CN111183500A - 用于监测断路器的方法和装置以及使用该装置的物联网 - Google Patents

Abstract

一种用于监测断路器的方法、系统、以及使用该系统的物联网。该方法包括：在断路器的操作期间测量断路器的至少两个操作条件相关参数；获得第一数据，该第一数据表示具有至少两个分量的矢量，该至少两个分量分别表示至少两个参数的至少两个测量结果；相对于具有将断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线的矢量空间，判断由所获得的数据表示的矢量的位置，其中该包络线具有至少一个弯曲部分；以及如果矢量的位置在包络线之外，则考虑到矢量的位置，生成指示断路器的健康状态的信号。通过切断常规地处于线性形状的包络线的顶点并且补充具有弯曲的每个切断，新调整的包络线采取具有至少一个弯曲部分的椭圆的形式。因此，可以克服传统解决方案中发生的超时故障标识和错误警报。

Description

用于监测断路器的方法和装置以及使用该装置的物联网

技术领域

本发明涉及断路器领域，更具体涉及监测断路器的健康状况。

背景技术

断路器是气体绝缘开关设备(GIS)或变电站的最关键部件中的一个部件，其安全性和可靠性对整个电网至关重要。这些年以来，尤其是随着全球对数字产品的关注日益增加，智能断路器市场正在迅速增长。因此，市场需要一种智能断路器，该智能断路器能够在演变成实际故障之前实时监测其缺陷及其严重性，即，在实际故障发生之前监测其健康状况。

专利CN 105628419 A中公开了一种示例。根据上述参考专利，GIS机械缺陷诊断系统具有加速度传感器，该加速度传感器固定在检测点位置和GIS外壳表面位置。数据处理设备与加速度传感器、电荷放大器和数据获取单元连接。数据处理设备根据独立分量分析过程接收振动信号，并且如果它在预定范围之外，则仅在考虑接收的振动信号的情况下确定GIS机械故障类型。

然而，根据现有技术专利的解决方案需要将操作条件相关参数测量结果(例如，加速度测量结果)与限定线性范围的阈值进行比较。在要使用各种操作条件相关参数(例如，断路器的可动触头的断开/闭合速度、可动触头的行程、可动触头的总行程、可动触头的超行程、可动触头的回弹、断路器的断开/闭合时间、以及断路器的断开/闭合峰值线圈电流)来判断断路器的健康状态的情况下，大多数传统解决方案可能需要分别比较断路器的各种类型的操作条件相关参数的测量结果和对应的预定阈值，并且如果比较的单独结果分别落在对应阈值之间的范围内，则根据该比较的单独结果的组合判断断路器的健康状态。因为没有考虑各种操作条件相关参数的相关性来定义它们的相应的阈值范围，所以超时故障(missed fault)和错误警报在监测断路器的健康状态时存在主要缺陷。结果，现有技术的解决方案通常不会在足够准确的基础上执行以检测健康状况或故障状况。

发明内容

根据本发明的一方面，其提供了用于监测断路器的方法，该方法包括：在断路器的操作期间测量断路器的至少两个操作条件相关参数；获得第一数据，该第一数据表示具有至少两个分量的矢量，该至少两个分量分别表示至少两个参数的至少两个测量结果；相对于具有将断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线的矢量空间，判断由所获得的数据表示的矢量的位置，其中该包络线具有至少一个弯曲部分；以及如果矢量的位置在包络线之外，则考虑到矢量的位置，生成指示断路器的健康状态的信号。

根据本发明的另一方面，提供了用于监测断路器的系统，该系统包括：至少一个传感器，被配置为在断路器的操作期间测量断路器的至少两个操作条件相关参数；以及控制器，被配置为获得第一数据，该第一数据表示具有至少两个分量的矢量，该至少两个分量分别表示至少两个参数的至少两个测量结果；相对于具有将断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线的矢量空间，判断由所获得的数据表示的矢量的位置，其中该包络线具有至少一个弯曲部分；以及如果矢量的位置在包络线之外，则考虑到矢量的位置，生成指示断路器的健康状态的信号。

根据本发明的另一方面，其提供了物联网，该物联网包括用于监测断路器的系统、断路器、以及服务器，该服务器被配置为接收指示断路器的健康状态的信号。

通过切断常规地处于线性形状的包络线的顶点并且补充具有弯曲的每个切断，新调整的包络线采取具有至少一个弯曲部分的椭圆的形式。因此，可以克服传统解决方案中发生的超时故障标识和错误警报。

