CN112986810A - 一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法、装置及系统，方法包括：获取分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程的电流波形数据；分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为不同动作过程阶段的持续时间；将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。本发明通过对分闸线圈、合闸线圈和储能电机进行动作过程中的电流特性分析，能够更直观和准确的反映断路器或高压开关的机械特性。

Description

一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法、装置及 系统

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，特别是一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法、装置及系统。

背景技术

断路器、高压开关是电力系统中即为重要的设备，是电网运行中必不可少的组成部分。正常运行时，起到切换电网运行方式的作用。电网故障时，开关设备可及时切除故障。因此断路器或高压开关设备运行状态的好坏在电网运行中的地位极为重要，其兼具控制和保护的双重功能将直接影响到电网的安全运行。

断路器、高压开关是不断动作的设备，结构复杂，如高压开关，其具备一次高压部件和低压控制回路，长期运行，部件易损坏，造成电网事故。数据表明，机械特性类故障占断路器总故障的比例在60％以上，因此，目前对断路器的检修也主要是在机械特性上。

目前对于断路器和高压开关进行的机械测试通常为离线检测，在停电状态下，通过机械特性测试仪通过测量开关在分合过程中主回路的电流变化来获取机械特性的相关指标，其计算出的参数是分合闸时间、分合闸弹跳次数等基本参数，是机械特性劣化后的最终表征量。对于操作过程的中间设备，如分闸线圈、合闸线圈、储能电机，目前在离线检测的时候尚未进行深度的监测，仅测量分闸线圈和合闸线圈的电阻值，储能电机则未进行检测，而这三个设备是机械特性特征的中间设备，同样会影响断路器或高压开关的真实机械特性，因此现有机械特性测试技术在测试结果的准确性上还存在不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法、装置及系统，通过对断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机进行动作过程中的电流特性分析，对机械特性进行判断，能够更直观和准确的反应断路器或高压开关的机械特性。本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法，包括：

获取分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程中的电流波形数据；

根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列；

计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

以上方案中，所获取的电流波形数据为对应分闸线圈、合闸线圈和储能电机分别获取，进而分别分析比较判断各自的性能。

可选的，所述获取到的电流波形数据为采样点数据序列；各采样点对应的电流波形数据包括电流值及采样时刻。

可选的，方法还包括：对获取到的电流波形数据，采用平滑滤波算法进行滤波处理。可滤除电流波形中的干扰信号。

可选的，方法根据获取到的电流波形数据，利用一阶差分算法分析得到电流波形的突变点。对于离散的采样数据，一阶差分算法相当于求导，突变点在电流波形中的对应时刻即突变点对应的电流波形采样点数据的采样时刻。

可选的，方法还包括：根据电流波形数据及其一阶差分数据确定电流波形对应一个动作过程的起止时刻，确定依据为：

若电流波形数据及其对应的一阶差分数据均连续多个点为0，则这些电流波形数据对应的波形段落不属于完整波形的一部分。

可选的，分闸线圈和合闸线圈的动作过程按时间先后顺序包括：线圈初始通电阶段、线圈初始运动阶段、线圈动作阶段、铁芯停止运动阶段和恢复阶段；

储能电机的动作过程按时间先后顺序包括：储能电机启动阶段、无负载转动阶段和释能阶段；

对应各阶段分别预设有持续时间阈值范围；对应相邻阶段的邻接点分别预设有特征值阈值范围；

方法中，所述根据比较结果判断断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性为：

对于分闸线圈、合闸线圈或储能电机中的任一者，若任一特征值超出对应的特征值阈值范围，或任一过程阶段的持续时间超出相应的时间阈值范围，则判定相应的分闸线圈、合闸线圈或储能电机工作异常，断路器或高压开关的机械特性不满足要求。

第二方面，本发明提供一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析装置，包括：

波形获取模块，被配置用于获取分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程的电流波形数据；

突变点分析模块，被配置用于根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

特征值确定模块，被配置用于将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列，以及计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

以及，比较判断模块，被配置用于将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

第三方面，本发明提供一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析系统，包括电流采集单元、计时单元和机械特性分析单元；

