一种高压开关柜断路器机械特性在线监测装置及监测方法与流程

1.本发明具体涉及一种吸附性凝胶球的制备方法，属于电力高压开关柜断路器在线监测及故障诊断技术领域。


背景技术：

2.高压开关设备作为发电厂、变电站中的重要设备，起着关合及开断电力的作用，用来实现输送及倒换电力负荷、以及从电力系统退出故障设备和线段，从而保证电力系统安全运行。在高压开关柜的长期运行过程中，开关柜中的触点和母线排连接处等部位常因老化和接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此容易导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站发生的开关柜过热事故已占到这类设备事故总量的70％以上，引发的事故和造成大面积停电，带来的损失十分巨大，因此，在线检测高压开关触点、母线排连接处的工作温度，提前发现和排除故障隐患，对电力系统的安全可靠运行具有非常重要的意义。
3.目前，关于高压开关安全运行监测的研究均只侧重于对电量参数，如电压、电流、电功率的实时监测技术，而非电量在线测量，例如断路器的机械特性、触头及母线连接点在大负荷时的温度等参数由于受到测点的安装位置与高电压的绝缘隔离度以及强电场、强磁场的干扰影响，至今仍鲜有理想的在线监测解决方案。
4.申请号为cn201910152294.2的中国专利“一种高压开关柜断路器机械特性检测方法”，具体公开了利用霍尔电流传感器固定卡装在开关柜仪表室内分合闸线圈回路上，实时监测回路中的电流，信号经过调制处理后，将原始数据发送云服务器供专家系统监测评估，服务器根据原始数据可以计算断路器操作机构的参量，运用纵向比对和横向比对结合的方式，对机构的健康状态进行判断，分析故障并查找和确定故障部位，查看诊断结果；上述方案能够实现开关柜不停电状态下对断路器的健康状态评估，但是单一的电流信息无法对高压开关柜的断路器的机械特性进行全面评估，也无法实现对引起开关柜过热的重要因素高压开关触点和母线排连接处的工作温度进行监测和评估，状态获取还是不够及时。申请号为cn201020662647.8的中国专利“一种高压开关柜断路器触头温度控制器”，具体公开了包括断路器触头温度采集单元、信号调理单元、a/d转换单元、处理器、风扇控制单元和风扇的温度控制器，通过断路器触头温度采集单元时时采集高压开关柜断路器的触头温度，并将所采集的温度信号通过信号调理单元调理和a/d转换单元转换后，送到处理器进行判断，最后利用风扇进行降温处理，该方案也同样存在对高压开关柜的断路器的机械特性的信息采集单一，无法全面准确评估的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的问题，本发明提供一种高压开关柜断路器机械特性在线监测装置及监测方法，其中利用压力传感器及位移传感器，再结合振动传感器，实现对开关柜断路器机械特性，包括分合闸位移、分合闸时间、刚分和刚合点及开具和超程等参数的在线监
测，对保障供电安全具有重要的意义。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种高压开关柜断路器机械特性在线监测装置，包括位移传感器、加速度传感器、压力传感器、分闸命令输入单元、合闸命令输入单元、微处理器模块、信号输出警示单元、通信模块和电源模块；位移传感器、加速度传感器和压力传感器输出端分别与微处理器模块输入端的a/d口连接；分闸命令输入单元和合闸命令输入单元分别与与微处理器模块输入端的i/o口连接；信号输出警示单元与微处理器模块输出端的i/o口连接；通信模块与微处理器模块对应的通信接口连接。
8.进一步的，所述位移传感器采用六轴陀螺仪mpu-6500，用于采集和测量断路器分合闸过程行程数据。
9.进一步的，所述加速度传感器采用dh-1型加速度传感器，用于采集和测量断路器触头分合闸过程产生的振动信号。
10.进一步的，所述压力传感器采用pt124g模块，用于采集和测量断路器触头在分合闸过程中触臂的压力。
11.进一步的，所述分闸命令输入单元和合闸命令输入单元均采用按钮开关，用于输入断路器触头的分合闸命令。
12.进一步的，所述微处理器模块采用stm32微处理器，能够实现python中的多层感知机函数对振动信号进行特征提取以及模型计算。
13.进一步的，所述信号输出警示单元包括报警指示灯模块、显示模块和存储模块；报警指示灯模块采用发光二极管，用于断路器超程超限故障报警指示。
14.进一步的，所述通信模块采用rs-485电路，用于将监测到的加速度信号、位移传感器信号、压力变化值以及开距和超程数据参数发送到上位机。
15.一种高压开关柜断路器机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
