專利名稱：高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法及在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠在線監(jiān)測高壓真空斷路器工作狀態(tài)的裝置及基于本裝置實現(xiàn)的在線監(jiān)測方法。
背景技術：
高壓斷路器是能開斷、閉合和承載運行狀態(tài)的正常電流，并能在規(guī)定時間承載、閉合和開斷異常電流(如短路電流)的電器設備。其工作特點是瞬時從導通狀態(tài)變?yōu)榻^緣狀態(tài)或者瞬時從絕緣狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。在電力系統(tǒng)中，有效地運用高壓斷路器的控制和保護功能來保證電網的安全、可靠運行具有實際意義。高壓斷路器所造成的事故無論是在次數，還是在事故所造成的停電時間上都占據總量的60%以上。因此，及時了解斷路器的工作狀態(tài)對提高供電可靠性有決定性的意義，并可以大大減少盲目定期檢修帶來的資金浪 費。在高壓斷路器的監(jiān)測問題中，由于一次線路高電壓、大電流以及強磁場環(huán)境的特點，很難實現(xiàn)斷路器的在線監(jiān)測。大多數做法都是離線條件下，在一次線路上加低壓、小電流的直流電源，通過在此回路上的電流或電壓傳感器采集斷路器的分、合信號，從而判斷斷路器的工作狀況。顯然低壓小直流電的環(huán)境與高壓環(huán)境截然不同，這種方法只能在斷路器出現(xiàn)明顯故障的時候才能判斷準確，而對斷路器的在線工作情況，性能變化情況無從分析和判斷。另一方面，具有耐高壓、大電流的電流、電壓傳感器價格一般都非常昂貴，不符合產品化的要求。

發(fā)明內容
針對高壓斷路器在線工作時高電壓、大電流不易使用傳感器監(jiān)測一次線路電流、電壓的情況，本發(fā)明提供了一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置及基于該裝置實現(xiàn)的在線監(jiān)測方法，使用與高壓斷路器動觸頭直接相連的位移傳感器采集動觸頭的行程信號，經過一系列的濾波與修正，計算行程曲線上的特征點，通過分析這些特征點計算出相關參數，從而能夠在線判斷斷路器的工作情況。為了達到上述目的，本發(fā)明提供以下技術方案
一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，包括如下步驟
(1)采用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號，得到斷路器位移-時間曲線；
(2)采用有限沖擊響應濾波器對初始行程信號進行濾波；
(3)對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差；
(4)基于濾波修正后的位移-時間曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正；
(5)根據步驟(4)中得到的換位點數據，計算其他關鍵參數，當參數超出或即將超出正常范圍時，顯示屏顯示相應的報警或預警信息。
作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(2)的具體實現(xiàn)方法是使用Kaiser窗對步驟(I)中得到的位移-時間曲線進行濾波，窗函數為
L其中n、N均為整數°作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(3)的具體實現(xiàn)方法是將經過濾波環(huán)節(jié)處理后的位移-時間曲線整體平移M個補償點以消除FIR濾波器引 入的信號時延。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(4)中合閘換位點的計算方法包括如下步驟
(a)對經過上述處理后的位移-時間曲線進行連續(xù)兩次差分，分別求出相應的速度-時間曲線和加速度-時間曲線，合閘狀態(tài)下，依次找出速度-時間(v_t)曲線上相鄰的極大值和極小值點對，并據此判斷合閘和分閘換位點；
(b)若在極值點對所對應的加速度-時間曲線段上，加速度連續(xù)小于零的時間超過預先設定的閥值K1，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值K2并且滿足速度極小值為負的條件，則速度極大值所對應的時刻即為合閘換位點；
