m，将概率最大值x′_p与直线拟合数值k′进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x′_d，加权系数与k′、x′_p和x′_m有关；

所述转折时刻的最优值x_d为：

其中，

为加权系数；

所述转折时刻的最优值x′_d为：

其中，

为加权系数。

本发明还提出基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，该系统包括如下模块：

1)用于获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线的模块；

2)用于在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m的模块；

3)用于依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数据{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数据的起始数值，求取数据中各点对应的速度，则速度最大值位置S_c即为实际刚分点的模块。

进一步的，模块2)中对压力-时间曲线上的数据按时刻从前往后进行分组，每N个数据为一组，并求取每组数据的均值，依次判断相邻组均值的大小，当出现接连几个组的均值具有下降趋势，且紧邻的下一组均值具有上升趋势，则判定所求点在最后两个下降趋势的均值所在的数据中；

将得到的数据再进行分组，每N1个数据为一组，同样对每组数据求取均值，当存在一个均值不大于下一个均值时，则取当前均值对应数据中的最小值，即压力-时间曲线上的极小值，并记录极小值位置对应的时刻。

进一步的，有下降趋势的连续数据组数为3～4。

进一步的，在模块3)中找取位移-时间曲线的起始位置作为数据{S_k～S_m}中的起始数值S_k；

对于位移-时间曲线先平缓后下降的情况，首先对包含起始位置的数据X1{x₁～x_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x_p，然后在所述数据X1中找到时刻上最后一个大于x_p的数x_n，对数据X2{x₁～x_n}根据直线拟合法求取直线x＝k，以k为转折时刻最优值x_d，最后在所述数据X2中找到时刻上最后一个大于x_d的数值x_z，将x_z对应的点记为曲线上的起始位置；

对于位移-时间曲线先平缓后上升的情况，首先对包含起始位置的数据X1′{x₁′～x′_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x′_p，然后在所述数据X1′中找到时刻上最后一个小于x′_p的数x′_n，对数据X2′{x′₁～x′_n}根据直线拟合法求取直线x′＝k′，以k′为转折时刻最优值x′_d，最后在所述数据X2′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数值x′_z，将x′_z对应的点记为曲线上的起始位置。

进一步的，对于位移-时间曲线先平缓后下降情况中的所述数据X2的前半段

求均值x_m，将概率最大值x_p与直线拟合数值k进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x_d，加权系数与k、x_p和x_m有关，

表示对“n/2”向下取整；

对位移-时间曲线先平缓后上升情况中的所述数据X2′的前半段求均值x′_m，将概率最大值x′_p与直线拟合数值k′进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x′_d，加权系数与k′、x′_p和x′_m有关；

所述转折时刻的最优值x_d为：

其中，

为加权系数；

所述转折时刻的最优值x′_d为：其中，

为加权系数。

本发明提出的断路器刚分点检测方法简便有效，该方法引入压力传感器采集压力信号，综合分析压力-时间曲线和位移-时间曲线精确判定断路器刚分点，有效提高了计算方法的计算速度，同时，避免了当位移传感器出现噪声污染时不可计算的问题。实时监测断路器工作状态的过程需要精准确定断路器刚分点的位置，从而断路器才可以准确判断曲线异常值，预警故障，同时该方法的运用并不局限于某种断路器型号，具有普遍适用性。

本发明在压力-时间曲线分析过程中为快速地求取出曲线极小值，提出缩减区域求极值的方法，该方法不仅快速而且计算结果精确。

本发明在求取最大速度获取实际刚分点的过程中，采用概率估计法寻找位移-时间曲线上的起始位置，该方法能够更加精准地确定曲线的起始位置，进而为后续求取最大速度提供精确的数据段，简化计算程序，且能够在噪声情况下进行有效地计算。

本发明还提出了断路器刚分点检测系统，采用多个传感器采集信号得出信号曲线，综合分析曲线，精确地求取断路器的刚分点，从而为监测断路器工作状态提供准确判据，及时发现异常值，预警故障。

