CN112100803B - 一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法，基于机械空间振动与接触电阻的主客平衡赋权法和改进物元可拓法，实现动车组功率断路器主触点健康状况精准判断，给出主触点健康状况，这样既能防止由于缺乏维护而导致事故的发生，又可避免因过度维修导致成本浪费，进而延长功率断路器的使用寿命。

Description

一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法

技术领域

本发明属于动车组电力系统技术领域，特别是一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法。

背景技术

功率断路器作为动车组电力系统中最重要的开关设备之一，在动车组中压负载中应用十分普遍，起到保护和控制的作用。其中，功率断路器的主触点动作频次高，加上动车组的随机高频振动，导致功率断路器故障频发，如何科学合理地判断断路器主触点健康状况是保障动车组安全稳定运行的关键。早期，动车组检修时对功率断路器大多采用预防性维修，随着修程修制改革的深入，迫切要求实施状态修。

目前，测评方法大多利用层次分析法、熵权法进行测评权重的计算，层次分析法较适用于主观权重的计算，熵权法则表现得更为客观，但实际上我们希望指标权重应当是主观权重和客观权重的综合，所以需要一种数据融合方法来提供准确科学的指标权重。对于功率断路器的评测，有研究人员采用粗糙集—支持向量机状态评估策略来判断断路器的健康状况，但针对主触点的评价仅采用单一指标的确定方式，使得主触点评价结果存在一定的偏差。

功率断路器主触点振动特征值和接触电阻特征值都可以有效表征功率断路器主触点健康状况，然而二者均有各自的局限。为了更为准确的判断主触点健康状况，需要对振动和接触电阻特征值进行数据融合，当前亟需一种基于先进的检测技术和准确的评估方法，给出主触点健康状况，这样既能防止由于缺乏维护而导致事故的发生，又可避免因过度维修导致成本浪费，进而延长功率断路器的使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法，实现动车组功率断路器主触点健康状况精准判断。

具体技术方案如下：

本发明提供一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法，基于机械空间振动与接触电阻的主客平衡赋权法和改进物元可拓法，按以下步骤实现：

步骤一，对采集到的机械空间振动和接触电阻的数据进行处理并提取特征：提取得到的特征矩阵的范数能量熵值/>作为主触点振动评估指标的输入特征参数，动态接触电阻峰值R_P＝max{R(t)}，稳态接触电阻阻值作为主触点接触电阻评估指标的两个特征值；

步骤二、构建多数据评估指标体系：基于主客平衡赋权法和改进物元可拓法将机械空间振动和接触电阻特征值进行数据融合，并对主触点工作状态进行评估；

步骤三、确定主触点状态评估模型的经典域、节域和待评物元；

步骤四、规格化处理：对经典域量值进行处理，使经典域量值两端同时除以节域R_P中的数值b_pn，得到新的经典物元矩阵R_N；对待评物元矩阵进行处理，使待评物元矩阵中的量值两端同时除以节域R_p中的数值b_pi，得到新的待评物元矩阵R₀；步骤五、引入非对称贴合度代替最大隶属度评判准则，将应用到物元可拓评价模型中，得到待评物元所对应各等级的贴合度：/>式中，Z为贴合度；D为距离；w为权重；D_ij＝|V_ji-(a_ij+b_ij)/2|-(b_ij-a_ij)/2为待评物元R₀与规格化经典域V_i的距离；w_i(x)为评价指标的权重；n为评价个数；

步骤六、指标层物元评估，指标层的待评物元包括：振动矩阵范数和能量熵值；动态接触电阻与稳态接触电阻指标；

步骤七、因素层物元评估，因素层的待评物元包括：机械空间振动特征指标、接触电阻指标；

步骤八、目标层物元评估，目标层的待评物元是指主触点健康状况；

步骤九、评估指标数据的融合：采用熵权法确定指标的客观权重，权重向量u₁＝(w₁,w₂,…,w_n)，层次分析法确定主观权重，权重向量u₂＝(w₁,w₂,…,w_n)，所构建的数据融合模型通过平衡熵值法和层次分析法得到综合权重为：u＝k₁u₁+k₂u₂,其中，平衡系数k₁，k₂根据不同的功率断路器确定；

步骤十、最终得到主触点健康状况测评结果：

将综合权重u＝k₁u₁+k₂u₂，代入如果待评主触点状态符合下式：Z_j0(N₀)＝maxZ_j(N₀)，式中，j＝(1,2,...,l)，最后判断确定主触点健康状况等级为j₀。

本发明的技术方案的有益效果在于：

1、提出了主触点健康状况评价指标融合评估方法，解决了主触点健康评估中信号单一的局限，并将主触点健康评估量化，提高了评估结果的可靠性。

2、基于主客平衡赋权法，避免了权重赋值的片面性。

3、采用改进物元可拓法，用贴近度函数替换最大隶属度，解决了最大隶属度原则的模糊性，克服了传统物元可拓模型的局限性。

4、科学给出主触点健康状况，既能防止由于缺乏维护而导致事故的发生，又可避免因过度维修导致成本浪费，进而延长功率断路器的使用寿命。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例建立的主触点健康状态评估指标体系图；

