基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法
【专利摘要】本发明属于断路器【技术领域】，尤其涉及一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法。本发明包括断路器；还包括行程传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和状态评价上位机。本发明提供了一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法，提出了利用断路器行程信号直接计算得出的合闸时间、分闸时间、合闸不同期性和分闸不同期性、刚合闸速度、刚分闸速度、合闸平均速度和分闸平均速度作为评价指标，并最终利用基于熵权的可拓评价算法，给出了断路器机械特性当前的运行状态和趋势。这种方法减小了间接信号和主观因素的影响，提高了评价结果的准确性。
【专利说明】基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于断路器【技术领域】，尤其涉及一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法。
【背景技术】
[0002]高压断路器是电カ系统中的重要设备之一，其运行状态直接影响着电力系统的运行稳定性和供电可靠性。高压断路器主要包括机械特性、电气特性和绝缘特性三个特性,其中断路器机械特性的研究可反映80%以上的故障，因此，及时准确地掌握断路器的运行状态对于指导断路器状态检修以及提高电カ系统的运行可靠性均具有重要的现实意义。
[0003]目前，高压断路器运行状态评估方法方面的研究非常少，在信号上主要采用多个信号的综合评价，但反映断路器机械特性最直接的信号是触头行程信号，其它信号都是间接信号，采用多信号的综合评价很难确定其它间接信号的权重。在方法上主要是模糊綜合评价方法，该方法在一定程度上受到了主观因素的影响，特别是在建立隶属度函数时，由于人们认识事物的局限性，只能得到大致的隶属度函数，这就影响了评估结果的客观性和准确性。而在确定各评价指标权重时一般采用的是层次分析法，该方法主观性过强，无法避免人为因素的影响。因此，对高压断路器机械特性的运行状态评价方法需要进行深入的研究。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中在的不足，本发明提供一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法，其目的是减小间接信号和主观因素的影响，提高了评价结果的准确性。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，包括断路器；还包括行程传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和状态评价上位机。
[0007]所述的行程传感器，根据断路器安装方式的不同选用高精度的角位移传感器或直线位移传感器；该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为12V和24V两种，信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0?5V。
[0008]所述的电压调理元件，可为行程传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。
[0009]所述的AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。
[0010]所述的中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成。
[0011]所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。
[0012]所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
[0013]所述的通讯单元为RS485通信接ロ，将中央处理单元与状态评价上位机相连接。
[0014]所述的状态评价上位机，包括数据处理模块、状态评价模块和结果显示模块；数据处理模块采用等距五点三次平滑算法；状态评价模块采用基于熵权的可拓评价算法；结果显示模块可实现评价结果的存储和显示。
[0015]基于断路器行程信号的机械特性状态评价方法，包括以下步骤:
[0016]步骤1:采集断路器触头行程信号数据；
[0017]步骤2:通过RS485通信接ロ将采集的数据传到上位机；
[0018]步骤3:上位机对采集的数据进行数据平滑处理；
[0019]步骤4:基于平滑处理后的数据对断路器的机械特性进行状态评价，采用基于熵权的可拓评价算法；
[0020]步骤5:存入数据库并显示，以便维修人员及时检修。
[0021]所述步骤4中，采用基于熵权的可拓评价算法，包括以下步骤:
[0022]步骤1:计算断路器反映机械特性运行状态的參数，合闸时间、分闸时间、合闸不同期性和分闸不同期性、刚合闸速度、刚分闸速度、合闸平均速度和分闸平均速度；
[0023]步骤2:建立断路器械特性运行状态评价体系；
[0024]步骤3:定义断路器械特性运行状态评价指标的相对劣化度；
[0025]步骤4:量化断路器械特性运行状态的评价指标；
[0026]步骤5:确定状态评价模型待评物元；
[0027]步骤6:确定状态评价模型经典域；
[0028]步骤7:确定状态评价模型节典域；
[0029]步骤8:基于熵权法计算评价指标权重；
[0030]步骤9:确定待评物元与各指标等级的关联度；
[0031]步骤10:子项目层物元评价；
