CN106461725A - 用于监测断路器的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于监测断路器的方法。方法包括以下步骤：获得(110)随时间推移的与断路器的操作机构(2)相关联的特征力；通过识别力的变化来确定(120)断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。确定(120)的步骤进一步包括将特征力的变化增加发生时的时刻确定作为断路器触头的闭合的时间点；并且将特征力的变化减小发生时的时刻确定作为断路器触头的断开的时间点。方法可以用于准确地在线监测断路器的闭合与断开时间点。
Description
技术领域
本公开涉及断路器的领域，并且特别涉及在线监测断路器的机械特性。
背景技术
在最近几年，越来越多的专家将更多注意力放在对断路器的机械特性在线监测的研究和发展上。断路器的动态特性可以有效地反映断路器的运行故障。因此，机械特性被视作对于断路器的最重要的特征之一，并且存在有对监测断路器的机械特性的要求。
当前，断路器的机械特性监测通常借助于电子传感器在离线环境中进行。离线环境可以是其中断路器未电连接至电网并因此不会经受到电网中的高电压的测试环境。测试环境中用于测试的电压相对低使得它不会影响电子传感器的正常操作。然而，由于离线或测试环境中的电路触头没有经受到真实高电压，所以监测到的结果不能准确地反映断路器的实际操作状态并因此可能仅充当用于研究断路器的有限的参考。
随着智能电网技术的发展，存在有可以在线监测处于其正常操作状态的断路器的机械特性以便支持智能电网的功能的智能断路器的需要。在线监测可以反映断路器的真实操作状态，并因此在研究和控制断路器时更有用。
对断路器的机械特性参数的准确监测取决于断路器的准确的闭合与断开时间点的找出。一旦获得闭合与断开时间点，就可以基于闭合与断开时间点以已知方式也获得诸如触头断开间隙、触头弹簧行程和闭合与断开速度等的断路器的其他机械参数。
然而，当前离线监测方法不适用于在线监测。在线环境中的电网的高电压可以轻易地损坏用于离线监测的电子器件。
另外，由于高电压下的电闭合与断开时间点归因于在高电压下的击穿导通而不能代表断路器动静触头的真实机械或物理上闭合与断开，所以有必要找出处于断路器的操作状态的动触头的机械或物理闭合与断开时间点以便准确地监测断路器的机械参数。然而，难以在高电压下直接监测断路器的准确的机械闭合与断开时间点。
因此，要求一种用于在线监测断路器的机械特性、特别是用于在线监测准确的机械闭合与断开时间点的方法。
发明内容
因此，为了克服以上提到的现有技术中的缺陷中的一个或多个，本公开的实施例的目的之一是提供用于在线监测断路器的机械特性的方法和设备。
根据本公开的实施例的一个方面，提供有一种用于监测断路器的方法。断路器包括用于操作断路器的动触头的闭合与断开的操作机构。方法包括以下步骤：获得随时间推移的与操作机构相关联的特征力；和通过识别力的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。确定的步骤进一步包括将特征力的变化增加发生时的时刻确定作为断路器的闭合的时间点；并且将特征力的变化减小发生时的时刻确定作为断路器的断开的时间点。
由于断路器的闭合或断开的准确时间点可以通过感测特征力来确定，所以感测电子器件和感测过程将不会受到动触头附近的诸如高电压、复杂电场和电弧放电等的恶劣环境的影响。作为结果，对断路器的闭合或断开的时间点的监测可以在断路器的正常操作期间进行。
根据本公开的实施例的一个方面，特征力是以下中的任一个：
-由断路器的动触头直接施加在操作机构的连杆机构上的接触力；
-由操作机构的连杆机构的任何杆经受到的内力；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，该分量在接触力的方向上；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，该分量垂直于接触力的方向；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，该分量在接触力的方向上；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，该分量垂直于接触力的方向。
根据本公开的实施例的一个方面，获得的步骤包括通过与操作机构相关联的感测的力计算出由断路器的动触头直接施加在操作机构的连杆机构上的接触力。确定步骤包括通过识别计算出的接触力的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。接触力可以通过在连杆机构的任何枢转点处被感测到的感测的力计算出。
根据本公开的实施例的一个方面，力的变化基于力的幅值和/或力变化的速率来识别。
根据本公开的实施例的一个方面，获得的步骤包括采样特征力的在从起始点的不同时间点处的若干值，和获得代表着在采样时间点处的特征力的值的第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]，和代表着相应采样时间点的第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]，其中“ai”是对于i次采样的采样特征力的值，“n”是采样的数量，“ti”是对于i次采样的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，确定步骤包括从第一阵列F中的第一项开始识别出其值首次达到或超过第一预定力值的项，并且将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项的时间点确定作为断路器的闭合的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，确定步骤包括从第一阵列F中的第一项开始识别出其值首次处于或低于第二预定力值的项，并且将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项的时间点确定作为断路器的断开的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，确定步骤包括从第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下条件的项：在第一阵列F中从在前项到识别出的项刚好有预定数量个连续项，其中连续项中的每一个具有处于或低于第二预定力值的值；并且接着将第二阵列T中的对应于第一阵列F中的预定数量个连续项的第一项的时间点确定作为断路器的断开的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，获得的步骤还包括计算并获得代表着力变化的速率的第三阵列dF[(a2-a1)/(t2-t1)，(a3-a2)/(t3-t2)，...