CN112698196B - 一种高压开关机械特性监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关机械特性监测装置，包括：快速摄像机、电流互感器、辅助触点输入接口和核心处理单元，快速摄像机、电流互感器和辅助触点输入接口均与核心处理单元电连接，快速摄像机用于拍摄高压开关本体合闸和分闸运动轨迹，电流互感器用于采集高压开关合闸线圈和分闸线圈的动作电流，辅助触点输入接口连接高压开关的辅助触点，用于接收辅助触点的合闸信号和分闸信号。本发明通过在接收到辅助输入触点的合闸到位信号前后的设定时间间隔内进行插帧处理，并采用二次元插帧算法与深度感知插帧算法相结合的插帧处理方法，既能提高精度，也能提高整体运行速度，可进一步减小对摄像机拍摄帧率的要求。

Description

一种高压开关机械特性监测装置

技术领域

本发明涉及高压电气设备在线监测技术领域，具体涉及一种高压开关机械特性监测装置。

背景技术

在输变电中，尤其是配网，高压开关是非常重要的一个部件，其作用是保护和控制电力系统，高压开关分布在变电所、环网柜输电设备上，受加工工艺、产品质量、运行工况以及运行环境的影响，经常出现开关拒合、拒分，甚至合闸、分闸时间过长拉弧导致设备爆炸事故也时有发生，而高压开关的正常工作与否将直接关系到整个电网的安全运行。随着配网综合自动化水平在不断提高，必然会对高压开关的可靠性提出更高的要求。高压开关故障会带来许多的停电事故，损失远大于设备本身的费用，因此，必须加强对高压开关状态监测，从而能够了解其运行状况，掌握其运行特性及变化趋势，提前采取预防措施或有计划的进行维修，防止出现潜在故障。高压开关机械状态在线监测装置能在线监测开关的各机械参数，能够将断路器运行过程中的机械状态随时掌握，及时分析、诊断和处理机械故障，为设备的状态检修机制提供依据，创造有利的条件给从计划检修到状态检修的转变，保证电网系统可靠运行，具有重大意义。

现有技术中，申请号为CN201510700465.2的中国专利以及徐玉涛的论文基于图像处理的断路器动触头运动参数识别方法研究均公开了基于非接触测量的断路器状态参数获取方法，通过高速相机拍摄固定于断路器动触头的辅助标示物图像，并通过分析辅助标志物的运动得出断路器开合闸结构运动的机械特性。高压开关一般合闸时间为30~70ms，分闸时间为20~50ms，行程10~15mm，合闸速度0.6~0.8m/s，分闸速度0.9~1.2m/s，合闸同期和弹跳小于3ms。虽然目前手机摄像机帧率已经从25FPS到60FPS，再到240FPS，甚至960FPS，但利用开关本体或操作联杆运动轨迹分析来获取开关机械特性，对摄像机的帧率有更高的要求。例如分闸最短时间为20ms，为了达到测量精度1ms，就需要采用1000 FPS以上的高速摄像机；为了达到测量精度为0.5ms，需要采用2000 FPS以上的超高速摄像机；为了达到更高的精度，需要采用更专业的摄像机。此外，如果仅靠摄像机的硬件迭代来提升帧率，存在局限性，因为摄像机传感器在单位时间内捕捉到的光有局限，而且相机硬件迭代的周期长。另外，帧率越高，相机成本也会成倍增加。

有鉴于此，亟待提供一种新的高压开关机械特性监测方案，在保证监测性能的同时能够降低设备的成本。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种高压开关机械特性监测装置，通过整体结构及监测方法上的改进，具体为通过在接收到辅助输入触点的合闸到位信号前后的设定时间间隔内进行插帧处理，并采用二次元插帧算法与深度感知插帧算法相结合的插帧处理方法，既能提高精度，也能提高整体运行速度，可进一步减小对摄像机拍摄帧率的要求。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提出一种高压开关机械特性监测装置，包括：快速摄像机、电流互感器、辅助触点输入接口和核心处理单元，所述快速摄像机、电流互感器和辅助触点输入接口均与所述核心处理单元电连接，所述快速摄像机用于拍摄高压开关本体合闸和分闸运动轨迹，所述电流互感器用于采集高压开关合闸线圈和分闸线圈的动作电流，所述辅助触点输入接口连接所述高压开关的辅助触点，用于接收辅助触点的合闸信号和分闸信号；

