CN113311321A - 一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，包括以下步骤：采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波；将辐射电磁波数据传输至多通道示波器进行存储；利用分离算法对示波器中存储的辐射电磁波进行计算，以分别提取出断路器的各相电磁波信号；将各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，判定断路器触头的烧蚀程度。本申请采用电气测量、算法分离、波形观察的手段，分别提取断路器A相B相C相的电磁波信号，分析电磁波信号的数量，以此实现对断路器三个相位的触头烧蚀程度的快速诊断，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

Description

一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法

技术领域

本申请涉及断路器故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法。

背景技术

断路器应用于电力系统中，主要能在发生严重过载或者短路及欠压等故障时自动切断电路，用于控制电力系统电压的稳定。而在长期的工作条件下，断路器的触头会因分闸的过程中高温高压环境而产生烧蚀现象，而烧蚀的触头会影响断路器的分闸性能，从而导致操作不灵活、分闸不到位等故障，严重威胁电网安全、稳定运行。因此能反映断路器触头烧蚀程度的判定特征量对于断路器的性能评定至关重要，是反映其性能的关键参数之一。

但目前，对于断路器A相B相C相不同触头烧蚀程度的判定并没有行之有效的方法，而且在这一方面的研究成果也不是很多，其故障诊断方法与设备尚不完善。尤其在实际的工作条件下，由于系统中运行的断路器量大、因经济发展迅速导致设备停电时机或机会少等种种现实问题，使得此类型检测手段在实际中又不好使用。目前多以防范措施和经验诊断为主，鲜有直观、有效的诊断方法。现有检测诊断方法无论从安全性、经济性角度上，都无法满足电力系统安全、稳定、经济的发展要求。

发明内容

针对现有技术中存在的弊端，本申请提供了一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法。

本申请采用的技术方案如下：

一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，包括以下步骤：

采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波；

将所述辐射电磁波数据传输至多通道示波器进行存储；

利用分离算法对所述示波器中存储的辐射电磁波进行计算，以分别提取出断路器的各相电磁波信号；

将所述各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，判定断路器触头的烧蚀程度。

进一步地，利用分离算法对所述示波器中存储的辐射电磁波进行计算，包括：

生成所述辐射电磁波的数据矩阵；

计算所述辐射电磁波的均值，对所述数据矩阵进行归一化处理，得线性变换观测向量X；

将线性变换观测向量X白化为新向量X'，转置矩阵为X'^T，所述新向量X'的协方差矩阵等于单位矩阵I，即：

E{X'X'^T}＝I

对协方矩阵差进行特征值分解，得：

E{XX^T}＝EDE^T

式中，E是E{XX^T}特征向量的正交矩阵；D是E{XX^T}特征值的对角矩阵，D＝diag(d₁,d₂,d₃…d_n)；

得到所述新向量X'并进行白化操作后为：

X'＝ED^-1/2E^TX

式中，D^-1/2＝diag(d₁ ^-1/2,d₂ ^-1/2,d₃ ^-1/2…d_n ^-1/2)；

寻找一个分离矩阵W，目标是使w^Tx有最大的高斯性，其中w是分离矩阵W的一行，则将目标函数J(y)最小，表示为：

J(y)∝[E{G(y)}-E{G(v)}]²

式中，非二次函数G为人为设置，v是某一次的迭代过程量，y是此次迭代后下一次的迭代输出量，E是数学期望；

定义g为非二次函数G的导数：

G₁(u)＝1/a₁logcosh(a₁u)

G₂(u)＝-exp(-u²/2)

式中，u是某一次的迭代输入量，a₁是迭代参数，1≤a₁≤2。

求出G₁(u)＝1/a₁logcosh(a₁u)的导数为g₁(u)＝tanh(a₁u)；

求出G₂(u)＝-exp(-u²/2)的导数为g₂(u)＝u·exp(-u²/2)；

通过E{(w^Tx)}的最适条件获得w^Tx的负熵近似值：根据库恩-塔克条件，有：

E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1

式中，x是观测矩阵X的一行，在式E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1的约束条件下，通过式E{xg(w^Tx)}-βw＝0获得E{G(w^Tx)}的最适条件，β为使等号成立而引入的参数；