(ai-ai-1)/(ti-ti-1)，...(an-an-1)/(tn-tn-1)]，其中各项是指在相邻两个采样期间的力变化速率。
根据本公开的实施例的一个方面，确定步骤包括：从第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下两个条件的项：
-识别出的项的值达到或超过第一预定力值；
-在第三阵列dF中的处于或接近第三阵列dF中的相应项的数个项之中，存在有值达到或超过第一预定力变化速率值的项，其中第三阵列dF中的相应项是指在第一阵列F中的识别出的项被采样时的时间点处的力变化速率；
并且接着将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项的时间点确定作为断路器的闭合的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，确定步骤包括：从第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下两个条件的项：
-识别出的项的值处于或低于第二预定力值；
-在第三阵列dF中的处于或接近第三阵列dF中的相应项的数个项之中，存在有其绝对值达到或超过第二预定力变化速率值的项，其中第三阵列dF中的相应项是指在第一阵列F中的识别出的项被采样时的时间点处的力变化速率；
并且接着将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项的时间点确定作为断路器的断开的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，获得的步骤包括获得随时间推移的特征力的值的分布曲线；并且确定的步骤包括通过识别分布曲线中的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，确定的步骤包括利用小波变换处理分布曲线，并且通过识别经处理的分布曲线中的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，小波变换是基于哈尔函数。
根据本公开的实施例的一个方面，进一步提供一种用于监测断路器的设备。断路器包括用于操作断路器的动触头的闭合与断开的操作机构。该设备包括：用于获得随时间推移的与操作机构相关联的特征力的装置；和用于通过识别力的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生时的时间点的装置。用于确定的装置被进一步配置成将特征力的变化增加发生时的时刻确定作为断路器的闭合的时间点，并且将特征力的变化减小发生时的时刻确定作为断路器的断开的时间点。
附图说明
当参照附图阅读关于示例性实施例的以下详细描述时，本公开的目的、特征和优点变得明显，其中：
图1图示出可以通过根据本发明的实施例的方法被在线监测的示例性断路器。
图2图示出施加在如图1中所示的断路器的连杆机构上的力。
图3图示出根据本发明的原理的用于监测断路器的方法的流程图。
图4图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的闭合的时间点的方法的流程图。
图5图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。
图6图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。
图7图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的闭合的时间点的方法的流程图。
图8图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。
图9图示出根据本发明的另一实施例的用于监测断路器的闭合与断开的时间点的方法的流程图。
图10描绘了特征力的随时间推移的原始分布曲线和经处理的分布曲线。
具体实施方式
在下文中，将在描述本公开的机制和精神时参考示例性实施例。应该理解的是，这些实施例仅仅被提供以便于本领域技术人员理解并进而实施本公开，但不是用于以任何方式限制本公开的范围。
在这里通过参考附图以示例性方式详细地描述本公开的各种实施例。
图1图示出可以通过根据本发明的实施例的方法被在线监测的示例性断路器。如图1中所示的断路器是高电压断路器，包括被围在绝缘套筒1中的静触头和动触头(未示出)，和用于操作动触头的闭合与断开动作的操作机构2。操作机构2通常是用于将来自主动元件、例如马达或弹簧操作器的驱动力传递至动触头的连杆机构。如图1中所示，连杆机构包括顺次地彼此枢转连接的第一杆21、第二杆22和第三杆23。第一杆21被连接至由主动元件驱动的驱动轴20，并且第三杆23被枢转地连接至断路器的基座上的支撑件25。推杆24在一端上在与第三杆23和支撑件25之间的枢转点相距一距离处被枢转地连接至动触头。推杆24的另一端被连接至绝缘套筒1中的动触头。通过经由马达或弹簧驱动驱动轴20转动，动触头可以通过来自第一杆21、第二杆22、第三杆23和推杆24的力传递在套筒1中沿纵向方向向上和向下移动，以便与静触头接触或分离并因此闭合或断开电路。