所述核心处理单元用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的合闸线圈电流高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，触发快速摄像机拍摄高压开关本体合闸运动轨迹，记录第一时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口的合闸状态输入，记录接收到合闸到位信号的时间为T₁₁，对所述T₁₁时间前后第二时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像进行插帧处理；

对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线；

通过所述开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的分闸线圈电流高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，触发快速摄像机拍摄高压开关本体分闸运动轨迹，记录第三时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口的分闸状态输入，记录接收到分闸到位信号的时间为T₂₁，形成开关分闸状态曲线；

对所拍摄的高压开关本体分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线；

通过所述开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述对所述T₁₁时间前后所述第二时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像进行插帧处理具体为：

对于所拍摄的图像中任意连续的四帧图片I_-1、I₀、I₁、I₂，首先利用二次元插帧算法在I₀帧与I₁帧之间插入I_t帧；

然后利用深度感知插帧算法在I₀帧与I_t帧之间插入I_t1帧，以及，在I_t帧与I₁帧之间插入I_t2帧。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索所述标识0、标识1和标识2，并分别找出所述标识0、标识1和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算所述标识0与标识1的距离，在所述T₁₁时间前后第二时间间隔内查找标识0与标识1的距离最小值，设定开关合闸状态判断值为所述最小值与调整值之和；

对每帧图像进行判断，若所述标识0与标识1的距离大于所述开关合闸状态判断值，代表开关未闭合，记录开关合闸状态值为0，若所述标识0与标识1的距离小于或等于所述开关合闸状态判断值，代表开关闭合，记录所述开关合闸状态值为1；

对开关合闸状态值进行逐帧描点，形成所述开关合闸状态曲线；

对每帧图像计算所述标识0与标识2的距离，得到开关合闸行程值，逐帧描点，形成所述开关合闸行程曲线。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述通过所述开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数具体为：

计算所述开关合闸行程曲线的末端值与始端值之差，得出合闸行程；

对所述开关合闸状态曲线查找开关合闸状态值最后的变化点，记录该点对应的时间为T₁₃，计算时间T₁₃与时间T₁₀之差，得出合闸时间；

计算时间T₁₁前第四时间间隔内的开关合闸状态曲线的斜率，得出合闸速度；

计算开关合闸行程曲线的末端值与时间T₁₁所对应的开关合闸行程值之差，得出合闸超程；

计算时间T₁₃与时间T₁₁之差，得出合闸弹跳；

计算三相合闸时间的最大差值，得出合闸同期。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述对所拍摄的高压开关本体分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索所述标识0和标识2，并分别找出所述标识0和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算所述标识0与标识2的距离，得到开关分闸行程值，逐帧描点，形成所述开关分闸行程曲线。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述形成开关分闸状态曲线具体为：

T₂₁时间前分闸状态没改变，代表开关闭合，记录开关分闸状态值为1；

T₂₁时间后分闸状态改变，代表开关未闭合，记录开关分闸状态值为0。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述通过所述开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数具体为：

计算所述开关分闸行程曲线的始端值与末端值之差，得出分闸行程；

计算时间T₂₁与时间T₂₀之差，得出分闸时间；

计算时间T₂₁后第五时间间隔内的开关分闸状态曲线的斜率并取相反值，得出分闸速度；

计算所述开关分闸行程曲线的始端值与最小开关分闸行程值的差值，得出分闸反弹。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置还包括辅助输出触点，所述辅助输出触点与核心处理单元电连接，用于输出报警信号，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的合闸线圈电流高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，此后，当监测的合闸线圈电流低于设定值时，记录合闸线圈失电时间为T₁₂；

计算T₁₂-T₁₀时间间隔，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点输出合闸线圈预警信号，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点输出合闸线圈报警信号；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的分闸线圈电流高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，此后，当监测的分闸线圈电流低于设定值时，记录分闸线圈失电时间为T₂₂；

