基于光纤传感器的断路器振动监测系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开的基于光纤传感器的断路器振动监测系统，包括有安装于断路器上的多个光纤光栅振动传感器和安装于断路器输出触点处的开关量检测模块，光纤光栅振动传感器通过依次与光纤光栅解调仪、信号调理模块及AD转换模块连接，AD转换模块与开关量检测模块分别与隔离单元模块连接，隔离单元模块依次与数字信号处理器、上位机连接；本发明还公开了上述监测系统的监测方法，在断路器的多个位置上安装光纤光栅振动传感器，采集断路器的振动信号，然后对信号进行处理，传输到上位机，从而可确定传感器的最佳安装位置和实现对断路器机械状态的监测。本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统及监测方法实现了对运行中的断路器进行实时振动监测。
【专利说明】基于光纤传感器的断路器振动监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力设备在线监测方法【技术领域】，涉及一种基于光纤传感器的断路器 振动监测系统，本发明还涉及上述断路器振动监测系统的监测方法。
【背景技术】
[0002]断路器是电力系统的重要设备，其机械故障会对系统运行构成极大威胁，并导致 严重的经济损失。为了确保断路器的安全运行和提高电力系统运行的可靠性，必须加强对 其进行振动监测。
[0003]随着计算机技术、传感技术、现场总线技术和人工智能的日趋成熟，对断路器振动 监测已经成为可能。断路器的振动信号蕴含着丰富的机械状态信息，振动信号监测是一种 非侵入式的监测方法，不影响设备的内部结构和正常运行，利用振动信号对断路器机械状 态进行监测和诊断，可提前发现和预防故障，是判断机械状态的有效手段。
[0004]传统的断路器振动监测方法主要是通过压电式加速度传感器对断路器三相触头 末端处进行振动监测，根据上位机显示的波形情况，从而确定断路器的机械状态。虽然可以 实时监测到断路器相的振动，但是传感器存在抗干扰能力差、存在积分误差累计的问题，实 测的误差较大，并且只监测一个位置的振动信号，并不能说明断路器的机械状态。光纤光栅 振动传感器是一种抗电磁干扰、灵敏度高且能在恶劣环境下正常稳定工作的传感器，它能 够实时对振动信号进行动态监测。如果将其应用到断路器在线监测，将会在其监测的可靠 性和精度上得到很大的提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于光纤传感器的断路器振动监测系统，实现了对运 行中的断路器进行实时振动监测的目的。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测 方法。
[0007] 本发明所采用的第一种技术方案是，基于光纤传感器的断路器振动监测系统，包 括有安装于断路器上的多个光纤光栅振动传感器和安装于断路器输出触点处的开关量检 测模块，光纤光栅振动传感器通过信号线依次与光纤光栅解调仪、信号调理模块及 AD转换 模块连接，AD转换模块与开关量检测模块分别通过信号线与隔离单元模块连接，隔离单元 模块通过信号线与数字信号处理器连接，数字信号处理器通过CAN总线与上位机连接；信 号调理模块、AD转换模块、开关量检测模块、隔离单元模块及数字信号处理器均集成于一块 印制电路板上。
[0008] 本发明第一种技术方案的特点还在于：
[0009] 光纤光栅振动传感器固定于断路器壳体非带电部分的表面，断路器壳体非带电部 分的表面上设置有带螺纹安装孔的刚性底座，光纤光栅振动传感器采用螺栓连接的方式与 刚性底座连接。
[0010] 光纤光栅解调仪的型号为SR-100-T。
[0011] AD转换模块的型号为AD7656。
[0012] 隔离单元模块的型号为P78l。
[0013]本发明所采用的第二种技术方案是，基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监 测方法，具体按照以下步骤实施：
[0014] 步骤1、利用光纤光棚振动传感器米集断路器不同位置的分合闸振动参量变化，根 据分合闸振动参量变化得到光信号的变化量；
[0015] 步骤2、光纤光栅解调仪将步骤1中的多个光纤光栅振动传感器采集到的光信号 解调成电压信号，并将其放大到适合AD转换的电压信号，得到放大后的电压信号，放大后 的电压信号其电压为4. 75?5. 25V ;