优选地，控制器可以读取知识数据库和存储在系统的存储器中的过去诊断结果(即，历史简档)。根据断路器正常操作时的历史简档，考虑到与处于健康状态的断路器有关的多个矢量，从历史简档中获得第二数据，该第二数据表示矢量空间的包络线；并且存储第二数据；其中矢量空间的包络线被布置为围合多个矢量的组。

优选地，包络线的其他部分被成形为弯曲。

优选地，在矢量空间中，包络线被成形为链接多个矢量中的最外矢量。

优选地，断路器的至少两个操作条件相关参数与以下各项中的任何至少两项有关：断路器的可动触头的断开/闭合速度、可动触头的行程、可动触头的总行程、可动触头的超行程(over travel)、可动触头的回弹、断路器的断开/闭合时间、以及断路器的断开/闭合峰值电流。

附图说明

在以下文本中参考在附图中说明的优选实施例对本发明的主题进行更详细地解释，其中

图1图示了可以通过根据本发明的实施例的方法进行在线监测的示例性断路器；

图2图示了施加在如图1所示的断路器的连杆机构上的力；

图3示出了根据本发明的实施例的用于监测电路的系统；以及

图4和图5分别示出了由与两种类型的操作条件相关参数有关的两个阈值范围线性限定的健康矢量空间。

在附图标记列表中以摘要形式列出了附图中使用的附图标记及其含义。原则上，附图中相同的部分设有相同的附图标记。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，诸如特定电路、电路部件、接口、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。在其他实例中，省略了对公知方法和编程过程、设备和电路的详细描述，以免不必要的细节使本发明的描述晦涩难懂。

虽然本发明易于进行各种修改和备选形式，但是在附图中通过示例示出了本发明的特定实施例，并且本文中对其进行详细描述。然而，应当理解，附图及其详细描述并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，相反，其意图是覆盖落入如所附权利要求书所限定的本发明精神和范围内的所有修改、等同物和备选物。应当指出，标题仅用于组织目的，并不意指用于限制或解释本说明书或权利要求。更进一步地，应当指出，在整个本申请中，单词“可以”以宽松意义(即，可能、能够)而非强制性意义(即，必须)使用。术语“包括”及其派生词意指“包括但不限于”。术语“连接”意指“直接连接或间接连接”，而术语“耦合”意指“直接耦合或间接耦合”。

图1图示了可以通过根据本发明的实施例的方法在线监测的示例性断路器。图1所示的断路器是真空断路器，其包括围合在绝缘极1中的固定触头和可动触头(未示出)、以及用于致动可动触头的闭合和断开动作的致动机构2。致动机构2具有包括连杆机构和弹簧的多个元件。连杆机构用于将驱动力从有源元件(例如，电机或弹簧致动器)传递到可动触头。如图1所示，例如，连杆机构可以是四杆式连杆(four-bar linage)，其包括依次枢转地彼此连接的第一杠杆21、第二杠杆22、第三杠杆23。第一杠杆21连接到由有源元件驱动的驱动轴20，并且第三杠杆23枢转地连接到断路器的基座上的固定点25。例如，固定点25可以是连杆机构的支点中的一个支点。推杆24的一端以与第三杠杆23和固定点25之间的枢轴点相隔一定距离地、枢转地连接到可动触头。推杆24的另一端连接到绝缘极1中的可动触头。通过驱动经由电机26或弹簧旋转的驱动轴20，可动触头可以通过从第一杠杆21、第二杠杆22、第三杠杆23和推杆24传递的力而在极1中沿纵向方向上下移动，以便与固定触头接触或分离，从而闭合或断开电路。如图1所示的断路器可以包括磁致动器布置(图1中未示出)，该磁致动器布置包括电磁线圈、用于向线圈供应线圈电流的供电装置、在线圈的影响下能够在磁致动器内的第一极限位置和第二极限位置之间移动的用于确保断路器的门闭合的闩锁、以及用于使线圈通电和断电的电子开关装置。

