CN112928682A - 智能抽出式断路器 - Google Patents

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CN112928682A CN202110241843.0A CN202110241843A CN112928682A CN 112928682 A CN112928682 A CN 112928682A CN 202110241843 A CN202110241843 A CN 202110241843A CN 112928682 A CN112928682 A CN 112928682A
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Abstract

本发明提出了一种智能抽出式断路器，用于安装于配电柜柜体中，包括断路器本体和控制器，控制器与断路器本体电连接，智能抽出式断路器还包括电流传感器及温度传感器中的至少一种。本发明的智能抽出式断路器可自动检测电压电流温度等信息并进行故障诊断，并可实现短路故障、过载故障、过流故障、过压故障、欠压故障、过温故障及无故障等多种故障状态的诊断，故障诊断功能完善。

Description

智能抽出式断路器
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，尤其涉及一种智能抽出式断路器。
背景技术
断路器作为电力系统中最广泛、最重要的开关电器设备之一，它在供配电系统中用来分配电能和保护线路和带电源设备免受过载、欠压、短路等故障的危害。抽屉式断路器适用于交流50Hz、额定工作电压690V及以下、额定工作电流100至800A的电路中作不频繁转换及电动机不频繁起动之用。传统的抽屉式断路器不能自动检测电压电流温度等信息并进行故障诊断，加装成本较大，无法远程监控和控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种智能抽出式断路器，以解决传统抽屉式断路器不能自动检测电压电流温度等信息并进行故障诊断的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种智能抽出式断路器，用于安装于配电柜柜体中，包括断路器本体和控制器，控制器与断路器本体电连接，智能抽出式断路器还包括电流传感器及温度传感器中的至少一种；
电流传感器适于安装于断路器本体的出线端并连接控制器，用于检测单相电流状态信息；
温度传感器适于安装于断路器本体的触点上并连接控制器，用于检测温度状态信息；
控制器用于接收状态信号，对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号，对重构的状态信号进行多尺度分解以得到故障诊断参数，根据故障诊断参数进行故障诊断，所述状态信号包括单相电流状态信息及温度状态信息中的至少一种。
可选的，控制器对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号的步骤包括：
根据公式
Figure BDA0002962498830000021
对状态信号进行小波变换，x(t)为状态信号，s为尺度因子，τ为平移因子，R为实数集，t为时间，ψ(t)为小波函数，WTx(s，τ)为x(t)的小波变换系数；
根据
Figure BDA0002962498830000022
s0＝2、τ0＝1对
Figure BDA0002962498830000023
进行离散化，得到
Figure BDA0002962498830000024
ψj,k(t)为
Figure BDA0002962498830000025
离散化后的小波函数，j,k∈Z，Z为整数集；
根据公式
Figure BDA0002962498830000026
计算小波系数，Cj,k为小波系数；
根据公式
Figure BDA0002962498830000027
对x(t)进行重构，M,N为重构参数，fx(t)为重构的状态信号。
可选的，控制器还用于接收配电柜柜体处理器发送的单相电压状态信息，所述状态信号包括单相电流状态信息及单相电压状态信息，故障诊断参数包括电流高频细节系数dI3及电压高频细节系数dU3，电流高频细节系数dI3由重构的单相电流状态信息进行三尺度分解得到，电压高频细节系数dU3由重构的单相电压状态信息进行三尺度分解得到；
控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：步骤S1，至少获取电流高频细节系数阈值IL；步骤S2，至少根据电流高频细节系数dI3、电压高频细节系数dU3及电流高频细节系数阈值IL进行故障诊断。
可选的，步骤S1包括：获取电流高频细节系数阈值IL及电压高频细节系数阈值UL；
步骤S2包括：若dU3大于UL且dI3大于IL，则判断为过压故障；若dU3大于UL且dI3小于IL，则判断为欠压故障。