[0016]步骤3、利用信号调理模块处理经步骤2得到的放大后的电压信号，得到数字信 号；同时由开关量检测模块提取断路器的位置信号；
[00Π ]步骤4、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号依次经过隔离单元模块、 数字信号处理器处理后送至上位机，完成整个振动信号的处理和传输；
[0018] 步骤5、上位机对不同位置分合闸振动信号进行分析处理、实时显示和报警，并且 根据波形分析确定光纤光栅振动传感器的最佳安装位置。
[0019]本发明第二种技术方案的特点还在于：
[0020]步骤1.1、将多个光纤光栅振动传感器分别安装于断路器壳体非带电部分，具体安 装方法为：在断路器壳体非带电部分的表面粘贴一个带螺纹安装孔的刚性底座，然后采用 螺栓连接的方式将多个光纤光栅振动传感器固定在这个底座上；
[0021] 步骤1.2、利用多个光纤光栅振动传感器采集断路器不同位置的分合闸振动参量 变化，振动参量变化会导致光纤光栅轴向应变，引起光纤光栅反射波长的变化，即将分合闸 的振动参量变化转化为光信号的变化。
[0022] 步骤3具体按照以下步骤实施：
[0023]步骤3· 1、利用信号调理模块将放大后的电压信号中高频千扰信号滤除，高频干扰 信号是指频率为20kHz以上的干扰信号；
[0024] 步骤3· 2、经步骤3. 1，将滤波后的电压信号调整到适合AD采样的范围，得到模拟 信号；
[0025]步骤3. 3、利用AD转换模块将步骤3. 2中得到的模拟信号转换为数字信号，同时由 开关量检测模块提取断路器的位置信号。
[0026]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0027] 一步骤4· 1、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号输送至隔离单元模块， 得到隔离后的相应信号；
[0028]步骤4. 2、将经步骤4. 1得到隔离后的相应信号输送至数字信号处理器进行信号 处理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号；
[0029]步骤4. 3、将经步骤4. 2得到的相应相频、幅频和谐波信号通过CAN总线传输到上 位机，完成整个振动信号的处理和传输。
[0030]步骤10具体按照以下方法实施：
[0031]通过小波包分解，建立最优分解树重构完好的状态振动信号，并将重构的状态振 动信号作为当前使用的指纹信号；同时将敏感节点的最大系数作为特征向量输入向量机进 行状态分类，以此用来判断断路器当前状态。
[0032] 本发明的有益效果在于：
[0033] L本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统中，采集断路器分合闸振动信 号选用的是光纤光栅振动传感器，其原因在于：光纤光栅振动传感器具有抗电磁干扰、精度 高、信号传输量大，能在恶劣环境下正常工作，可以实现实时动态监测等优点。
[0034] 2·本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统可以监测多路振动信号，而且同 时提取断路器分合闸动作信号，从而可以在上位机上清楚地看到断路器分/合时的振动波 形。
[0035] 3.本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统中设置了数字信号处理器和上 位机，可以自动采集断路器分合闸振动信号，从而实现了智能监测的目的；
[0036] 4.本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统及监测系统适合于不同电压等 级的断路器。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统的结构示意图；
[0038]图2是利用本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统进行监测的过程中信 号小波包分解的原理示意图；
[0039]图3是利用本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统得到的最优分类面的 示意图。