附图说明

图1为真空断路器状态监测系统示意图；

图2为两种情况的分闸位移曲线模型；

图3为分闸压力曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示为真空断路器状态监测系统，该监测系统可以实现在线或非在线监测。该系统包括断路器、真空断路器在线状态监测装置、通讯单元、显示单元、存储单元、报警单元，其中断路器包括用于采集信号的霍尔传感器、压力传感器、位移传感器和无线测温模块。通过A/D转换电路将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，通过监测装置进行处理，将采集得到的数据显示、存储和计算，并对计算的特征值与存储的历史数据对比，超出阈值或出现异常值则进行报警。

该技术方案的基本方法步骤为：

步骤一、获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线；

步骤二、在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m；

步骤三、依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数组{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数组的起始数值，求取数组中各点对应的速度，则速度最大值位置S_c即为实际刚分点。

上述各步骤的详细过程介绍如下：

步骤一、利用两个传感器采集分闸断路器的压力信号和位移信号，由显示单元得出分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线。本实施例中采用压力传感器采集压力信号，采用位移传感器采集位移信号，作为其他实施方案，压力信号和位移信号的采集还会采用其他相应的的模拟信号采集器。

步骤二、求取图3所示的压力-时间曲线上的极小值M1，并记录极小值M1位置对应的时刻t_m。

本实施例采用的是缩减判断区域的方法求取压力-时间曲线上的极小值M1，详细过程如下：

(1)图3所示的分闸压力-时间曲线中，对分闸压力数据P₀按时间顺序从前往后进行分组，每N个数据为一组，并求取每一组中数据的均值p_i，本实施例中，经过多次实验且考虑到编程设计，设置N为32，即每32个数据为一组。

(2)对步骤二中得到的多个均值进行比较，依次判断相邻均值的大小，当出现连续几个均值具有下降趋势，即p_i-3＞p_i-2＞p_i-1＞p_i，且紧邻的后一个均值具有上升趋势，即p_i＜p_i+1，则判定所求点在均值p_i-1和p_i对应的数组P_z内。

本实施例中取的连续下降趋势数组组数为3～4，下降趋势跟断路器采样频率有关，可以根据实际情况调整。

本实施例中，数组P_z包含64个数据。

(3)将数组P_z再进一步分组，每N1个数据为一组，并求取每一组中数据的均值，然后依次判断相邻均值的大小，当存在一个均值不大于下一个均值时，则判定所求点在当前均值对应数组内，这里取数组中最小值即为压力-时间曲线上的极小值M1，并记录M1对应的时刻。本实施例中，经过多次实验且考虑到编程设计，设置N1为4，即每4个数据为一组。

步骤三、依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数组{S_k～S_m}进行平滑滤波处理，S_k为数组的起始数值，求取各数据点对应的速度，速度最大值位置S_c记为实际刚分点。

本实施例中求取位移-时间曲线的起始位置作为数组{S_k～S_m}中的起始数值S_k，然后对进行数据处理，找取速度最大值位置S_c。如图2所示，根据位移传感器的安装位置不同，得到的位移-时间曲线有两种曲线模型，依据不同的曲线模型，下面详细描述位移-时间曲线上的起始位置求取的方法。

对于图2中的情况1，详细计算过程为：

(1)对包含起始值的数据段X{x_i,i＝1,2,...,t}使用移动平滑滤波得到X_s，根据判定条件x_s＞(max(X_s)+min(X_s))/2得到X_s中符合条件的最大时刻T；