图2为本发明实施例建立的主触点健康状态评估方法框图。

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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。本发明提供一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法，基于机械空间振动与接触电阻的主客平衡赋权法和改进物元可拓法的功率断路器主触点健康状况测评方法，具体过程如下：

步骤一、对采集到的数据进行处理并提取特征：

(1)机械空间振动：

S1、将三轴加速度传感器传回的主触点空间振动信号垂向u_V(t)，横向u_T(t)，纵向u_L(t)，分别利用小波分解经过降噪的振动信号，用递归公式将主触点三向振动信号进行分解，式中，u_2n(t)是经过高通滤波器组h(k)后的信号，u_2n-1(t)是经过低通滤波器组g(k)后的信号，u_n(2t-k)是待分解的原始信号，得到信号低频系数u_2n-1(t)和高频系数向量u_2n(t)。将振动信号进行j层小波包分解，得到序列S_j,k，其中k＝0,1…2^j-1。根据信号的时间特性，将其划分为N段，计算每段时间的信号能量，/>A_i(t)为第i段信号的幅值；

S2、分别对低频系数向量和高频系数向量进行信号重构，得到非平稳信号的低频近似信号和高频细节信号。

S3、分别对低频近似系数和高频细节系数归一化并计算其各自能量，然后以能谱算法为基础计算各频段能量比重。

S4、提取各频段振动的能量比重，组成能量谱特征矩阵T。最后提取得到的特征矩阵的范数作为主触点工作状态评估指标的输入特征参数，通过计算特征矩阵的能量熵值可以反映主触点振动能量分布的集中情况，进而可以表征主触点的松紧程度，/>求取总能量熵值作为主触点振动评估指标的另一特征值。

(2)接触电阻阻值采集计算：

S1、动态接触电阻采集计算：高压逆变电路将DC供电逆变为额定高压输出1000V施加到主触点两端，主触点运动过程中，采用电压电流采集器，每隔0.1s输出到信号转换单元，得到数字量结果输出到中央处理单元，将电压电流采集器采样主触点两端的电压和流经主触点的电流量实行除运算，得到动态接触电阻求取动态接触电阻峰值R_P＝max{R(t)}作为主触点接触电阻评估指标的一个特征值。

S2、稳态接触电阻采集计算：

主触点闭合到位稳定后，高压逆变电路分别将DC供电逆变为额定高压输出U₀、U₁、U₂、U₃施加到主触点两端，采用电压电流采集器，输出到信号转换单元，得到数字量结果输出到中央处理单元，将采样主触点两端的电压和流经主触点的电流量实行除运算，并将四次结果取平均值，得到稳态接触电阻阻值作为主触点接触电阻评估指标的另一个特征值。

步骤二、构建多数据评估指标体系

基于主客平衡赋权法和改进物元可拓法将机械空间振动和接触电阻特征值进行数据融合，并对主触点工作状态进行评估。建立的主触点工作状态评估指标体系如图，其中评估指标体系包括机械空间振动特征指标和接触电阻特征指标，通过针对多数据指标的综合评估来确定主触点工作状态等级。主触点工作状态评估指标体系分为目标层、因素层和指标层。目标层评估指标为主触点工作状态；因素层评估指标包括机械空间振动特征指标和接触电阻特征指标；机械空间振动特征指标选取矩阵范数和能量熵值，接触电阻特征指标包括动态接触电阻和稳态接触电阻，上述参量作为指标层的评估指标。

步骤三、确定主触点状态评估模型的经典域、节域和待评物元：

待评物元表示为：

式中，N_j代表主触点某因素层因素所划分的第j个评价等级名称；Ci为该因素中的第i个评价指标；V_ji为N_j关于指标Ci所规定的量值范围<a_ji,b_ji>，即经典域，主触点状态的经典域范围取<0,1>。

确定待评物元R_j的经典域R_i和节域R_p为：

式中，v_i为标准事物N_i关于特征c_i的量值范围<a_mi,b_mi>；v_p为节域事物N_p关于特征c_i的相应标准全部的量值范围<a_pi,b_pi>。

步骤四、规格化处理

对经典域量值进行处理，使经典域量值两端同时除以节域R_P中的数值b_pn，得到新的经典物元矩阵R_N：式中，N_i表示主触点状态划分的i个评价等级；c_i为评价指标，具体指；<a_in/b_in,b_in/b_pn>为评价指标c_i对第i个评价等级的取值范围经规格化所得到的新的经典域。

对待评物元矩阵进行处理，使待评物元矩阵中的量值两端同时除以节域R_p中的数值b_pi，得到新的待评物元矩阵R₀，式中N₀为待评区域，c_i为待评区域各评价指标，v_ji为待评物元i个评价指标的实际取值。