(C)若在極值點所對應的加速度-時間曲線段上，加速度連續(xù)大于零的時間超過預先設定的閥值Ml，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值M2，則速度極小值所對應的時刻即為分閘換位點。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(4)中對分閘換位點進行修正的方法是將步驟(C)中計算出的分閘換位點減去預先設定的滯后時間差。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(5)中的其他關鍵參數包括分閘時間、合閘時間、開距、超行程，斷路器平均速度，剛合速度、剛分速度。 一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置，包括A/D轉換電路，數字信號處理器，信號調理電路一和位移傳感器，所述位移傳感器測得位移傳感器觸頭行程信號后，通過信號調理電路一傳輸入A/D轉換電路，所述A/D轉換電路將接收到的觸頭行程模擬信號轉換成數字信號后送入數字信號處理器進行運算處理，數字信號處理器還與存儲器和顯示屏相連，以存儲和顯示數字信號器運算出的結果。作為一種優(yōu)選方案，所述位移傳感器為線性位移傳感器。作為一種改進方案，還包括電流感測電阻和信號調理電路二，所述電流感測電阻測得的線圈電流經過信號調理電路二傳輸至A/D轉換電路，進行模數轉換后送入數字信號處理器進行處理，數字信號處理器將線圈電流測量結果通過顯示屏進行顯示。由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果
I.本發(fā)明提供的在線監(jiān)測方法及裝置有效的實現(xiàn)了高壓斷路器的在線監(jiān)測，且能夠耐受高電壓、大電流監(jiān)測環(huán)境；由于本發(fā)明僅使用與斷路器動觸頭直接相連的位移傳感器作為唯一的信號采集裝置，避免了在I次側線路上使用需要耐高壓的電壓或電流傳感器帶來的難以實現(xiàn)、價格昂貴的問題，結構簡單，安裝方便，成本較低，利于產業(yè)化。2.本發(fā)明中斷路器與位移傳感器良好的接地使得動觸頭位移-時間(s_t)曲線的測量結果噪聲較小，容易濾除。3.本發(fā)明中對位移-時間(s-t)曲線采用Kaiser窗進行數字濾波以去除測量噪聲的影響，僅保留與計算有關的數個行程拐點，有益于感興趣點的計算。4.本發(fā)明中對濾波后的曲線進行補償，能去除數字濾波器引入的信號失真。5.本發(fā)明中采用雙極值法求取換位點，對阻尼擾動的魯棒性強。6.本在線監(jiān)測裝置還進一步提供了電流檢測功能。


圖I為高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置的電路結構示意 圖2為合閘過程中的位移-時間(s-t)曲線圖
其中曲線a為經過步驟(2)濾波后的位移-時間(s-t)曲線圖，
曲線b為經過步驟(3)修正后的位移-時間(s-t)曲線 圖3為根據圖2中曲線b差分得到的速度-時間(v_t)曲線和加速度-時間(a-t)曲線。圖4為分閘過程中的位移-時間(s-t)曲線圖
其中曲線a為經過步驟(2)濾波后的位移-時間(s-t)曲線圖，
曲線b為經過步驟(3)修正后的位移-時間(s-t)曲線 圖5為根據圖4中曲線b差分得到的速度-時間(v_t)曲線和加速度-時間(a-t)曲線。
具體實施例方式下面將結合具體實施方式
，進一步闡明本發(fā)明，應理解下述具體實施方式
僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明公開了一種高壓斷路器在線監(jiān)測裝置以及基于該裝置實現(xiàn)的高壓斷路器在線監(jiān)測方法。在線監(jiān)測裝置電路結構由圖I所示，包括位移傳感器，與位移傳感器相連的信號調理電路一，連接著信號調理電路一的A/D轉換電路以及A/D轉換電路連接的數字信號處理器。位移傳感器與與高壓斷路器動觸頭直接相連以測量觸頭行程信號，所述觸頭行程信號通過信號調理電路一傳輸入A/D轉換電路，所述A/D轉換電路將接收到的觸頭行程模擬信號轉換成數字信號后送入數字信號處理器(DSP)進行運算處理；數字信號處理器(DSP)與存儲器和顯示屏相連，存儲器用于存儲數字信號器運算出的結果，顯示屏將運算結果進行顯示，并能根據預先設定的參數進行警報提示。其中，數字信號處理器(DSP)通過串口 RS485進行通信。本裝置中還可進一步提供測量分(合)閘線圈電流的功能，如圖I所示，本裝置還包括互相連接的電流感測電阻和信號調理電路二，其中信號調理電路二與A/D轉換電路相連。通過電流感測電阻能夠測得分(合)閘線圈電流，所述線圈電流通過信號調理電路二傳輸至A/D轉換電路進行模數轉換后送入數字信號處理器(DSP)進行處理；數字信號處理器(DSP)將分(合)閘線圈電流測量結果通過顯示屏進行顯示。使用與高壓斷路器動觸頭直接相連的位移傳感器采集動觸頭的行程信號，經過一系列的濾波與修正，計算行程曲線上的特征點，通過分析這些特征點，判斷斷路器的工作情況，其具體監(jiān)測步驟如下