因为在绝缘套筒1内侧存在有牵涉到高电压、高磁场和触头之间的预燃弧的恶劣环境，所以将电子传感器布置在触头附近以在闭合或断开操作期间感测用于确定动触头刚刚闭合或断开时的时间点的触头的参数是不实际的。闭合与断开周期期间动触头的弹跳进一步加剧了基于任何可能的感测到的数据来确定动触头的闭合或断开的确切时间点的难度。本发明基于如下见解：由于静触头对动触头的反作用的改变，在断路器的闭合与断开期间显著的力变化将以瞬变发生在动触头和驱动机构上。
图2图示出施加在如图1中所示的断路器的连杆机构上的力。在断路器的平衡的闭合状态中，动触头在来自连杆机构的力的作用下抵靠静触头。在该情况中，静触头将反作用力F2(也称作接触力)施加在动触头上，该力进而通过推杆24被传导至第三杆23。一旦动触头在断开周期中与静触头分离，在动触头、推杆24和第三杆23上的反作用力F2就会急剧减小并且甚至变成零。同样，在断路器的闭合周期期间，由静触头施加在动触头上的反作用力F2将急剧地从零到相对高的值。显示施加在推杆24或第三杆23上的反作用力F2的变化可以充当用以反映断路器的闭合与断开过程的特征。此外，可以合理地推测，在动触头刚刚开始接触静触头时的时间点处，闭合周期中的反作用力F2的值的第一次瞬变增加将首次发生，并且在动触头刚刚开始与静触头分离时的时间点处，断开周期中的反作用力F2的值的第一次瞬变减小将首次发生。
基于以上观察，通过识别反作用力F2的变化来确定用于断路器的闭合与断开的时间点是有利的。
参照图3，根据本发明的实施例，提供一种用于监测断路器的方法。方法包括以下步骤：获得(110)与操作机构相关联的特征力(在该实施例中，是由断路器的动触头直接施加在操作机构的连杆机构上的接触力)；和通过识别力的变化来确定(120)断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。特别地，当特征力的变化增加发生时，将相应的时间点确定为断路器的闭合的时间点；并且当特征力的变化减小发生时，将相应的时间点确定为断路器的断开的时间点。
接触力或反作用力F2可以在不同位置被感测到。例如，可以通过被布置在推杆24上的力传感器在推杆24上感测到接触力F2。力传感器可以是被连接至测量电路的应变仪，诸如应变箔片，其可以借助于由于应变而在箔片的电阻上的变化感测到在应变箔片被布置所在的位置上的应变。为了放大推杆24上的应变以便于测量，可以在推杆24上应变仪被附接处设置一些弹性结构，诸如一些槽。这些弹性结构提高了推杆24上应变仪被附接处的变形率，使得归因于接触力F2的应变可以被放大并因此易于被准确地感测到。利用被连接至应变仪的测量电路，可以基于感测到的应变和已知的变形率计算出接触力F2。
在实施例中，接触力F2也可以在推杆24被连接至第三杆23所在的第三杆23的位置上或在将推杆24与第三杆23连接的枢转轴上的位置上被感测到。这些位置都与动触头隔离并远离使得感测将不会受到隔离套筒1中的恶劣环境的显著影响，并且感测装置被防止遭受恶劣环境并被恶劣环境损坏。
进一步参考图2，在平衡的闭合状态中，连杆机构还经受到其他的力，诸如来自外部支撑件结构的反作用力和来自邻接杆的相互作用力。例如，将第二杆22和第三杆23作为一个系统，除接触力F2之外，该系统进一步经受到以下力：第三杆23的被连接至支撑件25的端部经受到来自支撑件25的反作用力F1，其可以被分成垂直于接触力F2的方向的分量F1x和在接触力F2的方向上的分量F1y；第二杆22的被连接至第一杆21的端部经受到来自第一杆21的作用力F3，其可以被分成垂直于接触力F2的方向的分量F3x和在接触力F2的方向上的分量F3y。在平衡的闭合状态中，包括第二杆22和第三杆23的系统应该满足以下三个平衡条件以便被保持在静态的平衡状态：由系统经受到的在X方向(垂直于接触力F2的方向)上的合力等于零；由系统经受到的在Y方向(接触力F2的方向)上的合力等于零；并且由系统中的各杆经受到的合成的扭矩等于零。
基于以上三个条件，可以获得以下四个方程：
F1x＝F3x；
F1y+F3y＝F2；
F3Y·P3＝F3x·P5；
F2·P1+F3x·P4＝F3y·(P1+P2)。
其中，参数P1、P2、P3、P4和P5是指如图2中标出的距离。
在将以上方程变换之后，获得了：
从以上结果(1)至(4)显示，推测所有距离P1至P5是恒定的，则力F1x、F1y、F3x和F3y都与接触力F2线性相关。考虑到在动触头几乎接触或离开静触头的短暂闭合或断开周期中的动触头的非常小的移动期间在距离P1至P5上的相当小的改变，力F1x、F1y、F3x和F3y可以被视为在动触头几乎接触或离开静触头的周期期间与接触力F2近似线性相关。在该情况中，在力F1x、F1y、F3x和F3y上的改变也可以用于反映接触力F2上的改变并因此反映断路器的闭合与断开过程。
在实施例中，通过获得力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个，并采取力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个作为特征力，并且识别力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个的变化，也可以确定断路器的闭合与断开的时间点。
在实施例中，也可以进一步测量在动触头的平衡闭合状态中的距离P1至P5，并且借助于以上结果(1)至(4)利用感测到的力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个和距离P1至P5计算出接触力F2。此后，计算出的接触力F2可以被进一步用作如之前描述的用以确定断路器的闭合与断开的时间点的特征力。
实际上，断路器的整个连杆机构或任何其他可能的操作机构会受到接触力F2的影响。施加在连杆机构上或由连杆机构施加的任何力会响应于接触力F2上的改变而改变。因此，在理论上，与连杆机构相关联的任何力可以作为特征力而直接感测和使用以确定闭合与断开时间点。可以用作特征力的力至少包括：
-接触力F2；
-由操作机构的连杆机构的任何杆经受到的内力；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，该分量在接触力的方向上；