可选的，步骤S2包括：
获取阻抗高频细节系数阈值ZL及阻抗变化率高频细节系数阈值ΔZL；
根据公式
Figure BDA0002962498830000031
计算阻抗高频细节系数，根据公式
Figure BDA0002962498830000032
计算阻抗变化率高频细节系数，其中dZ3为阻抗高频细节系数，dΔZ3为阻抗变化率高频细节系数；
若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3大于ΔZL，则判断为短路故障；若dI3小于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过载故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障。
可选的，所述状态信号包括温度状态信息，故障诊断参数包括温度高频细节系数dT3，温度高频细节系数dT3由重构的温度状态信息进行三尺度分解得到；
控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：获取温度高频细节系数阈值TL；若dT3大于TL，则判断为过温故障。
可选的，控制器还用于根据接收到的配电柜柜体处理器信号判断是否发出分闸命令，若是则控制断路器本体分闸，否则判断是否发生故障；若发生故障则判断故障持续时间是否超过时间阈值，若故障持续时间超过时间阈值则控制断路器本体分闸，若故障持续时间未超过时间阈值则重复前述过程。
可选的，控制器置于电流传感器与断路器本体之间或温度传感器与断路器本体之间。
可选的，控制器包括信号处理模块、无线通信模块、控制信号输出模块及嵌入式CPU；
信号处理模块连接嵌入式CPU，用于采用二阶巴特沃斯滤波器、数字隔离芯片对单相电流状态信息或温度状态信息进行变换和滤波，变换成嵌入式CPU接收的模拟信号；
无线通信模块连接嵌入式CPU，用于将嵌入式CPU输出的串口信号转换为WiFi信号接入配电柜柜体处理器，并通过配电柜柜体处理器接收云端信息；
控制信号输出模块连接嵌入式CPU，用于采用光电隔离芯片放大嵌入式CPU的控制信号并接入断路器本体，控制断路器本体分合闸。
可选的，智能抽出式断路器还包括显示屏，显示屏与控制器电连接。
本发明的智能抽出式断路器相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)智能抽出式断路器可自动检测电压电流温度等信息并进行故障诊断，并可实现短路故障、过载故障、过流故障、过压故障、欠压故障、过温故障及无故障等多种故障状态的诊断，故障诊断功能完善；
(2)通过小波变换重构状态信号，由于故障信号大多数都是非平稳的突变信号，对其小波分析和重构后能提供及时可靠的故障信息，加快故障修复并减小损失；
(3)对重构的状态信号进行多尺度分解可以将信号中的高频成分和低频成分分离，高频成分包含状态信号发生突变的信息，通过多尺度分解提取高频信息进行故障诊断，选择对重构的状态信号进行三尺度分解可以在提取有效高频信息的同时减少干扰信号对故障诊断的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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附图。
图1为本发明的智能抽出式断路器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本实施例的智能抽出式断路器用于安装于配电柜柜体中，如图1所示，包括断路器本体、控制器、电流传感器、温度传感器及显示屏，控制器与断路器本体电连接。
其中，控制器置于电流传感器与断路器本体之间，或温度传感器与断路器本体之间，或同时置于电流传感器与断路器本体、温度传感器与断路器本体之间之间，这样可减少信号干扰，提高信号采集的准确度。
其中，显示屏与控制器电连接，用于进行各种可视化显示，以便于直观显示智能抽出式断路器的状态，如是否具有故障、分合闸状态等。电流传感器适于安装于断路器本体的出线端并连接控制器，用于检测单相电流状态信息。温度传感器适于安装于断路器本体的触点上并连接控制器，用于检测温度状态信息。控制器用于接收状态信号，对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号，对重构的状态信号进行多尺度分解以得到故障诊断参数，根据故障诊断参数进行故障诊断。所述状态信号包括单相电压状态信息U(t)、单相电流状态信息I(t)及温度状态信息T(t)，单相电压状态信息U(t)由配电柜柜体处理器发送。当然，所述状态信号也可只包括单相电压状态信息U(t)及单相电流状态信息I(t)这两种，或仅包括温度状态信息T(t)这一种，可根据需要诊断的故障类型而定。
其中，控制器对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号的步骤包括：
根据公式
