CN116559648A - 基于驱动电机功率检测的gis隔离开关机械状态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，包括如下步骤：S1、电机转矩‑转速特性拟合；S2、开关机械缺陷图谱库构建；S3、对工业实际获得的输出功率‑时间曲线与步骤S2所获得的典型缺陷的输出功率‑时间图谱进行动态时间规整计算，获得缺陷诊断结果。本发明针对GIS隔离开关特殊的转矩‑转速特性，使得本方案能比测量电压电流计算输入功率并进一步减掉铜损的方式更准确的获得电机的输出功率，解决了现有的基于电机电流诊断方法需要专家介入，检测难度大且难以适应工业现场的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备检测技术领域，尤其涉及基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法。
背景技术
隔离开关用量大、机械缺陷频发，但仍主要依靠人工经验判断机械状态，缺乏可成熟应用的量化参考依据，无法在有限时间内快速准确地判断隔离开关机械状态，难以满足电力系统安全稳定的发展要求。
基于电机电流的状态感知方法与基于振动信号的状态感知方法理论上都具有GIS隔离开关机械状态的完整信息，进一步理论上都可以对GIS隔离开关的触头接触状态进行监测，但是现有方法存在以下缺点：
A，对于电机电流/功率检测方法
无法反映电压与电流的相位变化关系，且不同电机型号的电机电流具有一定程度的分散性，导致电流特征表现不明显。即使在电流特征比较明显的前提下，现有诊断算法也属于物理分析方法，通过对电流包络线的分析进行缺陷分析，属于阈值判断，这种判断会造成两个问题，第一，对于不同的隔离开关该阈值设置难以直接量化，都需要专家介入，对隔离开关的运动过程完成物理分析，然后再进行阈值对应，同时，也难以适应工业现场的因开关机械状态离散性造成的阈值因开关差异而产生的差异。
B，对于振动信号的检测方法
只考虑了隔离开关在电磁力作用下的振动频率，而忽略了GIS隔离开关本体结构的固有频率，所得出的结论难以与实测信号进行匹配。
为此，我们提出基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，针对GIS隔离开关特殊的转矩-转速特性，使得本方案能比测量电压电流计算输入功率并进一步减掉铜损的方式更准确的获得电机的输出功率，解决了现有的基于电机电流诊断方法需要专家介入，检测难度大且难以适应工业现场的问题。
本发明提供如下技术方案：基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，包括如下步骤：
S1、电机转矩-转速特性拟合，构建电机特性曲线测试平台，对目标隔离开关的驱动电机转矩转速特性进行测试，拟合该电机转矩-转速特性曲线；
S2、开关机械缺陷图谱库构建，模拟隔离开关的机械故障，测试故障状态下及正常状态下隔离开关驱动电机转速-时间曲线，通过转矩-转速特性计算故障状态下驱动电机转矩-时间曲线，转化为典型缺陷的输出功率-时间图谱；
S3、对工业实际获得的输出功率-时间曲线与步骤S2所获得的典型缺陷的输出功率-时间图谱进行动态时间规整计算，获得缺陷诊断结果。
优选的，所述步骤S1中测量的数据包括指定型号电机的转速n、电机的供电电压Uin、电机的输入电流Iin，电机的输出转矩TM。
优选的，所述电机的转速采用扭矩传感器自带的光电旋转编码器进行信号采集后进行计算，光电编码器的脉冲信号采集使用示波器；电机的输出转矩采用磁粉制动器进行施加、读数记录；电机的输入电流采用电流传感器进行测量，电流传感器的信号采集使用示波器；电机的供电电压采用示波器进行采集。
优选的，所述步骤S2的模拟缺陷包括卡涩缺陷；
通过在齿轮与导体间填充胶条，从而增大齿轮转动过程中受到的阻力，来近似模拟主轴卡涩缺陷；
在动触头外增加橡胶圈，从而啮合过程中触头触指间的摩擦阻力，来近似模拟触头触指卡涩缺陷。
优选的，所述步骤S2的模拟缺陷包括脱相缺陷，采用拆除静触头的方式来近似模拟脱相缺陷。
优选的，所述步骤S2的模拟缺陷包括形成不到位缺陷，通过断开自保持回路电源来模拟行程不到位缺陷。
优选的，所述步骤S2的模拟缺陷包括触指弹簧变形缺陷，通过拆除触指弹簧来模拟触指弹簧变形缺陷。
优选的，所述步骤S3中在工业现场运行的GIS隔离开关上安装转速传感器,在开关动作时记录其转速-时间曲线,并折算为输出功率-时间曲线；
对工业现场实际获得的输出功率-时间曲线与步骤S2所获得的典型缺陷的输出功率-时间图谱进行动态时间规整计算；
对应的机械缺陷诊断为与实际动作曲线规整距离最小的图谱曲线所对应的缺陷类型。
