CN111473962B

CN111473962B - 一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统

Info

Publication number: CN111473962B
Application number: CN202010200436.0A
Authority: CN
Inventors: 黄辉敏; 夏小飞; 苏毅; 芦宇峰; 杨健
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: CN111473962A

Abstract

本发明公开了一种高压断路器操动弹簧性能评估方法，包括：构建样本数据库；构建弹簧性能评估函数；基于所述弹簧测试样本库确认每一个物理量上的核密度估计；将目标弹簧分别在不同物理量上的观察量代入至所述弹簧性能评估函数，得出所述目标弹簧的性能评估结果。该方法通过弹簧性能评估函数评估弹簧性能，以核密度估计方法为核心对目标弹簧的多个物理量分别进行数理分析，并最终以弹簧性能评估函数评估弹簧性能，具有良好的评估准确性和评估可靠性。另外，本发明还公开了一种高压断路器操动弹簧性能评估系统。

Description

一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统

技术领域

本发明涉及到检测领域，具体涉及到一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统。

背景技术

高压断路器是电力系统中不可缺少的关键设备之一，其对电网的保护与控制起到至关重要的作用。目前应用最多的高压断路器机构类型为弹簧机构，90％以上的断路器采用弹簧作为其动力源，因此断路器机构中弹簧工作性能是否正常，直接影响断路器的分合闸速度，乃至影响断路器在开合过程中的灭弧能力。如果断路器操动弹簧在运行过程中发生性能劣化，可能导致弹簧断裂事故发生，甚至可能导致断路器在开合过程中发生爆炸。因此有必要对高压断路器操动弹簧进行性能评估，以便能够及时发现弹簧的潜在问题。

发明内容

为了对高压断路器的弹簧进行性能评估，本发明提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估方法，通过弹簧性能评估函数评估弹簧性能，以核密度估计方法为核心对目标弹簧的多个物理量分别进行数理分析，并最终以弹簧性能评估函数评估弹簧性能，具有良好的评估准确性和评估可靠性。

相应的，本发明提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估方法，包括：

构建弹簧测试样本库，所述弹簧测试样本库包括r组弹簧测试样本

R_a表示a弹簧的弹簧测试样本，a＝1,2,…,r，

为a弹簧在一次分合闸过程中分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量，P₁,P₂,…,P_b分别为b个物理量；

构建弹簧性能评估函数

其中，

为目标弹簧分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量，C_q为第q个物理量的权重，K_q(·)为第q个物理量的核密度估计；

基于所述弹簧测试样本库确认所述b个物理量中的每一个物理量上的核密度估计；

将目标弹簧分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量

代入至所述弹簧性能评估函数，得出所述目标弹簧的性能评估结果

可选的实施方式，所述b个物理量包括温度物理量，所述温度物理量的观察量为温度变化矩阵T^a，所述温度变化矩阵T^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的温度

所述温度变化矩阵

其中，d＝1,2,…,m，u＝1,2,…,n，m为a弹簧的总匝数，n为a弹簧中的每一匝弹簧在一次分合闸过程中的数据获取数量。

可选的实施方式，所述b个物理量包括速度物理量，所述速度物理量的观察量为速度变化矩阵V^a，所述速度变化矩阵V^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的速度

所述速度变化矩阵

可选的实施方式，所述b个物理量包括伸缩量物理量，所述伸缩量物理量的观察量为伸缩量变化矩阵Y^a，所述伸缩量变化矩阵Y^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的伸缩量

所述伸缩量变化矩阵

可选的实施方式，所述b个物理量中的部分物理量上的观察量基于热成像相机获取；

所述热成像相机在a弹簧一次分合闸过程中的快门量为所对应物理量的观察量的数据获取数量。

可选的实施方式，所述b个物理量包括压力物理量，所述压力物理量的观察量为压力变化矩阵S^a，所述压力变化矩阵S^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的压力值

所述压力变化矩阵

可选的实施方式，a弹簧在一次分合闸过程中，每一匝弹簧在第u时刻的压力值相等；

在一次分合闸过程中a弹簧在第u时刻的压力值s^u，所述压力变化矩阵替换为S^a＝[s¹ s² … sⁿ]；其中，u＝1,2,…,n，s^u为a弹簧在一次分合闸过程中在第u时刻的压力值。