Figure BDA0002962498830000051
对状态信号进行小波变换，x(t)为状态信号，s为尺度因子，τ为平移因子，R为实数集，t为时间，ψ(t)为小波函数，WTx(s，τ)为x(t)的小波变换系数；根据
Figure BDA0002962498830000052
s0＝2、τ0＝1对
Figure BDA0002962498830000053
进行离散化，得到
Figure BDA0002962498830000054
ψj,k(t)为
Figure BDA0002962498830000055
离散化后的小波函数，j,k∈Z，Z为整数集；根据公式
Figure BDA0002962498830000061
计算小波系数，Cj,k为小波系数；根据公式
Figure BDA0002962498830000062
对x(t)进行重构，M,N为重构参数，fx(t)为重构的状态信号。
其中，s表示状态信号在频域的伸缩，τ表示状态信号在时域的平移；对ψ(t)进行离散化主要通过对s和τ进行二进制离散化来实现，即
Figure BDA0002962498830000063
Figure BDA0002962498830000064
Cj,k以ψj,k(t)为基函数对状态信号进行离散化小波变换得到。重构的状态信号fx(t)经过多尺度分解得到反映信号基本轮廓的低频分量axj和反映信号细节信息的高频分量(dx1～dxj)，尺度j下的axj和dxj分别通过低通滤波和高通滤波卷积得到。将单相电压状态信息U(t)、单相电流状态信息I(t)及温度状态信息T(t)分别代入x(t)进行上述计算，便可得到重构的三种状态信息。这样本实施例通过小波变换重构状态信号，由于故障信号大多数都是非平稳的突变信号，对其小波分析和重构后能提供及时可靠的故障信息，加快故障修复并减小损失。
本实施例中，对重构的状态信号进行多尺度分解以得到故障诊断参数时，多尺度的维度可选，可根据公式
Figure BDA0002962498830000065
对重构的状态信号进行N尺度分解，aN为N尺度下的低频分量，di为i尺度下高频分量。多尺度分解可以将信号中的高频成分和低频成分分离，高频成分包含状态信号发生突变的信息，通过多尺度分解提取高频信息进行故障诊断。本实施例优选进行三尺度分解，可以在提取有效高频信息的同时减少干扰信号对故障诊断的影响。那么对重构的单相电压状态信息进行三尺度分解便可得到电压高频细节系数dU3，对重构的单相电流状态信息进行三尺度分解便可得到电流高频细节系数dI3，对重构的温度状态信息进行三尺度分解便可得到温度高频细节系数dT3。从而故障诊断参数可包括电流高频细节系数dI3、电压高频细节系数dU3及温度高频细节系数dT3这三种，也可仅包括电流高频细节系数dI3、电压高频细节系数dU3这两种，也可仅包括温度高频细节系数dT3这一种。
当状态信号包括单相电压状态信息U(t)、单相电流状态信息I(t)及温度状态信息T(t)这三种时，即故障诊断参数可包括电流高频细节系数dI3、电压高频细节系数dU3及温度高频细节系数dT3这三种，此时控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：获取电流高频细节系数阈值IL、电压高频细节系数阈值UL、温度高频细节系数阈值TL、阻抗高频细节系数阈值ZL及阻抗变化率高频细节系数阈值ΔZL；根据公式
Figure BDA0002962498830000071
计算阻抗高频细节系数，根据公式
Figure BDA0002962498830000072
计算阻抗变化率高频细节系数，其中dZ3为阻抗高频细节系数，dΔZ3为阻抗变化率高频细节系数；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3大于ΔZL，则判断为短路故障；若dI3小于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过载故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障；若dU3大于UL且dI3大于IL，则判断为过压故障；若dU3大于UL且dI3小于IL，则判断为欠压故障；若dT3大于TL，则判断为过温故障；若dU3小于UL、dI3小于IL、dT3小于TL、dZ3小于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断无故障。这样本实施例的智能抽出式断路器可自动检测电压电流温度等信息并进行故障诊断，并可实现短路故障、过载故障、过流故障、过压故障、欠压故障、过温故障及无故障等多种故障状态的诊断，故障诊断功能完善。
当状态信号仅包括单相电压状态信息U(t)及单相电流状态信息I(t)这两种时，即故障诊断参数可包括电流高频细节系数dI3及电压高频细节系数dU3，此时控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括两种。一种为：获取电流高频细节系数阈值IL、阻抗高频细节系数阈值ZL及阻抗变化率高频细节系数阈值ΔZL；根据公式
