CN112304592A - Gis设备的机械状态检测方法、gis设备机械状态检测装置及gis设备 - Google Patents

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张庆平
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Abstract

本发明提供GIS设备的机械状态检测方法，属于计算机技术领域。包括：获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号；分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态。本发明还提供GIS设备机械状态检测装置及GIS设备。

Description

GIS设备的机械状态检测方法、GIS设备机械状态检测装置及 GIS设备
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种GIS设备的机械状态检测方法、GIS设备机械状态检测装置及GIS设备。
背景技术
随着我国电力系统电压等级不断提高，气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulated(Metal-enclosed)Switchgear，GIS)作为电力系统核心设备之一，它的使用数量与范围也迅速增长，主要起到控制电力系统运行状态和保护电力系统正常运行的作用。
GIS设备故障类型中，机械故障占比较高。GIS设备的结构包括母线筒和开关。目前，常用的GIS设备机械故障检测方法是通过振动信号来检测：GIS设备运行时，母线筒内导电杆和GIS设备外壳会由于内部通电而在周围磁场的作用下受到力的作用，从而发生振动，GIS设备的工作情况不同，位于母线筒位置的GIS设备外壳的振动信号频谱也会发生变化，因此，根据振动信号频谱的变化情况就可以判断GIS设备是否存在机械故障。现有技术中，振动信号是内部通电并受到磁场力作用后在母线筒位置采集到的，只能较为准确地反映GIS设备在工作时母线筒内是否存在机械故障，并不能反映断路器是否存在开合故障。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种GIS设备的机械状态检测方法、GIS设备机械状态检测装置及GIS设备，用于反映GIS设备中断路器的机械状态，以及判断GIS设备是否存在断路器开合故障。
本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种GIS设备的机械状态检测方法，包括：
获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号；
分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；
处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；
计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态。
优选地，所述标准值包括低标准值，所述将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态包括：
当所述余弦相似度不高于所述低标准值时，所述断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障。
优选地，所述标准值包括还高标准值，所述将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态包括：
当所述余弦相似度不低于所述高标准值时，所述断路器的机械状态为不存在内部机械故障；
当所述余弦相似度介于所述低标准值与所述高标准值之间时，所述断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
优选地，所述低标准值取值为0.6，所述高标准值取值为0.7。
优选地，所述处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵包括：
计算所述时频图的梯度；
根据所述梯度计算梯度向量；
将所述梯度向量进行归一化操作，得到归一化的所述梯度矩阵；
所述获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号之前，还包括：
在所述断路器的外壳设置所述振动信号的振动测点，所述振动测点为1个或多个，所述振动测点安装用于获取所述振动信号的传感器；
设置获取所述振动信号的测量时长。
本发明还提供一种GIS设备机械状态检测装置，包括传感器和检测机构，
所述传感器，用于获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号，所述传感器位于所述断路器的外壳；
所述检测机构包括：
接收模块，用于接收所述振动信号；
分析模块，用于分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；
处理模块，用于处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；
计算模块，用于计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
机械状态分析模块，用于将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态。
优选地，所述标准值包括低标准值和高标准值，
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度不高于所述低标准值时，确定所述断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障；
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度不低于所述高标准值时，确定所述断路器的机械状态为不存在内部机械故障；
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度介于所述低标准值与所述高标准值之间时，确定所述断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
优选地，所述低标准值取值为0.6，所述高标准值取值为0.7。
优选地，所述处理模块包括：
计算单元，用于计算所述时频图的梯度；
所述计算单元，还用于根据所述梯度计算梯度向量；
归一化单元，用于将所述梯度向量进行归一化操作，得到归一化的所述梯度矩阵。
