高压断路器分合闸速度测量装置及方法与流程

本发明属于电力设备状态监控领域，尤其涉及一种高压断路器分合闸速度测量装置及方法。

背景技术：

在电力系统中，高压断路器是一种被广泛使用的电气设备，其分合闸速度对其分断能力有直接的影响，只有保证适当的分、合闸速度，才能充分发挥其开断电流的能力。因此，精确测量、计算并分析高压断路器的分、合闸速度具有重要的意义。一般来说，测速装置通过把断路器动触头的机械运动转化为电信号、光信号、磁信号等可直接测量的信号，间接得到动触头的位移特性曲线。

常见的断路器速度测试装置主要有以下几种：

1)电位式传感测量装置。此方法目前使用较为普遍，典型的方法是通过直线滑阻式位移传感器，将高压断路器动触头的位移信号转换为直流电压信号输出，使用示波器等设备观察，可以较为直观的反映动触头的位移特性，也可间接计算出动触头的运动速度。此种装置结构简单，使用方便，分辨率高，但是安装困难，存在磨损和摩擦等缺点。

2)电磁式传感测量装置。例如电感式位移传感器，此传感器依据的是电磁感应原理，将被测位移量转换为线圈自感的变化，经过处理，得到电压、电流或频率变化的电信号，从而实现位移测量。其优点是没有摩擦，灵敏度高，测量精度高，测量范围宽。缺点是响应速度慢，不利于高频动态测量，且对线圈供电电源的频率和振幅稳定度要求较高。

3)光电式传感测量装置。常用的光电式传感器是光栅，它是通过计量光栅的莫尔条纹现象进行测量的。通过对输出脉冲进行计数，间接得到被测机构的运动时间，结合光栅间距，可以计算出运动速度。光栅式测速装置的测量精度很搞，量程大，抗干扰能力强，但是其工艺复杂且对工作环境敏感，抗冲击和震动能力不强，易受油污和尘埃的影响。

4)高速相机测速装置。利用高速相机，获得断路器运动机构上参考标记随着运动机构运动的视频，通过算法的分析和处理，识别出参考标记的运动轨迹，从而间接得到运动机构的位移和速度。此装置直观易懂，但操作复杂，需要编写涉及到机器视觉的识别处理程序，并且设备费用较为昂贵。

以上几类断路器速度测试装置，普遍具有传感器固定安装困难，传感器固定不牢，或造成断路器运动卡涩等缺点，因此，会对断路器速度特性的测量产生一定的不利影响。此外，由于制造误差和传感器本身材料特性等原因，传感器的输出特性总存在一定的非线性，它直接影响了检测的精度。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种高压断路器分合闸速度测量装置及方法，该装置便于安装；该方法测量精度高，并能够对位移传感器的非线性进行校正。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有自校准功能的高压断路器分合闸速度测量装置，传感器安装框架、位移传感器、智能测速控制器；位移传感器通过传感器安装框架安装在高压断路器上，智能测速控制器实时采集位移传感器的输出电压信号，校正和计算后输出动触头的位移-时间曲线。

进一步地，智能测速控制器包括电源模块、控制模块、a/d模块、人机交互模块和输出模块。

进一步地，智能测速控制器采用非线性校正程序对位移传感器进行实时校正，非线性校正程序采用插值计算以及查表的方法。

进一步地，传感器安装框架上设置直线导向轴，位移传感器通过轴承连接直线导向轴。

进一步地，传感器安装框架上设置限位模块。

进一步地，人机交互模块包括显示器和按键。

一种高压断路器分合闸速度测量方法，具体包括以下步骤：

(1)采集采样点的位置数据和输出电压数据；

(2)对采样点数据进行线性化插值计算；

(3)实时采集输出电压；

(4)通过查找线性化插值计算结果的方法，得到实时位置。

进一步地，步骤(2)中将计算结果以表格形式存储。

有益效果：本发明通过非线性插值以及查表的方法对位移传感器的非线性特性进行实时校正和输出，使输出的位移-时间曲线更接近动触头的实际运动曲线；能够自动完成高压断路器分合闸位移曲线的计算和输出，测量精度高，能适应不同场合的需要。

本发明的传感器安装框架部分设置直线导向轴，可保证位移传感器沿直线运行，提高测量精度的同时对传感器起到保护作用；可通过智能控制器的按键手动标定位移传感器运动端位置，从而能随时对位移传感器的非线性进行校正操作；整个装置使用可循环充电锂电池作为电源，方便装置的拆装及使用。

附图说明

图1是本发明的高压断路器分合闸速度测量装置；

图2是测量装置安装在高压断路器上的示意图；

图3是智能测速控制器示意图；

图4是位移传感器非线性校正的过程示意图；

图5是控制器芯片存储流程图；

图6是本发明的测量装置测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是本发明所述的具有自校准功能的高压断路器分合闸速度测量装置，如图2所示是测量装置安装在高压断路器上的示意图。测量装置包括传感器安装框架、位移传感器、智能测速控制器；位移传感器通过传感器安装框架安装在高压断路器上，智能测速控制器实时采集位移传感器的输出电压信号，校正和计算后输出动触头的位移-时间曲线。由锂电池通过dc-dc电压变换模块同时给智能测速控制器和位移传感器供电。

