一种固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法及装置与流程

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法及装置。

背景技术：

开关柜是电力系统中的一个重要设备，它主要担负着其他电气设备与电网关合电流的责任。然而在开关柜长期运行过程中，由于触头老化、接触不良导致接触电阻增大，接触电阻的增加引起开关柜局部温度升高，触头发热会加快绝缘层的老化，触头过热引发的火灾和停电事故并不少见。所以对开关柜开关触头温度的在线监测就显得更为重要了。当前对开关柜触头温度的研究普遍集中在温度监测设备的开发与改进上，目前主要有三种操作技术对触头温度进行实时监测。一种方法是通过摄像头与示温蜡片设备实现，开关柜内部需要监测的触头较多，而摄像头与示温蜡片之前的监测视野不能被阻挡，在一些结构复杂、空间位置狭小的区域很难实现示温蜡片与摄像头的一对一安装。另外一种是采用红外测温技术实现，它通过接收被测点的红外辐射来获取温度数据，但在安放测温探头的时候需要注意的是要避免光路的交叉影响，一个红外传感器对应一个触头。还有一种通过光纤温度传感器测温技术来实现，是目前运用最多的一种测温技术，其测量范围广、测量精度较高，但是成本高，而且受开关柜结构影响较大，导致监测温度不可靠。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法及装置，以解决现有开关柜开关触点温度实时监测技术中不易实现、成本高、监测温度不可靠的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法，包括：

预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，所述样本数据包含多组影响所述开关触点温度变化的影响因素数据，所述测量点位于所述开关触点周围预设范围内；

获取所述测量点监测到的当前温度值；

根据所述当前温度值，通过所述函数关系计算出所述固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。

可选地，所述通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系包括：

将所述测量点的温度作为因变量y，各影响因素分别作为自变量x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇，获取n组样本数据，形成因变量矩阵Y＝[y]_n×1以及自变量矩阵X＝[x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₇]_n×7，对Y与X进行标准化处理，得到标准化的因变量矩阵和自变量矩阵

其中，x_ij为矩阵X中第i个样本第j个变量的值，y_i表示矩阵Y中第i个样本值；

从E₀中依次提取主成分，并实施因变量对自变量的回归分析，转换为Y对X的回归方程，并确定

中的回归系数β₁～β₇。

可选地，所述影响因素具体包括：x₁对应环氧树脂绝缘层厚度d；x₂对应热电偶温度传感器安装位置距离开关触头的水平距离r；x₃对应开关触头的实际温度δ₀；x₄对应开关柜柜体温度δ₁；x₅对应开关柜所处环境温度δ₂；x₆对应联接开关触头母线的工作电流i；x₇对应开关柜柜体体积v；y对应测量点的温度Q。

可选地，所述对Y与X进行标准化处理包括：

采用进行标准化处理，

其中，表示变量x_j的平均值，s_j表示x_j的标准差，表示y的平均值，s_y表示y的标准差。

可选地，在所述从E₀中依次提取主成分之后还包括：

计算提取出的成分的贡献度，当所述贡献度大于预设阈值时，判断提取出的成分的贡献度是显著的。

可选地，所述获取所述测量点监测到的当前温度值包括：

通过设置在所述测量点的温度传感器实时监测所述当前温度值，所述测量点位于所述开关触点的绝缘层外壁。

可选地，在所述通过所述函数关系计算出所述固体绝缘开关柜的开关触点的温度值之后还包括：

向用户显示计算得到的所述温度值。

本发明还提供了一种固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置，包括：

模型建立模块，用于预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，所述样本数据包含多组影响所述开关触点温度变化的影响因素数据，所述测量点位于所述开关触点周围预设范围内；

当前温度获取模块，用于获取所述测量点监测到的当前温度值；

计算模块，用于根据所述当前温度值，通过所述函数关系计算出所述固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。