所述电流采集单元用于分别采集并输出分闸线圈、合闸线圈和储能电机的动作过程电流信号；

所述计时单元生成所述动作过程电流信号的时间戳信息，传输至机械特性分析单元；

所述机械特性分析单元基于所述动作过程电流信号和时间戳信息，执行第一方面所述的机械特性分析方法，得到机械特性分析结果。

以上电流采集单元和计时单元可采用现有的采集与计时功能集成类设备。

可选的，机械特性分析系统还包括电流数据筛选单元，其用于对电流采集单元输出的动作过程电流信号进行筛选过滤。可用于剔除明显采集异常的数据，避免对分析结果造成影响。

可选的，机械特性分析系统还包括采集结果检测单元，其用于检测各电流采集单元的输出信号，若任一电流采集单元在设定时间内无非0电流检测结果输出，则采集结果检测单元输出相应电流采集单元故障报警信号。可有效排除电流传感器等电流检测设备故障导致的分析过程或结果异常。

有益效果

本发明适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法，基于在分闸线圈、合闸线圈和储能电机动作过程中获取的动作电流波形，通过特征值的提取计算得到运行过程中的关键信息，进而对断路器或高压开关的机械性能进行评价，能够极大提高断路器或高压开关机械特性判断或检修的效率和准确度。

同时，本发明的机械特性分析系统，通过电流数据筛选单元、采集结果检测单元的设置，能够保证用于断路器或高压开关机械特征分析的电流波形数据的准确性，从而进一步保证后续的断路器或高压开关机械特性分析的准确性。

附图说明

图1所示为本发明机械特性分析方法的一种实施方式流程示意图；

图2所示为分合闸线圈动作过程电流波形示意图；

图3所示为储能电机动作过程电流波形示意图；

图4所示为本发明利用一阶差分算法进行特征提取时的波形分析示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

现有技术对断路器进行机械特性测试时，对于操作过程的中间设备分闸线圈、合闸线圈、储能电机，在离线检测的时候尚未进行深度的监测，仅测量分闸线圈和合闸线圈的电阻值，储能电机则未进行检测。本发明的技术构思为，考虑到分闸线圈、合闸线圈、储能电机这三个设备是断路器机械特性特征的中间设备，因此通过对这三个设备进行动作过程特征分析，以更加直观和准确的得到断路器的机械特性检测结果。

实施例1

本实施例介绍一种适用于断路器或高压开关的机械特性分析方法，包括：

获取断路器或高压开关中分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程中的电流波形数据；

根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列；

计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

本实施例具体包括以下内容。

一、电流波形数据的获取

对于断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机，可在它们动作的过程中实时采集电流数据，所采集到的电流数据也即电流波形曲线上的数据点，是一组基于同一采样率的数据序列，如[n1,n2,n3……nm]，假设采样率为4kHz，则对应的全波形的持续时间为：t＝m*(1/4000)。

通过现有设备在采集得到动作过程电流数据的同时，可获得相应数据的时间戳信息。

由于波形采样中会存在毛刺和噪声，为确保后续分析准确，此时可通过平滑滤波算法对获取到的数据进行滤波处理，滤除波形中的干扰信号。

二、特征值的提取

动作过程电流波形曲线的特征值提取是本实施例波形分析的重点，由于获取到的波形是一个同时间相关的连续数据，而根据分闸线圈、合闸线圈、储能电机的工作特性，其动作过程波形应当是存在起止点以及多个拐点的，因此本实施例这部分内容的目标即确认动作过程波形的全波形持续时间、各过程阶段的持续时间、各个拐点的电流值及其对应的发生时刻。

对于全波形持续时间，首先需要确定波形的起始时刻，初始通过电流检测设备获取的电流波形数据通常包含了实际动作全过程波形前后的部分无关数据，但考虑环境噪声δ，这些无关波形数据的数值为0±δ，也即并不是严格意义上的0，因此要从检测获取的波形数据中确定波形岂止时刻，也即图2和图3中波形开始上升和完全结束的时刻，并不能简单的根据检测数据的首尾数据点确定。而从数据点所连成的波形角度考虑，波形的起始点和结束点实际也是波形的拐点，也就是波形数据发生转折的时刻，确定这些关键时刻的值就可以完成波形的复刻。

对于曲线的拐点寻找问题，数学上通常采用求导的方法来解决。但在本案中，由于所获取的初始波形数据为经过采样的离散数据序列，而非连续的函数，因此本实施例通过一阶差分算法进行曲线分析，分析的效果等同于求导。参考图4所示，那么在根据一阶差分计算结果绘制的一阶差分图像上，一阶差分结果曲线的过零点就是波形数据的拐点，拐点对应的电流数据采样点即为电流波形曲线的起始点或转折点，表征了分闸线圈、合闸线圈或储能电机的动作状态切换节点。根据这些拐点对应的电流数据采样时刻，即可计算得到各动作过程节点的持续时间，全波形的实际持续时间亦可得到。