-由连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，该分量垂直于接触力的方向；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，该分量在接触力的方向上；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，该分量垂直于接触力的方向。
为了感测施加在连杆机构上或由连杆机构施加的力，应变仪应该被附接至相应的位置。例如，应变仪可以被沿着杆的纵向方向附接在任何杆上以感测杆上的内部应力；应变仪可以被附接在任何杆的端部上以感测由其他连接的部件施加在杆的端部上的力(X分量、Y分量或合力)。有利的是将应变仪附接在任何枢转点(诸如支撑件25)上以感测由连杆机构施加的具有与在相同点施加在连杆机构上的力相同的值并且也可以用于确定闭合与断开时间点的力。由于应变仪被附接至静止结构(枢转点)，所以应变仪不会移动，使得应变仪可以被更加牢固地附接，并且感测精度会较高而没有应变仪的移动的影响。为了放大应变以便提高感测精度，也可以在应变仪被附接所在的任何位置上、包括在任何杆上和任何枢转点上提供如之前提到的弹性结构。
为了准确地反映接触力F2上的改变，充当特征力的其他力应该具有相对于反作用力F2的高线性和灵敏度。正常情况下，反作用力F2的方向上的力将与其他方向上的力相比具有相对于反作用力F2的更多的线性度和灵敏度。对于如图2中所示的连杆机构，反作用力F1的Y分量F1y和作用力F3的Y分量在反作用力F2的方向上，并且具有相对于反作用力F2的高线性度和灵敏度。因此，直接感测力F1y或F3y作为用以确定闭合与断开的时间点的特征力是有利的。实验结果示出力F1y与F3y相比具有更高的线性度和灵敏度。在这方面，将应变仪附接在支撑件25上以感测F1y作为特征力是进一步有利的。
也可以利用如上面提到的任何感测到的力计算出接触力F2，并采取计算出的接触力F2作为特征力。为了计算接触力F2，应该从连杆机构或其他操作机构选择待讨论的合适系统。系统可以包括超过两个的杆。有必要确保基于力平衡和扭矩平衡条件可以创建如上面提到的方程并且可以基于方程来求解方程中的所有力(包括反作用力F2)。
以下将描述用于监测闭合与断开时间点的各种具体实施例。
图4图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的闭合的时间点的方法的流程图。首先，采样410特征力(诸如或直接感测到的或从其他感测到的力计算出的接触力F2，或者其他感测到的特征力)的在从起始点的不同时间点处的若干值，并因此获得410代表着特征力的在采样时间点处的值的第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]，和代表着相应采样时间点的第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]，其中“ai”是对于i次采样的采样特征力的值，“n”是采样的数量，“ti”是对于i次采样的时间点。
起始点通常是闭合指令从控制电路发出时的时间点。采样间隔或频率取决于用于闭合与断开时间点的精度要求。例如，采样间隔可以被设定为1.33μs。闭合或断开过程可以自从发出指令之后持续100ms。作为结果，根据1.33μs的采样间隔，采样的数量“n”在整个闭合或断开周期期间是752。
接着，从阵列F中的第一项a1开始将第一阵列F中的ai与第一预定力值V1进行比较420。第一预定力值V1根据断路器的具体结构和所选择的特征力来设定。第一预定力值V1应该被设定得大到足以与静触头和动触头之间的实际接触之前的噪声区分开，但是不大于在闭合的开始时其间的实际接触力。如果采取接触力F2作为特征力，则第一预定力值V1可以被设定在500N与6000N之间。
如果第一项ai的值未达到或超过第一预定力值V1，则使比较步骤420循环用于第一阵列F中的下一项ai，直到在第一阵列F中首次识别出其值达到或超过第一预定力值V1的项ai。接着将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项ai的时间点ti确定420作为断路器的闭合的时间点t闭合。自从起始点之后的特征力的第一次大的幅值变化可以反映动触头与静触头之间的第一此接触。这样，找出了闭合时间点。
图5图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。在该方法中，采样特征力的值和获得阵列第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]和第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]的步骤510以与如图4中图示出的闭合监测方法中的采样和获得步骤410相同的方式进行。仅有的差异是用于步骤510中的采样的起始点通常是断开指令从控制电路发出时的时间点。比较步骤520和使步骤520循环类似于图4中的比较和循环步骤420。仅有的差异是用于判断的条件代替地是ai的值是否处于或低于第二预定力值V2。
第二预定力值V2应该被设定得小到足以显著地小于闭合状态中的值。如果采取接触力F2作为特征力，则第二预定力值V2可以被设定为甚至接近零。
一旦在第一阵列F中已识别出其中项ai的值处于或低于第二预定力值V2的第一项ai，就转到步骤520，将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项ai的时间点ti作为断路器的断开的时间点t断开。自从起始点之后的特征力的第一次大的幅值变化可以反映动触头的与静触头的第一次分离。这样，找出了断开时间点。
图6图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。在该方法中，采样特征力的值和获得阵列第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]和第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]的步骤610以与如图5中图示出的断开监测方法中的采样和获得步骤510相同的方式进行。比较步骤620和使步骤620循环类似于图5中的比较和循环步骤520。差异在于计数器被提供以累加630ai处于或低于第二预定值V2的次数。另一方面，一旦ai未满足ai处于或低于第二预定值V2的条件，计数器就重置为零。在计数器累加一次之后，判断640计数器的数字是否等于或大于预定数字V3、例如20。如果否，则使步骤620循环用于第一阵列F中的下一ai；如果是，则将第二阵列T中的时间点t(i-v3+1)确定作为断路器的断开的时间点t断开，其中t(i-v3+1)代表自从起始点之后从其开始在第一阵列F中首次有V3数字个连续项的时刻，其中V3数字个连续项中的每一个处于或低于第二预定值V2。