本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法及装置，通过预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，样本数据包含多组影响开关触点温度变化的影响因素数据，测量点位于开关触点周围预设范围内；获取测量点监测到的当前温度值；根据当前温度值，通过函数关系计算出固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。本申请基于偏最小二乘的数学建模方法动态计算断路器触点温度，无需考虑外裹绝缘层及触头材料的物性参数，方便了触头温度的计算。该方法通用性强、实现简单、成本低，可以为准确实时掌握开关柜的运行状态提供参考。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法的另一种具体实施方式的流程图；

图3为通过偏最小二乘建立测量点与开关触头的函数关系式算法流程图；

图4为各温度传感器的安装位置示意图；

图5为本发明实施例提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法的一种具体实施方式的流程图如图1所示，该方法包括：

步骤S101：预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，所述样本数据包含多组影响所述开关触点温度变化的影响因素数据，所述测量点位于所述开关触点周围预设范围内；

步骤S102：获取所述测量点监测到的当前温度值；

步骤S103：根据所述当前温度值，通过所述函数关系计算出所述固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。

本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法，通过预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，样本数据包含多组影响开关触点温度变化的影响因素数据，测量点位于开关触点周围预设范围内；获取测量点监测到的当前温度值；根据当前温度值，通过函数关系计算出固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。本申请基于偏最小二乘的数学建模方法动态计算断路器触点温度，无需考虑外裹绝缘层及触头材料的物性参数，方便了触头温度的计算。该方法通用性强、实现简单、成本低，可以为准确实时掌握开关柜的运行状态提供参考。

在上述实施例的基础上，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系的过程可以具体为：

将所述测量点的温度作为因变量y，各影响因素分别作为自变量x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇，获取n组样本数据，形成因变量矩阵Y＝[y]_n×1以及自变量矩阵X＝[x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₇]_n×7，对Y与X进行标准化处理，得到标准化的因变量矩阵和自变量矩阵

其中，x_ij为矩阵X中第i个样本第j个变量的值，y_i表示矩阵Y中第i个样本值；

从E₀中依次提取主成分，并实施因变量对自变量的回归分析，转换为Y对X的回归方程，并确定

中的回归系数β₁～β₇。

本实施例通过偏最小二乘算法对开关柜开关触头温度进行实时计算，开关触头发热后，热量将通过绝缘层以内空气的对流和绝缘层壁的传导传递到绝缘层外壁，并使其温度升高。根据绝缘层外壁的温升与开关触头之间存在的函数关系，就可以根据前者计算得到后者。开关柜内部导体外裹的绝缘材料为环氧树脂，选用装配方便、价格优廉的热电偶传感器测量开关触点附近绝缘层外表皮的温度，进而利用通过实验数据取得的函数关系式：

本实施例中影响因素具体包括：x₁对应环氧树脂绝缘层厚度d；x₂对应热电偶温度传感器安装位置距离开关触头的水平距离r；x₃对应开关触头的实际温度δ₀；x₄对应开关柜柜体温度δ₁；x₅对应开关柜所处环境温度δ₂；x₆对应联接开关触头母线的工作电流i；x₇对应开关柜具体柜体体积v；y对应测量点的温度Q。

下面以上述影响因素为例，参照图2，对固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法的另一种具体实施方式进行进一步详细阐述。

步骤S201：获取实验数据；

将温度传感器固定在开关触头附近位置，温度传感器测量点的温度Q与环氧树脂绝缘层厚度d，热电偶安装位置距离开关触头的水平距离r，开关触头的实际温度δ₀，开关柜柜体温度δ₁，开关柜所处环境温度δ₂，联接开关触头母线的工作电流i，开关柜具体柜体体积v等因素密切相关。将开关柜置于不同的外界环境下并记下环境温度，在实验室对开关柜开关触头进行模拟实验，使用功率1000w的加热器加热触头，模拟引起触头过热的热源，加热器与计算机联网，采用智能控制模式，精确控制加热温度，若干次控温实验并记录加热触点的温度，同时在每次控温实验时，不断改变柜体内其他温度传感器的位置，以获取各因素的若干组实验数据。操作方式和数据的一种具体实施方式如表1所示。

