CN108827613A

CN108827613A - 一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法

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Publication number: CN108827613A
Application number: CN201810563439.3A
Authority: CN
Inventors: 刘振祥; 徐建源; 林莘; 庚振新; 夏亚龙; 孙广雷; 刘鹏飞; 滕云龙
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2038-06-04
Also published as: CN108827613B

Abstract

本发明提供一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法，涉及电力保护设备技术领域。装置包括传动装置、操动机构、直线式位移传感器、数字信号采集单元、中央处理器和PC机；方法包括：对快速接地开关分(合)闸过程进行实时监测；直线位移传感器测量位移的电压信号；数据采集单元进行采集信号的缩小、模数转换；中央处理器对数字信号进行处理，输出位移信号，传入PC机；将数据输入Matlab中，通过专用工具箱进行拟合，得到理想的机械特性曲线。本发明的检测与拟合装置操作简单、经济，通过软件拟合工具直接进行拟合，拟合结果更符合快速接地开关的实际运动过程。

Description

一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法

技术领域

本发明涉及电力保护设备技术领域，尤其涉及一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法。

背景技术

近年来，随着输电线路电压等级的提高、输送长度变长、导线间距大，潜供电弧的产生概率逐渐增大，潜供电弧能否熄灭直接影响线路的重合闸。快速接地开关一般包括动触头、静触头、静端屏蔽罩和动端屏蔽罩，上述器件均安装在一个拐臂盒内，盒内充有SF₆气体，拐臂盒外壳装有接地端子。快速接地开关由于具有开合感应电流的能力，因此能够抑制输电线路上的产生潜供电弧，进而大大线路重合闸的成功率。气体电弧的熄灭与其周围的气流状况一定关系，快速接地开关触头在不同机械特性的作用下，触头附近的气流不断变化，直接影响电弧的熄灭，进而影响快速接地开关的灭弧能力；此外，快速接地开关机械机构的故障会使机械特性异常，从而产生拒开合或误操作的情况，使快速接地开关不能正常工作。因此，对快速接地开关机械特性的实时监测，可以提高其运行的可靠性；同时，优化快速接地开关机械特性可提高其熄灭潜供的电弧的能力。

传统快速接地开关机械特性检测装置往往存在操作过程复杂，检测过程受振动干扰的影响，这样检测到的机械特性往往具有噪声且杂乱无章；此外，现有对无规律性的离散数据常采用特定算法算法，涉及公式推导复杂，过程冗长，因此，设计一种操作简单、抗振动快速接地开关的机械特性检测装置，并将检测数据准确地拟合成光滑、有规律的机械特性曲线显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法，装置的各部分连接简单，输入量提取、输出量保存导出方便，整个装置非常智能化、经济环保，拟合方法能根据快速接地开关实际运动情况为拟合基础，使最后得到的机械特性更为合理化、规律化。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置，包括传动装置、操动机构、直线式位移传感器、数字信号采集单元、中央处理器和PC机；

所述传动装置包括传动杆、导向、连板和拐臂；

所述快速接地开关的动触头上端通过连板与导向第一端相连，导向第一端同时与拐臂一端相连，拐臂另一端固定在拐臂盒上端内部；导向第二端穿过拐臂盒外壳连至外部的传动杆一端，传动杆另一端连接所述操动机构；所述操动机构为弹簧操动机构；所述直线式位移传感器固定在传动杆上；

所述数字信号采集单元包括运算放大器和A/D转换器；所述运算放大器输入端连接直线式位移传感器输出端，用于将直线式位移传感器输出的电压信号进行缩小；所述A/D转换器输入端连接所述运算放大器输出端，所述A/D转换器输出端连接中央处理器，用于将直线式位移传感器输出的电压信号经运算放大器后进行模数转换，将转换后的数字信号输入到中央处理器中；

所述中央处理器采用单片机，其输出端连接PC机，用于将电压信号转化为位移信号，并计算得到任意时刻速度值，最后将位移、速度值结果放大，得到初步采集结果输入PC机中进行拟合处理；

所述PC机中存储有计算机可执行的拟合优化程序，根据单片机得到的位移、速度和时间值，利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，确定最佳拟合曲线，得到理想的机械特性曲线。

