CN112748329A - 一种柱上断路器自动检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱上断路器自动检测方法，包括以下步骤：采集柱上断路器的储能电源电机的电流波形；在实现柱上断路器的分合闸录波、储能电源电机录波之后，进行波形分析，对开关分合闸和储能电源状态进行判断，给出开关储能电源和分合闸是否异常的结论。本发明还涉及一种柱上断路器自动检测装置，包括依次连接的前端电流采集电路、模数转换模块、数据读取模块。本发明将监测信号波形与柱上断路器正常时的信号波形进行对比，判断储能电源电压电流和操动机构分合闸动作是否正常，从而实现对柱上断路器健康状态的主动感知、提前预判；本发明通过优化前端采集电路、选用更高性能AD芯片以及采用16位并行总线读取数据，提高采集精度及速率。

Description

一种柱上断路器自动检测方法和检测装置

技术领域

本发明属于智能柱上断路器技术领域，更具体地说，涉及到一种柱上断路器健康状态的自动检测方法和检测装置。

背景技术

柱上断路器设备是装在10kV架空配电线路中，用于分断、闭合、承载线路负荷电流及故障电流的机械开关设备。随着配电网向信息化、智能化和集成化的方向发展，配电网结构逐渐变得越来越复杂，柱上断路器设备作为配电线路的重要设备，其工作的可靠性、稳定性关乎电网的安全运行。

柱上断路器设备长期工作在高温、高压、潮湿的恶劣环境中，极易发生各种各样的故障，造成线路瘫痪。目前，对于柱上断路器设备故障问题的排查，仍然依靠维修人员停电检修，导致线路负载长时间断电。针对该问题，研究柱上断路器健康状态的自我感知、提前预测方法和检测装置尤为重要，以契合配电网自动化发展宗旨。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是，提出一种柱上断路器健康状态的自动检测方法和检测装置。本发明所采用的技术方案如下：

一种柱上断路器自动检测方法，包括以下步骤：

步骤1、采集柱上断路器的储能电源电机的电流波形；

步骤2、在实现柱上断路器的分合闸录波、储能电源电机录波之后，进行波形分析，对开关分合闸和储能电源状态进行判断，给出开关储能电源和分合闸是否异常的结论。

一种柱上断路器自动检测装置，应用前述的柱上断路器自动检测方法，包括：依次连接的前端电流采集电路、模数转换模块、数据读取模块；所述的前端电流采集电路用于采集柱上断路器的储能电源充电、分合闸的电流信号，并将电流信号转换成小电压信号；所述的模数转换模块将模拟小电压信号转换为数字信号；所述的数据读取模块用于实现对模数转换模块读取电压信号数据；所述的前端电流采集电路通过航插接口连接至霍尔电流传感器。

本发明的有益效果：

本发明在传统储能电源、分合闸电路的基础上，增加电压电流监测步骤和装置，对柱上断路器储能电源充电、分合闸动作进行录波，将监测信号波形与柱上断路器正常时的信号波形进行对比，判断储能电源电压电流和操动机构分合闸动作是否正常，从而实现对柱上断路器健康状态的主动感知、提前预判，简化运维检修工作，提高电网运行可靠性。

本发明在充分论证储能电源充电、分合闸动作时间对应动作电流基础上，提出了一种柱上开关健康状态的自动检测装置。本发明通过优化前端采集电路、选用更高性能的AD芯片以及采用16位并行总线读取数据，提高采集精度及速率。把采集的数据进行多项式拟合。利用拟合而成的曲线对比正常动作时的曲线，从而达到对开关内部器件的监控与故障预判功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，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他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本发明实施例的正常储能电源储能时电机的电流波形示意图；

图2是本发明实施例的电机堵转故障电流波形与正常电流波形比较示意图；

图3是本发明实施例的弹簧塑性变形故障电流波形与正常电流波形比较示意图；

图4是本发明实施例的自动检测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例的前端电流采集电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种柱上断路器自动检测方法，包括以下步骤：

步骤1、采集柱上断路器的储能电源电机的电流波形。

柱上断路器的开关在操作机构中由于锈蚀、润滑不良、运动部件磨损过大等原因造成的摩擦力增大，或者卡滞等原因都可能造成开关动作电流发生变化，变化大到一定程度是会造成开关故障，因此动作电流监测是判断操作机构故障的有效手段。如图1所示，是本发明实施例的正常储能电源储能时电机的电流波形示意图。储能电源电机动作时间与正常拉动弹簧的动作电流之间存在着关联关系，动作电流随着弹簧行程的增加而增加。

步骤2、在实现柱上断路器的分合闸录波、储能电源电机录波之后，进行波形分析，对开关分合闸和储能电源状态进行判断，给出开关储能电源和分合闸是否异常的结论。断路器不分合闸的时候，就会给储能电源供电，分合闸的时候就消耗储能电源里面的电，所以储能电源和分闸采集同一个地方的电压电流，只不过波形不一样。

