CN114705241A - 一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置 - Google Patents

一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置 Download PDF

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李丰
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Abstract

本发明提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置，通过采集开关类设备的声音、振动和电流信号，利用预设的故障诊断方法分别对采集到的信号进行分析，从而得到开关类设备的运行状态参量，再将运行状态参量与设备数据库中对应数据进行比较，即可确定当前的运行状态或者故障的严重程度。本发明利用开关类设备的自身信号进行分析，可以实现开关类设备实时在线监测，能够提升维修人员的检修效率；而且结合其设备正常运行时的历史数据综合判断可以准确的判断设备状态，不必耗费过多的人力物力。

Description

一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置
技术领域
本发明属于电力开关设备监测技术领域，具体涉及一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置。
背景技术
电力系统中的高压开关类设备主要包括GIS隔离开关、敞开式隔离开关、GIS断路器、敞开式断路器、开关柜断路器等。各类高压开关设备的材料、工艺、设计、安装过程中的缺陷以及频繁动作都极易引起机械故障，严重时更会导致电气火灾、停电等事故。因此，需要对电力系统中的各类开关设备进行故障监测。
目前，针对开关设备故障采取的预防措施是定期检修，但是该方式的试验周期长、并且耗费人力物力的同时检修效率也比较低，难以达到较为满意的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在解决现有采用定期检修开关类设备的方式存在的试验周期长、并且耗费人力物力的同时检修效率也比较低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法，包括：
采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号；
利用预设的故障诊断方法对声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取开关类设备的运行状态特征参量；
将运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，设备数据库中的数据为开关类设备在正常运行状态下的数据。
进一步地，采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号具体包括：
利用自由场传声器采集开关类设备的声音信号，自由场传声器采用非接触式的方式安装在开关类设备的设定范围内；
利用加速度传感器采集开关类设备的振动信号，加速度传感器采用磁吸方式安装在开关类设备的触头组处；
利用电流传感器获取开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，电流传感器安装于开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
进一步地，开关类设备的运行状态特征参量包括互相关系数，互相关系数的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000021
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure BDA0003568914030000022
和
Figure BDA0003568914030000023
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
进一步地，开关类设备的运行状态特征参量包括信号能量，信号能量的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000024
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
进一步地，将运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定开关类设备当前的运行状态或故障严重程度具体为：
计算运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
将偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第一设定阈值且均不大于第二设定阈值时，则认为开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第二设定阈值且均不大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为开关类设备运行正常。
第二方面，本发明提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断装置，包括：
信号采集模块，用于采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号；
信号分析模块，用于利用预设的故障诊断方法对声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取开关类设备的运行状态特征参量；
故障诊断模块，用于将运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，设备数据库中的数据为开关类设备在正常运行状态下的数据。
进一步地，信号采集模块具体包括：声音信号采集模块、振动信号采集模块和电流信号采集模块；
声音信号采集模块利用自由场传声器采集开关类设备的声音信号，自由场传声器采用非接触式的方式安装在开关类设备的设定范围内；
振动信号采集模块利用加速度传感器采集开关类设备的振动信号，加速度传感器采用磁吸方式安装在开关类设备的触头组处；
电流信号采集模块利用电流传感器获取开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，电流传感器安装于开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
进一步地，开关类设备的运行状态特征参量包括互相关系数，互相关系数的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000031
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure BDA0003568914030000032
和
Figure BDA0003568914030000033
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
进一步地，开关类设备的运行状态特征参量包括信号能量，信号能量的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000034
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
进一步地，故障诊断模块具体包括：偏差度计算模块和诊断模块；
偏差度计算模块用于计算运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
诊断模块用于将偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第一设定阈值且均不大于第二设定阈值时，则认为开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第二设定阈值且均不大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为开关类设备运行正常。