[0040]图中，1·光纤光栅振动传感器，2·光纤光栅解调仪，3.信号调理模块， 4. AD转换模 块，5.断路器输出触点，6·开关量检测模块，7.隔离单元模块，8.数字信号处理器，9.上位 机。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0042]本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其结构如图1所示，包括有安装 于断路器上的多个光纤光栅振动传感器1和安装于断路器输出触点处的开关量检测模块 6,光纤光栅振动传感器1通过信号线依次与光纤光栅解调仪2、信号调理模块 3及AD转换 模块4连接，AD转换模块4与开关量检测模块6分别通过信号线与隔离单元模块7连接， 隔离单元模块 7通过信号线与数字信号处理器8连接，数字信号处理器8通过CAN总线与 上位机 9连接；彳目号调理模块3、AD转换模块4、开关量检测模块6、隔离单元模块7及数字 信号处理器8均集成于一块印制电路板（PCB)上。
[0043]光纤光栅振动传感器1安装方式为：在断路器壳体非带电部分的表面粘贴一个带 螺纹安装孔的刚性底座，然后米用螺栓连接的方式将光纤光栅振动传感器丨固定在这个底 座上。
[0044] 光纤光栅解调仪2的型号为SR-100-T。
[0045]丨目号调理t吴块3具有彳目号滤波、放大的作用，将输入的电压信号中的高频千扰信 号滤除，然后将电压信号进行放大。 '
[0046] AD转换模块4是将模拟信号转换为数字信号，其型号为AD7656。
[0047]隔罔单兀?旲块7将釗后两部分电路实现电气上的隔离，防止了两部分电路之间的 互相干扰，增强了电路本身的抗干扰能力，其型号为Ρ781。
[0048] 数字信号处理器的型号为TMS320F28335。
[0049]本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统方法，具体按照以下步骤实施： [0050]步骤1、利用光纤光栅振动传感器1采集断路器不同位置的分合闸振动参量变化， 根据分合闸振动参量变化得到光信号的变化量；
[0051]步骤1· 1、将多个光纤光栅振动传感器1分别安装于断路器壳体非带电部分，具体 安装方法为：在断路器壳体非带电部分的表面粘贴一个带螺纹安装孔的刚性底座，然后采 用螺栓连接的方式将多个光纤光栅振动传感器1固定在这个底座上； ~
[0052]步骤1· 2、利用多个光纤光栅振动传感器1采集断路器不同位置的分合闸振动参 量变化，由于振动参量变化会导致光纤光栅轴向应变，因此会引起光纤光栅反射波长的变 化，即将分合闸的振动参量变化转化为光信号的变化；
[0053]其中，光纤光栅振动传感器1将采集到的断路器振动参量变化转变为光纤光栅轴 向应变，当光纤光栅轴向应变ε变化时，根据应变测量公式：Δ λΒ= (1-Ρ(；) ε ，从而达 到根据光纤光栅反射波长λ Β变化来测量断路器不同位置振动参量的目的。
[0054]步骤2、光纤光栅解调仪2将步骤1中的多个光纤光栅振动传感器1采集到的光信 号解调成电压信号，并将其放大到适合AD转换的电压信号，得到放大后的电压信号，放大 后的电压信号其电压为4. 75?5. 25V ;
[0055]步骤3、利用信号调理模块3处理经步骤2得到的放大后的电压信号，得到数字信 号；同时由开关量检测模块6提取断路器的位置信号，具体按照以下步骤实施：
[0056]步骤3· 1、利用信号调理模块3将放大后的电压信号中高频干扰信号滤除，高频干 扰信号是指频率为20kHz以上的干扰信号；
[0057]步骤3· 2、经步骤3. 1，将滤波后的电压信号调整到适合AD采样的范围，得到模拟 信号；
[0058]步骤3. 3、利用AD转换模块4将步骤3. 2中得到的模拟信号转换为数字信号，同时 由开关量检测模块6提取断路器的位置信号。
[0059]步骤4、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号依次经过隔离单元模块 7、数字信号处理器8处理后送至上位机9,完成整个振动信号的处理和传输，具体按照以下 步骤实施：
[0060] 骤4_ 1、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号输送至隔离单元模块 7,得到隔呙后的相应信号；隔离单元模块7将前后两部分电路实现电气上的隔离，防止了 两部分电路之间的互相干扰，增强了电路本身的抗干扰能力；