16.s1、将位移传感器和加速度传感器安装在断路器拉杆下端，压力传感器安装在断路器触臂上，位移传感器用于测量断路器分合闸过程总行程，加速度传感器采集多组断路器分合闸加速度振动信号，压力传感器采集触臂压力变化；
17.s2、微处理器模块接收压力传感器采集到的触臂压力的变化，进行断路器触头分闸和合闸过程中刚分、刚合点的监测和判断；
18.s3、当监测到断路器触头达到分闸和合闸过程中的刚分、刚合点时，根据输入至微处理器模块的位移传感器采集到的行程数据，实现对断路器触头的开距和超程的监测和判断；
19.s4、在断路器触头分合闸过程中同时通过微处理器模块对采集到的分合闸加速度振动信号进行特征提取，构造特征量，并建立触头超程状态数学模型，断路器分合闸动作后，将采集到断路器动作加速度振动信号传送到触头超程状态自动识别数学模型中，实现断路器触头超程状态的自动识别，达到对断路器触头机械特性的双重验证；
20.s5、最终开距和超程实时监测数据经由通信模块上传至上位机，开距和超程实时数据经由显示模块显示，经由存储模块存储，若超程超限则由报警指示灯模块进行报警。
21.进一步的，所述步骤s4中加速度传感器采集到的加速度振动信号经过去除噪声处理之后，通过python中的多层感知机函数对振动信号进行特征提取；触头超程状态自动识
别数学模型用于偏大、正常和偏小三种状态的判断，在偏大状态下，超程大于4.2mm，在正常状态下，超程在3.3mm-4.2mm之间，在偏小状态下，超程小于3.3mm。
22.相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
23.1、本发明提出一种高压开关柜断路器机械特性在线监测装置及监测方法，主要利用压力传感器和位移传感器对断路器机械特性刚分和刚合点进行准确判断，并实现断路器开距和超程的在线监测；当断路器触头接触或分离瞬间，触头压力会出现明显变化，在合闸过程中，当压力传感器采集到的触头压力从零变到具体数值的瞬间，为刚合状态，此时位移传感器采集到的行程数据为开距，当触头合闸后，压力达到最大，此时位移传感器采集到的行程数据为总行程，总行程与开距的差值为超程数据，在分闸过程中，当压力传感器采集到的触头压力开始逐渐减小至零的瞬间为刚分状态，此时位移传感器采集到的行程数据为超程数据；本发明提供的在线监测装置能够实现含分合闸位移、分合闸时间、刚分和刚合点及开具和超程等参数的实时在线监测，对保障供电安全具有重要的意义。
24.2、本发明为了实现非接触测量断路器空间直线位移，利用六轴陀螺仪，获得断路器空间直线移动总行程，使断路器移动位移监测变得简单易行，大大减少了安装空间。
25.3、本发明中还设置了加速度振动传感器，提出基于多层感知机的断路器触头超程状态识别方法，以达到供电公司防止误判需双验证的要求，加速度传感器采集多组断路器分合闸加速度振动信号，通过python中的多层感知机函数对振动信号特征提取，构造特征量，并建立触头超程状态(偏大、正常、偏小)数学模型，断路器分合闸动作后，将采集到断路器动作加速度振动信号传送到触头超程状态自动识别数学模型中，实现断路器触头超程状态的自动识别。
26.附图标记
27.图1为本发明中高压开关柜断路器机械特性在线监测装置原理框图；
28.图2为本发明中rs-485电路程序流程图；
29.图3为本发明中断路器触头处于不同工作状态示意图；
30.图4为本发明中断路器合闸触头振动加速度信号图；
31.图5为本发明中断路器分闸触头加速度振动信号图；
32.图6为本发明断路器触头超程状态准确率示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和较佳实施例对本发明做进一步的说明。
34.实施例1
35.如图1所示，一种高压开关柜断路器机械特性在线监测装置，包括位移传感器、加速度传感器、压力传感器、分闸命令输入单元、合闸命令输入单元、微处理器模块、信号输出警示单元、通信模块和电源模块；位移传感器、加速度传感器和压力传感器输出端分别与微处理器模块输入端的a/d口连接，其中，位移传感器采用六轴陀螺仪mpu-6500，将其安装在断路器拉杆下端，用于采集和测量断路器分合闸过程行程数据，加速度传感器采用dh-1型加速度传感器，用于采集和测量断路器触头分合闸过程产生的振动信号，压力传感器采用pt124g模块，安装在断路器触臂上，测量触臂压力，根据触臂压力的变化，进而实现断路器刚分和刚合点的判断；分闸命令输入单元和合闸命令输入单元分别与与微处理器模块输入
端的i/o口连接，其中，分闸命令输入单元和合闸命令输入单元均采用按钮开关，用于输入断路器触头的分合闸命令，微处理器模块采用stm32微处理器；信号输出警示单元与微处理器模块输出端的i/o口连接，信号输出警示单元包括报警指示灯模块、显示模块和存储模块；报警指示灯模块采用发光二极管，用于断路器超程超限故障报警指示，显示模块采用液晶显示屏，存储模块采用u盘存储；通信模块与微处理器模块对应的通信接口连接，通信模块采用rs-485电路，可以将数据远传，便于在控制中心查看监测数据，rs-485电路主要用于将监测装置监测都的压力变化值、触头加速度信号、位移传感器信号、最终监测的开距和超程等数据发送到上位机，为了保证系统在电磁干扰较为严重的高压电场领域能够将数据准确地上传到上位机，数据传输报文格式采用modbus的通信协议，并且加入crc校验，在线监测装置向上位机传输数据的波特率为9600bps，rs-485电路的程序流程如图2所示。