综上，本发明提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置，通过采集开关类设备的声音、振动和电流信号，利用预设的故障诊断方法分别对采集到的信号进行分析，从而得到开关类设备的运行状态参量，再将运行状态参量与设备数据库中对应数据进行比较，即可确定当前的运行状态或者故障的严重程度。本发明利用开关类设备的自身信号进行分析，可以实现开关类设备实时在线监测，能够提升维修人员的检修效率；而且结合其设备正常运行时的历史数据综合判断可以准确的判断设备状态，不必耗费过多的人力物力。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种开关类设备状态监测及故障诊断方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
电力系统中的高压开关类设备主要包括GIS隔离开关、敞开式隔离开关、GIS断路器、敞开式断路器、开关柜断路器等。各类高压开关设备的材料、工艺、设计、安装过程中的缺陷以及频繁动作都极易引起机械故障，严重时更会导致电气火灾、停电等事故。因此，需要对电力系统中的各类开关设备进行故障监测。
目前，针对开关设备故障采取的预防措施是定期检修，但是该方式的试验周期长、并且耗费人力物力的同时检修效率也比较低，难以达到较为满意的效果。
基于此，本发明提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法和装置。
以下是对本发明的一种开关类设备状态监测及故障诊断方法的实施例进行的详细介绍。
请参阅图1，本实施例提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法，包括：
S100：采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号。
声音、振动和电流信号包含了开关类设备丰富的运行状态信息，当设备发生机械故障时，会引起不同信号发生变化。本实施例主要采集开关类设备的声音、振动和电流信号进行分析，即采集分、合闸电流信号、储能电机电流信号、声学信号和振动信号等作为信号源进行分析。
具体地，利用自由场传声器采集开关类设备的声音信号，自由场传声器采用非接触式的方式安装在开关类设备的设定范围内。
利用加速度传感器采集开关类设备的振动信号，加速度传感器采用磁吸方式安装在开关类设备的触头组处。
利用电流传感器获取开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，电流传感器安装于开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
其中，自由场传声器灵敏度为50mV/Pa，频率范围为3Hz～20kHz；加速度传感器灵敏度为200mV/g，频率范围为0.5Hz～20kHz；电流传感器频率范围为10Hz～200kHz，精度优于1％。
S200：利用预设的故障诊断方法对声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取开关类设备的运行状态特征参量。
由于开关类设备的不同信号包含了丰富的运行状态信息，因此可以采取不同的方法对各种信号分别进行分析，从而提取到表征开关类设备运行状态的特征参量。
常见的针对开关类设备的故障诊断方法有时域分析、频域分析、包络分析、重合度分析以及ATF图谱分析等。利用常见的故障诊断方法从开关类设备的运行状态信号中提取特征参量为现有技术，在此不再赘述。
本实施例中，开关类设备的运行状态特征参量可以包括信号最大值、互相关系数、信号能量以及谱图特征值。其中，互相关系数的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000061
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure BDA0003568914030000062
和
Figure BDA0003568914030000063
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
信号能量的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000064
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
S300：将运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，设备数据库中的数据为开关类设备在正常运行状态下的数据。
具体地，利用运行状态特征参量进行开关类设备运行状态和故障严重评估包括：
1)计算运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
2)将偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第一设定阈值且均不大于第二设定阈值时，则认为开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第二设定阈值且均不大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为开关类设备运行正常。
在实际实施过程中，优选地将第一设定阈值确定为12％、第二设定阈值确定为18％、第三设定阈值确定为24％。即将实测数据及其特征参量与设备出厂数据、历史数据及故障案例库对比，当实测数据的最大值、互相关系数、信号能量、谱图特征值等特征参量与标准样本库偏差超过12％时，产生报警信息提示及故障诊断辅助信息。其中，故障诊断辅助信息是根据偏差范围实现开关类设备故障严重程度评估：即当实测数据特征参量与标准样本库偏差12～18％时，为故障；当实测数据特征参量与标准样本库偏差18～24％时，为中度故障；当实测数据特征参量与标准样本库偏差超过24％时，为严重故障。其余情况，均认为设备运行正常。
本实施例提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断方法，通过采集开关类设备的声音、振动和电流信号，利用预设的故障诊断方法分别对采集到的信号进行分析，从而得到开关类设备的运行状态参量，再将运行状态参量与设备数据库中对应数据进行比较，即可确定当前的运行状态或者故障的严重程度。本发明利用开关类设备的自身信号进行分析，可以实现开关类设备实时在线监测，能够提升维修人员的检修效率；而且结合其设备正常运行时的历史数据综合判断可以准确的判断设备状态，不必耗费过多的人力物力。
以上是对本发明的一种开关类设备状态监测及故障诊断方法的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种开关类设备状态监测及故障诊断装置的实施例进行详细的介绍。
本实施例提供了一种开关类设备状态监测及故障诊断装置，包括：信号采集模块、信号分析模块和故障诊断模块。
在本实施例中，信号采集模块用于采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号。
信号采集模块具体包括：声音信号采集模块、振动信号采集模块和电流信号采集模块；
声音信号采集模块利用自由场传声器采集开关类设备的声音信号，自由场传声器采用非接触式的方式安装在开关类设备的设定范围内；
振动信号采集模块利用加速度传感器采集开关类设备的振动信号，加速度传感器采用磁吸方式安装在开关类设备的触头组处；
电流信号采集模块利用电流传感器获取开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，电流传感器安装于开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
在本实施例中，信号分析模块用于利用预设的故障诊断方法对声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取开关类设备的运行状态特征参量。
其中，运行状态特征参量包括互相关系数和信号能量。互相关系数的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000081
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure BDA0003568914030000082
和
Figure BDA0003568914030000083