表1

其中，操作方式1，取一开关柜实验，测量绝缘层厚度，记为x₁₁；将温度传感器1安装在触头外裹绝缘层任意位置，并测量该传感器距离触点的水平距离，记为x₂₁；待所有传感器安装完毕后，加热器对触头加热，通过计算机设置加热初始温度，记为触点温度x₃₁；将柜内温度传感器2安装在开关柜通风口处，测量柜体温度，记为x₄₁；将开关柜置于温度可调节的室内环境中，室内环境温度从低温逐步调至高温，以获取不同的环境温度，记下初始设置的环境温度x₅₁；实验测量母线工作电流，记为x₆₁；测量柜体体积，记为x₇₁；温度传感器1测量绝缘层外表皮温度，记为Y₁。以上各实验测量数据作为第一组数据。

操作方式2，取另一开关柜实验，测量绝缘层厚度x₁₂；改变温度传感器1在触头外裹绝缘层位置，并测量该传感器距离触点的水平距离x₂₂；通过计算机调节加热器温度，待加热触头处于稳态后，记为触点温度x₃₂；温度传感器2安装在开关柜通风口处，测量柜体温度x₄₂；改变开关柜所处环境温度x₅₂；实验测量母线工作电流x₆₂；测量柜体体积x₇₂；温度传感器1测量绝缘层外表皮温度Y₂。以上各实验测量数据作为第二组数据。

操作方式n，以此类推，重复以上步骤，呈线性调节加热器温度，以获取若干组触头热源温升实验数据。

步骤S202：提取n组样本数据，采用偏最小二乘法建模，确定函数关系式中的系数；

如图3通过偏最小二乘建立测量点与开关触头的函数关系式算法流程图所示，将所述测量点的温度作为因变量y，各影响因素分别作为自变量x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇，从上述实验数据中获取n组样本数据，形成因变量矩阵Y＝[y]_n×1以及自变量矩阵X＝[x₁x₂x₃x₄x₅x₆x₇]_n×7，对Y与X标准化处理，得到标准化的因变量矩阵和自变量矩阵标准化处理方法为：

其中，x_ij表示矩阵X中第i个样本第j个变量的值，表示变量x_j的平均值，s_j表示x_j的标准差，y_i表示矩阵Y中第i个样本值，表示y的平均值，s_y表示y的标准差；

从E₀中提取第一个主成分t₁＝E₀w₁，w₁为t₁的权重向量，其中

式中E₀₁～E₀₇表示E₀的列向量，r(x₁,y)～r(x₇,y)表示自变量与因变量的相关系数；

接着计算E₀对t₁的回归系数矩阵P₁

计算回归方程的残差矩阵E₁

E₁＝E₀-t₁P₁^T

计算提取成分的贡献度，设y_i是原始数据，y_i'是使用全部样本点并对t₁回归建模后第i个样本点的拟合值，y_i″是在建模时删去样本点i，并对t₁回归建模后，再用此模型计算的y_i拟合值

