CN112285553A - 10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置与方法，装置包括位移传感器模块、采集控制模块以及上位机，其中：位移传感器模块用于实时非接触式测量10kV真空断路器动触头联动机构直线位移行程信息；采集控制模块获取10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度数据以及位移传感器模块输出的行程信息数据，并将数据传送到上位机；上位机对接收到的数据通过抗干扰算法进行处理过滤分合闸动作所产生的机械振动干扰，计算出10kV真空断路器的分合闸平均速度，再将计算结果传送至采集控制模块。本发明使用非接触式的传感器采集行程数据，同时对传感器数据进行滤波，得到最接近于实际情况10kV真空断路器分合闸行程。

Description

10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置与方法

技术领域

本发明涉及断路器测量领域，更具体地，涉及一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置与方法。

背景技术

10kV真空断路器作为配网系统很重要的一次设备，其关键参数分合闸平均速度是断路器非常重要的一项参数，分合闸平均速度的准确测量是断路器检修必不可少的条件要求。

新型的非接触式10kV真空断路器抛弃传统的接触式传感器如直线光栅，滑线变阻器等而采用CCD激光传感器测量分合闸速度参数，安装简单可靠，对现场检测人员的要求降低，布置成本低，可迅速搭建起测试环境。

公开日为2018年03月30日，公开号为CN107861058A的中国专利公开了一种真空断路器分合闸速度的测量装置以及测量方法，包括真空灭弧室，动导杆，传动拐臂，传感器，时间测量系统，支板和灭弧室支架等部分。所述真空断路器与时间测量系统串联形成真空断路器回路；在真空断路器上安装传感器，所述传感器与时间测量系统串联形成传感器回路；断路器分合闸操作时，通过利用两回路通断测量时间差即可得到断路器的准确分合闸时间。本方案的缺点是需要依赖试验操作人员在测量点设置标志物，并且系统布置复杂﹑成本高﹑不易推广。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，可以克服传统接触式测量的问题及系统布置复杂﹑成本高﹑不易推广的难题。

本发明的进一步目的是提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，包括位移传感器模块、采集控制模块以及上位机，所述位移传感器模块与所述采集控制模块通过通信总线连接，采集控制模块与上位机端通过网络总线进行通信，其中：

所述位移传感器模块用于实时非接触式测量10kV真空断路器动触头联动机构直线位移行程信息；

所述采集控制模块获取10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度数据以及位移传感器模块输出的行程信息数据，并将数据传送到上位机；

所述上位机对接收到的数据通过抗干扰算法进行处理过滤分合闸动作所产生的机械振动干扰，计算出10kV真空断路器的分合闸平均速度，再将计算结果传送至所述采集控制模块。

优选地，所述位移传感器模块包括激光管、发射透镜组、接收透镜组、成像矩阵及图像运算单元，其中：

所述激光管用来发送激光；

所述发射透镜组用来对所述激光管产生的激光进行聚焦并照射在被测10kV真空断路器动触头联动机构表面；

所述接收透镜组用来对被测10kV真空断路器动触头联动机构表面反射的激光信号进行聚焦，将光束输入到所述成像矩阵中；

所述成像矩阵用来对所述接收透镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到所述图像运算单元；

所述图像运算单元用来对所述成像矩阵输出的图像信息进行实时运算与处理，得到10kV真空断路器联动机构直线位移实时数据。

优选地，所述成像矩阵为CCD矩阵。

优选地，所述采集控制模块包括振动传感器和信号调理单元，所述振动传感器用于采样10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度，所述信号调理单元将振动传感器获取的10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度转换为电压信号。

优选地，所述采集控制模块还包括单片机主控、触发判断单元和第一网络通信接口，其中：

所述单片机主控实现所述触发判断单元和以及第一网络通信接口的功能控制，所述单片机主控接收所述位移传感器模块的数据以及采样所述信号调理单元输出的电压信号；

所述触发判断单元用于实时监测所述单片机主控接收的位移传感器模块数据，当满足触发条件时，所述单片机主控开始记录位移传感器模块数据；

所述网络通信接口用于与所述上位机进行数据交互。

优选地，所述采集控制模块还包括存储单元，所述存储单元用于实时存储所述单片机主控接收到的位移传感器模块的数据以及信号调理单元输出的电压信号。

优选地，所述采集控制模块还包括人机交互单元，所述人机交互单元用于实时查看或打印测量结果数据。

优选地，所述上位机包括上位机脚本程序模块以及第二网络通信接口，其中：

所述上位机脚本程序模块用来计算处理所述采集控制模块上传的原始数据，通过抗干扰算法进行滤波处理计算出非接触式10kV真空断路器测量分合闸平均速度；

所述第二网络通信接口与所述采集控制模块进行数据交互，接受所述采集控制模块传递上来的原始数据，并将结果返回给所述采集控制模块。

一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量方法，所述测量方法应用于上述所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，所述测量方法具体包括以下步骤：