[0032]步骤11:项目层物元评价；
[0033]步骤12:目标层物元评价；
[0034]步骤13:确定运行状态等级；
[0035]步骤14:确定运行状态的趋势。
[0036]本发明的优点及有益效果如下:
[0037]本发明提供了一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置及方法，提出了利用断路器行程信号直接计算得出的合闸时间、分闸时间、合闸不同期性和分闸不同期性、刚合闸速度、刚分闸速度、合闸平均速度和分闸平均速度作为评价指标，并最終利用基于熵权的可拓评价算法，给出了断路器机械特性当前的运行状态和趋势。这种方法减小了间接信号和主观因素的影响，提高了评价结果的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明结构框图；
[0039]图2为本发明中直线位置传感器原理图；
[0040]图3为本发明中12V/24V输入电压电平转换电路如图；
[0041]图4为本发明中0?5V电平转换元件电路图；
[0042]图5为本发明中5V?3.3V电平转换电路原理图；
[0043]图6为本发明中AD转换元件的电路原理图；
[0044]图7为本发明中的中央处理单元接插件10管脚说明图；[0045]图8为本发明中的中央处理单元接插件11管脚说明图；
[0046]图9为本发明中RS485通讯单元的电路原理图；
[0047]图10为本发明中断路器机械特性状态评价装置运行流程图；
[0048]图11为本发明中断路器触头行程分合闸信号处理前信号曲线图；
[0049]图12为本发明中断路器触头行程分合闸信号处理后信号曲线图；
[0050]图13为本发明中断路器行程信号的机械特性状态评价流程图；
[0051]图14为本发明中断路器触头行程状态评估指标体系图；
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进ー步的详细说明。
[0053]如图1所示，一种基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，包括断路器、行程传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和状态评价上位机。
[0054]本发明所述的行程传感器，根据断路器安装方式的不同选用高精度的角位移传感器或直线位移传感器；该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为12V和24V两种，信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为0?5V。
[0055]所述的电压调理元件，可为行程传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。
[0056]所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。
[0057]所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
[0058]所述的通讯单元为RS485通信接ロ，将中央处理单元与状态评价上位机相连接。
[0059]所述的状态评价上位机，包括数据处理模块、状态评价模块和结果显示模块；数据处理模块采用等距五点三次平滑算法；状态评价模块采用基于熵权的可拓评价算法；结果显示模块可实现评价结果的存储和显示。
[0060]本实施方式中，断路器采用真空IOkv的ZW45型单稳态永磁机构断路器。
[0061]断路器触头行程传感器采用电阻式直线位移传感器，量程为50_，其特点是结构简单、安装方便、成本低、适用的温度范围较宽、冗余特性，工作原理如图2所示。实施中位移传感器安装在断路器B相的绝缘拉杆上。
[0062]断路器触头行程信号采集时需要向传感器提供电压，电压越大，传感器输出信号的信噪比越高。根据现有电源条件，考虑功耗与温升的限制，选用24V和12V两种方案，输出信号通过降压电路，降至0到5V之间。
[0063]12V/24V输入电压电平转换电路如图3所示。电路中，使用0P07运算放大器搭建跟随器，其输入阻抗高，而输出阻抗低，起到缓冲级及隔离级的作用，满足电路两端阻抗匹配的特性。
[0064]由于AD转换元件有差分输入的特点，所以可通过运算放大器设计电平转换电路，使其接受双极性输入，将AD转换元件的采集范围从OV到5V扩大到-5V到+5V。电平转换电路如图4所示，该电路的作用是将行程传感器输出的信号进行了电平转换，转换成0?5V信号。
[0065]AD采集元件输出信号在0?5V之间，而中央处理单元供给电源为3.3V，所以在两者之间需要加入ー个电平转换电路。该芯片可通过控制第I管脚和第24管脚DIR功能控制芯片管脚的输入输出方向，输入端可接3.3V或5V电源，输出可接3.3V电路。电路原理图如图5所示。
[0066]AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。其优点为可进行同时采集六路模拟信号量，有效精度十六位，频率高达250kHz。AD转换元件的电路原理图如图6所示。断路器行程信号的采集频率设置成IOkHz，满足信号的采样要求。
[0067]中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成，主要特点:(I)处理速度快，主频150MHz ; (2)片内自带SRAM、Flash，；(3)外部存储器接ロ ； (4)众多外部设备，如SC1、SP1、CAN、EV、ADC等；(5)大量可控制的GPIO ロ。数字信号处理器支持C等语言的编程。其存储器的存储空间大，能够用作大数据量的采集、运算、传输操作；图7为本发明中的中央处理单元接插件10管脚说明图，其中ADO为断路器的位移信号的AD输入引脚；图8为本发明中的中央处理单元接插件11管脚说明图。