所述GIS设备机械状态检测装置还包括：
设置模块，用于在所述断路器的外壳设置所述振动信号的振动测点，所述振动测点为1个或多个，所述传感器安装于所述振动测点；
还用于设置获取所述振动信号的测量时长。
本发明还提供一种GIS设备，包括GIS设备本体以及GIS设备机械状态检测装置，所述GIS设备本体包括断路器和断路器外壳，所述GIS设备机械状态检测装置为前述的GIS设备机械状态检测装置。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的GIS设备的机械状态检测方法，包括：获取GIS设备的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号；分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态，可反映GIS设备中断路器的机械状态，以及判断GIS设备是否存在断路器开合故障。
附图说明
图1为GIS设备结构示意图。
图2为GIS设备的机械状态检测方法流程图。
图3为振动信号时频图。
图4为检测机构22的第一结构示意图。
图5为检测机构22的第二结构示意图
图6为检测机构22的第三结构示意图
图中：GIS设备本体1、GIS设备机械状态检测装置2、断路器外壳11、操纵机构12、弹簧拉杆13、传感器21、检测机构22。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
GIS设备断路器在进行开断、合闸动作时，操纵机构的动作会使得断路器外壳产生明显的振动，并向外辐射噪声，本发明通过在断路器的外壳部位设置振动测点，根据在振动测点获取的振动信号来分析断路器的机械状态，以及判断GIS设备是否存在断路器开合故障。断路器开合故障通常包括绝缘拉杆松脱、传动部件断裂、机构卡涩、脱口失灵等。如图1所示的结构示意图，本发明实施例中，GIS设备包括GIS设备本体1和GIS设备机械状态检测装置2，GIS设备本体1包括断路器外壳11、位于断路器外壳11内部的断路器、操纵机构12、用于连接操纵机构12和断路器的弹簧拉杆13，GIS设备机械状态检测装置2包括传感器21和检测机构22，操纵机构12在断路器动作前进行储能，在动作时释放能量，通过弹簧拉杆13拉动断路器的动静触头分离和接触，在上述过程中，会产生强烈振动并传递至断路器外壳11，通过安装在断路器外壳11上的传感器21，检测机构22根据传感器21接收的振动信号来分析断路器的机械状态。
本发明实施例中，GIS设备机械状态检测装置2可用于实施图2所示的GIS设备的机械状态检测方法，具体步骤可包括：
步骤S21，获取GIS设备本体1的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号；
步骤S22，分析该振动信号，得到振动信号的时频图；
步骤S23，处理振动信号的时频图，得到时频图的梯度矩阵；
步骤S24，计算梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
步骤S25，将余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与比较结果相对应的断路器的机械状态。
本发明实施例中，振动信号的获取是通过传感器21得到，如图1所示，预先在断路器的外壳上设置振动信号的振动测点，安置传感器21，可将振动信号回传至检测机构22。振动测点可设置1个或多个，例如，可如图1所示位置设置对称的两个振动测点。另外，需设置传感器21在振动测点获取振动信号的测量时长，根据多次测量实验可得知断路器进行开合动作后断路器外壳11的振动时长所在区间，本发明实施例可选取5s作为测量时长。
因此，在步骤S21，当断路器进行开断动作或合闸动作时，传感器21在振动测点开始获取为时5s的振动信号。
步骤S21是对振动信号进行小波时频分析，时频分析的步骤如下：
Figure BDA0002782901990000061
Figure BDA0002782901990000062
从小波基函数
Figure BDA0002782901990000063
可以看出，小波基函数有两个变量：尺度a(scale)和平移量τ(translation)。尺度a控制小波函数的伸缩，平移量τ控制小波函数的平移。尺度对应于振动频率，平移量τ对应于振动时间。可得出信号的频率成分，以及它在时域上存在的具体位置。在每个尺度下都平移和信号乘过一遍后，可得出振动信号中各个时间点对应的频率分量。如图3所示的振动信号时频图。
本发明实施例中，步骤S23处理振动信号的时频图，得到时频图的梯度矩阵，具体步骤包括：计算时频图的梯度；根据梯度计算梯度向量；将梯度向量进行归一化操作，得到归一化的梯度矩阵。
本发明实施例中，步骤S24提及的标准梯度矩阵可以是在没有任何磨损的断路器上实施步骤S21-S23后得出的梯度矩阵，作为比较的标准值。余弦相似度(COS-Similarity)是通过计算两个向量的夹角来描述两个向量之间的差异。这种相似性主要考虑方向而不是两个矢量的幅度一致性。NGM被重构为一维向量，称为NGM-Vector。在使用方向信息时，它也可以使用NGM中每个元素的幅度信息。余弦相似度可以通过以下方式计算：
Figure BDA0002782901990000071
它可以用来表征断路器目前状态与正常状态的差异大小，根据相似度值的大小就可以判断断路器是否正常。
本发明实施例中，步骤S25所提及的标准值可以是低标准值，例如，设置低标准值为0.6，当余弦相似度不高于低标准值时，即比较结果为COS-Similarity<0.6，断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障。
步骤S25所提及的标准值可以是高标准值，例如，设置高标准值为0.7，当余弦相似度不低于高标准值时，即比较结果为COS-Similarity>0.7，断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
另外，当余弦相似度介于低标准值与高标准值之间，0.6<COS-Similarity<0.7，断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
本发明实施例提供的GIS设备机械状态检测装置2可利用GIS设备本体1的断路器分合闸时的振动信号,对断路器暂态动作时的故障进行检测，有效地分析断路器的机械状态，以及判断GIS设备本体1是否存在断路器开合故障。
本发明实施例还提供一种GIS设备机械状态检测装置，包括传感器21和检测机构22，传感器22用于获取GIS设备本体1的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号，如图4-图6所示，检测机构22具体可包括：