如图6所图示出的该方法确保从确定出的断开时间点，特征力被保持在等于或小于第二预定值V2的小值至少一段时间，而没有任何弹跳。这样，确定出的断开时间点可以被视为实际断开时间点，此后不会归因于动触头的弹跳而在动触头与静触头之间有任何接触，这意味着动触头已达到稳定断开状态。
图7图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的闭合的时间点的方法的流程图。在该方法中，采样特征力的值和获得第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]和第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]的步骤710以与如图4中图示出的闭合监测方法中的采样和获得步骤410相同的方式进行。差异在于获得步骤710进一步获得代表着力变化的速率的第三阵列
dF[(a2-a1)/(t2-t1)，(a3-a2)/(t3-t2)，...(ai-ai-1)/(ti-ti-1)，...(an-an-1)/(tn-tn-1)]，其中各项是指邻接的两个采样期间的力变化速率。比较步骤720和使步骤720循环类似于图4中的比较和循环步骤420。
在步骤720中一旦项ai满足项ai的值达到或超过第一预定力值V1的条件，就转到步骤730以将第三阵列dF中的力变化速率与第一预定力变化速率值V4进行比较。步骤730自身是循环。来自第三阵列dF的数个项被选择以执行循环730。用于数个项的选择是基于涉及在第一阵列F中的识别出的项ai被采样时的时间点处的力变化速率的在第三阵列dF中的相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))。所选择的数个项可以包括相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))、邻接于相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))并在其前面的数个连续项诸如5个项、和邻接于((ai-ai-1)/(ti-ti-1))并在其后面的数个连续项诸如5个项。在步骤730中，以任何顺序，在第三阵列dF中的所选择的数个项分别与第一预定力变化速率值V4进行比较，以判断是否存在有值达到或超过第一预定力变化速率值V4的至少一个项。该步骤730被用于判断在特征力的大的幅值被首次采样时的时间点附近是否有力变化。第一预定力变化速率值V4可以取决于采样间隔和所选择的特征力来设定。如果采取接触力F2作为特征力，则第一预定力变化速率值V4可以被设定在300N/ms与7000N/ms之间。
如果在所选择的数个项中没有任何项满足步骤730中的条件，这意味着没有力的变化，则返回至步骤720以在第一阵列F中找出满足步骤720中的条件的下一项ai。
如果对于第一阵列F中的当前识别出的项ai在所选择的数个项中有至少一个项满足步骤730中的条件，则转到步骤740，将第二阵列T中对应于来自第一阵列F的识别出的项ai的时间点ti确定作为断路器的闭合的时间点t闭合。这样，找出了闭合时间点。
图8图示出根据本发明的实施例的用于监测断路器的断开的时间点的方法的流程图。在该方法中，采样特征力的值和获得第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]、第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]和第三阵列dF[(a2-a1)/(t2-t1)，(a3-a2)/(t3-t2)，...(ai-ai-1)/(ti-ti-1)，...(an-an-1)/(tn-tn-1)]的步骤810以与如图7中图示出的闭合监测方法中的采样和获得步骤710类似的方式进行。仅有的差异是用于采样的起始点通常是断开指令从控制电路发出时的时间点。比较步骤820和使步骤820循环类似于图7中的比较和循环步骤720。差异是用于判断的条件代替地是ai的值是否处于或低于第二预定力值V2。
在步骤820中一旦项ai满足项ai的值处于或低于第二预定力值V2的条件，就转到步骤830以将第三阵列dF中的力变化速率与第二预定力变化速率值V5进行比较。步骤830自身也是类似于图7中的步骤730的循环。用于从第三阵列dF中选择数个项的方法与图7中的步骤730中相同。差异在于用于步骤830的判断条件。在步骤830中，以任何顺序，第三阵列dF中的所选择的数个项的绝对值分别与第二预定力变化速率值V5进行比较以判断是否有其绝对值达到或超过第二预定力变化速率值V5的至少一个项。由于在断路器的断开周期期间的力变化会从高值到低值，所以第三阵列dF中的项(ai-ai-1)/(ti-ti-1)的值将在实际断开时间点附近的时间点处为负值。因此，第三阵列dF中的相应项的绝对值将会有利地与第二预定力变化速率值V5进行比较。在这方面，第二预定力变化速率值V5应该被设定为正值，诸如在3000N/ms与7000N/ms之间，类似于第一预定力变化速率值V4。
像在图7的方法中一样，如果所选择的数个项中没有任何项满足步骤830中的条件，这意味着没有力的变化，则转回到步骤820以在第一阵列F中找出满足步骤820中的条件的下一项ai。
如果对于第一阵列F中的当前识别出的项ai在所选择的数个项中至少有一个项满足步骤830中的条件，则转到步骤840，将第二阵列T中的对应于来自第一阵列F的识别出的项ai的时间点ti确定作为断路器的断开的时间点t断开。这样，找出了断开时间点。