[0068]图9为本发明【具体实施方式】的RS485通讯单元的电路原理图，实现了中央处理单元与上位之间的通讯。
[0069]图10为基于断路器行程信号的机械特性状态评价方法，其过程包括以下步骤:
[0070]步骤1:采集断路器触头行程信号数据，信号中央处理单元接到上位机采集命令后，按IOkHz的采样频率采集150ms的数据，分为高8位和低8位共3000个八进制数据，并按规定的协议上传数据。
[0071]步骤2:通过RS485通信接ロ将采集的数据传到上位机；
[0072]步骤3:上位机对采集的数据进行处理，上位机按规定的协议接收到数据后，将数据处理成带符号的高精度浮点型数据，并采用等距五点三次平滑算法进行数据平滑处理。
[0073]步骤4:基于处理后的数据对断路器的机械特性进行状态评价，采用基于熵权的可拓评价算法；
[0074]步骤5:存入数据库并显示，以便维修人员及时检修。
[0075]所述的采用等距五点三次平滑算法，对等距节点上的实验数据进行平滑，消除随机误差的影响，提高采集数据的质量，算法如下:
[0076]设2n+l个等距节点X_n，X_n+1，…，X_1； X0, X1,…，Xlri, Xn上的实验数据分别为
Y_n，Y_n+1，…，Y-:，Y0, Y1,-, Ylri, Yn0再设两节点间的等距为h，作交換
【权利要求】
1.基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，包括断路器，其特征在于:还包括行程传感器、电压调理元件、AD转换元件、时钟元件、电源元件、中央处理单元、通讯单元和状态评价上位机。
2.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在干:所述的行程传感器，根据断路器安装方式的不同选用高精度的角位移传感器或直线位移传感器；该传感器的供电回路是和电压调理元件连接，其工作电压值为12V和24V两种，信号回路与AD转换元件连接，输出的电压范围为O~5V。
3.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于，所述的电压调理元件，可为行程传感器供电，还可以将AD转换元件输出的5V电压转换成中央处理单元能接受的3.3V电压，并将上述两个元件相连接。
4.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于:所述的AD转换元件主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。
5.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于:所述的中央处理单元主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成。
6.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于，所述的时钟元件与中央处理单元相连接，可为AD转换元件提供采样频率。
7.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于，所述的电源元件，通过中央处理单元与各元件相连接，可为整个装置提供电源。
8.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于:所述的通讯单元为R S485通信接ロ，将中央处理单元与状态评价上位机相连接。
9.根据权利要求1所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价装置，其特征在于:所述的状态评价上位机，包括数据处理模块、状态评价模块和结果显示模块；数据处理模块采用等距五点三次平滑算法；状态评价模块采用基于熵权的可拓评价算法；结果显示模块可实现评价结果的存储和显示。
10.基于断路器行程信号的机械特性状态评价方法，包括以下步骤: 步骤1:采集断路器触头行程信号数据； 步骤2:通过RS485通信接ロ将采集的数据传到上位机； 步骤3:上位机对采集的数据进行数据平滑处理； 步骤4:基于平滑处理后的数据对断路器的机械特性进行状态评价，采用基于熵权的可拓评价算法； 步骤5:存入数据库并显示，以便维修人员及时检修。
11.采用权利要求10所述的基于断路器行程信号的机械特性状态评价方法，其特征在于:所述步骤4中，采用基于熵权的可拓评价算法，包括以下步骤: 步骤1:计算断路器反映机械特性运行状态的參数，合闸时间、分闸时间、合闸不同期性和分闸不同期性、刚合闸速度、刚分闸速度、合闸平均速度和分闸平均速度； 步骤2:建立断路器械特性运行状态评价体系； 步骤3:定义断路器械特性运行状态评价指标的相对劣化度； 步骤4:量化断路器械特性运行状态的评价指标； 步骤5:确定状态评价模型待评物元；步骤6:确定状态评价模型经典域；步骤7:确定状态评价模型节典域；步骤8:基于熵权法计算评价指标权重；步骤9:确定待评物元与各指标等级的关联度；步骤10:子项目层物元评价；步骤11:项目层物元评价；步骤12:目标层物元评价；步骤13:确定运行状态等级；步骤14:确定运行状 态的趋势。
【文档编号】G01M13/00GK103604599SQ201310654231
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】李斌, 韩洪刚, 李学斌, 鲁旭臣, 李爽, 胡大伟, 耿莉娜, 隋东硼, 张远博 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院