一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法与流程

本发明涉及电力自动化技术领域，尤其涉及一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法。

背景技术：

高压断路器是电力系统中重要的开关设备，承担着电网保护和控制的任务，其发生误动和拒动往往会引起事故或扩大事故，造成巨大的经济损失和社会影响。为实现安全稳定的供电，电网对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。

高压断路器的运行可靠性依赖于有效的状态监测和故障诊断(异常判别)，其准确性和实用性直接影响对于断路器性能状态的判断，准确的判别会为后续的检修策略打下基础，从而科学地制定检修计划，提高设备利用率，减少维修费用，在保证可靠性的前提下实现经济运行。目前，对于高压断路器的状态监测主要依赖增加外部传感器，采用外部传感技术了解断路器内部触头、机构、绝缘等情况，这类方法需要附加测量装置，成本高，操作复杂，而且测量过程易受电磁干扰，因此在实际应用中实际推广价值并不高。

实际上，电网中设备功能的实现都是以电能传输为目的的，反映设备性能的本质是电气信号的传输性能，其任何设备性能的异常均可以由电气信号的变化得到反映。由此，提出一种只依赖于电气量测信息的高压断路器的性能异常判别方法。由于断路器正常情况下并不动作，只在线路或主要设备受到扰动或故障的情况下动作，所以用其对应的录波数据分析断路器性能是合适的。

燃弧时间是标志断路器熄弧能力的重要参数，对燃弧时间进行准确测量的关键是确定电弧的起弧时刻。目前国内外对断路器开断时间测量的研究工作大都以测量断路器开断燃弧时间的形式出现。代表性的技术如下：

其一，根据关于分合闸时间及同期的测量电路原理，搭建电路进行测量。但这种方法只适合于临时性监测。其次，利用空间磁场信号在线测定开断电流的燃弧时刻。但这种方法需要附加测量装置，成本高，操作复杂，而且测量过程易受电磁干扰，因此在实际应用中实际推广价值并不高。

本发明在录波数据中提取了燃弧时间(起弧时刻至灭弧时刻)作为表征断路器性能的特征量，由于起弧时刻的判定缺少对应的开关量(或实际开关量记录不准确)，不能直接得到，本发明采用小波包分析的方法寻找起弧时刻，用特定频段的高频分量作为表征起弧时刻的特征量，求此时刻，从而得到燃弧时间。然后，通过统计大量断路器正常燃弧时间样本，分析其正态分布规律，划定合理的正常燃弧时间范围，作为断路器异常判别的依据，完成整个断路器异常判别过程。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法，本发明根据小波包变换分析获得的故障特征量，统计分析断路器燃弧时间的数据，然后选择正态分布对其拟合，根据拟合的概率分布划分合理的断路器燃弧时间范围，作为断路器是否异常的判别依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法，根据故障录波数据分析获得的故障特征量，统计分析断路器燃弧时间的数据，利用正态分布函数对其进行拟合，根据拟合得到的概率分布划分合理的断路器燃弧时间范围，作为断路器是否异常的判别依据。

进一步的，根据小波包变换在特征频段模的极大值来判断奇异点的位置，这个奇异点就是起弧时刻。

进一步的，当电流变为零时，电弧熄灭，据此得到灭弧时刻，用灭弧时刻减去起弧时刻，便是燃弧时间。

进一步的，用正态分布对数据统计结果进行概率拟合，根据3σ原则，得到正常燃弧时间范围为正常边界值距离[μ-3σ，μ+3σ]之内。

进一步的，得到待判别的断路器燃弧时间，再依据拟合的概率分布划分合理的断路器燃弧时间范围，看燃弧时间是否在断路器合理燃弧时间范围内，判断断路器是否出现异常。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明使用了一种用于检测断路器燃弧时间的新方法，该方法通过对录波数据进行小波包变换处理，得到断路器的燃弧时间，实时性好，并且不需要配置其他装置。

同时本发明通过将得到的大量历史数据进行拟合，确定出一个正常燃弧时间范围，并对断路器是否故障进行判别，清晰直观，为断路器的故障判别提供了一种新的方法与思路。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明断路器异常判别流程图；