在以上实施例中，基于特征力的幅值和/或力变化速率的阈值以很多方式逐一顺次地对采样值进行了评价，以便识别出力变化。然而，也可以使用用于借助于特征力的幅值和/或力变化速率的阈值来识别力变化的其他方式。如上面所讨论的方法中的步骤适合由电子电路或计算机程序来执行，包括计算、记录、比较、循环步骤等等。
图9图示出根据本发明的另一实施例的用于监测断路器的闭合与断开的时间点的方法的流程图。在该方法中，以与以上实施例中相同的方式获得910特征力，例如，以某个采样间隔采样在闭合或断开周期期间的特征力的若干值。不同于以上实施例，在该实施例中，采样值不记录为阵列。代替地，获得的特征力的值随时间的推移被记录920为分布曲线(参见图10中的分布曲线a1，示出了对于闭合持续时间的所记录的分布曲线)。分布曲线可以通过可执行程序或已知软件诸如Matlab软件来做出。接着可以通过可执行程序或已知软件诸如Matlab软件对分布曲线进行分析，以自动地识别出特征力随之间推移的第一次变化。程序或软件可以扫描自从起始点之后的分布曲线，并且根据分布曲线中的特征识别出在分布曲线中的第一次变化。例如，程序或软件可以对分布曲线的各段的斜率进行分析以识别出是否有变化。一旦自从起始点之后首次在分布曲线中识别到变化，就将对应于变化点的时间点(分布曲线中的X坐标)确定作为断路器的闭合或断开的时间点。
在一个实施例中，在识别分布曲线中的变化点之前，利用数学方法、例如通过程序或已知软件对所记录的分布曲线进行处理，以便使分布曲线中的变化点更明显地被识别。例如，可以利用小波变换(wavelet transformation)对分布曲线进行处理。图10中的分布曲线a2至a5描绘了利用不同小波变换的对于原始分布曲线a1的经处理的分布曲线。可以看出，利用哈尔函数(Haar function)被小波变换的分布曲线a5已被处理为方波，其中原始分布曲线中的噪声和干扰可以被过滤。第一方波的前沿可以由程序或软件最清楚地识别为第一次变化点。这样，对应于第一方波的前沿的时间点被确定为断路器的闭合的时间点。可以领会的是，其他数学方法或信号处理方法也可以用于处理分布曲线以便将噪声过滤并且便于分布曲线中的变化点的识别。
对于如所描述的本发明的所有实施例，断路器的闭合或断开的准确时间点可以通过在远离动触头的位置处感测与接触力F2有关的特征力来确定。作为结果，感测电子器件和感测过程将不会受到动触头附近的恶劣环境的影响，即使断路器处于正常操作中。因此，根据本发明的实施例的方法可以用于在线监测断路器，而没有安全的测试环境的需要。在线监测可以反映断路器的实际操作性能。与在离线环境或测试环境中的监测相比，在线监测对于用户研究断路器的性能更加有用。另外，由于在线监测不需要中断断路器的正常操作，所以监测可以定期地进行很长时间，这对于断路器的维护是有利的。
基于断路器的闭合与断开时间点的准确确定，也可以计算或评价断路器的其他机械特点。例如，可以基于用于发出指令的起始点和确定出的闭合或断开时间点来计算断路器的闭合与断开的速度。另外，也可以基于闭合与断开时间点获得断路器的触头断开间隙和触头弹簧行程。因此，根据本发明的实施例的方法提供了用于准确监测断路器的机械特点的基础。
本发明进一步提供了用于监测断路器的装置。断路器包括用于操作断路器的动触头的闭合与断开的操作机构。装置包括：用于获得随时间推移的与操作机构相关联的特征力的装置；和用于通过识别力的变化来确定断路器的闭合和/或断开发生时的时间点的装置。装置适于实施根据上面提到的任一个的方法。
还可以领会的是，根据本发明的实施例的方法和装置也适于各种种类的断路器，包括用于高、中和低电压水平的断路器、具有不同操作机构的断路器。
此外，根据本发明的实施例的方法和装置可以以各种方式实施，包括软件、硬件、固件或其任何随机组合。例如，在一些实施例中，获得装置和确定装置可以由软件和/或固件实施。可替代地或另外地，获得装置和确定装置可以部分或完全基于硬件来实施。例如，获得装置和确定装置可以被实施为集成电路(IC)芯片、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SOC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。本发明的范围在这方面不受限制。特别地，在一些实施例中，获得装置和确定装置可以被实施为部署在监测装置中的插件、作为监测装置的一部分的组件或者以其他方式与现有监测装置协调地工作的独立装置。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或多个介质)，在其上具有用于引起处理器执行本发明的多个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可保持和存储用于由指令执行装置使用的指令的有形装置。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或上述任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例的非穷举性列表包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、存储棒、软盘、诸如打孔卡或在槽中具有记录于其上的指令的凸起结构等的机械编码装置和上述的任何合适的组合。计算机可读存储介质如这里使用时不解释为自身是暂时性信号，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、传播通过波导管或其他传输介质的电磁波(例如，穿过光导纤维线缆的光脉冲)或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载至各个计算/处理装置，或者经由网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络下载至外部计算机或外部存储装置。网络可以包括铜传输线缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。