Figure BDA0002962498830000081
计算阻抗高频细节系数，根据公式
Figure BDA0002962498830000082
计算阻抗变化率高频细节系数；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3大于ΔZL，则判断为短路故障；若dI3小于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过载故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障。另一种为：获取电流高频细节系数阈值IL及电压高频细节系数阈值UL；若dU3大于UL且dI3大于IL，则判断为过压故障；若dU3大于UL且dI3小于IL，则判断为欠压故障。
当状态信号仅包括温度温度状态信息T(t)这一种时，即故障诊断参数仅包括温度高频细节系数dT3，此时控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：获取温度高频细节系数阈值TL；若dT3大于TL，则判断为过温故障。
进一步的，本实施例的控制器还用于根据接收到的配电柜柜体处理器信号判断是否发出分闸命令，若是则控制断路器本体分闸，否则判断是否发生故障；若发生故障则判断故障持续时间是否超过时间阈值，若故障持续时间超过时间阈值则控制断路器本体分闸，若故障持续时间未超过时间阈值则重复前述过程。
进一步的，本实施例的控制器包括信号处理模块、无线通信模块、控制信号输出模块及嵌入式CPU。信号处理模块连接嵌入式CPU，用于采用二阶巴特沃斯滤波器、数字隔离芯片对单相电流状态信息或温度状态信息进行变换和滤波，变换成嵌入式CPU接收的模拟信号。无线通信模块连接嵌入式CPU，用于将嵌入式CPU输出的串口信号转换为WiFi信号接入配电柜柜体处理器，并通过配电柜柜体处理器接收云端信息。控制信号输出模块连接嵌入式CPU，用于采用光电隔离芯片放大嵌入式CPU的控制信号并接入断路器本体，控制断路器本体分合闸。本实施例的电流传感器型号为L32PxxxS05FS，可测量电流范围为-400A至400A，对应着输出电压0V至5V。温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，将温度转换为数字信号，通过单总线协议与嵌入式CPU通讯，可以检测温度范围为-55℃至+125℃，检测精度可达到±0.5℃。信号处理模块包括电流信号处理电路和温度信号处理电路，电流信号处理电路将电流传感器输出的0V至5V电压信号通过分压电阻变成0V至3V信号，然后通过二阶有源低通滤波器后送给嵌入式CPU的AD通道使用，温度信号处理电路将温度传感器输出的数字信号通过隔离芯片送到嵌入式CPU的I/O口。无线通信模块能够连接物联网感知层和网络层，使终端设备具备联网信息传输能力，本实施例选用的基于ESP8266EX的超低功耗的UART-WiFi模块，该模块可以将嵌入式CPU的串口信号转换为WiFi信号接入配电柜柜体处理器，同样也可以接受配电柜柜体处理器发送的信息将其转换为串口信号传递给嵌入式CPU，用户可以使用手机等设备通过网络全球随时随地的远程监测和实时控制。控制信号输出模块采用光电隔离芯片将嵌入式CPU输出的控制信号进行放大连接到继电器后控制断路器本体的分合闸操作。嵌入式CPU采用的是ARM-Cortex-M3的32位微控制器STM32F103，该微控制器将信号处理电路传递的模拟量数字化，并在程序中进行监控，当发现过压、欠压、过流等缺陷时输出保护信号控制断路器本体分闸，避免故障发生。嵌入式CPU将数字化后的信息使用无线通信模块与配电柜柜体处理器通信，也可以接收配电柜柜体处理器发送的命令对断路器本体进行分合闸操作，实现通过手机或其他移动终端随时随地对断路器进行高效管理和运行监控。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能抽出式断路器，用于安装于配电柜柜体中，包括断路器本体和控制器，控制器与断路器本体电连接，其特征在于，智能抽出式断路器还包括电流传感器及温度传感器中的至少一种；
电流传感器适于安装于断路器本体的出线端并连接控制器，用于检测单相电流状态信息；
温度传感器适于安装于断路器本体的触点上并连接控制器，用于检测温度状态信息；
控制器用于接收状态信号，对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号，对重构的状态信号进行多尺度分解以得到故障诊断参数，根据故障诊断参数进行故障诊断，所述状态信号包括单相电流状态信息及温度状态信息中的至少一种。
2.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，控制器对状态信号进行离散化小波变换以重构状态信号的步骤包括：