S1：上位机打开第二网络通信接口，初始化并配置第二网络通信接口，配置第二网络通信接口的ip地址、端口以及组网方式；

S2：等待所述采集控制模块通过第一网络通信接口传递上来的触发时刻数据T1和原始数据，原始数据包括本次原始行程数据与振动信号数据，并全部存储起来；

S3：对采集控制模块传上来的振动加速度信号数据按照采样时间间隔进行两次积分，获得振动位移序列；对采集控制模块传上来的位移传感器行程数据按照采样点顺序与振动位移序列进行减法处理，生成本次触发对应的行程-时间原始曲线以及行程-时间数据数组；

S4：调用数字滤波器库，使用4阶FIR-巴特沃斯数字滤波器对所述行程-时间数据数组进行数字滤波处理，得到新的行程-时间数据数组以及新的行程-时间曲线；

S5：上位机求出S4中新的行程-时间曲线的动作行程S = Smax – Smin，其中Smax为曲线最大值，Smin为曲线最小值，根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作；

S6：从行程时间曲线中寻找值Smin+0.1*S对应的采样点序号N1，寻找值Smax-0.1*S对应的采样点序号N2；

S7：上位机按照公式Vavg=0.8*S/(（N1 - N2）/采集频率)计算动作过程平均速度，并将行程-时间曲线数据、Smax、Smin、N1、N2、分合闸标志以及平均速度结果通过第二网络通信接口返回给采集控制模块；

S8：等待采集控制模块收到结果回应后，回到S2等待采集控制模块通过第一网络通信接口传递上来的原始数据，重新运行。

优选地，步骤S5中根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作，具体为：

如果Smax点落在触发时刻T1后，则本次动作为合闸动作，设置分合闸标志为合闸操作；

如果Smax点落在触发时刻T1前，则本次动作为分闸动作，设置分合闸标志为分闸操作。

本发明的平均速度抗干扰测量原理为10kV真空断路器分合闸时，采集控制模块控制/接收位移传感器模块采集到的分合闸传感器数据组，并同步采样振动加速度信号储存在本地后，将行程数据组、触发时刻、采集数据长度以及触发前数据保留时间长度，及加速度信号波形通过网络接口发送给计算机的上位机脚本程序，上位机脚本程序收到传感器数据组后,首先从行程位移波形中减去振动位移波形获得原始的行程—时间曲线，再调用数字滤波器库，使用4阶FIR-巴特沃斯数字滤波器(Butterworth)对行程-时间数组进行数字低通滤波处理，滤除掉其中的高频振动噪声点，得到新的行程-时间数据数组以及新的行程-时间曲线，接着分析曲线计算出分合闸动作过程平均速度，并将行程-时间曲线数据组、分合闸标志以及平均速度等结果通过网络通信接口返回给采集控制模块从而显示测量结果。得益于计算机的算法库及算力，数据处理及结果回传在2秒内即可完成。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明使用非接触式的传感器采集真空断路器分合闸动作行程数据，安装简单可靠，安装成本低，对检修维护人员要求低；通过安装加速度信号传感器，同步取样10kV真空断路器分合闸动作时动触头运动方向的振动加速度，通过两次积分获得动触头运动方向的振动位移波形；通过对传感器数据进行滤波，在2秒内得到最接近于实际情况10kV真空断路器分合闸行程。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图中，1为位移传感器模块，11为激光管，12为发射透镜组，13为接收透镜组，14为成像矩阵，15为图像运算单元，2为采集控制模块，21为单片机主控，22为信号调理单元，23为振动传感器，24为触发判断单元，25为存储单元，26为人机交互单元，27为第一网络通信接口，3为上位机，31为第二网络通信接口，32为上位机脚本程序模块，4为待测动触点。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，如图1，包括位移传感器模块1、采集控制模块2以及上位机3，所述位移传感器模块1与所述采集控制模块2通过通信总线连接，采集控制模块2与上位机3端通过网络总线进行通信，其中：

所述位移传感器模块1用于实时非接触式测量10kV真空断路器动触头联动机构直线位移行程信息；

所述采集控制模块2获取10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度数据以及位移传感器模块1输出的行程信息数据，并将数据传送到上位机3；

所述上位机3对接收到的数据通过抗干扰算法进行处理过滤分合闸动作所产生的机械振动干扰，计算出10kV真空断路器的分合闸平均速度，再将计算结果传送至所述采集控制模块2。

