CN114184368A - 一种内置式液压传动红外测距测速装置及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置式液压传动红外测距测速装置及评估方法，属于自动化领域。选择单激光源垂直距离式的红外测速探头，通过一种贴合式卡扣将红外单源激光传感器装设于下底盘，以激光源距离上顶端的空间距离作为实时数据反映量。通过红外激光红外单源激光传感器实现高压开关位移量与模拟电信号的转换，经过外置采集模块实现模拟信号与数字信号的转换，最后将采集得到的数字信号通过MCU进行距离与速度的实时计算，得到实时开关速度参数，将所采集的速度参数实时传输至就近上位机显示区域。将多次测试的数据进行k‑均值聚类分析，将当前所测断路器运行状态进行分段评估。本发明具有结构简单、非介入式、无需重复接线、高速测量和实时运行状态评估的特点。

Description

一种内置式液压传动红外测距测速装置及评估方法

技术领域

本发明属于自动化领域，涉及一种内置式液压传动红外测距测速装置及评估方法。

背景技术

高压开关主要的机械特性参数包括分合闸速度、分合闸时间，表征开关操作机构、传动机构的运动特征。机械特性参数如若不满足技术标准，电弧燃烧时间将延长，烧损触头、灭弧室，甚至引起爆炸，因此当前对高压开关的机械特性测试不仅仅局限于出厂、安装等关键环节，而是需要对高压开关进行实时的在线监测。显然当前绝大部分开关测速仪均需要人工拆卸、安装、以及现场调试，单次测量需要的人力资源和时间资源较大，而随着对现场安全要求的逐渐提高，巡检测试次数也越来越大。

当前的测速仪原理主要包括电磁振荡器和滑块测速仪，电磁振荡器振荡频率约为100Hz，振荡曲线过于平直，很难测得刚分及最大速度，误差大，但结构简单体积小，重量较轻。滑块测速仪采用机械方法连接，当滑块移动式，容易发生接触不良的现象。转筒式、硅光电池光栅测速仪、微分电路测速仪、光电数字式开关测速仪均得到重视，但同时存在明显的优缺点和适用范围。转筒式开关测速仪由同步电动机带动，经齿轮减速后裔2转/秒的速度旋转，能够迅速读取行程及速度参数。各测量仪器均能够测量行程、刚分-刚合速度、最大速度、全行程s-t曲线、全行程v-t曲线，转筒式测速仪结构简单，最大行程不超过600mm，体积重量大，测量精度受周波影响严重，因此具有较大误差；光栅测速器需要配合示波器使用，反映开关运动状态不如转筒式测速仪明显，且不能直接读取速度，且需要与示波器配合使用，因此逐渐被淘汰；微分电路测速仪能同时录制开关行--时间、速度—时间特性曲线，具有较好的记录效果，却不能直接读取速度。光电数字式开关测速仪可以直接显示开关的固有分合闸时间，刚分、刚合速度、最大分闸速度、三相不同期等参数，但需要示波器录制开关运动特性；音叉测速器不能测量行程、不能用于速度较大开关、速度不能直接读取。磁带式开关运动特性体积较重，不同测得三相不同期的情况；电磁感应式测速器波形杂乱，不容易准确读取。数字式触头与运动性能测量仪，不能全行程反映，适用范围较小；电磁振荡器无法用于速度较快的开关，电源周波误差大时，需要进行换算。

主要的相关专利包括：由于目前高压开关动作测试系统功能上基本相同，对开关动作机械特性参数均不能做出准确测量，而开关型号具有多种类型，配齐机械特性测试装置花费代价非常大，现有技术提出一种高压开关动作机械特性测试系统的测试方法，主要解决的问题是机械特性参数单一的问题，其选用的是直线位移红外单源激光传感器，通过处理器模块、储存模块、USB模块、LCD模块、信号采样模块，实现开关测速。为解决现有开关结构不同，导致多类型测速传感不匹配的问题，提出一种用于高压开关刚分速度、刚合速度测试的激光测试装置，该装置用到了半导体激光器、光电转换感应矩阵等，容易受现场温湿度等环境因素的影响。现有技术提出一种高压开关万能测速红外单源激光传感器，通过具有测速功能的红外单源激光传感器，旨在提供一种结构简单、安装使用、可适用于任何高压开关测速，分辨率较高的高压开关万能测速红外单源激光传感器。