根据公式
Figure FDA0002962498820000011
对状态信号进行小波变换，x(t)为状态信号，s为尺度因子，τ为平移因子，R为实数集，t为时间，ψ(t)为小波函数，WTx(s，τ)为x(t)的小波变换系数；
根据
Figure FDA0002962498820000012
s0＝2、τ0＝1对
Figure FDA0002962498820000013
进行离散化，得到
Figure FDA0002962498820000014
ψj,k(t)为
Figure FDA0002962498820000015
离散化后的小波函数，j,k∈Z，Z为整数集；
根据公式
Figure FDA0002962498820000016
计算小波系数，Cj,k为小波系数；
根据公式
Figure FDA0002962498820000017
对x(t)进行重构，M,N为重构参数，fx(t)为重构的状态信号。
3.如权利要求2所述的智能抽出式断路器，其特征在于，控制器还用于接收配电柜柜体处理器发送的单相电压状态信息，所述状态信号包括单相电流状态信息及单相电压状态信息，故障诊断参数包括电流高频细节系数dI3及电压高频细节系数dU3，电流高频细节系数dI3由重构的单相电流状态信息进行三尺度分解得到，电压高频细节系数dU3由重构的单相电压状态信息进行三尺度分解得到；
控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：步骤S1，至少获取电流高频细节系数阈值IL；步骤S2，至少根据电流高频细节系数dI3、电压高频细节系数dU3及电流高频细节系数阈值IL进行故障诊断。
4.如权利要求3所述的智能抽出式断路器，其特征在于，步骤S1包括：获取电流高频细节系数阈值IL及电压高频细节系数阈值UL；
步骤S2包括：若dU3大于UL且dI3大于IL，则判断为过压故障；若dU3大于UL且dI3小于IL，则判断为欠压故障。
5.如权利要求3所述的智能抽出式断路器，其特征在于，步骤S2包括：
获取阻抗高频细节系数阈值ZL及阻抗变化率高频细节系数阈值ΔZL；
根据公式
Figure FDA0002962498820000021
计算阻抗高频细节系数，根据公式
Figure FDA0002962498820000022
计算阻抗变化率高频细节系数，其中dZ3为阻抗高频细节系数，dΔZ3为阻抗变化率高频细节系数；
若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3大于ΔZL，则判断为短路故障；若dI3小于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过载故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障；若dI3大于IL、dZ3大于ZL且dΔZ3小于ΔZL，则判断为过流故障。
6.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，所述状态信号包括温度状态信息，故障诊断参数包括温度高频细节系数dT3，温度高频细节系数dT3由重构的温度状态信息进行三尺度分解得到；
控制器根据故障诊断参数进行故障诊断的步骤包括：获取温度高频细节系数阈值TL；若dT3大于TL，则判断为过温故障。
7.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，控制器还用于根据接收到的配电柜柜体处理器信号判断是否发出分闸命令，若是则控制断路器本体分闸，否则判断是否发生故障；若发生故障则判断故障持续时间是否超过时间阈值，若故障持续时间超过时间阈值则控制断路器本体分闸，若故障持续时间未超过时间阈值则重复前述过程。
8.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，控制器置于电流传感器与断路器本体之间或温度传感器与断路器本体之间。
9.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，控制器包括信号处理模块、无线通信模块、控制信号输出模块及嵌入式CPU；
信号处理模块连接嵌入式CPU，用于采用二阶巴特沃斯滤波器、数字隔离芯片对单相电流状态信息或温度状态信息进行变换和滤波，变换成嵌入式CPU接收的模拟信号；
无线通信模块连接嵌入式CPU，用于将嵌入式CPU输出的串口信号转换为WiFi信号接入配电柜柜体处理器，并通过配电柜柜体处理器接收云端信息；
控制信号输出模块连接嵌入式CPU，用于采用光电隔离芯片放大嵌入式CPU的控制信号并接入断路器本体，控制断路器本体分合闸。
10.如权利要求1所述的智能抽出式断路器，其特征在于，还包括显示屏，显示屏与控制器电连接。
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