通过牛顿迭代法方法对E{xg(w^Tx)}-βw＝0进行求解：定义E{xg(w^Tx)}-βw＝0的等号左边为F，得到雅克比矩阵JF(w)为：

JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI

式JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI等号右边的第一项可简化为：

E{xx^Tg'(w^Tx)}≈E{xx^T}E{g'(w^Tx)}＝E{g'(w^Tx)}I

获得近似的牛顿迭代公式为：

w⁺＝w-[E{xg(w^Tx)}-βw]/[E{g'(w^Tx)}-β]

给近似的牛顿迭代公式的两边同乘β-E{g'(w^Tx)}，并简化得：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g'(w^Tx)}w

式中，w为w⁺的新值；

判断迭代方程是否满足收敛条件：若p＝||w⁺-w||满足收敛条件

时，则停止迭代，式中，p为w⁺与w的差值矩阵的范数；

计算断路器各相的分离信号S'：

S'＝WX

式中，X是观测信号矩阵，X＝AS，A是辐射电磁波的信号传输矩阵，S是辐射电磁波的信号源矩阵；W是经计算后的分离矩阵。

进一步地，通过天线阵列采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波，所述天线为特高频天线，所述特高频天线为平面对数螺旋天线，频带范围为0.3GHz-3GHz，驻波比小于2.5，等效高度范围为8.5cm；所述天线之间间隔5cm-50cm。

进一步地，所述天线阵列由3个等距平行放置的所述天线构成。

进一步地，所述预设数量为断路器分闸过程中断路器触头不发生烧蚀程度时所产生的辐射电磁波数量。

进一步地，将所述各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，包括：

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量相同，则判定断路器触头未被烧蚀；

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于1且小于3时，则判定断路器触头被轻度烧蚀；

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于或等于4，则判定断路器触头被严重烧蚀。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请提供的一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，采用电气测量、算法分离、波形观察的手段，实现对断路器三个相位的触头烧蚀程度的快速诊断。通过天线阵列接收断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波，并利用多通道示波器进行波形监测与数据存储，对存储的数据进行算法分离分析，分别提取断路器A相B相C相的电磁波信号，分析电磁波信号的数量，以此来判定断路器触头的烧蚀程度。本申请主要通过电气检测手段，以实现对断路器不同相位的触头烧蚀程度的快速判定，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为天线阵列布置原理图；

图2为天线阵列与多通道示波器的连接示意图；

图3为天线阵列中各天线采集的辐射电磁波信号图；图3中(a)图为天线1所采集的信号，图3中(b)图为天线2所采集的信号，图3中(c)图为天线3所采集的信号；

图4为对图3中各辐射电磁波信号图进行分离后所得到的断路器各相的分离信号图；图4中(a)图为A相信号，图4中(b)图为B相信号，图4中(c)图为C相信号。

图5为利用分离算法对示波器中存储的辐射电磁波进行计算的原理图；

图6为断路器触头不同烧蚀情况下的辐射电磁波信号示意图；图6中(a)图为触头未被烧蚀，图6中(b)图为触头被轻度烧蚀，图6中(c)图为触头被严重烧蚀。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，图1为天线阵列布置原理图；参见图2为天线阵列与多通道示波器的连接示意图；参见图3为天线阵列中各天线采集的辐射电磁波信号图；图3中(a)图为天线1所采集的信号，图3中(b)图为天线2所采集的信号，图3中(c)图为天线3所采集的信号；参见图4为对图3中各辐射电磁波信号图进行分离后所得到的断路器各相的分离信号图；图4中(a)图为A相信号，图4中(b)图为B相信号，图4中(c)图为C相信号；参见图5为利用分离算法对示波器中存储的辐射电磁波进行计算的原理图；参见图6为断路器触头不同烧蚀情况下的辐射电磁波信号示意图；图6中(a)图为触头未被烧蚀，图6中(b)图为触头被轻度烧蚀，图6中(c)图为触头被严重烧蚀。

本申请提供的一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，包括以下步骤：

步骤一：采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波。

通过天线阵列采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波，天线为特高频天线，特高频天线为平面对数螺旋天线，频带范围为0.3GHz-3GHz，优选为0.5GHz-2GHz；驻波比小于2.5；等效高度为8.5cm；天线之间间隔5cm-50cm,优选为15cm。天线阵列由3个等距平行放置的天线构成。