(2)对数据段X1{x₁～x_T}计算其概率密度分布，找到概率最大值P_max对应的数值x_p，且x_p应满足x_p∈X1；

(3)在数据段X1中找到时刻上最后一个大于x_p的数x_n，对数据段X2{x_n～x_t}采用直线拟合法求取直线x＝k；

(4)以k为转折时刻最优值x_d，在数据段X2中找到时刻上最后一个大于x_d的数值x_z，x_z对应的点记为位移起始位置。

实际上，以上述计算得到的k找到的起始位置已经很精确，但这里为了找到更精确的起始位置，便于系统故障分析，针对上述步骤又提出了以下方法：

(5)对数据段X2的前半段求取其均值

(6)根据归一化加权思想，求取实际带有噪声的位移-时间曲线起始转折时刻的最优值x_d，表达式为：

其中，

为加权系数；

(7)在数据段X1中找到时刻上最后一个大于x_d的数x_z，将位移-时间曲线上x_z对应的点记为位移起始位置。

对于图2中的情况2，位移起始位置的详细计算过程：

(1)对包含起始值的数据段X'{x'_j,j＝1,2,...,t'}使用移动平滑滤波得到X_s′，根据判定条件x′_s＜(max(X′_s)+min(X′_s))/2得到X′_s中符合条件的最大时刻T′；

(2)对数据段X1′{x′₁～x′_T}计算其概率密度分布，找到概率最大值P′_max对应的数值x′_p，且x′_p应满足x′_p∈X1′；

(3)在数据段X1′中找到时刻上最后一个小于x′_p的数x′_n，对数据段X2′{x′₁～x′_n}采用直线拟合法求取直线x′＝k′；

(4)以k′为转折时刻最优值x′_d，在数据段X2′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数值x′_z，x′_z对应的点记为位移起始位置。

实际上，以上述计算得到的k′找到的起始位置已经很精确，但这里为了找到更精确的起始位置，便于系统故障分析，针对上述步骤又提出了以下方法：

(5)对数据段X2′的前半段

求取其均值

(6)根据归一化加权思想，求取实际带有噪声的位移-时间曲线初始转折时刻的最优值x′_d，表达式为：

其中，

为加权系数；

(7)在数据段X1′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数x′_z，将位移-时间曲线上x′_z对应的点记为位移起始位置。

本发明实施例还提供了基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，该系统包括如下模块：

1)用于获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线的模块；

2)用于在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m的模块；

3)用于依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数组{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数组的起始数值，求取数据点对应的速度，取速度最大值位置S_c为实际刚分点的模块。

将得到的实际刚分点与设定的阈值比较，若超出设定的阈值偏差范围，则进行故障报警。

保存历史数据，将最后一次动作计算的数值与最近若干次动作数据进行统计分析，对异常的刚分点数值通过显示屏显示预警信息，且进一步修正阈值，利于以后对系统故障的精确判断。

上述模块是系统中为实现该方法的各步骤所建立的功能模块，实际上是一种根据以上基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测的方法进行编程，与方法步骤对应的软件进程，用于控制器中。因此，对于各个模块，下面不再进行详细介绍。

Claims (8)

1.基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线；

2)在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m；

3)依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数据{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数据的起始数值，求取数据中各点对应的速度，则速度最大值位置S_c即为实际刚分点；

在步骤3)中找取位移-时间曲线的起始位置作为数据{S_k～S_m}中的起始数值S_k；

对于位移-时间曲线先平缓后下降的情况，首先对包含起始位置的数据X1{x₁～x_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x_p，然后在所述数据X1中找到时刻上最后一个大于x_p的数x_n，对数据X2{x₁～x_n}根据直线拟合法求取直线x＝k，以k为转折时刻最优值x_d，最后在所述数据X2中找到时刻上最后一个大于x_d的数值x_z，将x_z对应的点记为曲线上的起始位置；

对于位移-时间曲线先平缓后上升的情况，首先对包含起始位置的数据X1′{x′₁～x′_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x′_p，然后在所述数据X1′中找到时刻上最后一个小于x′_p的数x′_n，对数据X2′{x′₁～x′_n}根据直线拟合法求取直线x′＝k′，以k′为转折时刻最优值x′_d，最后在所述数据X2′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数值x′_z，将x′_z对应的点记为曲线上的起始位置。

2.根据权利要求1所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，其特征在于，步骤2)中对压力-时间曲线上的数据按时刻从前往后进行分组，每N个数据为一组，并求取每组数据的均值，依次判断相邻组均值的大小，当出现接连几个组的均值具有下降趋势，且紧邻的下一组均值具有上升趋势，则判定所求点在最后两个下降趋势的均值所在的数据中；