步骤五、引入非对称贴合度代替最大隶属度评判准则。非对称贴合度函数如下

式中，Z为贴合度；D为距离；w为权重。

将应用到物元可拓评价模型中，得到待评物元所对应各等级的贴合度：/>式中，D_ij＝|V_ji-(a_ij+b_ij)/2|-(b_ij-a_ij)/2为待评物元R₀与规格化经典域V_i的距离；w_i(x)为评价指标的权重；n为评价个数。

步骤六、指标层物元评估，指标层的待评物元包括：振动矩阵范数和能量熵值；动态接触电阻与稳态接触电阻指标。式中，Z_j(S)为对于j个节域的指标层(矩阵范数和能量熵值以及动态接触电阻和稳态接触电阻)评估结果集合；S为指标层物元集合，即为矩阵范数和能量熵值以及动态接触电阻和稳态接触电阻；w_hik表示第h个因素中的第i个子因素的第k个物元指标的权重，Z_j(v_hik)表示该指标的贴合度。

步骤七、因素层物元评估，因素层的待评物元包括：机械空间振动特征指标、接触电阻指标。式中，Z_j(P)为对于j个节点域的因素层(机械空间振动特征指标、接触电阻指标)评估结果集合，P为机械空间振动特征指标、接触电阻指标物元集合，w_hj表示第h个因素中第j个子因素物元指标的权重(矩阵范数和能量熵值以及动态接触电阻的权重)，Z_j(v_hi)表示矩阵范数和能量熵值以及动态接触电阻和稳态接触电阻的贴合度集合。

步骤八、目标层物元评估，目标层的待评物元是指主触点工作状态。式中，Z_j(G)为对于j个节点域的目标层(主触点工作状态)评估结果的集合，G为目标层因素，即主触点工作状态：w_h表示第h个因素的权重(即机械空间振动特征指标与接触电阻指标)，Z_j(v_h)表示机械空间振动特征指标与接触电阻指标之间的贴合度。

步骤九、评估指标数据的融合：

采用熵权法确定指标的客观权重，权重向量u₁＝(w₁,w₂,…,w_n)，层次分析法确定主观权重，权重向量u₂＝(w₁,w₂,…,w_n)，所构建的数据融合模型通过平衡熵值法和层次分析法得到综合权重为：u＝k₁u₁+k₂u₂，其中，平衡系数k₁，k₂根据不同的功率断路器确定。

步骤十、最终得到主触点健康状况测评结果：

将综合权重u＝k₁u₁+k₂u₂，代入如果待评主触点状态符合下式：Z_j0(N₀)＝maxZ_j(N₀)，式中，j＝(1,2,...,l)，最后判断确定主触点健康状况等级为j₀。

Claims (1)

1.一种动车组功率断路器主触点健康状况测评方法，其特征在于，基于机械空间振动与接触电阻的主客平衡赋权法和改进物元可拓法，按以下步骤实现：

步骤一，对采集到的机械空间振动和接触电阻的数据进行处理并提取特征：提取得到的特征矩阵的范数能量熵值/>作为主触点振动评估指标的输入特征参数，动态接触电阻峰值R_P＝max{R(t)}，稳态接触电阻阻值/>作为主触点接触电阻评估指标的两个特征值；

步骤二、构建多数据评估指标体系：基于主客平衡赋权法和改进物元可拓法将机械空间振动和接触电阻特征值进行数据融合，并对主触点工作状态进行评估；

步骤三、确定主触点状态评估模型的经典域、节域和待评物元；

步骤四、规格化处理：对经典域量值进行处理，使经典域量值两端同时除以节域R_P中的数值b_pn，得到新的经典物元矩阵R_N；对待评物元矩阵进行处理，使待评物元矩阵中的量值两端同时除以节域R_p中的数值b_pi，得到新的待评物元矩阵R₀；

步骤五、引入非对称贴合度代替最大隶属度评判准则，将应用到物元可拓评价模型中，得到待评物元所对应各等级的贴合度：/>式中，Z为贴合度；D为距离；w为权重；D_ij＝|V_ji-(a_ij+b_ij)/2|-(b_ij-a_ij)/2为待评物元R₀与规格化经典域V_i的距离；w_i(x)为评价指标的权重；n为评价个数；

步骤六、指标层物元评估，指标层的待评物元包括：振动矩阵范数和能量熵值；动态接触电阻与稳态接触电阻指标；

步骤七、因素层物元评估，因素层的待评物元包括：机械空间振动特征指标、接触电阻指标；

步骤八、目标层物元评估，目标层的待评物元是指主触点健康状况；

步骤九、评估指标数据的融合：采用熵权法确定指标的客观权重，权重向量u₁＝(w₁,w₂,…,w_n)，层次分析法确定主观权重，权重向量u₂＝(w₁,w₂,…,w_n)，所构建的数据融合模型通过平衡熵值法和层次分析法得到综合权重为：u＝k₁u₁+k₂u₂,其中，平衡系数k₁，k₂根据不同的功率断路器确定；

步骤十、最终得到主触点健康状况测评结果：

将综合权重u＝k₁u₁+k₂u₂，代入如果待评主触点状态符合下式：/>式中，j＝(1,2,...,l)，最后判断确定主触点健康状况等级为j₀。