(1)采用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號；
(2)采用有限沖擊響應濾波器(FIR)對初始行程信號進行濾波；(3)對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差；
(4)基于濾波修正后的位移-時間(s-t)曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正；
(5)根據步驟(4)中得到的換位點數據，計算其他關鍵參數，當參數超出或即將超出正常范圍時，顯示屏顯示相應的報警或預警信息。其中所述步驟(I)中的位移傳感器為線性位移傳感器，通過該線性位移傳感器能夠采集得到斷路器位移-時間(s-t)曲線，斷路器工作狀態(tài)的所有特征均可以通過(s-t)曲線，以及對該曲線進行一次和二次差分得到的速度-時間(v-t)和加速度-時間(a-t)曲線進行計算得出，傳感器的金屬外殼與斷路器的外殼均使用粗、短的導線直接接地。所述步驟(2)中的有限沖激響應(FIR)濾波器進行濾波時使用Kaiser窗。Kaiser 窗是一種最優(yōu)化窗，它的優(yōu)化準則是對于有限的信號能量，能夠確定一個有限時寬的信號波形，使得頻寬內的能量為最大，即最優(yōu)Kaiser窗的頻帶內能量主要集中在主瓣中，它有最好的旁瓣抑制性能。這個窗函數由下式給出
w(K) = ^-^^50<K<iV-l 其中，n、N 均為整數
式中4 H是修正的零階貝塞爾(Besel)函數； 是濾波器的長度，它決定了窗函數
U L」
響應的峰值主瓣寬度廠這個寬度正比于I/。而主瓣寬度與過渡帶的寬度正相關。為了使濾波器具有最窄主瓣寬度，的值越大越好，然而#的增大也會增加相應的計算量以及實現(xiàn)成本。而多是一個參數，它與有關并可以將它選擇成產生多個過渡帶和接近最優(yōu)的阻帶衰減，聲由仿真實驗分析Kaiser窗的頻譜特性得到,所選的#要求兼顧Kaiser窗的主瓣寬度*和旁瓣高度的平衡。在N固定時，調節(jié)#會得到不同的主瓣和旁瓣特征，比如當=0時，它等價為矩形窗，當#為7附近時，它等價為布萊克曼窗。考慮到本系統(tǒng)中N的取值不大，因此，對#在8 12取值。綜合考慮上述因素，一般取40、0。所述步驟(3)中對濾波后的位移-時間(s-t)曲線進行修正的方法為將經過濾波環(huán)節(jié)處理后的位移-時間(s-t)曲線整體平移個補償點以消除FIR濾波器引入的信號時延，經過大量的實驗結果可得到此補償點值，M —般取40±5且M為整數。所述步驟⑷中合閘換位點和分閘換位點的計算方法采用雙極值法
對經過上述處理后的位移-時間(s-t)曲線進行連續(xù)兩次差分，分別求出相應的速度-時間(v_t)曲線和加速度-時間(a-t)曲線。依次找出速度-時間(v_t)曲線上相鄰的極大值和極小值點對(將速度-時間曲線中相鄰的波峰值和波谷值作為一對極值點)，并據此判斷合閘和分閘換位點
若在極值點對所對應的加速度-時間(a-t)曲線段上，加速度連續(xù)小于零的時間超過預先設定的閥值K1，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值K2并且滿足速度極小值為負的條件，則速度極大值所對應的時刻即為合閘換位點。圖2為合閘過程中位移-時間(s-t)曲線圖，圖3為對圖2中經過濾波和修正處理后的位移-時間(s-t)曲線圖進行差分得到的速度-時間(v_t)曲線和加速度-時間(a-t)曲線圖。通過前述合閘換位點的判斷條件，在圖3中能夠找到相應的合閘換位點。若在極值點所對應的加速度-時間(a-t)曲線段上，加速度連續(xù)大于零的時間超過預先設定的閥值Ml，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值M2，則速度極小值所對應的時刻即為分閘換位點。圖4為合閘過程中位移-時間(s-t)曲線圖，圖5為對圖4中經過濾波和修正處理后的位移-時間(s-t)曲線圖進行差分得到的速度-時間(v-t)曲線和加速度-時間(a-t)曲線圖。