所述位移传感器模块1包括激光管11、发射透镜组12、接收透镜组13、成像矩阵14及图像运算单元15，其中：

所述激光管11用来发送激光；

所述发射透镜组12用来对所述激光管11产生的激光进行聚焦并照射在被测10kV真空断路器动触头联动机构表面；

所述接收透镜组用来对被测10kV真空断路器动触头联动机构表面反射的激光信号进行聚焦，将光束输入到所述成像矩阵14中；

所述成像矩阵14用来对所述接收透镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到所述图像运算单元15；

所述图像运算单元15用来对所述成像矩阵14输出的图像信息进行实时运算与处理，得到10kV真空断路器联动机构直线位移实时数据。

所述成像矩阵14为CCD矩阵。

所述采集控制模块2包括振动传感器23和信号调理单元22，所述振动传感器23用于采样10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度，所述信号调理单元22将振动传感器23获取的10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度转换为电压信号。

所述采集控制模块2还包括单片机主控21、触发判断单元24和第一网络通信接口27，其中：

所述单片机主控21实现所述触发判断单元24和以及第一网络通信接口27的功能控制，所述单片机主控21接收所述位移传感器模块1的数据以及采样所述信号调理单元22输出的电压信号，单片机主控21以40k的采样率循环采集存储1秒位移传感器模块1数据及振动信号数据；

所述触发判断单元24用于实时监测所述单片机主控21接收的位移传感器模块1数据，当满足触发条件时，所述单片机主控21开始记录位移传感器模块1数据；

所述网络通信接口用于与所述上位机3进行数据交互。

所述采集控制模块2还包括存储单元25，所述存储单元25用于实时存储所述单片机主控21接收到的位移传感器模块1的数据以及信号调理单元22输出的电压信号。

所述采集控制模块2还包括人机交互单元26，所述人机交互单元26用于实时查看或打印测量结果数据。

所述上位机3包括上位机脚本程序模块32以及第二网络通信接口31，其中：

所述上位机脚本程序模块32用来计算处理所述采集控制模块2上传的原始数据，通过抗干扰算法进行滤波处理计算出非接触式10kV真空断路器测量分合闸平均速度；

所述第二网络通信接口31与所述采集控制模块2进行数据交互，接受所述采集控制模块2传递上来的原始数据，并将结果返回给所述采集控制模块2。

实施例2

本实施例提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量方法，所述测量方法应用于实施例1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，所述测量方法具体包括以下步骤：

S1：上位机3打开第二网络通信接口31，初始化并配置第二网络通信接口31，配置第二网络通信接口的ip地址、端口以及组网方式；

S2：等待所述采集控制模块2通过第一网络通信接口27传递上来的触发时刻数据T1和原始数据，原始数据包括本次测量的40k字节原始行程数据与40k字节振动信号数据，并全部存储起来；

S3：对采集控制模块2传上来的40k字节振动加速度信号数据按照采样时间间隔进行两次积分，获得振动位移序列；对采集控制模块2传上来的位移传感器行程数据按照采样点顺序与振动位移序列进行减法处理，生成本次触发对应的行程-时间原始曲线以及行程-时间数据数组，最后将40k数据以excel表格的形式保存在本地,并对40k原始行程数据做图画出行程-时间的曲线显示出来；

S4：调用数字滤波器库，使用4阶FIR-巴特沃斯数字滤波器对所述行程-时间数据数组进行数字滤波处理，滤波器阶数设为4，截止频率设为80Hz，得到新的行程-时间数据数组以及新的行程-时间曲线，将新的行程-时间数据数组保存在本地excel表格中；

S5：上位机求出S4中新的行程-时间曲线的动作行程S = Smax – Smin，其中Smax为曲线最大值，Smin为曲线最小值，根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作；

S6：从行程时间曲线中寻找值Smin+0.1*S对应的采样点序号N1，寻找值Smax-0.1*S对应的采样点序号N2；

S7：上位机按照公式Vavg=0.8*S/(（N1 - N2）/采集频率)计算动作过程平均速度，并将行程-时间曲线数据、Smax、Smin、N1、N2、分合闸标志以及平均速度结果通过第二网络通信接口31返回给采集控制模块2；

S8：等待采集控制模块2收到结果回应后，回到S2等待采集控制模块2通过第一网络通信接口27传递上来的原始数据，重新运行。

步骤S5中根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作，具体为：

如果Smax点落在触发时刻T1后，则本次动作为合闸动作，设置分合闸标志为合闸操作；

如果Smax点落在触发时刻T1前，则本次动作为分闸动作，设置分合闸标志为分闸操作。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，包括位移传感器模块、采集控制模块以及上位机，所述位移传感器模块与所述采集控制模块通过通信总线连接，采集控制模块与上位机端通过网络总线进行通信，其中：

所述位移传感器模块用于实时非接触式测量10kV真空断路器动触头联动机构直线位移行程信息；

所述采集控制模块获取10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度数据以及位移传感器模块输出的行程信息数据，并将数据传送到上位机；