进一步地，单片机中计算得到任意时刻速度值的公式如下所示：

其中，v_n为第n组数据时的瞬时速度，t_n和s_n分别为第n组数据对应的时间和行程，t_n-1和s_n-1分别为第n-1组数据对应的时间和行程。

进一步地，所述单片机与PC机数据传输通过双组驱动器/接收器和通讯接口进行。

另一方面，本发明还提供一种快速接地开关机械特性的检测与拟合方法，采用上述的装置实现，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：启动操动机构电机使快速接地开关进行分闸或合闸操作；

步骤2：通过直线位移传感器实时采集直线机械位移量，并转换成电压信号；

步骤3：通过数字信号处理单元将采集的电压信号进行缩小、模数转换；

步骤4：通过单片机内部运算处理得到位移值；

步骤5：在单片机中计算任意时刻速度；

步骤6：将单片机处理后的位移、速度、时间值传递给PC机；

步骤7：在PC机中，利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，具体方法为：

步骤7.1：将单片机处理后的数据导入MATLAB的拟合工具箱中，建立以行程或速度作为纵轴，时间作为横轴的二维拟合坐标系；

步骤7.2：在拟合工具箱中选取不同类型的拟合曲线进行拟合；

步骤7.3：将不同类型的拟合函数拟合后的曲线与拟合前的原始数据对比，选择更接近于拟合前的原始数据的曲线作为最佳拟合曲线，得到理想的机械特性曲线。

进一步地，所述步骤5中计算任意时刻速度的公式为：

进一步地，所述步骤6中单片机与PC机之间的数据传递通过双组驱动器/接收器和通讯接口进行。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置及方法，针对快速接地开关进行分、合闸条件下，通过位移传感器、数字信号采集单元、中央处理器和PC机的配合工作即可实时检测机械特性，装置的各部分连接简单，输入量提取、输出量保存导出方便，整个装置非常智能化、经济环保；同时本发明提供的拟检测与拟合方法不同于前人对离散信号的处理，根据快速接地开关实际运动情况为拟合基础，使最后得到的机械特性更为合理化、规律化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的快速接地开关机械特性的检测与拟合装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的数字信号采集单元和中央处理器的电路连接图；

图3是本发明实施例提供的快速接地开关的机械特性检测与拟合方法流程图；

图4是本发明实施例提供的分闸情况下带有噪声(拟合前)的速度-时间特性变化图；

图5是本发明实施例提供的一阶高斯函数和四阶傅里叶函数拟合方法下的速度-时间特性变化图。

图中：1、动触头；2、静触头；3、静端屏蔽罩；4、动端屏蔽罩；5、静触头座；6、拐臂盒；7、接地端子；8、传动杆；9、导向；10、连板；11、拐臂；12、操动机构；13、直线式位移传感器；14、数字信号采集单元；15、中央处理器；16、PC机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置，包括：传动装置、操动机构12、直线式位移传感器13、数字信号采集单元14、中央处理器15以及PC机16。

被测快速接地开关包括动触头1、静触头2、静端屏蔽罩3、动端屏蔽罩4、静触头座5，上述器件均安装在拐臂盒5内，充有SF₆气体，拐臂盒外壳装有接地端子6；

所述动触头1和静触头2材料为铜、钨合金，动触头1倒角半径为3mm，形状呈六瓣型，端部打磨光滑，静触头2棒体直径为15mm；静触头倒角半径为6mm，下方固定安装在静触头座5上。

传动装置包括传动杆8、导向9、连板10和拐臂11。动触头1上端通过连板10与导向9相连，导向9一方面经拐臂盒外壳连至外部传动杆8，另一方面与拐臂11相连，拐臂11另一端固定的拐臂盒5上端内部。传动杆8一端间接由操动机构12驱动，操动机构电12机给分、合闸线圈储能，快速接地开关进行分、合闸操作时，分、合闸线圈能量释放，从而推拉传动杆8使其左右运动，传动杆8的另一端连至导向9，传动杆8间接与动触头1相连，由于传动杆间接与动触头相连，因此，将直线式位移传感器13固定在传动杆8上，测得的行程即为快速接地开关的行程，即快速接地开关的机械特性。

本实施例中，直线式位移传感器13采用型号为SCT通用拉杆式位移传感器，有效量程为50mm-1250mm，精度为0.001mm，允许的极限运动速度为10m/s，输出信号为0-5V或0-10V(供电x伏、输出为0-x伏)。该传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号，且二者成正比，其输出的是电压信号。本实施例中，选择直线式位移传感器的供电电压为10V。使用原理为：将直线式位移传感器内的可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值测量电阻的电压值来间接反映位移变化(二值成正比例关系)。