计算T₂₂-T₂₀时间间隔，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点输出分闸线圈预警信号，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点输出分闸线圈报警信号。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置中，所述电流互感器还用于采集合闸弹簧储能电机电流，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

监测合闸弹簧储能电机电流，形成合闸弹簧储能电机电流曲线；

计算合闸弹簧储能电机电流曲线上电流非零值所持续的时间，得到合闸弹簧储能电机的储能时间；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取最大值，得到合闸弹簧储能电机的启动最大电流；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取除最大值以外的峰值，得到合闸弹簧储能电机的工作最大电流。

作为一种优选，本发明提出的一种高压开关机械特性监测装置还包括通信接口，所述通信接口与核心处理单元电连接，用于与监控后台进行通信，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

通过所述通信接口与监控后台进行通信。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明通过在接收到辅助输入触点的合闸到位信号前后设定时间间隔内进行插帧处理，相对于其它时段的插帧，既能提高精度，也能提高整体运行速度，可进一步减小对摄像机拍摄帧率的要求；

（2）本发明通过二次元插帧算法与深度感知插帧算法相结合的方法进行插帧处理，利用二次元插帧算法非线性剧烈运动较为准确的特点来弥补深度感知插帧算法的缺陷，利用深度感知插帧算法紧凑、高效、完全可微分、易实现多帧插入的特点，大大降低对摄像机帧率的要求；

（3）本发明根据捕捉到的开关本体或操作联杆的运动图像，以及各状态时间轴，计算获得合闸时间、分闸时间、合闸速度、分闸速度、合闸行程、分闸行程、合闸超程、合闸同期、合闸弹跳、分闸反弹、合闸线圈电流、分闸线圈电流和合闸弹簧储能电机电流等开关全特性参数，后续可将这些开关特性参数输入到预设专家评估模型，以综合评价高压开关健康状态，还可由辅助输出触点向用户或后台监控系统提供预警和报警信息。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图。

图2为本发明实施例高压开关本体的合闸运动轨迹示意图。

图3为本发明实施例开关合闸行程曲线和开关合闸状态曲线示意图。

图4为本发明实施例大菱形搜索模式和小菱形搜索模式示意图。

图5为本发明实施例高压开关本体的分闸运动轨迹示意图。

图6为本发明实施例开关分闸行程曲线和开关分闸状态曲线示意图。

图7为本发明实施例合闸线圈电流曲线和合闸触发信号曲线示意图。

图8为本发明实施例分闸线圈电流曲线和分闸触发信号曲线示意图。

图9为本发明实施例合闸弹簧储能电机电流曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种高压开关机械特性监测装置100包括：快速摄像机101、电流互感器102、辅助触点输入接口103和核心处理单元104，快速摄像机101、电流互感器102和辅助触点输入接口103均与核心处理单元104电连接，快速摄像机101用于拍摄高压开关本体200合闸和分闸运动轨迹，电流互感器102用于采集高压开关合闸线圈和分闸线圈的动作电流，辅助触点输入接口103连接高压开关的辅助触点205，用于接收辅助触点205的合闸信号和分闸信号；

核心处理单元104用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器102输出信号，当监测的合闸线圈电流高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，触发快速摄像机101拍摄高压开关本体200合闸运动轨迹，记录第一时间间隔内快速摄像机101所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口103的合闸状态输入，记录接收到合闸到位信号的时间为T₁₁，对T₁₁时间前后第二时间间隔内快速摄像机101所拍摄的图像进行插帧处理；

对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体200合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线；

通过开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器103输出信号，当监测的分闸线圈电流高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，触发快速摄像机101拍摄高压开关本体200分闸运动轨迹，记录第三时间间隔内快速摄像机101所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口103的分闸状态输入，记录接收到分闸到位信号的时间为T₂₁，形成开关分闸状态曲线；

对所拍摄的高压开关本体200分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线；

通过开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数。

需要说明的是，本发明实施例中，高压开关本体包括静触头201、动触头202和绝缘拉杆203，高压开关还包括操作联杆204和辅助触点205，在合闸或分闸操作完成后，由高压开关动触头202、绝缘拉杆203或操作联杆204带动辅助触点205进行切换，利用它们可传送开关位置信号，具体为合闸到位信号或分闸到位信号。T₁₁时间时，辅助触点205发出合闸到位信号，高压开关达到刚合状态。T₂₁时间时，辅助触点205发出分闸到位信号，高压开关达到刚分状态。