传感器安装框架上设置直线导向轴1，直线导向轴1用于保证位移传感器运动端沿着直线运行，使速度测量结果更加精确。高精度滑阻式直线位移传感器2，该传感器的电阻值随着其运动端的位移而变化，从而输出相对应的电压值。因此，使用a/d模块采集位移传感器的输出电压，通过非线性校正算法，即可得到其运动端所对应的真实位移量。智能测速控制器3具有数据采集、位移传感器非线性矫正、校正结果输出等功能。位移传感器运动端的限位装置4，其作用为限制位移传感器运动端的最大位移和最小位移，从而保证位移传感器在整个测量过程均在有效测量范围内，同时对位移传感器起到保护作用。与直线导向轴配合使用的轴承5，保证了位移传感器运动端的直线运行，提高测量精度的同时对位移传感器进行了保护。

传感器安装框架上设置了带法兰的直线轴承和导向轴。直线轴承是一种精度高、成本低、摩擦阻力小的直线运动系统，其外圈之内有钢球保持架，保持架装有多个滚球，滚球作无限循环运动。直线轴承配合相应尺寸的导向轴，利用滚珠的滚动实现摩擦系数非常低的相对直线运动。由于承载球与导向轴呈点接触，使用载荷小，钢球以极小的磨擦阻力旋转，因此能获得高精度的平稳运动。位移传感器运动端与直线轴承通过法兰模块连接在一起，保证了其在工作时严格沿着直线方向运动，避免了由于传感器安装问题导致的方向偏移而降低测量结果的精度。同时，此设置也对位移传感器进行了保护，减少其他方向的偏移对位移传感器造成的损坏。

传感器安装框架上设置了位移传感器运动端限位装置。通常直线位移传感器运动拉杆的行程可分为有效行程、电气总行程和机械行程三种。有效行程又称为电阻行程，是指电阻从0到最大值的行程距离，在此范围内电阻随着拉杆运动而变化；电气行程包括了有效行程及其左右部分的无阻区；机械行程则大于电气行程，是位移传感器运动端可行进的最大行程。在整体安装框架上设置位移传感器运动端限位装置，只使用位移传感器的有效行程进行测量操作，可避免由于位移进入了拉杆行程的非有效部分而造成的测量误差。同时，限位模块还能避免当测量行程超过传感器量程时对传感器造成的损坏。

锂电池的能量密度大，输出功率大，自放电小，工作温度范围宽，循环性能优越，可快速充放电且充电效率高，此外使用寿命长，不含有毒有害物质，是一种绿色电池。本发明的电源模块以可充电锂电池为电源，通过dc-dc电压模块进行电压变换后，得到所需稳定电压，给控制器和位移传感器供电。同时，智能测速控制器所选器件皆以低功耗为标准。使用锂电池作为电源，可使整个装置更加简单，相较于通过电源线接插插座或开关电源的方法，大大提高了安装便捷性以及对工作环境的适应性。

如图3所示，整个智能测速控制器主要分为电源模块、a/d模块、控制模块、人机交互模块和输出模块五个部分。电源模块由锂电池供电，经过dc-dc电压变换模块处理后，得到稳定电压，为其他模块以及高精度直线位移传感器供电。为了延长锂电池一次充电能够使用的时间，电源模块以及其他模块皆选用低功耗器件。并且在控制器上设置电源开关，无需使用测速装置时，可手动断开电源。a/d模块选用16位高精度并行输出模/数芯片，工作时可对位移传感器输出电压进行高速实时采样，并与控制模块通过并行接口进行数据传输。控制模块以高速、低功耗单片机为核心，在工作模式时，通过i/o口与a/d模块和人机交互模块进行数据的传输，同时，通过查表的方法，对a/d模块采样结果进行非线性校正，从而得到高压断路器动触头的真实位移值，从而以一定比例发送到d/a接口以电压形式输出。人机交互模块主要包括lcd液晶显示器和按键两部分。lcd液晶显示器用于显示测量结果和操作提示语，同时配合按键，可随时对位移传感非线性校正数据进行采集。数字量输出采用rs485通信协议，通过人机交互界面选择此功能，可将测量结果以数字信号输出到上位机，以便计算和处理。此外，为保证转换的精度和数据传输的速度，模拟量输出部分使用16位并行输入d/a转换芯片。控制模块在非线性校正工作完成后，以一定比例将校正结果通过并行接口传送到d/a模块输入接口，以电压形式输出。通过外部电压检测设备获取此输出电压后，即可按照合适标准对断路器的速度特性进行计算和分析。此测速控制器能够自动完成位移传感器输出电压的采集、校正，并将校正得到的实际位移结果以一定比例通过d/a模块输出。具有简单便捷、效率高、精度高的优点。

本发明的控制模块采用以低功耗单片机为核心的控制电路。当电源开关打开，装置通电后，控制模块进入工作模式，与负责采集位移传感器输出电压的a/d模块进行实时通信，对采集结果进行处理、校正以及计算，并将校正后的结果以一定比例发送到d/a模块转换为电压值输出。