步骤二：将辐射电磁波数据传输至多通道示波器进行存储。

步骤三：利用分离算法对示波器中存储的辐射电磁波进行计算，以分别提取出断路器的各相电磁波信号。具体包括：

生成辐射电磁波的数据矩阵。

计算辐射电磁波的均值，对数据矩阵进行归一化处理，线性变换观测向量X。归一化预处理能简化分离算法，在估计出归一后的混合矩阵A后，将计算出的分离信号S'再加上S'的均值A^-1m。

将线性变换观测向量X白化为新向量X'，转置矩阵为X'^T，新向量X'的协方差矩阵等于单位矩阵I，即：

E{X'X'^T}＝I；

对协方矩阵差进行特征值分解，得：

E{XX^T}＝EDE^T

式中，E是E{XX^T}特征向量的正交矩阵；D是E{XX^T}特征值的对角矩阵，D＝diag(d₁,d₂,d₃…d_n)。

得到新向量X'并进行白化操作后为：

X'＝ED^-1/2E^TX

式中，D^-1/2＝diag(d₁ ^-1/2,d₂ ^-1/2,d₃ ^-1/2…d_n ^-1/2)。

同理，白化混合矩阵得A′，则A′是正交的。

白化操作能减少待估计的参数。估计矩阵A要估计n²个参数，而估计正交矩阵A′只需估计n(n-1)/2个参数，这大大减小了分离算法的计算复杂度。

寻找一个分离矩阵W，目标是使w^Tx有最大的高斯性，其中w是分离矩阵W的一行，则求目标函数J(y)最小，表示为：

J(y)∝[E{G(y)}-E{G(v)}]²；

其中，非二次函数G为人为设置，v是某一次的迭代过程量，y是此次迭代后下一次的迭代输出量，E是数学期望。

定义g为非二次函数G的导数：

G₁(u)＝1/a₁logcosh(a₁u)

G₂(u)＝-exp(-u²/2)

式中，u是某一次的迭代输入量，a₁是迭代参数，1≤a₁≤2。

求出G₁(u)＝1/a₁logcosh(a₁u)的导数为g₁(u)＝tanh(a₁u)；

求出G₂(u)＝-exp(-u²/2)的导数为g₂(u)＝u·exp(-u²/2)。

通过E{(w^Tx)}的最适条件获得w^Tx的负熵近似值：根据库恩-塔克条件，有：

E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1

式中，x是观测矩阵X的一行，在式E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1的约束条件下，通过式E{xg(w^Tx)}-βw＝0获得E{G(w^Tx)}的最适条件，β为使等号成立而引入的参数，在最适条件下，β应为一个趋近为1的数。

通过牛顿迭代法方法对E{xg(w^Tx)}-βw＝0进行求解：定义E{xg(w^Tx)}-βw＝0的等号左边为F，得到雅克比矩阵JF(w)为：

JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI

式JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI等号右边的第一项可简化为：

E{xx^Tg'(w^Tx)}≈E{xx^T}E{g'(w^Tx)}＝E{g'(w^Tx)}I

可见雅克比矩阵变成对角的、可逆的。获得近似的牛顿迭代公式为：

w⁺＝w-[E{xg(w^Tx)}-βw]/[E{g'(w^Tx)}-β]

给近似的牛顿迭代公式的两边同乘β-E{g'(w^Tx)}，并简化得：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g'(w^Tx)}w，

式中，w为w⁺的新值。

判断迭代方程是否满足收敛条件：若p＝||w⁺-w||满足收敛条件

时，则停止迭代，式中，p为w⁺与w的差值矩阵的范数；

计算断路器各相的分离信号S'

S'＝WX

式中，X是观测信号矩阵，X＝AS，A是辐射电磁波的信号传输矩阵，S是辐射电磁波的信号源矩阵；W是经计算后的分离矩阵。

步骤四：将各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，判定断路器触头的烧蚀程度。

预设数量为断路器分闸过程中断路器触头不发生烧蚀程度时所产生的辐射电磁波数量。

若各相电磁波信号的数量与预设数量相同，则判定断路器触头未被烧蚀；

若各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于1且小于3时，则判定断路器触头被轻度烧蚀；

若各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于或等于4，则判定断路器触头被严重烧蚀。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波；

将所述辐射电磁波数据传输至多通道示波器进行存储；

利用分离算法对所述示波器中存储的辐射电磁波进行计算，以分别提取出断路器的各相电磁波信号；

将所述各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，判定断路器触头的烧蚀程度。

2.根据权利要求1所述的基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，利用分离算法对所述示波器中存储的辐射电磁波进行计算，包括：