高压开关的合闸线圈得电后，线圈动铁芯开始运动，高压开关进行合闸，合闸线圈工作电流经采样与基准电压比较，产生一个高电平，核心处理单元104进入合闸信号中断并同时触发快速摄像机101开始捕捉开关本体200或操作联杆204的运动图像，其中，第一时间间隔的时长大于高压开关执行合闸的总时长。由于存在合闸弹跳，在接收到辅助输入触点205的合闸到位信号前后第二时间间隔内进行插帧处理，相对于其它时段的插帧，既能提高精度，也能提高整体运行速度，可进一步减小对摄像机拍摄帧率的要求。在一些实施例中，第二时间间隔可设置为5ms。

高压开关的分闸线圈得电后，线圈动铁芯开始运动，高压开关进行分闸，分闸线圈工作电流经采样与基准电压比较，产生一个高电平，核心处理单元104进入分闸信号中断并同时触发快速摄像机101开始捕捉开关本体200或操作联杆204的运动图像，其中，第三时间间隔的时长大于高压开关执行分闸的总时长。由于高压开关由分闸弹簧及储能电机释放储能完成分闸，分闸过程不存在弹跳，利用所接收到辅助输入触点205的分闸到位信号，可直接形成开关分闸状态曲线。

进一步地，作为一种优选实施例，对T₁₁时间前后第二时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像进行插帧处理具体为：

对于所拍摄的图像中任意连续的四帧图片I_-1、I₀、I₁、I₂，首先利用二次元插帧算法在I₀帧与I₁帧之间插入I_t帧；

然后利用深度感知插帧算法在I₀帧与I_t帧之间插入I_t1帧，以及，在I_t帧与I₁帧之间插入I_t2帧。

在本实施例中，二次元插帧算法的具体实现如以下文章中所述：Xiangyu Xu，LiSiyao，Wenxiu Sun，Qian Yin，Ming-Hsuan Yang，“Quadratic video interpolation[二次视频插值]”，2019年神经信息处理系统（NeurIPS 2019）会议，加拿大温哥华，第1645–1654页，2019年。深度感知插帧算法的具体实现如以下文章中所述：Wenbo Bao，Wei-Sheng Lai，Chao Ma，Xiaoyun Zhang，Zhiyong Gao，Ming-Hsuan Yang，“Depth-Aware Video FrameInterpolation[深度感知视频插帧]”，2019年IEEE国际计算机视觉与模式识别（CVPR2019）会议，美国加利福尼亚长滩，第3703–3712页，2019年。

需要说明的是，传统的插帧方法，例如基于相位的视频插值、基于深度体素流（Deep Voxel Flow，DVF）的视频插帧、自适应可分离卷积（Separable Convolution，SepConv）视频插帧和SuperSloMo视频插帧等，是假设相邻帧之间的运动是匀速的，即沿直线以恒定速度移动。然而，真实场景中的运动通常是复杂的、非线性的，传统线性模型会导致插帧的结果不准确。本发明实施例利用二次元插帧算法非线性剧烈运动较为准确的特点来弥补深度感知插帧算法的缺陷，利用深度感知插帧算法紧凑、高效、完全可微分、易实现多帧插入的特点，大大降低对摄像机帧率的要求。在具体实施中，本发明使用二次元插帧算法与深度感知插帧算法相结合，迭代一次，即可将帧率提升3倍，针对960FPS的原始帧率，可提高到3840FPS，实现时间0.26ms的精度。

进一步地，参见附图2、附图3，作为一种优选实施例，对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索标识0、标识1和标识2，并分别找出标识0、标识1和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算标识0与标识1的距离，在T₁₁时间前后第二时间间隔内查找标识0与标识1的距离最小值，设定开关合闸状态判断值为最小值与调整值之和；

对每帧图像进行判断，若标识0与标识1的距离大于开关合闸状态判断值，代表开关未闭合，记录开关合闸状态值为0，若标识0与标识1的距离小于或等于开关合闸状态判断值，代表开关闭合，记录开关合闸状态值为1；