通過前述合閘換位點的判斷條件，在圖5中能夠找到相應的合閘換位點。上述合閘、分閘換位點的求取過程中，閥值Kl為斷路器廠商提供的標準斷路器合閘加速度特性曲線上最大連續(xù)小于0的時間的80% ;閥值K2為斷路器廠商提供的標準斷路器合閘速度特性曲線上第一個主峰下降高度的1/2 ;閥值Ml為斷路器廠商提供的標準斷路器分閘速度特性曲線上第一個主谷上升持續(xù)時間的3/4 ;閥值M2為斷路器廠商提供的標準斷路器分閘速度特性曲線上第一個主谷上升高度的1/2。經過大量的實驗結果可發(fā)現(xiàn)采用雙極值法得到的分閘換位點與真實值之間存在著恒定的誤差，這種誤差主要是由于通過軟件程序計算出雙極值需要一定的程序執(zhí)行時間，所以軟件程序中求得的換位點時刻比實際換位點時刻要滯后一段時間，因此在計算時需要把滯后的這段時間補償進去，通過上萬次的試驗可以得出滯后的時間應該在lms^l. 5ms，例如軟件程序中計算得出換位點在20ms，實際換位點在18ms左右。因此在步驟
(4)中需要對分閘換位點進行修正，即用計算出的分閘換位點減去滯后的時間差，即可得出真實換位點；該滯后時間差可以在設備調試時進行大量實驗得出，并預先設定。為提高所求得的換位點的準確性，按照具體的高壓斷路器產品出廠檢驗報告，可以得到超行程參數要求范圍，并檢驗所求得的分合閘換位點是否落在超行程要求范圍內。所述步驟(5)中其他關鍵參數的計算方法如下
A.分、合閘時間從斷路器的控制開關發(fā)出分合閘指令起，到動觸頭移動到換位點的時間(即求出的分合閘換位點)，即是分、合閘時間；分合閘時間是否穩(wěn)定反映了斷路器機構靈活性及磨損情況，分合閘時間范圍在25 70ms，若測得的數據超出此范圍，數字信號處理器則通過顯示屏報警并顯示“斷路器動作時間超標”。B.動觸頭開距、超行程從動觸頭合閘前的穩(wěn)態(tài)位置到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，為動觸頭合閘行程，所述的穩(wěn)態(tài)位置，即為位移-時間(s-t)曲線平直時的狀態(tài)；超行程為合閘換位點時刻到穩(wěn)態(tài)位置為止的動觸頭位移量之差；而合閘行程減去超行程即為相應的動觸頭開距。開距、超行程是斷路器最重要的2個參數，開距范圍通常為fllmm，超行程范圍一般為2 4mm，若測得的數據超出此范圍，數字信號處理器則通過顯示屏報警并顯示“斷路器超行程超標”或“斷路器開距超標”這樣的警報信息。C.斷路器平均速度、剛合速度、剛分速度斷路器平均速度包括平均合閘速度和平均分閘速度；動觸頭在合閘換位點之前6mm的速度為平均合閘速度，動觸頭在分閘換位 點之后6mm的速度為平均分閘速度，動觸頭在合閘換位點之前2mm的速度為剛合速度，動觸頭在分閘換位點之后2mm的速度為剛分速度，這幾個數據是斷路器開斷短路電流能力的體現(xiàn)，上述平均速度、剛合速度、剛分速度一般取值在0. 5 1.5m/s之間，超出范圍時數字信號處理器則通過顯示屏報警并顯示相應報警參數。計算的關鍵參數不限于上述列出的幾種，還可包括分、合閘同期性，最大速度等常規(guī)參數。在本步驟中對各項參數均可設定一個預警區(qū)間，預警區(qū)間為正常范圍的邊緣區(qū)域，當參數值落在預警區(qū)間內時，數字信號處理器通過顯示屏進行預警提示。例如設定分合閘時間范圍25 30ms，65 70ms時為預警區(qū)間，當分合閘時間落入該區(qū)間時，顯示屏上顯示如下預警信息“斷路器動作時間即將超標”。本發(fā)明方案所公開的技術手段不僅限于上述技術手段所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案?！?br> 權利要求
1.一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)采用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號，得到斷路器位移-時間曲線； (2)采用有限沖擊響應濾波器對初始行程信號進行濾波； (3)對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差； (4)基于濾波修正后的位移-時間曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正； (5)根據步驟(4)中得到的換位點數據，計算其他關鍵參數，當參數超出或即將超出正常范圍時，顯示屏顯示相應的報警或預警信息。