可选的实施方式，所述压力物理量的观察量基于压力传感器获取。

可选的实施方式，高压断路器操动弹簧性能评估方法所述还包括：

基于所述目标弹簧的性能评估结果f[R(p₁,p₂,…,p_b)]与预设阈值的大小对比，确认所述目标弹簧是否合格。

相应的，本发明还提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估系统，用于实现以上任意一项所述的高压断路器操动弹簧性能评估方法。

综上，本发明提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统，该高压断路器操动弹簧性能评估方法利用核密度估计的方式，以弹簧测试样本库的测试数据为样本，对目标弹簧的观察数据进行密度概率的计算，同时综合在若干个物理量的计算结果得到目标弹簧的性能评估结果，可很好的判断目标弹簧的性能，在实际应用中具有良好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例的高压断路器操动弹簧性能评估方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在对本发明实施例的高压断路器操动弹簧性能评估方法进行说明时，需要说明的是，本发明实施例所提供的高压断路器操动弹簧性能评估方法的建立依据为，工业生产中绝大部分弹簧的生产质量都是符合要求的，只有极少部分弹簧的生产质量是不符合要求的；那么，对于具体某一个物理量而言，如弹簧操动时的温度、速度、伸缩量、压力等具体的一个物理量，对大量的弹簧进行观察值统计时，质量符合要求的弹簧的观察值在对应区间的概率密度较高，而不符合要求的弹簧的观察值在对应区间的概率密度较低；从另一个方向而言，观察值位于概率密度较低区域的弹簧可判定为不符合要求的弹簧(也有可能是质量远超设定规格的弹簧，但数量与不符合要求的弹簧一样是极少的，在实践中基于安全考虑和成本考虑，可一并判定为不符合要求的弹簧)，即以概率密度的数值大小判定弹簧的质量是否符合要求或以概率密度的数值大小判定弹簧的质量水平。

基于以上所述理论基础，通过获取目标弹簧(需要评估的对象弹簧)每个物理量的观察值，再将目标弹簧的观察值匹配至预设的评价函数中，可得出目标弹簧的评价值；通过预设的评价值划分标准可对目标弹簧进行产品质量的分类，以对不良弹簧进行剔除，保证高压断路器上的弹簧质量符合要求，降低高压断路器的故障风险。

图1示出了本发明实施例的高压断路器操动弹簧性能评估方法。具体的，本发明实施例所提供的高压断路器操动弹簧性能评估方法包括以下步骤：

S101：构建样本数据库；

基本的，所述弹簧测试样本库包括r组弹簧测试样本

R_a表示a弹簧的弹簧测试样本，a＝1,2,…,r，

为a弹簧在一次分合闸过程中分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量，P₁,P₂,…,P_b分别为b个物理量。

具体的，基于可行性考虑，物理量一般为弹簧在一次分合闸过程中便于观察的宏观物理量，在本发明实施例中，所选取的物理量包括温度物理量、速度物理量、伸缩量物理量和压力物理量。具体的，由于无法将所有物理量一一进行说明，其余的物理量可参照本发明实施例的实施方式进行适应性变化。

具体的，所述温度物理量的观察量为温度变化矩阵T^a，所述温度变化矩阵T^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的温度

所述温度变化矩阵

具体的，所述速度物理量的观察量为速度变化矩阵V^a，所述速度变化矩阵V^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的速度

所述速度变化矩阵

具体的，所述伸缩量物理量的观察量为伸缩量变化矩阵Y^a，所述伸缩量变化矩阵Y^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的伸缩量

所述伸缩量变化矩阵

对于上述三个物理量(温度物理量、速度物理量、伸缩量物理量)的观察量，具体实施中，可通过热成像相机获取。在热成像相机的一次成像过程中，热成像相机所获取的成像照片可以展现出弹簧的实时图像(每一匝弹簧的位置)和弹簧的实时温度(每一匝弹簧的温度)，通过对相邻两次所获取的成像照片的计算，可以计算出每一匝弹簧的速度。

具体实施中，如用热成像相机对上述三个观察量进行获取，观察量在a弹簧一次分合闸过程中的获取数量主要受到热成像相机的快门速度限制，因此，实际上，观察量在a弹簧一次分合闸过程中的获取数量即为热成像相机的快门量。