接收模块221，用于接收传感器21获取的振动信号，其中，如图1所示，传感器位于断路器的外壳；
分析模块222，用于分析获取到的振动信号，得到振动信号的时频图；
处理模块223，用于处理时频图，得到时频图的梯度矩阵；
计算模块224，用于计算梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
机械状态分析模块225，用于将余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与比较结果相对应的断路器的机械状态。
本发明实施例中，所述的标准值包括低标准值和高标准值，机械状态分析模块225判断出余弦相似度不高于低标准值时，确定断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障；机械状态分析模块225判断出余弦相似度不低于高标准值时，确定断路器的机械状态为不存在内部机械故障；机械状态分析模块225判断出余弦相似度介于低标准值与高标准值之间时，确定断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。低标准值取值可以为0.6，高标准值取值可以为0.7。
本发明实施例中，处理模块223的可通过以下单元具体进行处理操作：
计算单元2231，用于计算时频图的梯度；还用于根据梯度计算梯度向量；
归一化单元2232，用于将梯度向量进行归一化操作，得到归一化的梯度矩阵。
本发明实施例中，检测机构22还包括设置模块226，用于在断路器的外壳设置振动信号的振动测点，振动测点为1个或多个，传感器安装于振动测点；还用于设置获取振动信号的测量时长。
本发明实施例的GIS设备中，GIS设备机械状态检测装置2可利用GIS设备本体1的断路器分合闸时的振动信号,对断路器暂态动作时的故障进行检测，有效地分析断路器的机械状态，以及判断GIS设备本体1是否存在断路器开合故障。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种GIS设备的机械状态检测方法，其特征在于，包括：
获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号；
分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；
处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；
计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态。
2.如权利要求1所述的GIS设备的机械状态检测方法，其特征在于，所述标准值包括低标准值，所述将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态包括：
当所述余弦相似度不高于所述低标准值时，所述断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障。
3.如权利要求2所述的GIS设备的机械状态检测方法，其特征在于，所述标准值包括还高标准值，所述将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态包括：
当所述余弦相似度不低于所述高标准值时，所述断路器的机械状态为不存在内部机械故障；
当所述余弦相似度介于所述低标准值与所述高标准值之间时，所述断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
4.如权利要求3所述的GIS设备的机械状态检测方法，其特征在于，所述低标准值取值为0.6，所述高标准值取值为0.7。
5.如权利要求1所述的GIS设备的机械状态检测方法，其特征在于，
所述处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵包括：
计算所述时频图的梯度；
根据所述梯度计算梯度向量；
将所述梯度向量进行归一化操作，得到归一化的所述梯度矩阵；
所述获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号之前，还包括：
在所述断路器的外壳设置所述振动信号的振动测点，所述振动测点为1个或多个，所述振动测点安装用于获取所述振动信号的传感器；
设置获取所述振动信号的测量时长。
6.一种GIS设备机械状态检测装置，其特征在于，包括传感器和检测机构，
所述传感器，用于获取GIS设备本体的断路器进行开断动作或合闸动作时产生的振动信号，所述传感器位于所述断路器的外壳；
所述检测机构包括：
接收模块，用于接收所述振动信号；
分析模块，用于分析所述振动信号，得到所述振动信号的时频图；
处理模块，用于处理所述时频图，得到所述时频图的梯度矩阵；
计算模块，用于计算所述梯度矩阵与标准梯度矩阵之间的余弦相似度；
机械状态分析模块，用于将所述余弦相似度与标准值相比较，得到比较结果，以及与所述比较结果相对应的所述断路器的机械状态。
7.如权利要求6所述的GIS设备机械状态检测装置，其特征在于，所述标准值包括低标准值和高标准值，
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度不高于所述低标准值时，确定所述断路器的机械状态为存在需要检修的内部机械故障；
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度不低于所述高标准值时，确定所述断路器的机械状态为不存在内部机械故障；
所述机械状态分析模块，用于判断出所述余弦相似度介于所述低标准值与所述高标准值之间时，确定所述断路器的机械状态为存在不影响正常运行的磨损状态。
8.如权利要求7所述的GIS设备机械状态检测装置，其特征在于，所述低标准值取值为0.6，所述高标准值取值为0.7。
9.如权利要求6所述的GIS设备机械状态检测装置，其特征在于，
所述处理模块包括：
计算单元，用于计算所述时频图的梯度；
所述计算单元，还用于根据所述梯度计算梯度向量；
归一化单元，用于将所述梯度向量进行归一化操作，得到归一化的所述梯度矩阵。
所述GIS设备机械状态检测装置还包括：
设置模块，用于在所述断路器的外壳设置所述振动信号的振动测点，所述振动测点为1个或多个，所述传感器安装于所述振动测点；
还用于设置获取所述振动信号的测量时长。
10.一种GIS设备，包括GIS设备本体以及GIS设备机械状态检测装置，所述GIS设备本体包括断路器和断路器外壳，所述GIS设备机械状态检测装置为权利要求6-9任一项所述的GIS设备机械状态检测装置。
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