CN202676875U - 一种断路器电气剩余使用寿命预测装置 - Google Patents

Abstract

一种断路器电气剩余使用寿命预测装置，该装置包括断路器、信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块；信号采集模块采集的信号输出至A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端与处理器的I/O端口连接，变换电路的数据转换引脚与处理器的串口连接，工控机的输入端和传输模块的输入端均连接处理器的串口。该装置直接测量断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数并将这些作为输入量，利用A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块实现断路器使用寿命的预测。这种方法避免传统方法建立模型和选取参数时造成的误差，并且输入量提取简单，精确，预测效率高。

Description

一种断路器电气剩余使用寿命预测装置

技术领域

本实用新型属于断路器技术领域，特别涉及一种断路器电气剩余使用寿命预测装置。

背景技术

有关统计表明，一半以上的变电站维护费用是花在开关上，而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上;另外据统计，10%的断路器故障是由于不正确的检修所致,断路器的大修完全解体，既费时，费用也很高，可达整个断路器的1/3—1/2，而且解体和重新装配会引起很多缺陷，由此产生的事故例子更是不胜枚举。对于断路器的哪些部件(或重要元件)，运行多长时间需要更换，仍是一个争议的问题，事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时仍性能良好，而由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。因此能够了解断路器的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做到应修则修，就可显著提高电力系统可靠性和经济性。对开关生产企业自行研发并制造生产的新型户外高压交流真空断路器的电气剩余使用寿命进行预测分析，可以方便维修人员进行检修。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种断路器电气剩余使用寿命预测装置。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种断路器电气剩余使用寿命预测装置，包括断路器、信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块；

所述信号采集模块包括电压互感器、电流互感器、位移传感器、气压传感器和绝缘测试仪。

电流互感器安装在绝缘子的绝缘支撑件中，用于采集断路器的开断电流，电压互感器用于采集断路器的过电压，位移传感器安装在断路器操动机构的拉杆上，用于采集断路器的使用次数和合闸时间，气压传感器用于采集断路器所在环境气压，绝缘测试仪安装在断路器的绝缘壳上，用于采集断路器绝缘系数。

所述A/D转换器用于将信号采集模块采集的模拟信号转换成数字信号；

所述处理器对AD转换后的采集量进行数据处理；

所述变换电路进行电平和逻辑关系变换；

所述传输模块用于与远方调度终端进行数据传输；

信号采集模块采集的信号输出至A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端与处理器的I/O端口连接，变换电路的数据转换引脚与处理器的串口连接，工控机的输入端和传输模块的输入端均连接处理器的串口。

采用上述断路器电气剩余使用寿命预测装置进行断路器电气剩余使用寿命预测，按如下步骤进行：

步骤1：采集断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数；

通过电流互感器和电压互感器分别采集断路器的开断电流和过电压，位移传感器采集断路器的使用次数和合闸时间，气压传感器采集断路器所在环境的气压值，绝缘测试仪采集断路器绝缘系数；

步骤2：将采集到的模拟量转换成数字量，送至处理器；

步骤3：对断路器电气剩余使用寿命进行预测；

步骤3.1：对采集的数据进行空间重构，在一个时间序列内以采集到的断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数为系统输入量，重构出表征断路器电气剩余使用寿命的非线性系统空间；

步骤3.2：在重构出的系统空间内建立基于复杂网络的数学模型，来描述断路器电气剩余使用寿命，并求解该数学模型；

步骤3.3：得到断路器电气剩余使用寿命的预测结果；

步骤4：将断路器电气剩余使用寿命的预测结果通过传输模块发送至远方调度终端，以便维修人员及时进行检修。

有益效果：

本实用新型断路器电气剩余使用寿命预测装置，直接测量断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数作为输入量，利用A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块实现断路器使用寿命的监测，避免传统方法建立模型和选取参数时造成的误差，并且具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

附图说明

图1本实用新型具体实施方式断路器电气剩余使用寿命预测装置工作示意图；

图2本实用新型具体实施方式断路器电气剩余使用寿命预测装置结构框图；

图3本实用新型具体实施方式断路器电气剩余使用寿命预测装置的A/D转换器与处理器电路原理图；

图4本实用新型具体实施方式断路器电气剩余使用寿命预测总流程图；

图5本实用新型具体实施方式中所采用的复杂网络结构示意图；

图6本实用新型具体实施方式采用基于复杂网络的数学模型进行断路器电气剩余使用寿命预测的流程图；

图7本实用新型预测电气剩余使用寿命曲线与实际电气剩余使用寿命曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

如图1、图2所示，本实施方式的断路器电气剩余使用寿命预测装置，包括断路器、信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块；