[0061]步骤4. 2、将经步骤4. 1得到隔离后的相应信号输送至数字信号处理器8进行信号 处理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号；
[0062]步骤4. 3、将经步骤4. 2得到的相应相频、幅频和谐波信号通过CAN总线传输到上 位机9,完成整个振动信号的处理和传输。
[0063]步骤5、上位机9对不同位置分合闸振动信号进行分析处理、实时显示和报警，并 且根据波形分析确定光纤光栅振动传感器1的最佳安装位置，具体按照以下方法实施：
[0064] 对断路器振动信号进行分析处理的方法为：通过小波包分解，建立最优分解树重 构完好的状态振动信号，并将重构的状态振动信号作为当前使用的指纹信号；同时将敏感 节点的最大系数作为特征向量输入向量机进行状态分类，以此用来判断断路器当前状态；
[0065] 小波包分解具体按照以下方法实施：
[0066] 将经过步骤4中数字信号处理器8处理后传输到上位机9的信号利用小波包进 行分解，如图2所示，小波包将小波无法分解的细节信号进一步分解，把原始信号S分解为 近似信号和细节信号，逐层分解,每一层所有的子带一分为二，并向下一层传递，形成一种 二叉树；每一层都覆盖信号所有的频率，层数越多，频域分辨率越高，相应的时频分辨率越 低；
[0067] 在小波包分解中，原始信号S由以下算法表示：
[0068] S = A1+AD2+AD3+DDD3 (1)；
[0069] 利用算法支持向量机，通过核函数将样本映射到特征空间，在此空间中构造线性 分类超平面且分类间隔最大，如图3所示，图中的圆点和方点分别表示两类训练样本，Η为 将两类样本完全无误分开的分类线，Hl、Η2分别为通过样本中离分类线最近的样本且平行 于分类线的直线，它们之间的间隔为分类间隔，图3中样本即为支持向量。
[0070] 对于线性不可分的问题，即有些样本不能被超平面进行正确分类；需要对超平面 添加约束条件进行约束，引入向量ε i > 0,则超平面约束条件为：
[0071] XXl+b)+ ε < 1 (2)；
[0072] 式⑵中：w为分类面的法向量，b为阀值；
[0073] 对于非线性划分问题，根据泛函相关理论，采用适当的核函数K(Xi，X；)且核函数 满足Mercer条件，可进行非线性变换，通过非线性变换即可将非线性划分转换成线性划 分，此时分类函数为：
[0074] f(x) = sgn[ Σ a jyjKCxi, Xj)+b] (3)。
[0075] 本发明基于光纤传感器的断路器振动监测系统及监测方法，实现对运行中的断路 器进行实时振动监测，在断路器的多个位置上安装光纤光栅振动传感器，采集断路器的振 动信号，然后对信号进行处理，传输到上位机，从而可以确定传感器的最佳安装位置和实现 对断路器机械状态的监测。
【权利要求】
1·基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，包括有安装于断路器上的多 个光纤光栅振动传感器（1)和安装于断路器输出触点处的开关量检测模块（6)，所述光纤 光栅振动传感器（1)通过信号线依次与光纤光栅解调仪（2)、信号调理模块 （3)及他转换 模块（4)连接，所述AD转换模块（4)与开关量检测模块（6)分别通过信号线与隔离单元模 块（ 7)连接，所述隔离单元模块（7)通过信号线与数字信号处理器（8)连接，所述数字信号 处理器⑶通过CAN总线与上位机（9)连接； 所述信号调理模块（3)、AD转换模块（4)、开关量检测模块出）、隔离单元模块（7)及数 字信号处理器（8)均集成于一块印制电路板上。 2_根据权利要求1所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述 光纤光栅振动传感器（1)固定于断路器壳体非带电部分的表面，断路器壳体非带电部分的 表面上设置有带螺纹安装孔的刚性底座，所述光纤光栅振动传感器Q)采用螺栓连接的方 式与刚性底座连接。
3·根据权利要求1所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述 光纤光栅解调仪（2)的型号为SR-100-T。
4. 根据权利要求1所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述 AD转换模块（4)的型号为AD7656。