数字信号采集单元14包括运算放大器、A/D转换器。运算放大器用于将直线式位移传感器输出的电压信号进行缩小，防止传感器输出的最大电压高于单片机的输入电压，A/D转换器用于将直线式位移传感器输出的电压信号经运算放大器后进行模数转换，从而可以将转换后的数字信号输入到单片机中。本实施例中，运算放大器采用型号为op07的运算放大器，位移传感器检测信号有引脚2(-IN)输入比例放大器，由引脚6(OUT)输出，引脚7(V+)和引脚4(V-)分别外接正负15V电源，引脚3(+IN)接地，比例系数α＝0.5。A/D转换器采用Burr-Brown公司推出的高精度AD采集芯片ADS7809，它是具有16位带采样保持的基于电容的逐次逼近寄存器型模数转换器，100kHz采样速率，20kHz输入时的信噪比达83dB；引脚3(REF)为输入端，和放大器引脚6(OUT)相连，引脚8引脚19(VANA)、引脚20(VDIG)接+5V电源，输出端为引脚13(SDA)、引脚16

本实施例中，中央处理器15采用型号为STC89C52的单片机，负责将电压信号转化为位移信号，并通过公式计算得到任意时刻速度值，最后将位移、速度值结果放大，对应初步采集结果。选择P1端口为输入端，P0、P2端口为输出端，其中A/D转换器引脚13(SDA)、引脚16分别于引脚4(P13)、引脚5(P14)相连，单片机的引脚10(RXD)和引脚11(TXD)分别与双组驱动器/接收器MAX232的引脚12(R1out)和引脚11(T1in)相连，用来统一单片机的输出电平与通讯接口DB9的使用电平，外部PC机通过通讯接口DB9与双组驱动器/接收器MAX232来实现和单片机的数据传输。数字信号采集单元和中央处理器的电路连接图如图2所示。

由于操动机构12的电机运行时以及分、合闸弹簧释放过程会带动传动杆8产生振动，造成固定在传动杆8上的传感器13检测到的数据时刻在波动、检测到的数据不合理，按照上述装置测得的机械特性显然需要进一步拟合优化。

PC机16中存储有计算机可执行的拟合优化程序，根据单片机得到的位移、速度和时间值，利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，确定最佳拟合曲线，得到理想的机械特性曲线。

针对上述的快速接地开关的机械特性检测与拟合装置检测到的样本数据，可以进一步进行快速接地开关的机械特性曲线的拟合优化，其检测与拟合方法的流程图如图3所示，具体包括以下步骤。

步骤1：启动操动机构12电机使快速接地开关进行分(合)闸操作。

步骤2：通过直线位移传感器13测量传动杆8的位移，实时采集电压信号。

步骤3：通过数字信号处理单元14将采集的电压信号进行缩小、模数转换。

步骤4：通过单片机内部运算处理得到位移值。

步骤5：根据以下公式计算任意时刻速度；

其中，v_n为第n组数据时的瞬时速度；t_n和s_n分别为第n组数据对应的时间和行程，t_n-1和s_n-1分别为第n-1组数据对应的时间和行程，尽量使相邻采样时间足够小，这样可以用平均速度来代替任意时刻的瞬时速度。具体实施中t_n-1和t_n时间段较短，取为0.667ms，近似认为t_n-1和t_n时间内的平均速度等于第n组数据时的瞬时速度。

步骤6：将单片机处理后的位移、速度、时间值通过双组驱动器/接收器，传递给PC机16。以快速接地开关分闸运动为例，表1为6.003ms-10.005ms时间内经单片机处理后的位移、速度值，其采样周期为0.667ms。

表1 6.003ms-10.005ms时间内经单片机处理后的位移、速度值

时间(ms)	6.003	6.67	7.337	8.004	8.671	9.338	10.005
								行程(mm)	229.617	225.8057	225.8057	228.5457	228.6648	228.8236	228.6648
速度(m/s)	5.715	0	-4.108	-0.178	-0.238	0.238	2.202

由表1可看出以下两个问题：(1)6.67ms的速度瞬间降为0，而后一时刻又有速度，这是因为6.67ms-7.337ms内传动杆没有运动，平均速度为0；(2)7.337ms、8.004ms、8.671ms时刻的速度为负值，这是因为位移传感器13检测的后一时刻的位移大于前一时刻(分闸应小于)。通过上述装置检测得到的机械特性部分数据点不合理，使得机械特性曲线并无规律，因此，很有必要将数据进行进一步地拟合优化。