因此，基于不同原理的各种方法或者装置其覆盖范围都不一样，然而大部分现有方法或者装置均存在需要现场接线、多次重复测量、体积重量大等问题，且无法对当前开关运行状态进行准确完整的评估。本发明提出一种内置式高压开关液压传动装置红外测距测速及评估方法，通过在液压传动机构舱内装设内嵌式红外测速探头，实现非接触距离测量以及无线信号实时传输，通过外部的无线接收装置进行信号收发，并实现初步的运行状态识别，并可通过现场就近通信节点将信号传输至就近服务器进行辨别处理。

高压开关的运行状态健康与否直接影响到供电系统安全，液压传动机构的机械特性是反映其状态的直接参数。如若机械特性参数不满足正常数值区间，将有一定几率存在分合闸异常的情况，给电力系统安全运行带来严重隐患。随着电力系统设备智能化水平的提高，亟待高效、准确、便携的测试装置及其评估方法，提升高压开关机械特性测试精度及效率。目前的大部分高压开关液压传动装置主要通过人工接线的方式进行测量，繁重的测量任务，大量的现场布线，对于广范围站内的高压开关特性的快速测量与判断十分不便。本发明将针对接线式液压传动机构测速装置需要人工现场接线、周期断电、检修次数太少等不足，提出一种非接触式定点装设的红外测距测速装置及其装设方法，配合k类均值法对液压传动装置进行状态评估，从而方便检修人员快速有效的判断高压开关的运行状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种内置式液压传动红外测距测速装置及评估方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种内置式液压传动红外测距测速装置，该测距测速装置包括红外单源激光传感器、环形贴合式卡扣托盘和信号处理电路；

所述测距测速装置安置于液压传动机构空腔中，将单源红外测距测速探头与环形卡扣托盘相连接，并采用螺帽固紧，固定在下底板上，以上顶板作为激光探测距离的挡板，当高压开关发生动作时，液压传动机构的上顶板与下底板将发生垂直方向上的相对位移变化，红外激光红外单源激光传感器便能感应到高压开关动作时的液压传动机构垂直位移量；通过高压断路器液压传动机构本身的供能接线端子为红外单源激光传感器以及信号处理电路进行充电；

微处理器及信号处理电路分别置于空腔两侧位置，红外单源激光传感器所采集的信号通过有线同轴线缆沿着下底板外边沿进行绕接，避免开关开合时出现任何影响开合闸进程的线圈缠绕现象；采集端口数据，计算实时位移距离，并根据采样端口数据计算出距离与速度，通过无线通信模块，将数据传输至就近便携式微型上位机，得到实时的断路器开关速度；采集模块输入电压信号范围为-10-10V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出信号范围为-5V～5V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出电压范围对应测量位移量：-200mm～200mm，并按照式(1)进行位移量d与电压进行转换，其中d与数值200的量纲为mm，数值80的量纲为电压随位移变化率，即V/mm；

d＝80U-200 (1)

式(1)中，通过红外单源激光传感器将开关的位移量转换为输出的电压信号，输出电压信号通过A/D模数转换模块将采集到的位移信号交由中央处理模块进行计算，其中红外单源激光传感器的最快反映时间为1.5ms，测距范围是20～60mm，输出电压范围是-5V到+5V，信号采集模块采用AD7606数模转换单元，采样速率达到200ksps，通过通信控制线与时钟控制线与STM32F103微处理器进行连接；速度求解按照式(2)进行，v为高压开关的运行速度，单位m/s；S_switch为MCU输出电压值对应的位移，T为红外单源激光传感器位移的单一采集周期，其中，Buf为液压传动机构位移量对应的实时模数转换后的数据量，数值-800的量纲为mm/V，通过采样端口数据计算实现高压开关位移还原，计算得到实时的高压开关速度，通过串口/DMA打印数据，传输至就近的上位机接收模块。

基于所述内置式液压传动红外测距测速装置的评估方法，该方法为：

测得不同时刻的液压机构分合闸速度特性及时间特性，包括合闸时间、合/分时间、分闸时间、分闸速度和合闸速度6组关键参数；根据测速相的不同，分别记录A、B、C三相对应的参数，如果部分参数超过标准时间范围或者标准速度范围，则初步输出故障报警信号；其中分闸时间、合/分时间和合闸时间是通过数据处理单元的计时器进行测算的，即以1.5ms的反映时间间隔作为标准，以数据收发终止与否为基准，从而得到各个时间阶段的机械速度特性；