断路器采用库柏耐吉的12kv的VN3-12E系列，该断路器已使用10年。

信号采集模块包括电压互感器、电流互感器、位移传感器、气压传感器、绝缘测试仪；电压互感器选用JDG4-0.51000/100型号电压互感器，电流互感器选用CTY205型号电流互感器，位移传感器选用大行程拉绳位移传感器CTL系列，绝缘测试仪使用DL09-SDM50，气压传感器选用PT603。电流互感器安装在绝缘子的绝缘支撑件中，用于采集断路器的开断电流，电压互感器安装在二次回路中，用于采集断路器的过电压，位移传感器安装在断路器操动机构的拉杆上，用于采集断路器的使用次数和合闸时间，气压传感器用于采集断路器所在环境的气压值，绝缘测试仪安装在断路器的绝缘壳上，用于采集断路器绝缘系数。

A/D转换器选用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器，该器件使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。串行A/D转换器与单片机的连接非常简单。AIN0-AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。

处理器选用型号为STC89C51的单片机，使用单片机自带的串行口，可实现与工控机的串行通信。现在PC机提供的COM1、COM2是采用RS-232接口标准的，而RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或与终端的TTL器件(如单片机)连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，本实施方式的变换电路选用由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片MAX232。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路，该电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发生器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。单片机是整个装置的核心，串行A/D转换器TLC2543对输入的模拟信号进行采集，采样分辨率、转换通道及输出极性由软件进行选择，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，单片机采集的数据通过串口(10、11脚)经MAX232转换成RS232电平与工控机间实现传输，具体连接如图3所示，

工控机选用采用UNO-3072系列Pentium M/Celeron M嵌入式工控机。

传输模块采用H7000系列无线通信系统。

电压互感器、电流互感器、位移传感器、气压传感器、绝缘测试仪的输出端分别连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN4，如图3所示，A/D转换器TLC2543的输出端EOC，CLK，DIN，DOUT分别连接到单片机的P10，P11，P12，P13，单片机STC89C51的10引脚（RXD）、11引脚（TXD）与变换电路MAX232的9引脚（R2out）和10引脚（T2in）连接，工控机输入端和传输模块的输入端与单片机输出端连接；断路器的电气信息和机械信息经由相应的器件由采样芯片进行同步采样、保持、A/D转换，变为数字信号，送入单片机进行计算和数据处理，通过通信接口与工控机相连并将数据送到传输模块，为与远方调度通讯做好准备；

采用上述断路器电气剩余使用寿命预测装置进行断路器电气剩余使用寿命预测，其流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤1：采集断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数；

将断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数作为输入量；采集样本值见表1；

表1采集样本值

采集样本	采集值
		合闸时间	1.3m/s
电压	12.3/kv
		电流	6.3/kA
气压值	102/kpa
		绝缘系数	1.1
使用次数	5000

步骤2：将采集到的模拟量转换成数字量，送至处理器；

步骤3：对断路器电气剩余使用寿命进行预测，流程如图5所示；

步骤3.1：对采集的数据进行空间重构，在一个时间序列内以采集到的断路器的合闸时间、过电压、开断电流、环境气压，使用次数、绝缘系数为系统输入量，重构出表征断路器电气剩余使用寿命的非线性系统空间；

设采集的系统时间序列为(x₁,x₂,......x_n)，输入量个数n；

重构的系统空间形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=(x_{11},x_{12},...,x_{1N})\\ x_2=(x_{21+\mathrm{\τ}},x_{22+\mathrm{\τ}},...,x_{2N+\mathrm{\τ}})\\ .....\\ x_i=(x_{i1+(i-1)\mathrm{\τ}},x_{i2+(i-1)\mathrm{\τ}},...,x_{\mathrm{iN}+(i-1)\mathrm{\τ}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中x_iN为某一时刻采集数据中的一个相关像素，τ为时间延迟，N为自然数，x_i为重构空间中相点，i＝1，2，…，n。

步骤3.2：在重构出的系统空间内建立基于复杂网络的数学模型，来描述断路器电气剩余使用寿命，并求解该数学模型；

把重构的空间看成是一个由两层网络构成的复杂网络，如图5所示，第一层网络中心只有一个节点，第二层中心有5个节点，因此这个有N（N=6）个节点的复杂网络为1~5中心网络。

建立基于伏在网络的数学模型，来描述断路器电气剩余使用寿命，该数学模型表示为：

$x_i(t+1)=f_i\left(x_i\left(t\right)\right)+\mathrm{\ϵ}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{h}_j\left(x_j\left(t\right)\right),$ i＝1，.......n，  (2)