对开关合闸状态值进行逐帧描点，形成开关合闸状态曲线；

对每帧图像计算标识0与标识2的距离，得到开关合闸行程值，逐帧描点，形成开关合闸行程曲线。

在本实施例中，高压开关本体的合闸运动轨迹如图2所示，包括初始状态、启动状态、刚合状态和超程状态。T₁₀时间起，合闸开始，直到合闸线圈动铁芯撞击到合闸脱扣前，高压开关状态不会发生变化，标识2与标识0之间的距离作为行程标定初始值；当合闸脱扣动作后，高压开关启动合闸，标识2与标识1之间的距离不会发生变化，标识1与标识0的距离逐渐减小；T₁₁时间时，接收到合闸到位信号，高压开关达到刚合状态，此后，标识1与标识0之间的距离不会发生变化，标识2与标识0之间的距离继续减小，压缩绝缘拉杆上的弹簧，直到最后停止，形成超程。标识2和标识0之间的距离随时间的变化形成开关合闸行程曲线，开关合闸行程曲线的示例参见附图3。

由于存在合闸弹跳，本实施例对高压开关合闸状态进行判断时，并非直接记录若标识0与标识1的距离，而是设定开关合闸状态判断值为标识0与标识1的距离最小值与调整值之和，并通过判断标识0与标识1的距离是否大于开关合闸状态判断值来确定开关状态，可以克服实际运用中因抖动或识别精度对判断开关状态带来的困难，提高了监测可靠性。调整值可根据实际监测情况及识别精度进行设置。开关合闸状态曲线的示例参见附图3。

需要说明的是，菱形搜索算法应用于块匹配运动估计为现有技术，最早由S. Zhu和K.K Ma提出。在本实施例中，对于首帧图像，分别选取包含标识0、标识1和标识2的图像块作为参考图像块，参考图像块的大小为M×N，获取其中心像素坐标，即分别对应获取首帧图像中标识0、标识1和标识2的中心点坐标；在后一帧图像中通过菱形搜索算法获得与参考图像块最相似的图像块，并获取该最相似的图像块中心像素坐标，即分别对应获取后一帧图像中标识0、标识1和标识2的中心点坐标；采用该最相似的图像块对参考图像块进行更新，继续进行后一帧图像的搜索。

菱形搜索算法包括大菱形搜索模式和小菱形搜索模式，如图4所示，大菱形搜索模式有9个搜索点，包括搜索中心以及8个按照菱形分布的围绕点；小菱形搜索模式有5个搜索点，包括搜索中心和与其相邻的水平垂直方向上的4个点组成小菱形。首先使用步长较大的大菱形搜索模式进行粗搜索，然后使用小菱形模式进行细搜索。搜索步骤如下：

第一步：首先以搜索窗口的中心点为中心，以菱形为模板，计算中心点和其周围八个点共九个点的SAD（Sum of Absolute Differences，绝对误差和）值，比较得到SAD值最小的点；

第二步：如果搜索的中心点就是SAD值最小的点，则跳到第三步使用小菱形搜索模板，否则以SAD值最小的点为中心，依旧回到第一步的搜索；

第三步：利用搜索点数只有5个点的小菱形搜索模板，计算这5个点的SAD值，取SAD值最小的点为最佳匹配点，最佳匹配点的坐标即为最相似的图像块中心像素坐标。

其中，SAD值采用下面的公式计算：

（1）

式中，（i，j）为中心像素的位置，f_n为当前帧的像素值大小，f_n-1为参考图像块的像素值大小，M为参考图像块在x轴方向的像素数目，N为参考图像块在y轴方向的像素数目。

进一步地，参见附图3，作为一种优选实施例，通过开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数具体为：