基于k均值的高压开关运行状态聚类分析方法：

1)首先对开关的各个参数进行多次测量，从机械特性样本集合中随机抽取k个样本点作为初始簇中心，该样本点由6组关键参数构成；其中，k值将由肘分析方法确定，式3所示通过SPSS软件计算得到簇类误差平方和最小值，即簇惯性最小，随着k值逐渐增加，簇类误差平方和将逐渐变小，当其趋向于平滑曲线时，确定簇类总数k；

2)SSE为簇类误差平方和，w^(i,j)为样本距离簇类中心的欧几里得距离；p⁽ⁱ⁾代表各样本维度，m^(j)为样本簇中心；将各速度测试及分合闸时间测试的点划分到距离它最近的中心点所代表的簇中；

3)用各个簇中所有机械特性样本点的中心点代表簇的中心点，重复第2)与第3)步，直到簇的中心点不变或达到设定的迭代次数或达到设定的容错范围。

可选的，所述高压开关液压传动为300次高压开关液压传动时，设置80次数据迭代次数，通过SPSS进行计算簇类数k，在簇类数量为5时，簇类误差平方和趋向于平缓变化，得到最优簇类划分数量为5。

本发明的有益效果在于：

(1)方法提出一种内置于高压开关液压传动装置的红外测距测速装置组装方法，仅需现场一次装设即可无需多次重复拆卸，即可完成多次非接触高压开关距离及速度测量，极大提高样本采集的方便性，也降低了多次现场安装与调试带来的不确定性。

(2)提出一种红外单源激光传感器与高压开关液压传动装置的连接方法，采用环形卡扣托盘相连接，以上顶板和下底盘之间的相对距离作为直接信号采集量，转换计算流程简单，相比其它方法，其受干扰程度小，能够快速准确的反应高压开关的实时机械状态。

(3)本方法无需采用类似于直线位移红外单源激光传感器所需的滑杆，无论是安装方式还是信号处理传输线的部署方式，对于高压开关运行行程不造成额外影响，因此可靠性较高。

(4)本发明最大特点在于将所采集的高压开关机械运行特性进行聚类分析，通过对开合闸速度、开合闸时间、三相不平衡状态的数据进行簇类归类，能够快速的将开关运行状态进行鉴别，从而提出相应的运维建议与措施，减小运维人员对专业技能的要求，有效提高运维检修效率。

(5)装置初次安装、信号采集与处理传输、状态聚类分析识别判断的方法流程较为清晰，即可通过无线通讯的方式将高压开关预处理数据传输至便携式上位机进行聚类分析，减少大量数据分析造成的人力物力时间资源浪费，通过现场巡检即可直观的得到当前开关状态，便于变电站高压开关的智能化管理。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明原理图；

图2为液压传动机构及红外激光红外单源激光传感器的部署方式；

图3为内置式高压开关液压传动装置红外测距测速流程；

图4为含分合闸时间及行程的特性曲线；

图5为可视化簇内误方差与簇数量关系。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，提出一种内置液压传动机构的高压开关速度测试仪，该测试仪由红外单源激光传感器、环形贴合式卡扣托盘、信号处理电路构成，整体装置安置于液压传动机构空腔中，将单源红外测距测速探头与环形卡扣托盘相连接，并采用螺帽固紧，固定在下底板上，以上顶板作为激光探测距离的挡板，当高压开关发生动作时，液压传动机构的上顶板与下底板将发生垂直方向上的相对位移变化，此时红外激光红外单源激光传感器便能感应到高压开关动作时的液压传动机构垂直位移量。通过高压断路器液压传动机构本身的供能接线端子为红外单源激光传感器以及信号处理电路进行充电。

如图2所示，将微处理器及信号处理电路分别置于空腔两侧位置，而红外单源激光传感器所采集的信号通过有线同轴线缆沿着下底板外边沿进行绕接，从而避免开关开合时出现任何影响开合闸进程的线圈缠绕现象；采集端口数据，计算实时位移距离，并根据采样端口数据计算出距离与速度，最后通过无线通信模块，将数据传输至就近便携式微型上位机，从而得到实时的断路器开关速度。采集模块输入电压信号范围为-10-10V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出信号范围为-5V～5V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出电压范围对应测量位移量：-200mm～200mm，并按照下式(1)进行位移量d与电压进行转换，其中d与数值200的量纲为mm，数值80的量纲为电压随位移变化率，即V/mm。

d＝80U-200 (1)