本发明提供了基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，对传统的基于电机功率的GIS隔离开关进行改进，针对GIS隔离开关驱动电机主要以交直流两用电机为驱动电机，且这种交直流两用电机多是带换向器的串励直流电机这一特点。本发明利用转速拟合的方式测算出GIS隔离开关的驱动电机输入功率与效率，并利用输入功率与效率计算输出功率，可以更准确的反应出隔离开关驱动电机的输出功率，并根据这种映射关系，以动态时间规整相似度分析的方法，进行隔离开关故障诊断。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明实施例电机特性曲线测试平台连接顺序图；
图3为本发明实施例电机特性测试平台接线方式图；
图4为本发明实施例转速传感器安装示意图；
图5为本发明实施例动态时间调整产生的二进制矩阵图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种技术方案：基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，包括如下步骤：
S1、交直流两用电机转矩-转速特性拟合。
拟合首先需要测量的量是，指定型号电机的转速n、电机的供电电压Uin、电机的输入电流Iin，电机的输出转矩TM。其中电机的转速采用扭矩传感器自带的光电旋转编码器进行信号采集后进行计算，光电编码器的脉冲信号采集使用示波器。电机的输出转矩采用磁粉制动器进行施加、读数记录。电机的输入电流采用电流传感器进行测量，电流传感器的信号采集使用示波器。电机的供电电压采用示波器进行采集。各部分的连接顺序如图2所示。
具体连接方式如图3所示。其中减速器用于降低主轴转速；扭矩传感器用于测量扭矩、转速。磁粉制动器用于向主轴施加扭矩。电流传感器用于测量电机输入电流；单相变压器，与电机输入电压并联，降低电压以便检测。信号采集卡用于采集测量信号；平台支架用于固定各组件并使转轴对中。
操作步骤如下：
1、接通平台各部件电源(电机空开除外)，打开采集卡软件，磁粉制动器控制电流归零，按下扭矩传感器“清零”按钮，变压器调至零位。
2、记录采集卡软件端显示的电流、电压、扭矩信号均值(此时应为直流信号加可忽略噪音)，记录于下表，作为零飘调节参数。
3、接通驱动电机空气开关，旋转变压器调节旋钮，观察采集软件电压差分值，使该正弦波的峰峰值大致在6-9V区间，测量并记录变压器原副边变比K。
4、待驱动电机减速后转速稳定于约24r/min采集软件保存电流、电压、扭矩、转速脉冲原始信号数据,按实验顺序命名为。
5、调节磁粉制动器控制电流，增加0.04A(磁粉制动器控制电流为0.02A阶跃调节)，重复第4-5步，至驱动电机转速小于20r/min。
6、变压器调至零位，断开驱动电机空开。断开其余各部分电源。
7、利用公式(1)计算电机输入功率P(t)，其中T为输入电压周期，u(t)为驱动电压，i(t)为驱动电流：
利用公式(2)计算电机输出功率Pout：
其中n为转速单位为转/分钟，TM为转矩单位为N.m。转速的计算方式如公式(3)所示：
其中pulse为采样时间内编码器的输出脉冲数，pps为编码器每转一圈的脉冲数，t为采样时间，单位为秒。
通过上述步骤，可以绘制该型号驱动电机的转矩-转速曲线。并可以根据公式(2)计算之后折算成输出功率-转速曲线。
S2、指定型号开关机械缺陷图谱库构建。
如图4所示，于所需测试的隔离开关上安装转速传感器，进行隔离开关机械缺陷模拟，并采集缺陷及正常状态下运行的隔离开关转速-时间数据。
模拟缺陷情况如下：
1、卡涩缺陷：在齿轮与导体间填充胶条，从而增大齿轮转动过程中受到的阻力，来近似模拟主轴卡涩缺陷；在动触头外增加橡胶圈，从而啮合过程中触头触指间的摩擦阻力，来近似模拟触头触指卡涩缺陷。
2、脱相缺陷：采用拆除静触头的方式来近似模拟脱相缺陷。
3，形成不到位缺陷：通过断开自保持回路电源来模拟行程不到位缺陷。
4，触指弹簧变形缺陷：通过拆除触指弹簧来模拟触指弹簧变形缺陷。
在上述缺陷状态下，测量GIS隔离开关运行过程中的转速-时间曲线，并根据公式(2)折算为输出功率-时间曲线。并将其作为图谱，存入到该型号隔离开关的缺陷类型指纹库中。
S3、基于动态时间规整的缺陷诊断。
在工业现场运行的GIS隔离开关上安装如图4所示的转速传感器,在开关动作时记录其转速-时间曲线,并根据公式(2)折算为输出功率-时间曲线。对工业实际获得的输出功率-时间曲线与步骤2所获得的典型缺陷的输出功率-时间图谱进行动态时间规整计算，获得缺陷诊断结果。
动态时间规整计算的含义与方式：
考虑两个时间序列x和x‘各自的长度n和m。假设，所有元素x和x‘位于相同的p维空间中，并且观察发生的确切时间戳被忽略，只有它们的顺序信息被记录。动态时间调整寻求最小化对齐序列之间的欧几里得距离的时间对齐。其优化模型为：
其中长度为K的对齐路径π是参数为K的索引对序列是所有允许路径的集合。路径应满足以下条件：
(1)时间序列的起始是统一的。
(2)该序列在i和j中都是单调递增的，并且所有时间序列索引应该至少出现一次；另一种表示DTW路径的方法是使用二进制矩阵，其非零项是对应于时间序列元素之间匹配的项。通过以下方式与上面使用的索引序列表示相关：
这在图5中进行了说明，其中二进制矩阵中的非零项表示为点，并且在侧面产生了等效的匹配序列：