图2是本发明的小波包变换判别燃弧时刻图；

图3是本发明的小波包分解结构图

图4是本发明的正态分布图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在高压断路器的异常判别以在线的状态监测为主，这种方法可以减少计划性检修带来的众多弊端，减少断路器维修的盲目性，但需要配备众多的测量装置的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出一种基于小波包变换与正态分布规律的断路器异常判别方法：

步骤一，搜集故障录波数据，并对故障录波数据进行小波包变换处理，得到燃弧时间。

步骤二，根据所得到的断路器燃弧时间的数据统计结果，选择合适的概率分布对其拟合，根据拟合的概率分布划分合理的断路器燃弧时间范围，作为断路器是否异常的判别依据。

步骤三，输入待判别的故障录波数据，根据步骤一得到断路器燃弧时间，依据步骤二得到的判别依据对断路器是否异常进行判别。

步骤一的方法为，用小波包变换对故障录波数据进行处理，根据小波包变换在特征频段模的极大值来判断奇异点的位置，得到起弧时刻。如图2所示。

小波变换的实质是将一个被称为基本小波的函数ψ(t)做位移b后，再在不同尺度a下与待分析信号x(t)做内积

式中，a,b和t均是连续变量。b是时移，a是尺度因子。

其等效的频域表达式为

此式中，x(ω)、ψ(ω)分别是x(t)、ψ(t)的傅里叶变换。

在本发明中，为了信号分析和处理的方便，信号都要被离散化处理。因此，必须对尺度a和位移b进行离散化处理。

离散小波变换定义为

小波包分析对于小波分析最大的一个优点，就是可以把信号分析的更加精细，把高频部分进一步的细分，从而得到更多细化的频域范围。对采样频率为5khz的原信号进行2层小波包分解后，其分解结构图见图3，分解结构中各节点系数对应的子频段见表1。

表1小波包分解节点与子频段对应关系表

当断路器的触头开始分离时，代表着断路器起弧的开始。由于电弧的电导率以及截面积都随着燃弧的进行而增大，尤其是电导率，将会产生剧烈增加的现象，这样便导致了电弧阻值的减小。因此，当断路器起弧时，暂态电流会有一定大小的畸变，与此同时，一些高频分量也会随之产生。根据查阅资料，故障电弧电流的特征频段为782-1562.5hz。基于以上特点，本发明用小波包变换对燃弧产生的高频分量提取出来,得到起弧时刻。具体方法是根据小波包变换在特征频段模的极大值来判断奇异点的位置,这个奇异点的位置就是起弧时刻。当电流变为零时，电弧熄灭，据此我们可以得到灭弧时刻。用灭弧时刻减去起弧时刻，便是燃弧时间。

步骤二的方法为，用正态分布对数据统计结果进行概率拟合。根据正态分布的3σ原则，判断正常燃弧范围。

若随机变量x服从一个数学期望为μ,标准方差为σ²的高斯分布，记为：

x～n(μ,σ²),

则其概率密度函数为

在实际应用中，若一组数据近似于正态分布的概率，则将有99.7％的概率分布在距离平均值有3个标准差之内的范围。这被称之为3σ原则。如图4所示。

p(μ-σ≤x≤μ+σ)＝0.6826

p(μ-2σ≤x≤μ+2σ)＝0.9544

p(μ-3σ≤x≤μ+3σ)＝0.9972

在本发明中，当得到大量断路器燃弧时间后，可以看到，统计的的数据近乎成正态分布，用正态分布将断路器燃弧时间进行拟合，根据3σ原则，当得到断路器的燃弧时间大于正常边界值μ+3σ，就可以认定其性能存在异常。

步骤三的方法为，依据测得的待判别断路器燃弧时间，对断路器是否异常进行判别。

当再次得到待判别的断路器故障录波数据时，根据步骤一得到其燃弧时间，在依据步骤二拟合的概率分布所划分的合理断路器燃弧时间范围，看燃弧时间是否在断路器合理燃弧时间范围内，判断断路器是否出现异常。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。