式(1)中，通过红外单源激光传感器将开关的位移量转换为输出的电压信号，输出电压信号通过A/D模数转换模块将采集到的位移信号交由中央处理模块进行计算，其中红外单源激光传感器的最快反映时间为1.5ms，测距范围是20～60mm，输出电压范围是-5V到+5V，信号采集模块采用AD7606数模转换单元，其采样速率可以达到200ksps，通过通信控制线与时钟控制线与STM32F103微处理器进行连接。速度求解按照式(2)进行，v为高压开关的运行速度，单位m/s,S_switch为MCU输出电压值对应的位移，T为红外单源激光传感器位移的单一采集周期，其中，Buf为液压传动机构位移量对应的实时模数转换后的数据量，数值-800的量纲为mm/V,通过采样端口数据计算实现高压开关位移还原，从而计算得到实时的高压开关速度，通过串口/DMA打印数据，传输至就近的上位机接收模块。

如图3所示，测得不同时刻的液压机构分合闸速度特性及时间特性，具体包括合闸时间、合/分时间、分闸时间、分闸速度、合闸速度6组关键参数，根据测速相的不同，分别记录A、B、C三相对应的上述参数，如果部分参数超过标准时间范围或者标准速度范围，则初步输出故障报警信号。其中分闸时间、合/分时间、合闸时间是通过数据处理单元的计时器进行测算的，即以1.5ms的反映时间间隔作为标准，以数据收发终止与否为基准，从而得到各个时间阶段的机械速度特性。上位机测试结果如图4所示。

高压开关机械特性测量仅仅得到机械特性参数及行程曲线，并无法直观的体现出高压开关的实际运行状态。因此提出基于k均值的高压开关运行状态聚类分析方法：1)首先对开关的各个参数进行多次测量，从机械特性样本集合中随机抽取k个样本点作为初始簇中心，该样本点由6组关键参数构成；其中，k值将由肘分析方法确定，式3所示通过SPSS软件计算得到簇类误差平方和最小值，即簇惯性最小，随着k值逐渐增加，簇类误差平方和将逐渐变小，当其趋向于平滑曲线时，即可确定簇类总数k。

2)SSE为簇类误差平方和，w^(i,j)为样本距离簇类中心的欧几里得距离。p⁽ⁱ⁾代表各样本维度，m^(j)为样本簇中心。将各速度测试及分合闸时间测试的点划分到距离它最近的中心点所代表的簇中；

3)进一步用各个簇中所有机械特性样本点的中心点代表簇的中心点，重复第2)与第3)步，直到簇的中心点不变或达到设定的迭代次数或达到设定的容错范围。以300次高压开关液压传动机构的速度测试结果为例，我们设置80次数据迭代次数，通过SPSS进行计算簇类数k，其使用图形工具肘分析方法(如图5所示)，可见在簇类数量为5时，簇类误差平方和趋向于平缓变化，因此可得到最优簇类划分数量为5。该应用案例中，初始簇类分析中心如表1和表2所示。

表1 300次测试结果的随机初始簇类分析中心

表2 300次测试结果的随机初始簇类分析中心

如表3所示，本发明所涉及到的簇类变量包括A相时间、B相时间、C相时间、A相分合闸速度、B相分合闸速度、C相分合闸速度，首先确定各变量等的簇类中心，经过样本训练过后，得到最终的聚类簇类中心。根据最终聚类计算结果，将基于液压传动机构进行高压开关运行状态分为五类，即严重故障、轻微故障、慢速类型、中速类型、快速类型，并针对各故障类型对高压开关进行故障判断。对于严重故障及轻微故障类型，必须进行停电检修维护操作；对于慢速类型，则需要检修人员进行必要的停电检修维护；对于中速及快速类型，则属于正常范围内，可无需进行太多关注。

表3液压断路器最终簇类分析结果及范围

聚类结果分类	机械特性	对应建议与注意事项
			故障类型	范围超时	必须停电进行检修
轻微故障类型	范围超时	必须停电进行检修
			慢速类型	时间范围临值	需要长期定时巡检
中速类型	标准速度	无需额外关注
			快速类型	标准速度	无需额外关注