计算开关合闸行程曲线的末端值与始端值之差，得出合闸行程；

对开关合闸状态曲线查找开关合闸状态值最后的变化点，记录该点对应的时间为T₁₃，计算时间T₁₃与时间T₁₀之差，得出合闸时间；

计算时间T₁₁前第四时间间隔内的开关合闸状态曲线的斜率，得出合闸速度；

计算开关合闸行程曲线的末端值与时间T₁₁所对应的开关合闸行程值之差，得出合闸超程；

计算时间T₁₃与时间T₁₁之差，得出合闸弹跳；

计算三相合闸时间的最大差值，得出合闸同期。

在一些实施例中，第四时间间隔为6mm。

进一步地，参见附图5、附图6，作为一种优选实施例，对所拍摄的高压开关本体分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索标识0和标识2，并分别找出标识0和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算标识0与标识2的距离，得到开关分闸行程值，逐帧描点，形成开关分闸行程曲线。

在本实施例中，高压开关本体的分闸运动轨迹如图5所示，包括合闸状态、分闸启动、刚分状态和分闸状态。T₂₀时间起，分闸开始，分闸线圈动铁芯撞击到分闸脱扣前，高压开关状态不会发生变化；当分闸脱扣动作后，高压开关分闸启动，标识1与标识0之间的距离不会发生变化，标识2与标识1的距离逐渐增大；T₂₁时间时，接收到分闸到位信号，高压开关达到刚分状态，此后标识2与标识1之间的距离不会发生变化，标识2与标识0之间的距离继续增大，直到最后停止，分闸完成。标识2和标识0的距离随时间的变化形成开关分闸行程曲线，开关分闸行程曲线的示例参见附图6。

在本实施例中，利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索标识0和标识2，并分别找出标识0和标识2中心点坐标的实现方法与前述相同，不再赘述。

进一步地，参见附图5、附图6，作为一种优选实施例，形成开关分闸状态曲线具体为：

T₂₁时间前分闸状态没改变，代表开关闭合，记录开关分闸状态值为1；

T₂₁时间后分闸状态改变，代表开关未闭合，记录开关分闸状态值为0。

在本实施例中，可利用辅助触点205发出的分闸到位信号直接获得开关分闸状态曲线，避免搜索标识1的中心点，提高了计算效率。开关分闸状态曲线的示例参见附图6。

进一步地，作为一种优选实施例，参见附图6，通过开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数具体为：

计算开关分闸行程曲线的始端值与末端值之差，得出分闸行程；

计算时间T₂₁与时间T₂₀之差，得出分闸时间；

计算时间T₂₁后第五时间间隔内的开关分闸状态曲线的斜率并取绝对值，得出分闸速度；

计算开关分闸行程曲线的始端值与最小开关分闸行程值的差值，得出分闸反弹。

在一些实施例中，第五时间间隔为6mm。

进一步地，参见附图1、附图7和附图8，作为一种优选实施例，高压开关机械特性监测装置100还包括辅助输出触点105，辅助输出触点105与核心处理单元104电连接，用于输出报警信号，核心处理单元104还用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器102输出信号，当监测的合闸线圈电流值高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，此后，当监测的合闸线圈电流值低于设定值时，记录合闸线圈失电时间为T₁₂；

计算T₁₂-T₁₀时间间隔，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点105输出合闸线圈预警信号，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点105输出合闸线圈报警信号；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器102输出信号，当监测的分闸线圈电流值高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，此后，当监测的分闸线圈电流值低于设定值时，记录分闸线圈失电时间为T₂₂；

计算T₂₂-T₂₀时间间隔，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点105输出分闸线圈预警信号，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点105输出分闸线圈报警信号。

在本实施例中，参见附图7，当合闸线圈电流值高于设定值时，合闸触发信号值为1，将触发快速摄像机101拍摄高压开关本体200合闸运动轨迹，当合闸线圈电流值低于设定值时，合闸触发信号值为0，由此形成合闸触发信号曲线。当T₁₂-T₁₀时间间隔越大，代表合闸线圈动铁芯运动越慢，性能下降，根据预设值可做合闸线圈预警和报警，可由辅助输出触点105向用户或后台监控系统提供预警和报警信息。

参见附图8，当分闸线圈电流值高于设定值时，分闸触发信号值为1，将触发快速摄像机101拍摄高压开关本体200分闸运动轨迹，当分闸线圈电流值低于设定值时，分闸触发信号值为0，由此形成分闸触发信号曲线。当T₂₂-T₂₀时间间隔越大，代表分闸线圈动铁芯运动越慢，性能下降，根据预设值可做分闸线圈预警和报警，可由辅助输出触点105向用户或后台监控系统提供预警和报警信息。