生成所述辐射电磁波的数据矩阵；

计算所述辐射电磁波的均值，对所述数据矩阵进行归一化处理，得线性变换观测向量X；

将线性变换观测向量X白化为新向量X'，转置矩阵为X'^T，所述新向量X'的协方差矩阵等于单位矩阵I，即：

E{X'X'^T}＝I

对协方矩阵差进行特征值分解，得：

E{XX^T}＝EDE^T

式中，E是E{XX^T}特征向量的正交矩阵；D是E{XX^T}特征值的对角矩阵，D＝diag(d₁,d₂,d₃…d_n)；

得到所述新向量X'并进行白化操作后为：

X'＝ED^-1/2E^TX

式中，D^-1/2＝diag(d₁ ^-1/2,d₂ ^-1/2,d₃ ^-1/2…d_n ^-1/2)；

寻找一个分离矩阵W，目标是使w^Tx有最大的高斯性，其中w是分离矩阵W的一行，则将目标函数J(y)最小，表示为：

J(y)∝[E{G(y)}-E{G(v)}]²

式中，非二次函数G为人为设置，v是某一次的迭代过程量，y是此次迭代后下一次的迭代输出量，E是数学期望；

定义g为非二次函数G的导数：

G₁(u)＝1/a₁log cosh(a₁u)

G₂(u)＝-exp(-u²/2)

式中，u是某一次的迭代输入量，a₁是迭代参数，1≤a₁≤2；

求出G₁(u)＝1/a₁log cosh(a₁u)的导数为g₁(u)＝tanh(a₁u)

求出G₂(u)＝-exp(-u²/2)的导数为g₂(u)＝u·exp(-u²/2)；

通过E{(w^Tx)}的最适条件获得w^Tx的负熵近似值：根据库恩-塔克条件，有：

E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1

式中，x是观测矩阵X的一行，在式E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1的约束条件下，通过式E{xg(w^Tx)}-βw＝0获得E{G(w^Tx)}的最适条件，β为使等号成立而引入的参数；

通过牛顿迭代法方法对E{xg(w^Tx)}-βw＝0进行求解：定义E{xg(w^Tx)}-βw＝0的等号左边为F，得到雅克比矩阵JF(w)为：

JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI

式JF(w)＝E{xx^Tg'(w^Tx)}-βI等号右边的第一项可简化为：

E{xx^Tg'(w^Tx)}≈E{xx^T}E{g'(w^Tx)}＝E{g'(w^Tx)}I

获得近似的牛顿迭代公式为：

w⁺＝w-[E{xg(w^Tx)}-βw]/[E{g'(w^Tx)}-β]

给近似的牛顿迭代公式的两边同乘β-E{g'(w^Tx)}，并简化得：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g'(w^Tx)}w

式中，w为w⁺的新值；

判断迭代方程是否满足收敛条件：若p＝||w⁺-w||满足收敛条件

时，则停止迭代，式中，p为w⁺与w的差值矩阵的范数；

计算断路器各相的分离信号S'：

S'＝WX

式中，X是观测信号矩阵，X＝AS，A是辐射电磁波的信号传输矩阵，S是辐射电磁波的信号源矩阵；W是经计算后的分离矩阵。

3.根据权利要求1所述的所述的基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，通过天线阵列采集断路器触头分闸过程中产生的辐射电磁波，所述天线为特高频天线，所述特高频天线为平面对数螺旋天线，频带范围为0.3GHz-3GHz，驻波比小于2.5，等效高度范围为8.5cm；所述天线之间间隔5cm-50cm。

4.根据权利要求3所述的所述的基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，所述天线阵列由3个等距平行放置的所述天线构成。

5.根据权利要求1所述的所述的基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，所述预设数量为断路器分闸过程中断路器触头不发生烧蚀程度时所产生的辐射电磁波数量。

6.根据权利要求5所述的所述的基于分离算法的断路器三相灭弧性能检测方法，其特征在于，将所述各相电磁波信号的数量与预设数量做对比，包括：

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量相同，则判定断路器触头未被烧蚀；

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于1且小于3时，则判定断路器触头被轻度烧蚀；

若所述各相电磁波信号的数量与预设数量之差大于或等于4，则判定断路器触头被严重烧蚀。

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