36.实施例2
37.一种高压开关柜断路器机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
38.s1、将位移传感器和加速度传感器安装在断路器拉杆下端，压力传感器安装在断路器触臂上，位移传感器用于测量断路器分合闸过程总行程，加速度传感器采集多组断路器分合闸加速度振动信号，压力传感器采集触臂压力变化；
39.s2、微处理器模块接收压力传感器采集到的触臂压力的变化，进行断路器触头分闸和合闸过程中刚分、刚合点的监测和判断；当断路器触头接触或分离瞬间，触头压力会出现明显变化，在合闸过程中，当压力传感器采集到的触头压力从零变到具体数值的瞬间，为刚合状态，在分闸过程中，当压力传感器采集到的触头压力开始逐渐减小至零的瞬间为刚分状态；
40.s3、当监测到断路器触头达到分闸和合闸过程中的刚分、刚合状态时，根据输入至微处理器模块的位移传感器采集到的行程数据，实现对断路器触头的开距和超程的监测和判断；当断路器触头达到刚合状态时，位移传感器采集到的形成数据为开距，当触头合闸后，压力达到最大，此时位移传感器采集到的行程数据为总行程，总行程与开距的差值为超程数据；当断路器触头达到刚分状态时，位移传感器采集到的行程数据为超程数据，如图3所示；
41.s4、在断路器触头分合闸过程中同时通过微处理器模块对采集到的分合闸加速度振动信号首先经过去噪处理，图4为断路器合闸触头加速度振动信号图，图5为断路器分闸触头加速度振动信号图；然后通过python中的多层感知机函数对振动信号进行特征提取，构造特征量，并建立触头超程状态数学模型，断路器分合闸动作后，将采集到断路器动作加速度振动信号传送到触头超程状态自动识别数学模型中，实现断路器触头超程状态的自动识别，达到对断路器触头机械特性的双重验证；
42.其中，感知机是一种线性分类器，属于判别模式，另外一种是生成模式，通过输入特征信号，利用超平面，将输入的特征信号分为两类甚至多类，感知机是神经网络和svm信息处理的基础；对于一个加速度振动输入信号，假如输入信号为输入空间是y＝{+1,-1}，其中x＝{x1,
……
，xn},xi为一个特征向量，定义从输入到输出的空间函数为：f(x)＝sign(w.x+b)为感知机，w为感知机的比例权重，b为偏置值，
感知机最终得到的结果是在一个平面上，将各个类的点区分开，对于二维或者多维的平面，通过一条直线或者多条直线对于坐标系中的点进行区分，对于已经给出的一个点的坐标，或者是一个特征向量，便可以通过二维图来确定这个点的类别；
43.多层感知机算法实现：
44.多层感知机的三大要素：模型、策略和算法，根据感知机的数学模型，便可以实现感知机算法和学习策略，具体的步骤为：
45.(1)确定需要初始化的w和b；
46.(2)从训练中随机选取点(xi,yi)，则预测值为sign(w*xi+b)；
47.(3)在预测过程中，如果准确率较低，或者是不正确，即sign(w*xi+b)≤0，则更改w和b的值，继续预测；
48.(4)重复迭代步骤(2)和(3)，直至预测结果小于期望误差；
49.(5)输入未知的点(x
i+1
,y
i+1
)的特征向量x
i+1
,y
i+1
＝sign(w*x
i+1
+b)，在步骤(3)中，通过更新w和b的值，一般采用所有误差点到超平面的总距离，即其中m为所有误差点的集合，根据最小梯度下降法，w
i+1
＝wi+ηyixi,b
i+1
＝bi+ηyi，上述过程为多层感知机的数学学习模型。
50.s5、最终开距和超程实时监测数据经由通信模块上传至上位机，开距和超程实时数据经由显示模块显示，经由存储模块存储，若超程超限则由报警指示灯模块进行报警。
51.进一步的，所述触头超程状态自动识别数学模型用于偏大、正常和偏小三种状态的判断，在偏大状态下，超程大于4.2mm，在正常状态下，超程在3.3mm-4.2mm之间，在偏小状态下，超程小于3.3mm。
52.参加图5，在本技术需要选取100组断路器的动作数据作为训练样本，其中34组正常状态触头加速度数据，33组偏大状态触头加速度数据，33组偏小状态触头加速度数据，每组数据共有2500个点，在通过多层感知机分类时，偏大状态分类标签为1，正常状态分类标签为2，偏小状态分类标签为3，通过多层感知机数学模型对100组数据迭代，最终运行结果显示，迭代准确率为95.2％。
53.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。