其中，x_i(t)=(x_i1(t),x_i2(t),.....x_iN(t))^T∈R^N表示节点i的状态向量，A=(a_ij)_n×n为耦合矩阵，耦合强度ε=0.004（0<ε<1），f_i:R^N→R^N表示节点i自身演化函数，f_i(x)=6x(9-x)，h_j:R^N→R^N为内部耦合法则，表示节点j的输出函数h_j(x)=εf(x(t))。|h_j(·)|≤ε，j=1，2，........6，f_i,h_i，i＝1，2......n有界，并且

线性无关。

则只要从中求出系统耦合矩阵A=(a_ij)，即a_ij，即可完成对断路器电气剩余寿命的预测。

在式（2）中，f_i,h_i（i,j=1，2，…，n)已知，并且对于i＝1，2，…，n，t=0，1，2，…，变量x_i(t)的值是可以直接测得的断路器的采集量，而复杂网络的拓扑结构是未知的。估计网络的拓扑结构，具体地说就是计算估计矩阵A=（a_ij）中的元素。将式(2)作为驱动系统。引入下面的响应系统

$y_i(t+1)=f_i\left(x_i\left(t\right)\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{h}_j\left(x_j\left(t\right)\right),$ i＝1，2，..............n        (3)

这里y_i(·)=(y_i1(·),y_i2(·),.....y_iN(·))^T∈R^N,i＝1,2,.....n,b_ij(·)∈R是时变参数序列，i,j=1，2，........n，引入参数自适应控制系统

b_ij(t+1)=b_ij(t)-k(y_i(t+1)-x_i(t+1))^Th_j(x_j(t))，i,j=1，2，......n         (4)

其中k∈R是一个可选参数。分别改写方程(2)，(3)，(4)为下面的矩阵形式，得

X(t+1)=FX(t)+AH(X(t))            （5)

Y(t+1)=F(X(t))+B(t)H(X(t))        (6)

B(t+1)=B(t)-kE(t+1)H(X(t))^T，     (7)

其中x_i(t+1)表示为X(t+1)，f_i(x_i(t))表示为FX(t)，h_j(x_j(t))表示为H(X(t))，a_ij表示为A,y_i(t+1)表示为Y(t+1)，x_i(t)^T表示为X(t)^T。

这里X（·）=（x₁(·),x₂(·),......x_n(·))^T∈R^n×N,Y(·)=（y₁(·),y₂(·),......y_n(·))^T∈R^n×N，

E(·)=Y(·)-X(·),F(X)=(f₁(x₁),f₂(x₂),......f_n(x_n))∈R^n×N,H(X)=(h₁(x₁),h₂(x₂),......h_n(x_n))∈R^n×N

方程(6)减去方程(5)，得到

E(t+1)=(B(t)-A)H(X(t))            (8)

将(8)的结果代入式(7)，并且两边减去A，可以得到

ΔB(t+1)=ΔB(t)[I-kH(X(t))H(X(t))^T]        (9)

其中，ΔB(·)=B(·)-A，I为一个单位矩阵

首先，构造Lyapunov函数W(t)

$W\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}{\left(t\right)}^2,---\left(10\right)$

其中Δb_ij(t)=b_ij(t)-a_ij。

trA表示一个方阵A的迹，则有下面的结果：

$\left(1\right),\mathrm{trA}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{ii}},A=\left(a_{\mathrm{ij}}\right)\&Element;M_{n\&times;n};$

（2）tr(αA+βB)=αtrA+βtrB,A,B∈M_n×n,α,β∈R

（3）tr(AB)=tr(BA),A∈M_m×n,B∈M_n×m;

$\left(4\right),\mathrm{tr}\left({\mathrm{AA}}^T\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{ij}}^2,$ A∈M_m×n;

（5）若A=(a_ij)∈M_m×n,B=(b_jk)∈M_n×p,则有

tr((AB)(AB)^T)≤tr(AA^T)tr(BB^T)            （11）

其次，根据差分的Lasalle不变原理，差分式为：

x_m+1=T(x_m),m=0,1,.....