由于弹簧在分合闸时的动作速度较快，因此，具体实施中，热成像相机应采用高速热成像相机，快门速度应在1500fps/s以上，快门速度在2000fps/s左右较佳。

具体的，与温度物理量、速度物理量、伸缩量物理量相类似，所述压力物理量的观察量为压力变化矩阵S^a，所述压力观变化矩阵S^a包括a弹簧在一次分合闸过程中第d匝弹簧在第u时刻的压力值

所述压力变化矩阵

其中，d＝1,2,…,m，u＝1,2,…,n，m为a弹簧的总匝数，n为a弹簧在一次分合闸过程中的数据获取数量。

具体实施中，对每一匝弹簧的受力观察是十分复杂的，因此，为了便于操作和便于实际处理，假设a弹簧在一次分合闸过程中，每一匝弹簧在第u时刻的压力值相等；即a弹簧在一次分合闸过程中，a弹簧中每一匝弹簧所受的压力均匀。

在该设定条件下，对每一匝弹簧的压力观察可转换为对整根弹簧的压力观察，那么，对于整根弹簧而言，在一次分合闸过程中a弹簧在第u时刻的压力值s^u，所述压力变化矩阵替换为S^a＝[s¹ s² … sⁿ]；其中，u＝1,2,…,n，s^u为a弹簧在一次分合闸过程中在第u时刻的压力值。

需要说明的是，变化前后的压力变化矩阵就评估效果而言本质上是等价的，或可以理解为以

为每一匝弹簧的受力。由于本发明实施例只是对概率密度进行估算，具体不涉及到数据大小的比较，只要测试样本和目标弹簧的测量数据物理量以及相对应的观察量保持一致即可。

具体的，将对每一匝弹簧的压力观察转换为对整根弹簧的压力观察，使该物理量的观察量数据获取难度降低，有利于简化实施难度，具有良好的实用性。具体实施中，可通过压力传感器获取整根弹簧在一次开合闸过程中的物理量。

此外，需要注意的是，为了保证每一个物理量上的数据量规模接近或相同，可选的，压力变化矩阵的建立，即压力变化矩阵中每一个元素(观察量)的数据获取时刻可与温度物理量(速度物理量、伸缩量物理量)的观察量的数据获取时刻保持相同。在本发明实施例中，热成像相机每一次触发快门的同时，获取一次弹簧的压力值，以保证压力变化矩阵与温度变化矩阵、速度变化矩阵和伸缩量变化矩阵的数据规模趋于相同。

综上，通过上述手段可获取到本发明所需用到的观察量，通过对大量的断路器弹簧进行数据采样，每一组测试样本记录为R_a(T^a,V^a,Y^a,S^a)。

相对应的，目标弹簧最终所需要测试的数据为R(T,V,Y,S)。

S102：构建弹簧性能评估函数

其中，

为目标弹簧分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量，C_q为第q个物理量的权重，K_q(·)为第q个物理量的核密度估计。

相对应的，本发明的物理量包括温度物理量、速度物理量、伸缩量物理量和压力物理量，合计共四个物理量。相应的，b＝4。因此，本发明实施实施例的弹簧性能评估函数为

对弹簧性能评估函数进行分析可知，弹簧性能评估函数为每一个物理量上的核密度估计加权之和。C₁为温度物理量的核密度估计权重值，C₂为速度物理量的核密度估计权重值，C₃为伸缩量物理量的核密度估计权重值，C₄为压力值物理量的核密度估计权重值；具体实施中，可根据实际情况进行调整；初始状态下，各物理量的核密度估计权重值可取等值，然后经过后验数据进行核密度估计权重值的调整，以更好的通过弹簧性能评估函数的最终结果反映出弹簧的实际质量。

核密度估计(Kernel Density Estimation，KDE)是在概率论中用来估计未知的密度函数，属于非参数检验方法之一。核密度估计具体是指采用平滑的峰值函数(“核”)来拟合观察到的数据点，从而对真实的概率分布曲线进行模拟的方法。

S103：基于所述弹簧测试样本库确认所述b个物理量中的每一个物理量上的核密度估计；

核密度函数的原理可以简单理解为，在知道某一事物的概率分布(离散概率分布)的情况下，若一个观察值的概率密度很大，那么，和这个观察值比较近的观察值的概率密度也会比较大，而离这个观察值较远的数的概率密度会比较小(近大远小)。基于这种想法，针对观察值，可以基于上述的近大远小概念用核函数去拟合概率密度。对每一个观察数拟合出的多个概率密度分布函数，取平均。本质上，核密度估计其实就是通过核函数(如高斯核函数)将每个观察值的数据和带宽当作核函数的参数，得到若干个核函数，通过对若干个核函数的线性叠加就形成了核密度估计(核密度估计归一化后处理后就变为核密度概率密度函数)。