判断方法如下：

2.1.对分合闸、储能电源录波的波形与开关初始的分合闸、储能电源波形进行对比，判断波形是否有明显异常。如图2所示，是本发明实施例的储能电源堵转故障电流波形与正常电流波形比较示意图。柱上断路器分合闸需要电机驱动，动作时卡住就叫堵转，卡住的时候，依然在给电机供电，这样就容易烧坏电机。当实时检测的波形与开关初始分合闸、储能电源波形偏离过大时说明柱上断路器异常。

如图3所示，是本发明实施例的弹簧塑性变形故障电流波形与正常电流波形比较示意图。图3中，开关在长时间多次动作后，达到弹簧寿命极限时，弹簧塑性变形，导致储能电源储能时电机驱动电流整体变小，此故障电流与正常电流波形对比，可以预判弹簧的寿命，提前告知运维人员，及时更换，避免造成损失，提高电网可靠运行。当实时检测的波形与开关初始波形偏离过大时说明柱上断路器异常。

2.2.通过分合闸录波到开关位置遥信返回的时间，判断开关分合闸的时间是否已经偏离开关初始的分合闸时间。

2.3.从储能电源波形分析出储能电源的时间是否已经与开关正常状态下的储能电源储能时间不一致。

作为优选的实施例，本发明方法的录波方式如下：

A.储能电源电流录波点数不少于每秒500点，考虑到储能电源电机启动电流是瞬时的，为了保证能够采到多数电机的启动电流最大值，储能电源电流录波点数采用每秒不少于500点。储能电源电流录波的启动条件为储能电源电流越限，结束条件为启动后15秒，主要是考虑应满足中压开关每次储能电源储能时长约在6-10秒，为了完整录波，取15秒。

B.分合闸动作电流录波点数不少于每秒4000点，由于分合闸信号是非平稳信号，根据目前的数据积累发现，合理的信号带宽约为2KHz。这样为了满足分析计算，应满足香农采样定理，即fs≥2fmax。分合闸动作电流录波启动条件为操作电源电流越限，结束条件为启动后1秒，这样是为了保证一次完整分合闸数据能够保存在一条数据记录。

假定实时检测的波形为x(t)，开关初始波形为y(t)，选择当倍数a使a*y(t)去逼近x(t)。借用误差能量来度量这对波形的相似程度，具体方法：

误差能量用x(t)-a*y(t)的平方在时域上的积分来表示；倍数a的选择必须要保证能使能量误差为最小，通过对函数求导求极值可以得知当a为x(t)*y(t)在时域的积分与y(t)*y(t)在时域的积分比值时可以满足条件，在此条件下的误差能量是可能所有条件下最小的。定义x(t)与y(t)的相关数为Pxy,其平方与1的差值为相对误差能量，即误差能量与x(t)*x(t)在时域积分的比值。其中，xy就可以用来表征两波形的相似程度。解出关于Pxy的方程，其分子为x(t)*y(t)在时域的积分；分为两信号各自的平方在时域积分之积的平方根。从数学上可以证明分子的模小于分母，也即相关数Pxy的模不会大于1。由于对于能量有限的信号而言，能量是确定的，相关系数Pxy的大小只由x(t)*y(t)的积分所决定。如果两完全不相似的波形其幅度取值和出现时刻是相互独立、彼此无关的，x(t)*y(t)＝0，其积分结果亦为0，所以当相关系数为0时相似度最差，即不相关。当相关系数为1，则误差能量为0，说明这两信号相似度很好，是线形相关的。

在开关装置内部发生据动、卡滞、轻载故障时，该方法通过图4原理图把电流信号经过ADC采集到主控芯片，主控芯片把各个录波点与开关正常工作时的录波点进行分析对比，类似图2、图3的录波波形分析，可以正确的选择出故障原因。

一种柱上断路器自动检测装置，应用前述的柱上断路器自动检测方法。如图4所示，是本发明实施例的自动检测装置的结构示意图。一种柱上断路器自动检测装置，包括检测装置壳体、整体封装在检测装置壳体中，所述的检测装置壳体上设置有航插接口。柱上断路器装有霍尔电流传感器，用于采集储能电源电机电源的电流，汇集至柱上断路器侧的航插接口，然后柱上断路器航插接口与检测装置航插接口进行连接，进而将储能电源电机电源的电流信号传给检测装置前端信号采集电路。

所述的检测装置壳体内设置有依次连接的前端电流采集电路、模数转换模块、数据读取模块。所述的前端电流采集电路用于采集柱上断路器的储能电源充电、分合闸的电流信号，并将电流信号转换成小电压信号。如图5所示，是本发明实施例的前端电流采集电路的结构示意图。前端电流采集电路通过航插接口连接至霍尔电流传感器，霍尔电流传感器可用于测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电流。霍尔电流传感器连接24V电源用于提供工作电源，霍尔电流传感器套在柱上断路器的储能电源电机供电回路上，把柱上断路器分合闸电机的储能电源、分合闸的电流信号转换成小电压信号，测量范围20A/2V；同时，该霍尔电流传感器的选择既能满足过流采集的需求，又不会影响正常采集的采样精度。霍尔电流传感器连接运放跟随电路TLV2762ID放大器芯片，运放跟随电路TLV2762ID连接12V电源用于提供工作电源，霍尔电流传感器的输出电压信号经过运放跟随电路输出，运放跟随电路提高小信号传输的稳定性、准确性。运放跟随电路的输出信号经过RC电路滤波后给到模数转换模块，C1采用聚酯薄膜电容，自愈性好、可靠性高、损耗小、电性能优越。以上的前端电流采集电路，能保证原始模拟信号无失真、高可靠的进入后级模数转换模块进行采样。