其中T：R^N→R^N，V是方程在G中的Lyapunov函数，如果V连续并且

对一切x∈G成立，则记作E={x:V=0,x∈G}，M为E的最大不变集，V^-1(c)={x:V(x)=c,x∈R^N}这里Δb(t)=b_ij(t)-a_ij，根据（11）矩阵迹的结果，可以得

W(t+1)

=tr(ΔB(t+1)ΔB(t+1)^T)

=tr(ΔB(t)ΔB(t)^T)-2k·tr[((ΔB(t)H(X(t)))(ΔB(t)H(X(t)))^T]

+k²·tr[(ΔB(t)H(X(t))·H(X(t))^T)(ΔB(t)H(X(t))H(X(t))^T)^T]

                                                            （12）

≤W(t)-2k·tr[((ΔB(t)H(X(t)))(ΔB(t)H(X(t)))^T]

+k²·tr[(ΔB(t)H(X(t))·H(X(t))^T)(ΔB(t)H(X(t))H(X(t))^T)^T]

＝W(t)-k(2-k·tr[H(X(t))^T·H(X(t)))·tr[(ΔB(t)H(X(t))(ΔB(t)H(X(t)))^T]

使-k(2-k·[H(X(t))^TH(X(t))]<0，为此只要选取参数k满足下式即可

$0<k<2{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L^2}_j\right)}^{-1}---\left(13\right)$

h_j(·)|≤L_j,j=1,2,.....n。其中k=k_n，k_n为

中的最大正整数，

$\mathrm{tr}\left[\mathrm{\&Delta;B}\left(t\right)H\left(X\left(t\right)\right){\left(\mathrm{\&Delta;B}\left(t\right)H\left(X\left(t\right)\right)\right)}^T\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_{\mathrm{jk}}\left(x_j\left(t\right)\right)\right)}^2\&GreaterEqual;0$

得到ΔW(t)=W(t+1)-W(t)≤0令ΔW(t)=0，则

[ΔB(t)H(X(t))(ΔB(t)H(X(t)))^T]=0         （14）

即

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_{\mathrm{jk}}\left(x_j\left(t\right)\right)=0,$ i=1,2,…,n，k=1,2,…,N

或

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{b}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)h_j\left(x_j\left(t\right)\right)=0,$ i=1,2,…,n

因为线性无关，因此Δb_ij(t)=0，对一切i,j=1，2，.......n都成立。根据Lasalle不变原理，Δb_ij(t)=0是ΔW(t)=0的最大不变集，因而b_ij(t)=a_ij，i,j=1，2，.....n自适应控制系统的全局吸引子，其中取b_ij的初值为N为像素的最大值。综上，运用响应系统(3)和自适应控制系统(4)，实现对离散时间复杂网络(2)中拓扑结构参数a_ij的估计。

运用响应系统(3)和自适应控制系统(4)

$y_i(t+1)=f_i\left(x_i\left(t\right)\right)+\mathrm{\&epsiv;}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{h}_j\left(x_j\left(t\right)\right),$ i=1,2......n

b_ij(t+1)=b_ij(t)-k(y_i(t+1)-x_i(t+1))^Th_j(x_j(t))，i,j=1,2......n

其中当i≠j时，如果从节点j到节点i有连线，则规定a_ij=1，否则a_ij=0;而当i＝j时，

i,j=1，2.....6，根据（13）计算出

取0<k<7.088，则对所有的i,j=1，2，.......6，都可以用b_ij(t)来计算出a_ij，这里取k=7，初始值取为i,j=1，2，.........6。

耦合矩阵 $a_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}-k\left[4x_i(1-x_i\left(t\right))\right]-4\mathrm{\&epsiv;}{x}_i{(t+1)}^T{x}_j\left(t\right)[1-x_j\left(t\right)]$

步骤3.3：得到断路器电气剩余使用寿命的预测结果；

由图6可知，预测断路器电气剩余使用寿命与实际断路器电气剩余使用寿命系数曲线，横坐标表示使用时间，纵坐标表示剩余使用寿命，即使用次数，100%表示20000次,预测误差在±5%以内。

步骤4：将断路器电气剩余使用寿命的预测结果通过传输模块发送至远方调度终端，以便维修人员及时进行检修。

Claims (7)

1.一种断路器电气剩余使用寿命预测装置，包括断路器，其特征在于：包括信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和传输模块；

信号采集模块采集的信号输出至A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端与处理器的I/O端口连接，变换电路的数据转换引脚与处理器的串口连接，工控机的输入端和传输模块的输入端均连接处理器的串口。

2.根据权利要求1所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述信号采集模块包括电压互感器、电流互感器、位移传感器、气压传感器和绝缘测试仪。

3.根据权利要求2所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述电流互感器是用于采集断路器的开断电流的装置。

4.根据权利要求2所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述电压互感器是用于采集断路器的过电压的装置。

5.根据权利要求2所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述位移传感器是用于采集断路器的使用次数和合闸时间的装置。

6.根据权利要求2所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述气压传感器是用于采集断路器所在环境气压的装置。

7.根据权利要求2所述的断路器电气剩余使用寿命预测装置，其特征在于：所述绝缘测试仪是用于采集断路器绝缘系数的装置。

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