进一步地，参见附图1和附图9，作为一种优选实施例，电流互感器102还用于采集合闸弹簧储能电机电流，核心处理单元104还用于执行如下处理步骤：

监测合闸弹簧储能电机电流，形成合闸弹簧储能电机电流曲线；

计算合闸弹簧储能电机电流曲线上电流非零值所持续的时间，得到合闸弹簧储能电机的储能时间；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取最大值，得到合闸弹簧储能电机的启动最大电流；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取除最大值以外的峰值，得到合闸弹簧储能电机的工作最大电流。

在本实施例中，高压开关合闸后合闸弹簧储存的能量被释放，为了下一次合闸，储能电机将启动能使弹簧自动储能，合闸弹簧储能电机电流曲线如图9所示。储能时间越短，储能电机工作电流越小，代表储能弹簧弹力越小，储能时间小于预设值时应更换储能弹簧，以避免无法合闸的状况。

进一步地，参见附图1，作为一种优选实施例，高压开关机械特性监测装置100还包括通信接口106，通信接口106与核心处理单元104电连接，用于与监控后台进行通信，核心处理单104元还用于执行如下处理步骤：

通过通信接口106与监控后台进行通信。

在本发明实施例中，核心处理单元104根据捕捉到的开关本体200或操作联杆204的运动图像，以及各状态时间轴，计算获得合闸时间、分闸时间、合闸速度、分闸速度、合闸行程、分闸行程、合闸超程、合闸同期、合闸弹跳、分闸反弹、合闸线圈电流、分闸线圈电流和合闸弹簧储能电机电流等开关全特性参数。核心处理单元104后续可将这些开关特性参数输入到预设专家评估模型，以综合评价高压开关健康状态。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，包括：快速摄像机、电流互感器、辅助触点输入接口和核心处理单元，所述快速摄像机、电流互感器和辅助触点输入接口均与所述核心处理单元电连接，所述快速摄像机用于拍摄高压开关本体合闸和分闸运动轨迹，所述电流互感器用于采集高压开关合闸线圈和分闸线圈的动作电流，所述辅助触点输入接口连接所述高压开关的辅助触点，用于接收辅助触点的合闸信号和分闸信号；

所述核心处理单元用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的合闸线圈电流高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，触发快速摄像机拍摄高压开关本体合闸运动轨迹，记录第一时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口的合闸状态输入，记录接收到合闸到位信号的时间为T₁₁，对所述T₁₁时间前后第二时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像进行插帧处理；

对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线；

通过所述开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的分闸线圈电流高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，触发快速摄像机拍摄高压开关本体分闸运动轨迹，记录第三时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像；

监测辅助触点输入接口的分闸状态输入，记录接收到分闸到位信号的时间为T₂₁，形成开关分闸状态曲线；

对所拍摄的高压开关本体分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线；

通过所述开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数。

2.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述对所述T₁₁时间前后所述第二时间间隔内快速摄像机所拍摄的图像进行插帧处理具体为：

对于所拍摄的图像中任意连续的四帧图片I_-1、I₀、I₁、I₂，首先利用二次元插帧算法在I₀帧与I₁帧之间插入I_t帧；

然后利用深度感知插帧算法在I₀帧与I_t帧之间插入I_t1帧，以及，在I_t帧与I₁帧之间插入I_t2帧。

3.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述对所拍摄及插帧处理后的高压开关本体合闸运动轨迹图像进行识别，形成开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索所述标识0、标识1和标识2，并分别找出所述标识0、标识1和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算所述标识0与标识1的距离，在所述T₁₁时间前后第二时间间隔内查找标识0与标识1的距离最小值，设定开关合闸状态判断值为所述最小值与调整值之和，所述调整值根据实际监测情况及识别精度进行设置；

对每帧图像进行判断，若所述标识0与标识1的距离大于所述开关合闸状态判断值，代表开关未闭合，记录开关合闸状态值为0，若所述标识0与标识1的距离小于或等于所述开关合闸状态判断值，代表开关闭合，记录所述开关合闸状态值为1；