2.根據權利要求I所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體實現(xiàn)方法是使用Kaiser窗對步驟(I)中得到的位移_時間曲線進行濾波，窗函數為
3.根據權利要求I或2所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體實現(xiàn)方法是將經過濾波環(huán)節(jié)處理后的位移-時間曲線整體平移M個補償點以消除FIR濾波器引入的信號時延。
4.根據權利要求I或2所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(4)中合閘換位點的計算方法包括如下步驟 (a)對經過上述處理后的位移-時間曲線進行連續(xù)兩次差分，分別求出相應的速度-時間曲線和加速度-時間曲線，合閘狀態(tài)下，依次找出速度-時間(v_t)曲線上相鄰的極大值和極小值點對，并據此判斷合閘和分閘換位點； (b)若在極值點對所對應的加速度-時間曲線段上，加速度連續(xù)小于零的時間超過預先設定的閥值K1，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值K2并且滿足速度極小值為負的條件，則速度極大值所對應的時刻即為合閘換位點； (c)若在極值點所對應的加速度-時間曲線段上，加速度連續(xù)大于零的時間超過預先設定的閥值Ml，且此極值點對的速度差的絕對值大于預先設定的閥值M2，則速度極小值所對應的時刻即為分閘換位點。
5.根據權利要求4所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(4)中對分閘換位點進行修正的方法是將步驟(C)中計算出的分閘換位點減去預先設定的滯后時間差。
6.根據權利要求I所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(5)中的其他關鍵參數包括分閘時間、合閘時間、開距、超行程，斷路器平均速度，剛合速度、剛分速度。
7.根據權利要求I所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法，其特征在于所述傳感器為線性位移傳感器，所述傳感器的外殼與斷路器的外殼均使用導線直接接地。
8.一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在于包括A/D轉換電路，數字信號處理器，信號調理電路一和位移傳感器，所述位移傳感器測得位移傳感器觸頭行程信號后，通過信號調理電路一傳輸入A/D轉換電路，所述A/D轉換電路將接收到的觸頭行程模擬信號轉換成數字信號后送入數字信號處理器進行運算處理，數字信號處理器還與存儲器和顯示屏相連，以存儲和顯示數字信號器運算出的結果。
9.根據權利要求8所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述位移傳感器為線性位移傳感器。
10.根據權利要求8或9所述的高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在于還包括電流感測電阻和信號調理電路二，所述電流感測電阻測得的線圈電流經過信號調理電路二傳輸至A/D轉換電路，進行模數轉換后送入數字信號處理器進行處理，數字信號處理器將線圈電流測量結果通過顯示屏進行顯示。
全文摘要
針對高壓斷路器在線工作時高電壓、大電流不易使用傳感器監(jiān)測一次線路電流、電壓的情況，本發(fā)明提供了一種高壓真空斷路器在線監(jiān)測方法及一種在線監(jiān)測裝置，使用與高壓斷路器動觸頭直接相連的位移傳感器采集動觸頭的行程信號，經過一系列的濾波與修正，計算行程曲線上的特征點，通過分析這些特征點計算出相關參數，從而能夠在線判斷斷路器的工作情況。本發(fā)明提供的在線監(jiān)測方法及裝置有效的實現(xiàn)了高壓斷路器的在線監(jiān)測，且能夠耐受高電壓、大電流監(jiān)測環(huán)境；由于本發(fā)明僅使用與斷路器動觸頭直接相連的位移傳感器作為唯一的信號采集裝置，避免了在1次側線路上使用需要耐高壓的電壓或電流傳感器帶來的難以實現(xiàn)、價格昂貴的問題。
文檔編號G01R31/327GK102721919SQ201210209878
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權日2012年6月25日
發(fā)明者倪道宏, 吳紀順 申請人:南京南自西電電氣有限責任公司