所述的模数转换模块将模拟小电压信号转换为数字信号。模数转换模块采用AD7606B芯片，AD7606B芯片是一款16位、同步采样、模数转换数据采集系统(DAS)；具有8个通道，满足检测装置对多路电压、电路采样的要求；每个通道均带有模拟输入箝位保护，可承受高达±21V的电压；为提高读取A/D转换数据的速率，提升检测装置对线路信号的处理速度、加快故障响应速度，AD7606B选用16位并行读取数据模式，以加快主控芯片对原始信号的读取处理。同时，AD7606B的信号采集频率在6kHZ以上，满足一个周波至少120个点，远远超于常规产品的采集速率与采集点数，更能够完整的实现录波与提高采集精度。本发明摒弃传统的12位A/D转换芯片，采用16位A/D转换芯片，信号采集的速度更快、精度更准。

所述的数据读取模块用于实现对模数转换模块、读取电压信号数据。所述的数据读取模块采用STM32F407芯片，是本发明实施例的数据读取模块的电路原理示意图。STM32F407芯片具有灵活的静态存储控制器(FSMC)，可配置16位宽的数据总线FSMC_D0～FSMC_D16，分别与AD7606B的16位并行数据输出引脚对应相连，实现对AD7606B的访问，读取数据。

本发明采用外置16位AD7606B与高性能STM32F407芯片并行高速率采集的方式，与传统产品采用低位数AD芯片或DSP内部AD的方式相比，能够有效提高采集频率与采集精度。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集柱上断路器的储能电源电机的电流波形；

步骤2、在实现柱上断路器的分合闸录波、储能电源电机录波之后，进行波形分析，对开关分合闸和储能电源状态进行判断，给出开关储能电源和分合闸是否异常的结论。

2.根据权利要求1所述的一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，步骤1中，储能电源电机动作时间与正常拉动弹簧的动作电流之间存在着关联关系，动作电流随着弹簧行程的增加而增加，因此动作电流监测是判断操作机构故障的有效手段。

3.根据权利要求1所述的一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，步骤2中的判断方法如下：

2.1.对分合闸、储能电源录波的波形与开关初始的分合闸、储能电源波形进行对比，判断波形是否有明显异常；

2.2.通过分合闸录波到开关位置遥信返回的时间，判断开关分合闸的时间是否已经偏离开关初始的分合闸时间；

2.3.从储能电源波形分析出储能电源的时间是否已经与开关正常状态下的储能电源储能时间不一致。

4.根据权利要求3所述的一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，步骤2.1中，开关达到弹簧寿命极限时弹簧塑性变形，导致储能电源储能时电机驱动电流整体变小，通过此故障电流与正常电流波形对比预判弹簧的寿命。

5.根据权利要求4所述的一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，录波方式如下：

A.储能电源电流录波点数不少于每秒500点，储能电源电流录波的启动条件为储能电源电流越限，结束条件为启动后15秒；

B.分合闸动作电流录波点数不少于每秒4000点，分合闸动作电流录波启动条件为操作电源电流越限，结束条件为启动后1秒。

6.根据权利要求5所述的一种柱上断路器自动检测方法，其特征在于，假定实时检测的波形为x(t)，开关初始波形为y(t)，选择当倍数a使a*y(t)去逼近x(t)，借用误差能量度量这对波形的相似程度。

7.一种柱上断路器自动检测装置，其特征在于，应用如权利要求1－6任一项所述的柱上断路器自动检测方法，包括：依次连接的前端电流采集电路、模数转换模块、数据读取模块；所述的前端电流采集电路用于采集柱上断路器的储能电源充电、分合闸的电流信号，并将电流信号转换成小电压信号；所述的模数转换模块将模拟小电压信号转换为数字信号；所述的数据读取模块用于实现对模数转换模块读取电压信号数据；所述的前端电流采集电路通过航插接口连接至霍尔电流传感器。

8.根据权利要求7所述的一种柱上断路器自动检测装置，其特征在于，所述的前端电流采集电路中，霍尔电流传感器连接运放跟随电路，运放跟随电路的输出信号经过RC电路滤波后给到模数转换模块；所述的RC电路中，C1采用聚酯薄膜电容。

9.根据权利要求8所述的一种柱上断路器自动检测装置，其特征在于，所述的运放跟随电路型号为TLV2762ID放大器芯片，连接12V电源用于提供工作电源。

10.根据权利要求9所述的一种柱上断路器自动检测装置，其特征在于，所述的柱上断路器检测装置整体封装在检测装置壳体中，所述的检测装置壳体上设置有航插接口。

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