一阶差分算法求曲线突变点的具体过程可参考现有技术。

本实施例还根据电流波形数据及其一阶差分数据确定电流波形对应一个动作过程的起止时刻，确定依据为：若电流波形数据及其对应的一阶差分数据均连续多个点为0，则这些电流波形数据对应的波形段落不属于完整波形的一部分。

假设经上述过程查找到波形的特征值序列为[x₀,x₂,x_3,…,x_n+1]，对应的电流值序列为【Is，I1，I2,…,In,Ie】，其中，Is和Ie分别为波形的起始点和终止点，对应的时间戳为【t0,t1,t2,…,tn,te】，全波形持续时间T＝te-t0；则经统计可形成如下表格：

基于上述特征统计结果，即可通过将其与分闸线圈、合闸线圈、储能电机正常工作状态下的对应经验特征值范围进行比较，从而判断是否存在异常。

三、比较判断

本实施例比较判断的依据为正常的分闸线圈、合闸线圈、储能电机在正常工作时完成一次动作过程的电流波形。被比较判断的分闸线圈、合闸线圈、储能电机应当至少能够完成一次完整动作过程，从而确保各个特征点均实际存在。

对于分闸线圈和合闸线圈，图2示出了它们在一次完整过程中的正常电流波形。分合闸控制是由铁芯在电磁力作用下吸合而实现的，由于铁芯在吸合的不同阶段将受到不同的阻力，线圈电流将分段且不断变化。当铁芯及其运动机构存在异常状况，如卡涩、脱扣、拒动等，线圈电流波形均会呈现异常。通过波形特征点的对比，即可分析分合闸的运行状态。

再次参考图2，在正常工作的情况下，典型分合闸电流波形图中：t0-t1阶段为初始通电阶段，线圈电流的上升趋势呈指数形式，铁心处于静止状态。这一阶段的持续时间由线圈电阻和控制电源决定，可以反映线圈的状态；t1-t2阶段为初始运动阶段，铁芯刚开始运动时，未触及分合闸顶针，此时反电动势作用较小，铁芯速度增加，电流值降低，最后，铁心触及顶针。根据这一段曲线可以判断铁心运动过程中是否存在脱扣、卡滞等；t2-t3阶段为动作阶段，此时铁芯触及顶针，铁芯受力增大，电流值增大，可判断顶针运动机构是否存在异常。在t3时，铁芯停止运动。t4-t5阶段为恢复阶段，此时开关完成动作，触头间将会有电弧产生，随着电弧电压不断升高，线圈电流迅速下降。

对于储能电机来说，以弹簧操动机构类型的断路器为例，储能回路接通后，弹簧开始做功，以储存分、合闸所需的能量。储能电机在一次动作过程中的电流波形如图3所示：t1时刻，储能电机接到上电指令，电机开始无负载的启动；t2时刻，电机无负载的转动，这是由于储能电机的电能还未转化成弹簧机构的机械能，电流从t2时刻开始趋于平稳；t3时刻，储能电机开始释能，拉动合闸弹簧做功，弹簧的刚度状态和储能轴的润滑度可以由这一段曲线得出。

在作为比较判断依据前，本实施例首先根据经验值确定正常波形各特征点的电流值阈值范围，以及各过程阶段和全波形的持续时间阈值范围。

最后，本实施例根据比较结果判断断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性，即为：

对于分闸线圈、合闸线圈或储能电机中的任一者，若其动作过程波形的任一特征值超出对应的特征值阈值范围，或任一过程阶段的持续时间超出相应的时间阈值范围，则判定相应的分闸线圈、合闸线圈或储能电机工作异常，相应的断路器或高压开关的机械特性不满足要求。

实施例2

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种断路器或高压开关的机械特性分析装置，包括：

波形获取模块，被配置用于获取断路器或高压开关中分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程的电流波形数据；

突变点分析模块，被配置用于根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

特征值确定模块，被配置用于将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列，以及计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