本发明的控制模块采用插值计算和查表的算法对位移传感器的特性曲线进行非线性校正。由于制造误差和传感器本身材料特性等原因，传感器的输入—输出特性曲线总存在一定的非线性，它直接影响了检测和控制系统的精度。目前采用的传感器非线性矫正方法有神经网络算法、归十算法、改进遗传算法、支持向量机算法等，然而这些方法算法复杂，编程难度大，且复杂系统会引入新的系统误差。本发明通过手动对位移传感器位移-电压数据进行采集，控制器使用线性化分段插值的方法对采集结果进行数据拟合，并将计算结果以表格形式写入控制模块程序中。在传感器进行工作时，对应任意的采集电压u，控制器总可以通过查表的方法得到位移的真实值s，从而实现对位移传感器的非线性矫正，获得更高的测量精度。

如图4所示，位移传感器非线性校正的过程可分为两部分。第一部分为校正模式：通过控制器的人机交互界面，手动选择校正采样点数和采样点位置，控制器自动获得采样点的位移、电压数据；然后单片机对采样点数据进行插值线性化处理，计算得到电压—位移特性曲线；最后，将此曲线以表格形式写入到控制模块的程序中，以便控制器工作时调用。第二部分为测正模式：控制模块发送指令，命令a/d模块对位移传感器的输出电压进行实时采集；控制模块对a/d模块的采集结果进行读取，并计算为实际电压值；通过查表的方法，得到此电压对应的位移传感器运动端的实际位移，即可完成对位移传感器的非线性校正任务。

本发明的a/d模块使用外部16位并行输出a/d芯片。由于片内a/d的精度通常不是很高，而选用片外a/d，虽然需要占用控制芯片较多的端口资源，但是在控制器i/o口充足的情况下，选择外部a/d芯片，可获得较高的采样精度。此外，考虑到本装置使用环境的特殊性，要求a/d模块与控制模块之间具有较高的数据传输速度。因此，本发明的a/d模块选用16位低功耗并行输出模数转换芯片。在工作期间，a/d模块实时采集位移传感器输出电压信号，同时，使用并行通信方式与控制模块进行数据传输。

如图5所示，由于控制器芯片存储单位为8位二进制数据，而a/d芯片为16为并行数据输出，因此，在每一次a/d采样中，都需要将高八位和低八位数据分别读取。其具体步骤为：

(1)初始化，复位a/d芯片，设置地址和各项命令参数，然后到步骤(2)

(2)延时一定时间，等待通道开关稳定，然后到步骤(3)；

(3)发送启动指令，启动a/d转换，然后到步骤(4)；

(4)检查转换是否结束，如果未结束则继续步骤(4)，如果结束则到步骤(5)；

(5)重置标志位，等待相应下一次转换指令，然后到步骤(6)；

(6)控制模块通过串口读入a/d结果寄存器的高八位数据，然后到步骤(7)；

(7)控制模块通过串口读入a/d结果寄存器的低八位数据，然后到步骤(8)；

(8)将16位反算为真实电压值，以便进行非线性矫正和速度计算，然后程序结束。

本发明的人机交互模块由显示部分和按键部分组成。显示部分为lcd显示器，用于显示测量结果，以及进行操作、提示语句的显示。按键部分配合显示器，可随时对位移传感器的非线性数据进行手动采集，此数据通过控制器处理后，用于测量过程中对位移传感器的非线性校正工作。

本发明的输出模块分为数字量输出和模拟量输出两部分，数字量输出采用rs485通信协议，通过人机交互界面选择此功能，可将测量结果以数字信号输出到上位机，以便计算和处理。此外，为保证转换的精度和数据传输的速度，模拟量输出部分使用16位并行输入d/a转换芯片。控制模块在非线性校正工作完成后，以一定比例将校正结果通过并行接口传送到d/a模块输入接口，以电压形式输出。通过外部电压检测设备获取此输出电压后，即可按照合适标准对断路器的速度特性进行计算和分析。

如图6所示，进行测量时，先进行初始化，设置单片机以及显示器各项默认参数，通过显示面板按键选择进行位移传感器的非线性校正，具体步骤如下：

(1)采样并记录采样点的实时电压和实时位置；

(2)对采样数据进行线性化插值计算，得到校正结果；

(3)将线性化插值得到的结果以表格形式存储至控制器eeprom中，以便调用；

(4)对位移传感器的输出电压进行实时采集；

(5)根据采样电压查表，得到此电压对应的位移传感器运动端的实时位置；

(6)控制模块对a/d模块采集的实时电压通过d/a模块计算为实际电压值，和校正的实时位置一起输出。

生成表格之后，通过显示面板按键选择不进行位移传感器的非线性校正，可以直接利用表格进行测量，具体步骤如下：

(1)实时采集输出电压；

(2)通过查表的方法，得到此电压对应的位移传感器运动端的实时位置；

(3)控制模块对a/d模块采集的实时电压通过d/a模块计算为实际电压值，和校正的实时位置一起输出。