图2图示了施加在如图1所示的断路器的连杆机构上的力。在断路器的平衡闭合状态下，可动触头在来自连杆机构的力下抵靠在固定触头上。在这种情况下，固定触头将在可动触头上施加反作用力F2(也称为接触力)，该反作用力F2又通过推杆24传导至第三杠杆23。一旦可动触头在断开时段中与固定触头分离，可动触头、推杆24和第三杠杆23上的反作用力F2就急剧减小，甚至变为零。同样，在断路器的闭合时段期间，由固定触头施加在可动触头上的反作用力F2将从零显着增加到相对较高的值。

断路器的操作条件包括以下各项中的至少一项：

a.断路器的可动触头的断开/闭合速度，

b.可动触头的行程，

c.可动触头的总行程，

d.可动触头的超行程，

e.可动触头的回弹，

f.断路器的断开/闭合时间，以及

g.断路器的断开/闭合峰值线圈电流。

在如由速度计算区域限定的行程曲线上的两点之间计算断路器的可动触头的断开/闭合速度。该速度计算区域是断路器类型特定默认设置的一部分，并且与用于离线定时的点匹配。

可动触头的行程是指根据设计从可动触头开始移动直到它到达电弧触头相遇的位置的距离。该位置被称为“行程”，并且从完全闭合位置测量。

可动触头的总行程是指从最小位置到最大位置行进的距离，因此它包括可动触头的超行程。

可动触头的回弹是指在从可动触头和固定触头之间的第一接触到最终建立的可靠接触的时段期间发生的一系列回弹。

断开/闭合的定时是指在如由速度计算区域限定的行程曲线上的两点之间计算的时间。操作周期涵盖断路器从闭合开始到断开或反之亦然的时段。

断路器的断开/闭合峰值线圈电流。如图1所示的断路器可以包括磁致动器布置，该电磁致动器布置包括电磁线圈、用于向线圈供应线圈电流的供电装置、在线圈的影响下能够在磁致动器内的第一极限位置和第二极限位置之间移动的用于确保断路器的门闭合的闩锁、以及用于使线圈通电和断电的电子开关装置。具有缺陷的断路器仍可以操作，但最终会发展成为故障。缺陷阶段发生在正常阶段和故障阶段之间。断路器的缺陷导致断路器的那些操作条件异常。因而，为了提高断路器的健康状态的诊断的可靠性和准确性，可以监测操作条件中的至少两个操作条件。本发明提供了一种在断路器操作期间使用断路器的那些操作条件相关参数的具有高灵敏度和高精度的异常诊断解决方案。例如，下文中对使用操作条件相关参数中的两个操作条件相关参数(即，断路器的断开/闭合峰值线圈电流和断路器的可动触头的断开/闭合速度)的实施例进行了描述，以用于解释本发明。技术人员应当理解，操作条件相关参数中的任何两个或更多个操作条件相关参数可以用于诊断断路器的健康状况。

图3示出了根据本发明的实施例的用于监测电路的系统。下文对操作条件相关参数中的两个操作条件相关参数(即，断路器的断开/闭合峰值线圈电流和断路器的可动触头的断开/闭合速度)进行了描述，以用于解释本发明。如图3所示，系统1包括至少一个传感器，例如，第一传感器10和第二传感器11，该至少一个传感器被配置为在断路器的操作期间分别测量断路器的第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数。技术人员应当理解，可以通过一个传感器测量操作条件相关参数中的两个或更多个操作条件相关参数。例如，与断路器的可动触头的移动有关的那些操作条件相关参数可以由同一编码器测量，这些操作条件相关参数包括但不限于断路器的可动触头的断开/闭合速度、可动触头的行程、可动触头的总行程、可动触头的超行程、以及可动触头的回弹。

在该实施例中，第一操作条件相关参数可以是断路器的线圈电流；第一传感器10可以使用霍尔传感器来测量AC电流，从而在其次级中产生与其初级中的断路器的线圈电流成比例的交流电(AC)，其中对应于断路器断开/闭合实例的该线圈电流可以由系统1的控制器12处理为断路器的断开/闭合峰值线圈电流。电流互感器将线圈电流的较大值缩放为针对系统1的控制器12易于处理的较小的标准化值。它将测量结果与断路器的高压进行隔离，并且对断路器呈现了可忽略不计的负载。再者，第二操作条件相关参数可以是断路器的可动触头的速度；第二传感器11可以使用旋转编码器来提供与驱动轴20的运动有关的信息，其中对应于断路器断开/闭合实例的该信息可以由系统1的控制器12处理为速度信息。旋转编码器的输入机械地耦合到驱动轴20，旋转编码器将轴的角位置或运动转换成模拟信号或数字信号。