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种内置式液压传动红外测距测速装置，其特征在于：该测距测速装置包括红外单源激光传感器、环形贴合式卡扣托盘和信号处理电路；

所述测距测速装置安置于液压传动机构空腔中，将单源红外测距测速探头与环形卡扣托盘相连接，并采用螺帽固紧，固定在下底板上，以上顶板作为激光探测距离的挡板，当高压开关发生动作时，液压传动机构的上顶板与下底板将发生垂直方向上的相对位移变化，红外激光红外单源激光传感器便能感应到高压开关动作时的液压传动机构垂直位移量；通过高压断路器液压传动机构本身的供能接线端子为红外单源激光传感器以及信号处理电路进行充电；

微处理器及信号处理电路分别置于空腔两侧位置，红外单源激光传感器所采集的信号通过有线同轴线缆沿着下底板外边沿进行绕接，避免开关开合时出现任何影响开合闸进程的线圈缠绕现象；根据采样端口数据计算出行程距离与速度，通过无线通信模块，将数据传输至就近便携式微型上位机，得到实时的断路器开关速度；采集模块输入电压信号范围为-10-10V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出信号范围为-5V～5V_pp，红外激光红外单源激光传感器输出电压范围对应测量位移量：-200mm～200mm，并按照式(1)进行位移量d与电压进行转换，其中d与数值200的量纲为mm，数值80的量纲为电压随位移变化率，即V/mm；

d＝80U-200 (1)

式(1)中，通过红外单源激光传感器将开关的位移量转换为输出的电压信号，输出电压信号通过A/D模数转换模块将采集到的位移信号交由中央处理模块进行计算，其中红外单源激光传感器的最快反映时间为1.5ms，测距范围是20～60mm，输出电压范围是-5V到+5V，信号采集模块采用AD7606数模转换单元，采样速率达到200ksps，通过通信控制线与时钟控制线与STM32F103微处理器进行连接；速度求解按照式(2)进行，v为高压开关的运行速度，单位m/s；S_switch为MCU输出电压值对应的位移，T为红外单源激光传感器位移的单一采集周期，其中，Buf为液压传动机构位移量对应的实时模数转换后的数据量，数值-800的量纲为mm/V，通过采样端口数据计算实现高压开关位移还原，计算得到实时的高压开关速度，通过串口/DMA打印数据，传输至就近的上位机接收模块。

2.基于权利要求1所述测距测速装置的内置式液压传动红外测距测速评估方法，其特征在于：该方法为：

测得不同时刻的液压机构分合闸速度特性及时间特性，包括合闸时间、合/分时间、分闸时间、分闸速度和合闸速度6组关键参数；根据测速相的不同，分别记录A、B、C三相对应的参数，如果部分参数超过标准时间范围或者标准速度范围，则初步输出故障报警信号；其中分闸时间、合/分时间和合闸时间是通过数据处理单元的计时器进行测算的，即以1.5ms的反映时间间隔作为标准，以数据收发终止与否为基准，从而得到各个时间阶段的机械速度特性；

基于k均值的高压开关运行状态聚类分析方法：

1)首先对开关的各个参数进行多次测量，从机械特性样本集合中随机抽取k个样本点作为初始簇中心，该样本点由6组关键参数构成；其中，k值将由肘分析方法确定，式3所示通过SPSS软件计算得到簇类误差平方和最小值，即簇惯性最小，随着k值逐渐增加，簇类误差平方和将逐渐变小，当其趋向于平滑曲线时，确定簇类总数k；

2)SSE为簇类误差平方和，w^(i,j)为样本距离簇类中心的欧几里得距离；p⁽ⁱ⁾代表各样本维度，m^(j)为样本簇中心；将各速度测试及分合闸时间测试的点划分到距离它最近的中心点所代表的簇中；

3)用各个簇中所有机械特性样本点的中心点代表簇的中心点，重复第2)与第3)步，直到簇的中心点不变或达到设定的迭代次数或达到设定的容错范围。

3.根据权利要求2所述的内置式液压传动红外测距测速评估方法，其特征在于：所述高压开关液压传动为300次高压开关液压传动时，设置80次数据迭代次数，通过SPSS进行计算簇类数k，在簇类数量为5时，簇类误差平方和趋向于平缓变化，得到最优簇类划分数量为5。

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