一种基于PCA算法的GIS隔离开关合闸状态感知方法

本发明涉及到gis隔离开关，具体涉及到一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法。

背景技术：

1、gis隔离开关合闸状态下的动静触头接触状态是电力系统关注的重要状态，其接触状态不良将导致触头发热致使设备熔毁，对于gis隔离开关触头的接触状态的监测是电网重点关注的内容。

2、对于gis隔离开关触头状态的监测主要分为两类：

3、第一类是状态直接检测，主要包括：(1)采用压力传感器检测，压力传感器检测法是在隔离开关触指弹簧等位置安装压力传感器，通过测量触头触指间压力大小，判断隔离开关的分合状态。该方法主要应用于敞开式隔离开关，尚无gis的应用案例或相关专利；(2)姿态传感器，姿态传感器检测法是在隔离开关每相相同位置安装姿态传感器，通过测量地电位传动部件的转动角度来判断隔离开关的分合闸状态；(3)微动行程开关在线监测系统是一种将微动行程开关安装在机构上，通过机构的动作位置来判断隔离开关动触头位置的一种监测隔离开关分合位置的方法。

4、直接检测方法缺陷在于，直接检测的方式因gis隔离开关结构封闭、内部空间狭小、传动机构紧凑、且处在高压大电流环境运行。在高电位引入传感器，信号线难以引出，信号受强电磁环境干扰，破坏原有结构的密封性，且易带来绝缘隐患等原因，不适用于这一对象的检测。

5、第二类是状态感知方法，主要包括：(1)电机电流检测，通过测量gis隔离开关驱动电机电流的方式对隔离开关状态进行监测，具体到gis隔离开关触头状态，是通过以下原理进行测算：运动过程中动静触头碰触后，电流将发生改变，将此点作为时间起点，将电流切断点作为时间终点，衡量动静触头接触后的动触头运行时间，假设电机转速不变的情况下，通过时间衡量动触头距离，通过电流的幅值变化趋势反应弹簧弹力；(2)振动信号检测通过振动检测诊断gis故障的方法，主要是通过在实验室中使用实际应用中的gis设备来模拟各种机械缺陷的运行状态，使用适当的传感器来检测gis设备外壳的振动信号。

6、状态感知方法存在以下缺点：(1)对于电机电流检测，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；(2)对于振动信号的检测，原理是经过解析分析之后认为在gis隔离开关合闸、通流状态下，腔体受到电磁力的作用，将产生一个工频二倍频的振动信号，当开关触头接触状态发生改变时，会出现振动信号中非二倍频含量增多的趋势，但其理论基础是建立在简化后的解析分析或定性分析的基础上，简化后的解析方式不能反应gis隔离开关复杂结构的真实振动频率，定性分析的方式难以对状态进行量化；第二，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；第三，没有对加速度传感器的点位选择进行说明。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，采用pca算法，主成分分析的方式对振动信号进行处理，最终获得gis隔离开关触头接触状态的量化诊断。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，包括以下步骤：

4、s1、用建模软件对gis隔离开关进行结构建模，并设置结构缺陷；

5、s2、用有限元分析软件对gis隔离开关的结构模型进行网格划分，设置约束条件和属性缺陷，进行电磁-力多物理仿真，仿真获得gis隔离开关电磁-力多物理振动云图；

6、s3、通过pca主频提取的方式获得在各种缺陷下的振动主频变化趋势；

7、s4、通过实测或者新仿真获得振动信号，分析振动信号的主频的组成成分及占比，得到对应的缺陷形式及缺陷程度。

8、步骤s1中，设置结构缺陷过程具体包括，通过建模软件调整gis隔离开关的动触点向静触点内插入的距离，使其不处于完全插入状态。

9、步骤s2中，所述约束条件包括，通电电流值、弹性材料的阻尼、体载荷、固定约束、零电荷的边界、初始电势为零的域和电荷守恒的域。

10、步骤s2中，所述属性缺陷包括，调节触头弹簧的弹性系数，使其不处于正常工作状态的弹性系数范围。

11、设a为第一结构缺陷的缺陷程度，b为第二结构缺陷的缺陷程度，获得多个不同缺陷形式的量化组[a1，b1]、[a2，b2]、[a3，b3]、……、[an，bn]。

12、步骤s3还包括，设置多组缺陷形式重复仿真，获得不同缺陷形式下的gis隔离开关腔体表面各点的振幅大小数据，记录不同缺陷形式下每次腔体最大振幅点位处的位置坐标，将所述位置坐标中重复出现数量最多的坐标点，设为传感器布置点。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、1、采用pca算法，主成分分析的方式对振动信号进行处理，最终获得gis隔离开关触头接触状态的量化诊断；

15、2、通过电磁-力多物理分析的方式，在考虑gis腔体受电磁力作用下振动频率的同时考虑了gis设备的固有频率，并在此基础上进行触头接触状态的判断，使仿真结果与实测数据匹配更加准确；

16、3、采用仿真的方式，对gis隔离开关在采用有限元仿真与振幅对比的方法进行了振动传感器点位优化，提高了诊断精度。

技术特征：

1.一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，步骤s1中，设置结构缺陷过程具体包括，通过建模软件调整gis隔离开关的动触点向静触点内插入的距离，使其不处于完全插入状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，步骤s1中，设置结构缺陷过程具体包括，调节触头弹簧的弹性系数，使其不处于正常工作状态的弹性系数范围。

4.根据权利要求1所述的一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，步骤s2中，所述约束条件包括通电电流值、弹性材料的阻尼、体载荷、固定约束、零电荷的边界、初始电势为零的域和电荷守恒的域。

5.根据权利要求1所述的一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，设a为第一结构缺陷的缺陷程度，b为第二结构缺陷的缺陷程度，获得多个不同缺陷形式的量化组[a1，b1]、[a2，b2]、[a3，b3]、……、[an，bn]。

6.根据权利要求1所述的一种基于pca算法的gis隔离开关合闸状态感知方法，其特征在于，设置多组缺陷形式重复仿真，获得不同缺陷形式下的gis隔离开关腔体表面各点的振幅大小数据，记录不同缺陷形式下每次腔体最大振幅点位处的位置坐标，将所述位置坐标中重复出现数量最多的坐标点，设为传感器布置点。

技术总结
本发明公开一种基于PCA算法的GIS隔离开关合闸状态感知方法，包括以下步骤：S1、用建模软件对GIS隔离开关进行结构建模，并设置结构缺陷；S2、用有限元分析软件对GIS隔离开关的结构模型进行网格划分，设置约束条件和属性缺陷，进行电磁‑力多物理仿真获得GIS隔离开关电磁‑力多物理振动云图；S3、通过PCA主频提取的方式获得在各种缺陷下的振动主频变化趋势；S4、通过实测或者新仿真获得振动信号，分析振动信号的主频的组成成分及占比，得到对应的缺陷形式；本发明采用PCA算法，主成分分析的方式对振动信号进行处理，最终获得GIS隔离开关触头接触状态的量化诊断。

技术研发人员：阮江军,何松
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13