以及，比较判断模块，被配置用于将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

以上各模块的功能实现具体可参考实施例1中的相关内容。

实施例3

本实施例介绍一种机械特性分析系统，包括电流采集单元、计时单元和机械特性分析单元；

所述电流采集单元用于分别采集并输出断路器或高压开关中分闸线圈、合闸线圈和储能电机的动作过程电流信号；

所述计时单元生成所述动作过程电流信号的时间戳信息，传输至机械特性分析单元；

所述机械特性分析单元基于所述动作过程电流信号和时间戳信息，执行第一方面所述的机械特性分析方法，得到断路器或高压开关的机械特性分析结果。

以上电流采集单元和计时单元可采用现有的采集与计时功能集成类设备。

本实施例中，机械特性分析系统还包括电流数据筛选单元，其用于对电流采集单元输出的动作过程电流信号进行筛选过滤。可用于剔除明显采集异常的数据，避免对分析结果造成影响。

进一步的，本实施例机械特性分析系统还包括采集结果检测单元，其用于检测各电流采集单元的输出信号，若任一电流采集单元在设定时间内无非0电流检测结果输出，则采集结果检测单元输出相应电流采集单元故障报警信号。可有效排除电流传感器等电流检测设备故障导致的分析过程或结果异常。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析方法，其特征是，包括：

获取分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程的电流波形数据；

根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列；

计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述获取到的电流波形数据为采样点数据序列；各采样点对应的电流波形数据包括电流值及采样时刻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，还包括：对获取到的电流波形数据，采用平滑滤波算法进行滤波处理。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，根据获取到的电流波形数据，利用一阶差分算法分析得到电流波形的突变点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，还包括：根据电流波形数据及其一阶差分数据确定电流波形对应一个动作过程的起止时刻，确定依据为：

若电流波形数据及其对应的一阶差分数据均连续多个点为0，则这些电流波形数据对应的波形段落不属于完整波形的一部分。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，分闸线圈和合闸线圈的动作过程按时间先后顺序包括：线圈初始通电阶段、线圈初始运动阶段、线圈动作阶段、铁芯停止运动阶段和恢复阶段；

储能电机的动作过程按时间先后顺序包括：储能电机启动阶段、无负载转动阶段和释能阶段；

对应各阶段分别预设有持续时间阈值范围；对应相邻阶段的邻接点分别预设有特征值阈值范围；

方法中，所述根据比较结果判断断路器的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性为：

对于分闸线圈、合闸线圈或储能电机中的任一者，若任一特征值超出对应的特征值阈值范围，或任一过程阶段的持续时间超出相应的时间阈值范围，则判定相应的分闸线圈、合闸线圈或储能电机工作异常，相应断路器或高压开关的机械特性不满足要求。

7.一种适用于断路器及高压开关的机械特性分析装置，其特征是，包括：

波形获取模块，被配置用于获取分闸线圈、合闸线圈和储能电机完成一次动作过程的电流波形数据；

突变点分析模块，被配置用于根据获取到的电流波形数据，分析得到电流波形的突变点以及各突变点在电流波形中的对应时刻；

特征值确定模块，被配置用于将电流波形突变点对应的电流值作为电流波形的特征值，得到按发生时刻排序的波形特征值序列，以及计算相邻特征值之间的发生时刻之差，作为分闸线圈、合闸线圈或储能电机在不同动作过程阶段的持续时间；

以及，比较判断模块，被配置用于将各波形特征值与预设的特征值阈值范围进行比较，将计算得到的各动作过程阶段的持续时间与预设的对应阶段的持续时间阈值范围进行比较；根据比较结果判断断路器或高压开关的分闸线圈、合闸线圈和储能电机的机械特性。

8.一种机械特性分析系统，其特征是，包括电流采集单元、计时单元和机械特性分析单元；

所述电流采集单元用于分别采集并输出断路器或高压开关中分闸线圈、合闸线圈和储能电机的动作过程电流信号；

所述计时单元生成所述动作过程电流信号的时间戳信息，传输至机械特性分析单元；

所述机械特性分析单元基于所述动作过程电流信号和时间戳信息，执行第一方面所述的机械特性分析方法，得到断路器或高压开关的机械特性分析结果。

9.根据权利要求8所述的断路器机械特性分析系统，其特征是，还包括电流数据筛选单元，其用于对电流采集单元输出的动作过程电流信号进行筛选过滤。

10.根据权利要求8或9所述的断路器机械特性分析系统，其特征是，还包括采集结果检测单元，其用于检测各电流采集单元的输出信号，若任一电流采集单元在设定时间内无非0电流检测结果输出，则采集结果检测单元输出相应电流采集单元故障报警信号。

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