将得到的数据再进行分组，每N1个数据为一组，同样对每组数据求取均值，当存在一个均值不大于下一个均值时，则取当前均值对应数据中的最小值，即压力-时间曲线上的极小值，并记录极小值位置对应的时刻。

3.根据权利要求2所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，其特征在于，有下降趋势的连续数据组数为3～4。

4.根据权利要求1所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测方法，其特征在于，对位移-时间曲线先平缓后下降情况中的所述数据X2的前半段

求均值x_m，将概率最大值x_p与直线拟合数值k进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x_d，加权系数与k、x_p和x_m有关，表示对“n/2”向下取整；

对位移-时间曲线先平缓后上升情况中的所述数据X2′的前半段求均值x′_m，将概率最大值x′_p与直线拟合数值k′进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x′_d，加权系数与k′、x′_p和x′_m有关；

所述转折时刻的最优值x_d为：

其中，

为加权系数；

所述转折时刻的最优值x′_d为：其中，

为加权系数。

5.基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，其特征在于，该系统包括如下模块：

1)用于获取分闸过程中的压力-时间曲线和位移-时间曲线的模块；

2)用于在压力-时间曲线上求取曲线数值中的极小值，并记录极小值位置对应的时刻t_m的模块；

3)用于依据对应时刻t_m在位移-时间曲线上找取点S_m，对数据{S_k～S_m}进行数据处理，S_k为数据的起始数值，求取数据中各点对应的速度，则速度最大值位置S_c即为实际刚分点的模块；

在模块3)中找取位移-时间曲线的起始位置作为数据{S_k～S_m}中的起始数值S_k；

对于位移-时间曲线先平缓后下降的情况，首先对包含起始位置的数据X1{x₁～x_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x_p，然后在所述数据X1中找到时刻上最后一个大于x_p的数x_n，对数据X2{x₁～x_n}根据直线拟合法求取直线x＝k，以k为转折时刻最优值x_d，最后在所述数据X2中找到时刻上最后一个大于x_d的数值x_z，将x_z对应的点记为曲线上的起始位置；

对于位移-时间曲线先平缓后上升的情况，首先对包含起始位置的数据X1′{x′₁～x′_T}计算其概率密度，找到概率最大值对应的数值x′_p，然后在所述数据X1′中找到时刻上最后一个小于x′_p的数x′_n，对数据X2′{x′₁～x′_n}根据直线拟合法求取直线x′＝k′，以k′为转折时刻最优值x′_d，最后在所述数据X2′中找到时刻上最后一个小于x′_d的数值x′_z，将x′_z对应的点记为曲线上的起始位置。

6.根据权利要求5所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，其特征在于，模块2)中对压力-时间曲线上的数据按时刻从前往后进行分组，每N个数据为一组，并求取每组数据的均值，依次判断相邻组均值的大小，当出现接连几个组的均值具有下降趋势，且紧邻的下一组均值具有上升趋势，则判定所求点在最后两个下降趋势的均值所在的数据中；

将得到的数据再进行分组，每N1个数据为一组，同样对每组数据求取均值，当存在一个均值不大于下一个均值时，则取当前均值对应数据中的最小值，即压力-时间曲线上的极小值，并记录极小值位置对应的时刻。

7.根据权利要求6所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，其特征在于，有下降趋势的连续数据组数为3～4。

8.根据权利要求5所述的基于分闸压力曲线的断路器刚分点检测系统，其特征在于，对位移-时间曲线先平缓后下降情况中的所述数据X2的前半段

求均值x_m，将概率最大值x_p与直线拟合数值k进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x_d，加权系数与k、x_p和x_m有关，

表示对“n/2”向下取整；

对位移-时间曲线先平缓后上升情况中的所述数据X2′的前半段

求均值x′_m，将概率最大值x′_p与直线拟合数值k′进行归一加权处理得到转折时刻的最优数值x′_d，加权系数与k′、x′_p和x′_m有关；

所述转折时刻的最优值x_d为：其中，

为加权系数；

所述转折时刻的最优值x′_d为：

其中，为加权系数。

Images