各计算/处理装置中的网络适配器卡或网络接口接收来自网络的计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令用于存储在各个计算/处理装置内的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据或者以一个或多个编程语言的任何组合编写的或源代码或目标代码，包括诸如Smalltalk、C++或类似物等的面向对象的编程语言，和诸如“C”编程语言或类似编程语言等的传统的程序编程语言。计算机可读程序指令可以整个在用户的计算机上、部分在用户的计算机上、作为独立的软件包部分在用户的计算机上且部分在远程计算机上或者整个在远程计算机上或服务器上执行。在后一种情景中，远程计算机可以通过任何类型的网络、包括局域网(LAN)或广域网(WAN)被连接至用户的计算机，或者连接被进行至外部计算机(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子线路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子线路个性化，以便执行本发明的多个方面。
在这里已参照根据发明的实施例的方法的流程图图示和/或块图、设备(系统)和计算机程序产品描述了本发明的多个方面。应该理解的是，流程图图示和/或块图的各块以及流程图图示和/或块图中的块的组合可以通过计算机可读程序指令来实施。
这些计算机可读程序指令可以被提供至一般用途计算机、特殊用途计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以生产机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实施流程图和/或块图的块或多个块中指定的功能/动作的部件。这些计算机可读存储指令也可以被存储在计算机可读存储介质中，其可指导计算机、可编程数据处理设备和/或其他装置以特定方式起作用，使得其上存储有指令的计算机可读存储介质包括包含了实施流程图和/或块图的块或多个块中指定的功能/动作的多个方面的指令的制品。
计算机可读程序指令也可以被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上以引起一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实施流程图和/或块图的块或多个块中指定的功能/动作。
附图中的流程图和块图图示出根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能的实施的架构、功能性和操作。在这方面，流程图或块图中的各块可以代表模块、段或代码的一部分，其包括用于实施指定的逻辑功能(多个)的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，在一些可替代的实施中，块中指出的功能可能不是按照附图中指出的顺序发生。例如，连续示出的两个块可能实际上基本同时地执行，或者块可能有时以相反的顺序执行，取决于所牵涉到的功能性。还需要注意的是，块图和/或流程图示的各块以及块图和/或流程图示中的块的组合可以通过执行指定功能或动作的基于特殊用途硬件的系统或者特殊用途硬件和计算机指令的组合来实施。
本发明的各种实施例的描述是为了图示的目的而呈现的，但是不旨在穷举性或限于所公开的实施例。很多修改和变化将对于本领域技术人员来说是显而易见的而不脱离所描述的实施例的范围与精神。这里所使用的术语被选取为最佳地说明优于市场上找到的技术的实施例、实际应用或技术改进的原理，或者使得本领域技术其他人员能够理解这里所公开的实施例。
通过研究附图、本公开的实施例的公开和随附权利要求，本领域技术人员可以在本公开的实施期间理解和实施所公开的实施例的其他修改。在权利要求中，“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数概念。在彼此相互不同的从属权利要求中说明了特定元素的简单事实并不表明这些元素的组合不能有利地使用。权利要求的括号中的标记不应该被解释为限制其范围。
虽然已参照当前考虑的实施例描述了本公开，但应该领会的是，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖落入随附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。随附权利要求的范围被赋予最宽的解释并且覆盖所有这样的修改和等同结构及功能。
Claims (16)
1.一种用于监测断路器的方法，其中所述断路器包括用于操作所述断路器的动触头的闭合与断开的操作机构；所述方法包括以下步骤：
获得随时间推移的与所述操作机构相关联的特征力；和
通过识别所述力的变化来确定所述断路器触头的闭合和/或断开发生的时间点；
其中所述确定的步骤进一步包括将所述特征力的变化增加发生的时刻确定作为所述断路器的闭合的时间点；并且将所述特征力的变化减小发生的时刻确定作为所述断路器的断开的时间点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征力是以下中的任一个：
-由所述断路器的动触头直接施加在所述操作机构的连杆机构上的接触力；
-由操作机构的连杆机构的任何杆经受到的内力；
-由所述连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力；
-由所述连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，所述分量在所述接触力的方向上；
-由所述连杆机构的任何杆的任一端经受到的合力的分量，所述分量垂直于所述接触力的方向；
-由用于所述连杆机构的任何枢转点经受到的合力；
-由用于所述连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，所述分量在所述接触力的所述方向上；
-由用于所述连杆机构的任何枢转点经受到的合力的分量，所述分量垂直于所述接触力的所述方向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述获得的步骤包括通过与所述操作机构相关联的感测的力，计算出由所述断路器的动触头直接施加在所述操作机构的连杆机构上的接触力；