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
信号能量的计算公式具体为：
Figure BDA0003568914030000084
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
在本实施例中，故障诊断模块用于将运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，设备数据库中的数据为开关类设备在正常运行状态下的数据。
故障诊断模块具体包括：偏差度计算模块和诊断模块；
偏差度计算模块用于计算运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
诊断模块用于将偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第一设定阈值且均不大于第二设定阈值时，则认为开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第二设定阈值且均不大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于第三设定阈值时，则认为开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为开关类设备运行正常。
本实施例提供的诊断装置用于实现前述实施例的诊断方法，各模块的具体设置均以完整实现该方法为准，在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种开关类设备状态监测及故障诊断方法，其特征在于，包括：
采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号；
利用预设的故障诊断方法对所述声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取所述开关类设备的运行状态特征参量；
将所述运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定所述开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，所述设备数据库中的数据为所述开关类设备在正常运行状态下的数据。
2.根据权利要求1所述的开关类设备状态监测及故障诊断方法，其特征在于，采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号具体包括：
利用自由场传声器采集所述开关类设备的声音信号，所述自由场传声器采用非接触式的方式安装在所述开关类设备的设定范围内；
利用加速度传感器采集所述开关类设备的振动信号，所述加速度传感器采用磁吸方式安装在所述开关类设备的触头组处；
利用电流传感器获取所述开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，所述电流传感器安装于所述开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
3.根据权利要求1所述的开关类设备状态监测及故障诊断方法，其特征在于，所述开关类设备的运行状态特征参量包括互相关系数，所述互相关系数的计算公式具体为：
Figure FDA0003568914020000011
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure FDA0003568914020000012
和
Figure FDA0003568914020000013
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
4.根据权利要求1所述的开关类设备状态监测及故障诊断方法，其特征在于，所述开关类设备的运行状态特征参量包括信号能量，所述信号能量的计算公式具体为：
Figure FDA0003568914020000014
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
5.根据权利要求1所述的开关类设备状态监测及故障诊断方法，其特征在于，将所述运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定所述开关类设备当前的运行状态或故障严重程度具体为：
计算所述运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
将所述偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第一设定阈值且均不大于所述第二设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第二设定阈值且均不大于所述第三设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第三设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为所述开关类设备运行正常。
6.一种开关类设备状态监测及故障诊断装置，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于采集开关类设备的声音、振动和控制线圈电流信号；
信号分析模块，用于利用预设的故障诊断方法对所述声音、振动和控制线圈电流信号进行分析，提取所述开关类设备的运行状态特征参量；
故障诊断模块，用于将所述运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据进行对比，确定所述开关类设备当前的运行状态或故障严重程度，所述设备数据库中的数据为所述开关类设备在正常运行状态下的数据。
7.根据权利要求6所述的开关类设备状态监测及故障诊断装置，其特征在于，所述信号采集模块具体包括：声音信号采集模块、振动信号采集模块和电流信号采集模块；
所述声音信号采集模块利用自由场传声器采集所述开关类设备的声音信号，所述自由场传声器采用非接触式的方式安装在所述开关类设备的设定范围内；
所述振动信号采集模块利用加速度传感器采集所述开关类设备的振动信号，所述加速度传感器采用磁吸方式安装在所述开关类设备的触头组处；
所述电流信号采集模块利用电流传感器获取所述开关类设备的线圈分合闸电流信号及储能电机电流信号，所述电流传感器安装于所述开关类设备分合闸控制电源线处和储能电机电源线处。
8.根据权利要求6所述的开关类设备状态监测及故障诊断装置，其特征在于，所述开关类设备的运行状态特征参量包括互相关系数，所述互相关系数的计算公式具体为：
Figure FDA0003568914020000031
式中，r为互相关系数，X(i)和Y(i)分别为正常状态信号和实测信号，
Figure FDA0003568914020000032
和
Figure FDA0003568914020000033
分别表示正常状态信号和实测信号的平均值，i为采样索引，N为总采样点数。
9.根据权利要求6所述的开关类设备状态监测及故障诊断装置，其特征在于，所述开关类设备的运行状态特征参量包括信号能量，所述信号能量的计算公式具体为：
Figure FDA0003568914020000034
式中，Ek为信号能量，xi为信号采样索引值，i为采样索引，N为总采样点数。
10.根据权利要求6所述的开关类设备状态监测及故障诊断装置，其特征在于，所述故障诊断模块具体包括：偏差度计算模块和诊断模块；
所述偏差度计算模块用于计算所述运行状态特征参量与设备数据库中对应的数据的偏差度；
所述诊断模块用于将所述偏差度与第一设定阈值、第二设定阈值和第三设定阈值进行比较，若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第一设定阈值且均不大于所述第二设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第二设定阈值且均不大于所述第三设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在中等故障；若各运行状态特征参量对应的偏差度均大于所述第三设定阈值时，则认为所述开关类设备当前存在严重故障；否则，则认为所述开关类设备运行正常。
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