对开关合闸状态值进行逐帧描点，形成所述开关合闸状态曲线；

对每帧图像计算所述标识0与标识2的距离，得到开关合闸行程值，逐帧描点，形成所述开关合闸行程曲线。

4.如权利要求3所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述通过所述开关合闸状态曲线和开关合闸行程曲线分析得出高压开关合闸参数具体为：

计算所述开关合闸行程曲线的末端值与始端值之差，得出合闸行程；

对所述开关合闸状态曲线查找开关合闸状态值最后的变化点，记录该点对应的时间为T₁₃，计算时间T₁₃与时间T₁₀之差，得出合闸时间；

计算时间T₁₁前第四时间间隔内的开关合闸状态曲线的斜率，得出合闸速度；

计算开关合闸行程曲线的末端值与时间T₁₁所对应的开关合闸行程值之差，得出合闸超程；

计算时间T₁₃与时间T₁₁之差，得出合闸弹跳；

计算三相合闸时间的最大差值，得出合闸同期。

5.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述对所拍摄的高压开关本体分闸运动轨迹图像进行识别，形成开关分闸行程曲线具体为：

高压开关本体的静触头、动触头和绝缘拉杆已分别设有标识0、标识1和标识2；

利用菱形搜索算法对每帧图像分别搜索所述标识0和标识2，并分别找出所述标识0和标识2中心点坐标；

对每帧图像计算所述标识0与标识2的距离，得到开关分闸行程值，逐帧描点，形成所述开关分闸行程曲线。

6.如权利要求5所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述形成开关分闸状态曲线具体为：

T₂₁时间前分闸状态没改变，代表开关闭合，记录开关分闸状态值为1；

T₂₁时间后分闸状态改变，代表开关未闭合，记录开关分闸状态值为0。

7.如权利要求6所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述通过所述开关分闸状态曲线和开关分闸行程曲线分析得出高压开关分闸参数具体为：

计算所述开关分闸行程曲线的始端值与末端值之差，得出分闸行程；

计算时间T₂₁与时间T₂₀之差，得出分闸时间；

计算时间T₂₁后第五时间间隔内的开关分闸状态曲线的斜率并取相反值，得出分闸速度；

计算所述开关分闸行程曲线的始端值与最小开关分闸行程值的差值，得出分闸反弹。

8.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，还包括辅助输出触点，所述辅助输出触点与核心处理单元电连接，用于输出报警信号，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

监测连接于高压开关合闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的合闸线圈电流高于设定值时，记录合闸开始时间为T₁₀，此后，当监测的合闸线圈电流低于设定值时，记录合闸线圈失电时间为T₁₂；

计算T₁₂-T₁₀时间间隔，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点输出合闸线圈预警信号，当T₁₂-T₁₀时间间隔大于合闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点输出合闸线圈报警信号；

监测连接于高压开关分闸线圈的电流互感器输出信号，当监测的分闸线圈电流高于设定值时，记录分闸开始时间为T₂₀，此后，当监测的分闸线圈电流低于设定值时，记录分闸线圈失电时间为T₂₂；

计算T₂₂-T₂₀时间间隔，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈预警预设值时，通过辅助输出触点输出分闸线圈预警信号，当T₂₂-T₂₀时间间隔大于分闸线圈报警预设值时，通过辅助输出触点输出分闸线圈报警信号。

9.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，所述电流互感器还用于采集合闸弹簧储能电机电流，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

监测合闸弹簧储能电机电流，形成合闸弹簧储能电机电流曲线；

计算合闸弹簧储能电机电流曲线上电流非零值所持续的时间，得到合闸弹簧储能电机的储能时间；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取最大值，得到合闸弹簧储能电机的启动最大电流；

在合闸弹簧储能电机电流曲线上选取除最大值以外的峰值，得到合闸弹簧储能电机的工作最大电流。

10.如权利要求1所述的一种高压开关机械特性监测装置，其特征在于，还包括通信接口，所述通信接口与核心处理单元电连接，用于与监控后台进行通信，所述核心处理单元还用于执行如下处理步骤：

通过所述通信接口与监控后台进行通信。

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