本领域技术人员应当理解，其他操作条件相关参数(如可动触头的行程、可动触头的总行程、可动触头的超行程、可动触头的回弹、以及断路器的断开/闭合时间)可以通过力传感器、霍尔传感器、和/或振动传感器来获得。

第一传感器10和第二传感器11可以将关于第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数的数据发送到控制器12，因此从状态空间的角度来看，控制器12可以获得表示矢量的第一数据，该矢量具有分别表示第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数的两个分量。

系统1的控制器12主要提供由具有健康模式的第一传感器10和第二传感器11检测的断路器的第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数的比较处理。另外，考虑来自第一传感器10和第二传感器11的数据，以使可以通过最终预后来确定断路器的健康状态的因子。基于知识数据库和存储在系统1的存储器13中的过去诊断结果来做出预后判断。

图4和图5分别示出了由关于两种类型的操作条件相关参数的两个阈值范围线性限定的健康矢量空间。图4和图5的曲线图包括：x轴，其指示矢量的分量中的一个分量，即，第一操作条件相关参数，在该实施例中，该第一操作条件相关参数对应于断路器的断开/闭合峰值线圈电流；以及y轴，其指示矢量的分量中的另一分量，即，第二操作条件相关参数，在该实施例中，该第二操作条件相关参数对应于断路器的可动触头的速度。传统上讲，通过使用对来自过去诊断结果的矢量进行线性分析，将断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线40、50的矢量空间成形为矩形。具体地，考虑图4，这种区域由x＝S_thre40，x＝S_thre41，y＝PC_thre40，y＝PC_thrd41界定；并且对于图5，这种区域由x＝S_thre50，x＝S_thre51，y＝PC_thre50，y＝PC_thrd51界定。图4和图5中所呈现的点(矢量)图示了健康模式，其中观察到如由点中的每个点指示的以第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数操作的断路器处于从历史简档中提取的健康状态。虽然根据历史简档，图4和图5中所呈现的十字(矢量)给出了不健康模式，其中观察到如由十字中的每个十字指示的以第一操作条件相关参数和第二操作条件相关参数操作的断路器处于不健康状态。

如图4所示，通过施加由包络线40限定的矢量空间来判断断路器的健康状态，十字41、42位于其中。因此，实际上在不健康状态下操作的断路器会被误认为健康，从而导致超时故障标识。

为了克服超时故障标识的缺陷，包络线40水平和竖直收缩，从而转变成如图5所示的包络线50。通过施加由包络线50限定的矢量空间，十字41、42从中排除，然而，点51、52、53将停留在包络线50的外部。因此，实际上在健康状态下操作的断路器可能被误认为不健康，从而导致错误警报。

通过统计分析包络线40、50和健康模式，可以观察到断路器的健康状态几乎不会出现在靠近四个顶点中的每个顶点的区域中。因此，通过切断包络线40、50的顶点并且补充具有弯曲的每个切断，可以克服超时故障标识和错误警报两者。如图4和图5所示，在该实施例中，新调整的包络线60采取具有至少一个弯曲部分的椭圆的形式。

优选地，控制器12可以读取知识数据库和存储在系统1的存储器13中的过去诊断结果(即，历史简档)。从历史简档中，当断路器正常操作时，考虑到与处于健康状态的断路器有关的点的多个矢量，控制器12可以获得第二数据，该第二数据表示矢量空间的包络线60。矢量空间的包络线60被布置为围合多个矢量(点)的组，其应当遵循具有至少一个弯曲部分的健康模式。然后，控制器12可以将表示由包络线60限定的矢量空间的第二数据记录在存储器13中。在由包络线60限定的矢量空间中，包络线被成形为链接多个矢量中的最外矢量。

通过应用将断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线60，控制器12可以判断十字41、42位于由包络线60限定的矢量空间的外部，而点51、52、53位于其内部。基于该判断，如果矢量的位置在包络线60外部，则考虑到矢量的位置，控制器12可以生成指示断路器的健康状态的信号。例如，在该实施例中，控制器12考虑到点在包络线60内部的情况下将给出指示电路的健康状态的信号、或者考虑到十字在包络线60外部的情况下将给出指示不健康状态的信号。本发明提供了使用多个操作条件相关参数的具有高灵敏度和高精度的健康预后系统。