使用矩阵表示法，动态时间规整可以写成矩阵之间点积的最小化：
其中Dq(x，x)表示q处的规整距离d(x，x)。从上述分析可以看出，动态时间规整方法具有曲线拉伸的判断能力，对于高压隔离开关，虽然其不同台次的正常机械状态的动力学结构不同，但是其基本运动过程一致，进而说明其状态量曲线均可以拉伸变形成为一个标准的波形。因此，动态时间调整的匹配方法适应对于离散性比较强的高压隔离开关的匹配。
将步骤3中最开始获得的现场的输出功率-时间曲线视为时间序列x长度为n。
分别将步骤2中进行的缺陷模拟所获得的不同缺陷及正常状态下的输出功率-时间曲线视为时间序列x‘长度m。利用公式4计算x与不同x‘的动态时间规整距离，取动态时间规整距离最小的为匹配(距离最小说明曲线最接近)。
则对应的机械缺陷诊断为与实际动作曲线规整距离最小的图谱曲线所对应的缺陷类型。
本发明中，当需要对某一型号的GIS隔离开关进行故障检测的时候，首先获取其所使用的驱动电机型号，并对该型号的驱动电机进行机械特性拟合，拟合的方式是构建实验平台，进行测试与数据拟合，拟合获得转矩-转速曲线。进一步的，对该型号的隔离开关进行典型故障，如合闸不到位、卡涩、异常卡涩等主要机械故障的模拟，在模拟故障的过程中，测量并记录其转动过程的转速变化，形成典型故障的转速-时间曲线图，并通过前述转矩-转速曲线图，形成转矩-时间曲线，进一步根据计算公式，折算为典型故障情况下的输出功率-时间曲线，形成典型缺陷图谱。
进一步的，对工业现场运行的隔离开关安装转速传感器，记录隔离开关运动过程中的转速时间曲线，由于GIS隔离开关采用的驱动电机大多为交直流两用电机，也就是串励直流电机，其机械特性为随着负载的变化，转速有明显变化，则可以根据这种变化，以及前述测算的转矩转速特性，拟合出现场运行隔离开关的电机转矩-时间曲线，进一步根据计算公式，折算为输出功率-时间曲线。
再进一步，将实际测的输出功率-时间曲线与典型缺陷图谱中的曲线进行动态时间规整计算，匹配出典型缺陷。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、电机转矩-转速特性拟合，构建电机特性曲线测试平台，对目标隔离开关的驱动电机转矩转速特性进行测试，拟合该电机转矩-转速特性曲线；
S2、开关机械缺陷图谱库构建，模拟隔离开关的机械故障，测试故障状态下及正常状态下隔离开关驱动电机转速-时间曲线，通过转矩-转速特性计算故障状态下驱动电机转矩-时间曲线，转化为典型缺陷的输出功率-时间图谱；
S3、对工业实际获得的输出功率-时间曲线与步骤S2所获得的典型缺陷的输出功率-时间图谱进行动态时间规整计算，获得缺陷诊断结果。
2.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S1中测量的数据包括指定型号电机的转速n、电机的供电电压Uin、电机的输入电流Iin，电机的输出转矩TM。
3.根据权利要求2所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述电机的转速采用扭矩传感器自带的光电旋转编码器进行信号采集后进行计算，光电编码器的脉冲信号采集使用示波器；电机的输出转矩采用磁粉制动器进行施加、读数记录；电机的输入电流采用电流传感器进行测量，电流传感器的信号采集使用示波器；电机的供电电压采用示波器进行采集。
4.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S2的模拟缺陷包括卡涩缺陷；
通过在齿轮与导体间填充胶条，从而增大齿轮转动过程中受到的阻力，来近似模拟主轴卡涩缺陷；
在动触头外增加橡胶圈，从而啮合过程中触头触指间的摩擦阻力，来近似模拟触头触指卡涩缺陷。
5.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S2的模拟缺陷包括脱相缺陷，采用拆除静触头的方式来近似模拟脱相缺陷。
6.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S2的模拟缺陷包括形成不到位缺陷，通过断开自保持回路电源来模拟行程不到位缺陷。
7.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S2的模拟缺陷包括触指弹簧变形缺陷，通过拆除触指弹簧来模拟触指弹簧变形缺陷。
8.根据权利要求1所述的基于驱动电机功率检测的GIS隔离开关机械状态检测方法，其特征在于：所述步骤S3中在工业现场运行的GIS隔离开关上安装转速传感器,在开关动作时记录其转速-时间曲线,并折算为输出功率-时间曲线；
对工业现场实际获得的输出功率-时间曲线与步骤S2所获得的典型缺陷的输出功率-时间图谱进行动态时间规整计算；
对应的机械缺陷诊断为与实际动作曲线规整距离最小的图谱曲线所对应的缺陷类型。
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