具体的，以下以温度物理量的核密度估计为例进行说明，其余物理量的核密度估计与温度物理量的核密度估计的形式和计算方式相同，具体实施中可进行适应性的改变。

温度物理量的核密度估计

温度物理量的核密度估计计算公式为

其中，r为弹簧测试样本数量，K₁(·)为核函数，h₁为窗宽，Tⁱ为第i个弹簧测试样本的温度变化矩阵。

具体的，根据拟合效果，选择合适的核函数K₁(·)(均匀核、高斯核、三角形核、指数核)，并采用交叉核实法确定窗宽h₁。

具体实施中，可以为窗宽h₁增加局部带宽因子λ，即h₁＝λh₁'。

具体的，每一个

(

可提到该公式前)可理解为，在特定的核函数下以及特定的窗宽条件下，以弹簧测试样本的温度测试数据为基准，目标弹簧的温度测试数据的概率密度。

若目标弹簧的温度测试数据的值与弹簧测试样本的温度测试数据的值较接近，则目标弹簧的温度测试数据的概率密度较大；若目标弹簧的温度测试数据的值与弹簧测试样本的温度测试数据的值较接近，则目标弹簧的温度测试数据的概率密度较小。

通过累加后取平均，若目标弹簧的温度测试数据在若干次累计中与大部分弹簧测试样本的温度测试数据的值较接近，即大部分的计算得出的概率密度较大，则最终的累加后取平均的值较大，表示该目标弹簧与大部分弹簧在温度方面的数据相近似，该目标弹簧在温度方面的表现与大部分弹簧的表现一致或相近似；若目标弹簧的温度测试数据在若干次累计中与大部分弹簧测试样本的温度测试数据的值较远，即大部分的计算得出的概率密度较小，则最终的累加后取平均的值较小，表示该目标弹簧与大部分弹簧在温度方面的数据不近似，该目标弹簧在温度方面与大部分弹簧的表现不一致。

S104：将目标弹簧分别在P₁,P₂,…,P_b物理量上的观察量

具体实施中，以与获取弹簧测试样本相同的方法和参数获取目标弹簧的测试数据，在本发明实施例中，目标弹簧的测试数据为R(T,V,Y,S)。将R(T,V,Y,S)代入至弹簧性能评估函数，得到目标弹簧的弹簧性能评估结果。

在本实施例中，基于密度函数的定义以及在说明书前文所提到的前提条件下，弹簧性能评估结果的值越大，表明目标弹簧的性能与大部分的弹簧的性能较为接近。

需要说明的是，弹簧性能评估结果的值越小，表明目标弹簧的性能与大部分的弹簧的性能不一致，其中存在两种可能性，其中一种可能性为目标弹簧的质量很好，另外一种可能性为目标弹簧的质量较差，对于大规模工业产品而言，以上两种可能性的弹簧产品的占比数量都是极少的，因此，将两种情况所涉及的弹簧产品一并剔除，可保证检测的准确率。至于如何从剔除的产品中区分良品和次品，并不在本发明实施例的讨论范围内。

S105：基于所述目标弹簧的性能评估结果

与预设阈值的大小对比，确认所述目标弹簧是否合格。

具体的，为了确认良品和次品的评定标准，具体实施中，需要将所述目标弹簧的性能评估结果

与预设阈值进行大小对比，从而判定目标弹簧是否合格可用。具体的，预设阈值的确定，需要根据后验数据以及所确认的权重进行确定。

相应的，本发明还提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估系统，该高压断路器操动弹簧性能评估系统用于实现以上任意一项所述的高压断路器操动弹簧性能评估方法。

综上，本发明实施例提供了一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统，该高压断路器操动弹簧性能评估方法利用核密度估计的方式，以弹簧测试样本库的测试数据为样本，对目标弹簧的观察数据进行密度概率的计算，同时综合在若干个物理量的计算结果得到目标弹簧的性能评估结果，可很好的判断目标弹簧的性能，在实际应用中具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的一种高压断路器操动弹簧性能评估方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。