所述上位机对接收到的数据通过抗干扰算法进行处理过滤分合闸动作所产生的机械振动干扰，计算出10kV真空断路器的分合闸平均速度，再将计算结果传送至所述采集控制模块。

2.根据权利要求1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述位移传感器模块包括激光管、发射透镜组、接收透镜组、成像矩阵及图像运算单元，其中：

所述激光管用来发送激光；

所述发射透镜组用来对所述激光管产生的激光进行聚焦并照射在被测10kV真空断路器动触头联动机构表面；

所述接收透镜组用来对被测10kV真空断路器动触头联动机构表面反射的激光信号进行聚焦，将光束输入到所述成像矩阵中；

所述成像矩阵用来对所述接收透镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到所述图像运算单元；

所述图像运算单元用来对所述成像矩阵输出的图像信息进行实时运算与处理，得到10kV真空断路器联动机构直线位移实时数据。

3.根据权利要求2所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述成像矩阵为CCD矩阵。

4.根据权利要求1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述采集控制模块包括振动传感器和信号调理单元，所述振动传感器用于采样10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度，所述信号调理单元将振动传感器获取的10kV真空断路器分合闸动作时动触头连杆运动方向的振动加速度转换为电压信号。

5.根据权利要求4所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述采集控制模块还包括单片机主控、触发判断单元和第一网络通信接口，其中：

所述单片机主控实现所述触发判断单元和以及第一网络通信接口的功能控制，所述单片机主控接收所述位移传感器模块的数据以及采样所述信号调理单元输出的电压信号；

所述触发判断单元用于实时监测所述单片机主控接收的位移传感器模块数据，当满足触发条件时，所述单片机主控开始记录位移传感器模块数据；

所述网络通信接口用于与所述上位机进行数据交互。

6.根据权利要求5所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述采集控制模块还包括存储单元，所述存储单元用于实时存储所述单片机主控接收到的位移传感器模块的数据以及信号调理单元输出的电压信号。

7.根据权利要求6所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述采集控制模块还包括人机交互单元，所述人机交互单元用于实时查看或打印测量结果数据。

8.根据权利要求1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，其特征在于，所述上位机包括上位机脚本程序模块以及第二网络通信接口，其中：

所述上位机脚本程序模块用来计算处理所述采集控制模块上传的原始数据，通过抗干扰算法进行滤波处理计算出非接触式10kV真空断路器测量分合闸平均速度；

所述第二网络通信接口与所述采集控制模块进行数据交互，接受所述采集控制模块传递上来的原始数据，并将结果返回给所述采集控制模块。

9.一种10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于权利要求1至8任一项所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量装置，所述测量方法具体包括以下步骤：

S1：上位机打开第二网络通信接口，初始化并配置第二网络通信接口，配置第二网络通信接口的ip地址、端口以及组网方式；

S2：等待所述采集控制模块通过第一网络通信接口传递上来的触发时刻数据T1和原始数据，原始数据包括原始行程数据与振动信号数据，并全部存储起来；

S3：对采集控制模块传上来的振动加速度信号数据按照采样时间间隔进行两次积分，获得振动位移序列；对采集控制模块传上来的位移传感器行程数据按照采样点顺序与振动位移序列进行减法处理，生成本次触发对应的行程-时间原始曲线以及行程-时间数据数组；

S4：调用数字滤波器库，使用4阶FIR-巴特沃斯数字滤波器对所述行程-时间数据数组进行数字滤波处理，得到新的行程-时间数据数组以及新的行程-时间曲线；

S5：上位机求出S4中新的行程-时间曲线的动作行程S = Smax – Smin，其中Smax为曲线最大值，Smin为曲线最小值，根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作；

S6：从行程时间曲线中寻找值Smin+0.1*S对应的采样点序号N1，寻找值Smax-0.1*S对应的采样点序号N2；

S7：上位机按照公式Vavg=0.8*S/(（N1 - N2）/采集频率)计算动作过程平均速度，并将行程-时间曲线数据、Smax、Smin、N1、N2、分合闸标志以及平均速度结果通过第二网络通信接口返回给采集控制模块；

S8：等待采集控制模块收到结果回应后，回到S2等待采集控制模块通过第一网络通信接口传递上来的原始数据，重新运行。

10.根据权利要求9所述的10kV真空断路器分合闸平均速度非接触式测量方法，其特征在于，步骤S5中根据触发时刻，判断是合闸操作或分闸操作，具体为：

如果Smax点落在触发时刻T1后，则本次动作为合闸动作，设置分合闸标志为合闸操作；

如果Smax点落在触发时刻T1前，则本次动作为分闸动作，设置分合闸标志为分闸操作。

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