步骤7：利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，使数据变得合理化、规律化；

步骤7.1：在MATLAB命令窗口输入“cftool”命令，打开MATLAB的拟合工具箱，直接将样本数据导入中，建立以行程或速度作为纵轴，时间作为横轴的二维拟合坐标系，本实施例中，以快速接地开关分闸条件下的速度-时间数据作为拟合优化的原始数据样本，将离散数据连接起来可得到分闸情况下带有噪声(拟合前)的速度-时间特性变化图，如图4所示，由图4可知，通过上述装置检测到的速度值在部分时刻并不合理，例如，在触头运动70ms以后甚至出现了负值，这显然不符合实际；

步骤7.2：在拟合工具箱中选取不同类型的拟合曲线进行拟合，根据所选数据样本的曲线形状，本实施例中选取“一阶高斯函数”和“四阶傅里叶函数”分别进行拟合优化；

步骤7.3：通过“一阶高斯函数”和“四阶傅里叶函数”进行拟合优化后的机械特性曲线如图5所示，将两种函数类型的拟合曲线与拟合前数据对比做以对比，发现，“四阶傅里叶函数”拟合曲线较“一阶高斯函数”更接近于原始样本数据，说明通过“四阶傅里叶函数”进行拟合优化后的机械特性曲线更加精确，因此选择该函数下拟合优化后的机械特性曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种快速接地开关机械特性的检测与拟合装置，其特征在于：该装置包括传动装置、操动机构(12)、直线式位移传感器(13)、数字信号采集单元(14)、中央处理器(15)和PC机(16)；

所述传动装置包括传动杆(8)、导向(9)、连板(10)和拐臂(11)；

所述快速接地开关的动触头上端通过连板(10)与导向(9)第一端相连，导向(9)第一端同时与拐臂(11)一端相连，拐臂(11)另一端固定在拐臂盒上端内部；导向(9)第二端穿过拐臂盒外壳连至外部的传动杆(8)一端，传动杆(8)另一端连接所述操动机构(12)；所述操动机构(12)为弹簧操动机构；所述直线式位移传感器(13)固定在传动杆(8)上；

所述数字信号采集单元(14)包括运算放大器和A/D转换器；所述运算放大器输入端连接直线式位移传感器(13)输出端，用于将直线式位移传感器(13)输出的电压信号进行缩小；所述A/D转换器输入端连接所述运算放大器输出端，所述A/D转换器输出端连接中央处理器(15)，用于将直线式位移传感器(13)输出的电压信号经运算放大器后进行模数转换，将转换后的数字信号输入到中央处理器(15)中；

所述中央处理器(15)采用单片机，其输出端连接PC机(16)，用于将电压信号转化为位移信号，并计算得到任意时刻速度值，最后将位移、速度值结果放大，得到初步采集结果输入PC机(16)中进行拟合处理；

所述PC机(16)中存储有计算机可执行的拟合优化程序，根据单片机得到的位移、速度和时间值，利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，确定最佳拟合曲线，得到理想的机械特性曲线。

2.根据权利要求1所述的快速接地开关机械特性的检测与拟合装置，其特征在于：所述单片机中计算得到任意时刻速度值的公式如下所示：

3.根据权利要求1所述的快速接地开关机械特性的检测与拟合装置，其特征在于：所述单片机与PC机(16)数据传输通过双组驱动器/接收器和通讯接口进行。

4.一种快速接地开关机械特性的检测与拟合方法，采用权利要求1所述的装置实现，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤1：启动操动机构(12)电机使快速接地开关进行分闸或合闸操作；

步骤4：通过单片机内部运算处理得到位移值；

步骤5：在单片机中计算任意时刻速度；

步骤6：将单片机处理后的位移、速度、时间值传递给PC机(16)；

步骤7：在PC机(16)中，利用MATLAB中的拟合工具箱对原始样本数据进行拟合优化，具体方法为：

5.根据权利要求4所述的快速接地开关机械特性的检测与拟合方法，其特征在于：所述步骤5中计算任意时刻速度的公式为：

6.根据权利要求4所述的快速接地开关机械特性的检测与拟合方法，其特征在于：所述步骤6中单片机与PC机(16)之间的数据传递通过双组驱动器/接收器和通讯接口进行。