其中所述确定步骤包括通过识别所计算出的接触力的变化来确定所述断路器的闭合和/或断开发生时的时间点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述接触力通过在所述连杆机构的任何枢转点处被感测到的感测的力计算出。
5.根据前述权利要求中的任一个所述的方法，其中所述力的所述变化基于所述力的幅值和/或力变化的速率来识别。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述获得的步骤包括：
采样所述特征力在从起始点开始的不同时间点处的若干值，和
获得代表着所述特征力在所述采样时间点处的值的第一阵列F[a1，a2，...ai，...an]，和代表着相应采样时间点的第二阵列T[t1，t2，...ti，...tn]，其中“ai”是对于i次采样的所述采样特征力的值，“n”是采样的数量，“ti”是对于i次采样的时间点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述确定步骤包括从所述第一阵列F中的第一项开始识别出其值首次达到或超过第一预定力值(V1)的项(ai)，并且将所述第二阵列T中的对应于来自所述第一阵列F的所识别出的项(ai)的时间点(ti)确定作为所述断路器的闭合的时间点。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述确定步骤包括从所述第一阵列F中的第一项开始识别出其值首次处于或低于第二预定力值(V2)的项(ai)，并且将所述第二阵列T中的对应于来自所述第一阵列F的所识别出的项(ai)的时间点(ti)确定作为所述断路器的断开的时间点。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述确定步骤包括从所述第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下条件的项(ai)：
在所述第一阵列F中从在前项到所识别出的项(ai)刚好有预定数量(V3)个连续项，其中所述连续项中的每一个具有处于或低于第二预定力值(V2)的值；
并且接着将所述第二阵列T中的对应于所述第一阵列F中的所述预定数量(V3)个连续项的第一项的时间点(ti-V3+1)确定作为所述断路器的断开的时间点。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述获得的步骤进一步包括计算并获得代表着力变化的速率的第三阵列dF[(a2-a1)/(t2-t1)，(a3-a2)/(t3-t2)，...(ai-ai-1)/(ti-ti-1)，...(an-an-1)/(tn-tn-1)]，其中各项是指在邻接两个采样期间的所述力变化速率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定步骤包括：
从所述第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下两个条件的项(ai)：
-所识别出的项(ai)的值达到或超过第一预定力值(V1)；
-在所述第三阵列dF中的处于或接近所述第三阵列dF中的相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))的数个项之中，存在有其值达到或超过第一预定力变化速率值(V4)的项((aj-aj-1)/(tj-tj-1))，其中所述第三阵列dF中的相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))是指在所述第一阵列F中的所识别出的项(ai)被采样的时间点处的所述力变化速率；
并且接着将所述第二阵列T中的对应于来自所述第一阵列F的所识别出的项(ai)的时间点(ti)确定作为所述断路器的闭合的时间点。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定步骤包括：
从所述第一阵列F中的第一项开始识别出首次满足以下两个条件的项(ai)：
-所识别出的项(ai)的值处于或低于第二预定力值(V2)；
-在所述第三阵列dF中的处于或接近所述第三阵列dF中的相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))的数个项之中，存在有其绝对值达到或超过第二预定力变化速率值(V5)的项((aj-aj-1)/(tj-tj-1))，其中所述第三阵列dF中的相应项((ai-ai-1)/(ti-ti-1))是指在所述第一阵列F中的所识别出的项(ai)被采样的时间点处的力变化速率；
并且接着将所述第二阵列T中的对应于来自所述第一阵列F的所识别出的项(ai)的时间点(ti)确定作为所述断路器的断开的时间点。
13.根据权利要求5所述的方法，其中
所述获得的步骤包括获得随时间推移的所述特征力的值的分布曲线；和
所述确定的步骤包括通过识别所述分布曲线中的变化来确定所述断路器的闭合和/或断开发生的时间点。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述确定的步骤包括利用小波变换处理所述分布曲线，并且通过识别所经处理的分布曲线中的变化来确定所述断路器的闭合和/或断开发生的时间点。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述小波变换是基于哈尔函数。
16.一种用于监测断路器的设备，其中所述断路器包括用于操作所述断路器的动触头的闭合与断开的操作机构，所述设备包括：
用于获得随时间推移的与所述操作机构相关联的特征力的装置；和
用于通过识别所述力的变化来确定所述断路器的闭合和/或断开发生的时间点的装置；
其中所述用于确定的装置被进一步配置成将所述特征力的变化增加发生的时刻确定作为所述断路器的闭合的时间点，并且将所述特征力的变化减小发生的时刻确定作为所述断路器的断开的时间点。
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