5. 根据权利要求1所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述 隔离单元模块（7)的型号为P781。
6. -种如权利要求1所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测方法，其特 征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1、利用光纤光栅振动传感器（1)采集断路器不同位置的分合闸振动参量变化，根 据分合间振动参量变化得到光信号的变化量； 步骤2、光纤光栅解调仪（2)将步骤1中的多个光纤光栅振动传感器（D采集到的光信 号解调成电压信号，并将其放大到适合AD转换的电压信号，得到放大后的电压信号，放大 后的电压信号其电压为4. 75?5. 25V ; 步骤3、利用信号调理模块（3)处理经步骤2得到的放大后的电压信号，得到数字信号； 同时由开关量检测模块（6)提取断路器的位置信号； 步骤4、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号依次经过隔离单元模块（7)、 数字信号处理器（8)处理后送至上位机（9)，完成整个振动信号的处理和传输； 步骤5、上位机（9)对不同位置分合闸振动信号进行分析处理、实时显示和报警，并且 根据波形分析确定光纤光栅振动传感器（1)的最佳安装位置。
7·根据权利要求6所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测方法，其特征 在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施： 步骤1· 1、将多个光纤光栅振动传感器（1)分别安装于断路器壳体非带电部分，具体安 装方法为：在断路器壳体非带电部分的表面粘贴一个带螺纹安装孔的刚性底座，然后采用 螺栓连接的方式将多个光纤光栅振动传感器（1)固定在这个底座上； 步骤1· 2、利用多个光纤光栅振动传感器（1)采集断路器不同位置的分合闸振动参量 变化，振动参量变化会导致光纤光栅轴向应变，引起光纤光栅反射波长的变化，即将分合闸 的振动参量变化转化为光信号的变化。
8.根据权利要求6所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测方法，其特征 在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施： 步骤3· 1、利用信号调理模块（3)将放大后的电压信号中高频千扰信号滤除，高频干扰 信号是指频率为20kHz以上的干扰信号； 步骤3. 2、经步骤3.1，将滤波后的电压信号调整到适合AD采样的范围，得到模拟信 号； 步骤3· 3、利用AD转换模块（4)将步骤3. 2中得到的模拟信号转换为数字信号，同时由 开关量检测模块（6)提取断路器的位置信号。 9_根据权利要求6所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测方法，其特征 在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施： 步骤4· 1、将经步骤3得到的数字信号及断路器的位置信号输送至隔离单元模块（7)， 得到隔离后的相应信号； 步骤4. 2、将经步骤4· 1得到隔离后的相应信号输送至数字信号处理器（8)进行信号处 理，得到了相应的相频、幅频和谐波信号； 步骤4. 3、将经步骤4. 2得到的相应相频、幅频和谐波信号通过CAN总线传输到上位机 (9)，完成整个振动信号的处理和传输。
10.根据权利要求6所述的基于光纤传感器的断路器振动监测系统的监测方法，其特 征在于，所述步骤10具体按照以下方法实施： 、 i 通过小波包分解，建立最优分解树重构完好的状态振动信号，并将重构的状态振动信 号作为当前使用的指纹信号；同时将敏感节点的最大系数作为特征向量输入向量机进行状 态分类，以此用来判断断路器当前状态。
【文档编号】G01H9/00GK104215321SQ201410488271
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】黄新波, 徐冠华, 朱永灿, 朱海涛, 马龙涛, 赵阳, 吴孟魁, 王岩妹, 薛卜玮 申请人:西安工程大学