以上实施例以二维矢量空间为例。技术人员应当理解，当考虑具有多于两个分量的矢量时，矢量空间可以扩展到两个以上的维度。例如，矢量可能包括涉及断路器的任何两个或更多个操作条件的分量：

a.断路器的可动触头的断开/闭合速度，

b.可动触头的行程，

c.可动触头的总行程，

d.可动触头的超行程，

e.可动触头的回弹，

f.断路器的断开/闭合时间，以及

g.断路器的断开/闭合峰值线圈电流。

根据本发明的实施例，物联网包括根据本发明的实施例的用于监测电路的系统、断路器、以及服务器，该服务器被配置为接收指示断路器的健康状态的信号。

尽管已经基于一些优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当领会，这些实施例决不应限制本发明的范围。在不背离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任何变化和修改都应在本领域普通技术人员的理解范围之内，并且因此落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种用于监测断路器的方法，包括：

在所述断路器的操作期间测量所述断路器的至少两个操作条件相关参数；

获得第一数据，所述第一数据表示具有至少两个分量的矢量，所述至少两个分量分别表示所述至少两个参数的至少两个测量结果；

相对于具有将所述断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线的矢量空间，判断由所获得的数据表示的所述矢量的位置，其中所述包络线具有至少一个弯曲部分；以及

如果所述矢量的所述位置在所述包络线之外，则考虑到所述矢量的所述位置，生成指示所述断路器的所述健康状态的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

根据所述断路器正常操作时的历史简档，考虑到与处于健康状态的所述断路器有关的多个矢量，获得第二数据，所述第二数据表示所述矢量空间的所述包络线；以及

记录所述第二数据；

其中：

所述矢量空间的所述包络线被布置为围合所述多个矢量的组。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：

所述包络线的其他部分被成形为弯曲。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

在所述矢量空间中，所述包络线被成形为链接所述多个矢量中的最外矢量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

所述断路器的所述至少两个操作条件相关参数与以下各项中的任何至少两项有关：所述断路器的可动触头的断开/闭合速度、所述可动触头的行程、所述可动触头的总行程、所述可动触头的超行程、所述可动触头的回弹、所述断路器的断开/闭合时间、以及所述断路器的断开/闭合峰值线圈电流。

6.一种用于监测断路器的系统，包括：

至少一个传感器，被配置为在所述断路器的操作期间测量所述断路器的至少两个操作条件相关参数；以及

控制器，被配置为：

获得第一数据，所述第一数据表示具有至少两个分量的矢量，所述至少两个分量分别表示所述至少两个参数的至少两个测量结果；

相对于具有将所述断路器的健康状态和不健康状态分开的包络线的矢量空间，判断由所获得的数据表示的所述矢量的位置，其中所述包络线具有至少一个弯曲部分；以及

如果所述矢量的所述位置在所述包络线之外，则考虑到所述矢量的所述位置，生成指示所述断路器的所述健康状态的信号。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括：

存储器；

其中：

所述控制器还被配置为：

根据所述断路器正常操作时的历史简档，考虑到与处于健康状态的所述断路器有关的多个矢量，获得第二数据，所述第二数据表示所述矢量空间的所述包络线；以及

将所述第二数据记录在所述存储器中；

其中：

所述矢量空间的所述包络线被布置为围合所述多个矢量的组。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：

所述包络线的其他部分被成形为弯曲。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中：

在所述矢量空间中，所述包络线被成形为链接所述多个矢量中的最外矢量。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其中：

所述断路器的所述至少两个操作条件相关参数与以下各项中的任何至少两项有关：所述断路器的可动触头的断开/闭合速度、所述可动触头的行程、所述可动触头的总行程、所述可动触头的超行程、所述可动触头的回弹、所述断路器的断开/闭合时间、以及所述断路器的断开/闭合峰值线圈电流。

11.一种物联网，包括：

根据权利要求6至10中任一项所述的系统；

所述断路器；以及

服务器，被配置为接收指示所述断路器的所述健康状态的所述信号。

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