当时，提取成分t₁的贡献度是显著的，接下来进行第二成分的提取；否则停止计算。

从E₁中提取第二成分t₂，用E₁替换E₀，用上述方法计算t₂的权重因为E₁不是标准化矩阵，按如下方法计算w₂

t₂＝E₁w₂

式中P₂是E₁对t₂的回归系数矩阵，E₂是回归方程的残差矩阵，cov(E₁₁,y)～cov(E₁₇,y)表示E₁₁～E₁₇分别与y的协方差。

并计算提取成分的贡献度当时，说明提取成分t₂的贡献度是显著的，接下来进行第三成分的提取；否则停止计算。

以此类推，继续以上步骤，提取残差矩阵中的主成分，并计算提取成分的贡献度；设最终得到m个成分(m＜7)，则实施F₀关于m个提取成分的回归：

F₀＝r₁t₁+r₂t₂+...+r_mt_m

由于每个提取成分都是E₀的线性组合，因此

实施因变量对自变量的回归分析，记

则标准化变量y^*关于的回归方程为：

再通过标准化的逆过程，得到y关于x₁～x₅的回归方程

y＝β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+β₄x₄+β₅x₅+β₆x₆+β₇x₇

则开关触点温度的自变量：

其中，x₁为环氧树脂绝缘层厚度d；x₂热电偶温度传感器安装位置距离开关触头的水平距离r；x₃为开关触头的实际温度δ₀；x₄为开关柜柜体温度δ₁；x₅为开关柜所处环境温度δ₂；x₆为联接开关触头母线的工作电流i；x₇为开关柜具体柜体体积v；y为测量点的温度Q；β₁～β₇为函数关系式中已确定的相关系数。

步骤S203：对各温度传感器进行定位，确定各测量参数x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇；

步骤S204：温度传感器监测实时温度，获取各测量点监测到的当前温度值；

步骤S205：根据函数关系式计算出固体绝缘开关柜的开关触点的温度值；

步骤S206：向用户显示计算得到的温度值。

在实测过程中，具体实施方式只需要确定好各温度传感器的安装位置，将温度传感器1固定在绝缘层外壁接地点附近，保证安全的电气绝缘强度，将确定的开关触头温度与绝缘层外壁测量点温度对应函数关系式写入到程序中，温度传感器1将监测的数据传送到云端计算模块，处理器就可以将对应触点温度输出并传送到低压仪表显示端，即可实现触点温度的在线监测。各温度传感器的安装位置示意图如图4所示。

本发明实施例以测量点间隔触头的距离和绝缘层实时表面温度为基本参量，考虑绝缘层外部环境等因素，并利用实验测得相关数据，该数学模型可以实时地直接计算开关触头温度，且不受绝缘层本身材料的物性参数影响。本发明实施例计算方法通用性强，适用各种外界环境下任意固体绝缘材料开关柜开关触头温度的计算；并且实现简单，在线测量时，只需在开关触头绝缘层外壁安装一个温度传感器就能通过已经训练好的函数关系式计算触头温度，并通过仪表端实时显示。此外，基于偏最小二乘的数学建模方法在动态计算断路器触头温度时，无需考虑外裹绝缘层及触头材料的物性参数，方便了触头温度的计算。因此，该方法可以为准确实时掌握开关柜的运行状态提供参考。

下面对本发明实施例提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置进行介绍，下文描述的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置与上文描述的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法可相互对应参照。

图5为本发明实施例提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置的结构框图，参照图5固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置可以包括：

模型建立模块100，用于预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，所述样本数据包含多组影响所述开关触点温度变化的影响因素数据，所述测量点位于所述开关触点周围预设范围内；

当前温度获取模块200，用于获取所述测量点监测到的当前温度值；

计算模块300，用于根据所述当前温度值，通过所述函数关系计算出所述固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。

本实施例的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置用于实现前述的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法，因此固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置中的具体实施方式可见前文中的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法的实施例部分，例如，模型建立模块100，当前温度获取模块200，计算模块300，分别用于实现上述固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法中步骤S101，S102，S103，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算装置，通过预先获取多组样本数据，通过偏最小二乘法建立各影响因素间的数学模型，确定测量点的温度与固体绝缘开关柜的开关触点的温度之间的函数关系，样本数据包含多组影响开关触点温度变化的影响因素数据，测量点位于开关触点周围预设范围内；获取测量点监测到的当前温度值；根据当前温度值，通过函数关系计算出固体绝缘开关柜的开关触点的温度值。本申请基于偏最小二乘的数学建模方法动态计算断路器触点温度，无需考虑外裹绝缘层及触头材料的物性参数，方便了触头温度的计算。该方法通用性强、实现简单、成本低，可以为准确实时掌握开关柜的运行状态提供参考。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的固体绝缘开关柜开关触点温度计算方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。