一种基于振动信号分析的断路器测试方法及系统与流程

本发明涉及断路器自动化测试系统的技术领域，更具体地说，它涉及一种基于振动信号分析的断路器测试方法及系统。

背景技术：

断路器是电力系统中最重要的保护装置之一。当系统发生故障时用于断开故障电路，保护后级线路及设备。因此，断路器安全可靠的运行对电网的安全和稳定至关重要。而对断路器的测试和检测是电力设备维护和测试的主要项目之一。现阶段对断路器的测试方法和评价手段主要是机械特性试验。即通过测量断路器的动作时间、动作速度、行程曲线以及线圈电流曲线来判断断路器的机械状况是否发生了变化。但现有的设备和试验方法在检测断路器时还存在以下不足：

(1)在某些工作环境下，断路器会被封装在密闭空间中，无法直接进行机械特性试验，此时无法采用传统的机械特性测试方法来对断路器进行评价；

(2)通过常规的动作时间、动作速度、行程曲线等试验方法无法准确定位断路器故障所处的位置；

(3)常规的试验方法的行程与速度传感器安装较为复杂，不同厂家的断路器行程与速度传感器安装位置不同，对于试验人员的专业要求较高。

针对传统试验方法存在的问题，开始出现一些基于加速度振动传感器的断路器检测与测试方法，其原理是通过测量断路器在动作时的振动幅值时间信号作为指纹信号，通过对比同一台断路器在不同时期的振动曲线来判断断路器是否发生了内部机械变化。但是目前的测试方法和设备并没有提出一个有效的振动曲线取样与自动比对的方法。振动幅值时间曲线较为复杂，仅在时域范围内通过人工方式来判断曲线的相似度极为困难，也不科学，还无法准确反应断路器的真实状况，并且实际测试过程中振动信号频谱范围跨度较大，极容易受到干扰。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，本发明的目的一是提供一种基于振动信号分析的断路器测试方法，可直接确定振动幅值时间曲线与参考曲线直接的不相似度。

本发明的目的二是提供一种基于振动信号分析的断路器测试系统，可直接确定振动幅值时间曲线与参考曲线直接的不相似度。

为实现上述目的一，本发明提供了一种基于振动信号分析的断路器测试方法，选取从断路器上采集到的实时振动幅值时间曲线的有效段作为有效振动幅值时间曲线，将参考振动幅值时间曲线变换成参考频谱特征向量，将所述有效振动幅值时间曲线变换成实时频谱特征向量，通过对所述参考频谱特征向量和实时频谱特征向量计算分析得到多个分析指标，将所述分析指标与设定指标进行对比，确定所述有效振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线的不相似程度。

作进一步的改进，所述有效振动幅值时间曲线的选取方法如下步骤：

s1、截取所述实时振动幅值时间曲线上一时间点的曲线数据，通过一多个数据点的汉宁窗与所述曲线数据相乘获得该段曲线数据的时域窗口数据；

s2、通过快速傅里叶变换将所述时域窗口数据转换成频谱特征向量；

s3、统计出所述频谱特征向量的频域能量值；

s4、重复步骤s1-s3，将所述实时振动幅值时间曲线上的所有时间点的曲线数据的频域能量值计算出来；

s5、依次将所述频域能量值与设定能量值进行对比，将大于所述设定能量值的频域能量值所对应的曲线数据设定为有效振动幅值时间曲线。

进一步的，所述分析指标的获取方法如下步骤：

s11、将第一个大于所述设定能量值的频域能量值所对应的实时振动幅值时间曲线上的时间点设定为实时起始点，同时根据步骤s1-步骤s4设定所述参考振动幅值时间曲线的参考起始点，通过所述参考起始点的参考频谱特征向量和实时起始点的实时频谱特征向量确定实时起始点和参考起始点的几何距离；

s12、将所述汉宁窗在有效振动幅值时间曲线上往后移动若干时间点，并再次将此时所述有效振动幅值时间曲线的时间点转换成实时频谱特征向量，同时确定所述时间点和参考起始点的几何距离；

s13、重复步骤s12，得到多个所述几何距离，并将得到的全部所述几何距离中的最小几何距离查找出，该所述最小几何距离作为第一分析指标；

s14、将此时所述汉宁窗所在的有效振动幅值时间曲线上的时间点与参考起始点的差作为第二分析指标；

s15、通过所述参考频谱特征向量确定参考振动幅值时间曲线的模值，将所述最小几何距离与模值的商作为第三分析指标；

s16、将此时所述汉宁窗所在的有效振动幅值时间曲线上的时间点再向后移动一个时间点，同时将所述参考振动幅值时间曲线上的时间点从参考起始点往后移动一个时间点，再根据步骤s11-步骤s15确定此时的第一分析指标、第二分析指标和第三分析指标；

s17、重复步骤s16，获取所述有效振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线的剩余时间点的第一分析指标、第二分析指标和第三分析指标，所有的所述第一分析指标、第二分析指标、第三分析指标分别构成第一分析曲线、第二分析曲线、第三分析曲线。

更进一步的，所述设定指标包括第一设定曲线、第二设定曲线和第三设定曲线，分别将所述第一分析曲线、第二分析曲线和第三分析曲线与第一设定曲线、第二设定曲线和第三设定曲线对比，若所述第一分析曲线超出第一设定曲线、且第二分析曲线超出第二设定曲线、且第三分析曲线超出第三设定曲线，则所述实时振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线完全一致。

更进一步的，采集所述断路器的两个不同量程的实时振动幅值时间曲线，判断大量程的所述实时振动幅值时间曲线的幅值是否超出小量程的实时振动幅值时间曲线的幅值的80％-90％，若超出，则取大量程的所述实时振动幅值时间曲线，否则取小量程所述的实时振荡幅值时间曲线。

更进一步的，采集到的所述实时振动幅值时间曲线经过小波变换算法进行滤波处理，所述小波变换算法对实时振动幅值时间曲线进行变换后得到高频部分和低频部分，将所述高频部分的高频分量系数全部置零，再通过所述小波变换算法的逆变换将低频部分还原为仅有低频的实时振动幅值时间曲线。

为实现上述目的二，本发明提供了一种基于振动信号分析的断路器测试系统，包括断路器、信号放大器、ad转换器、dsp控制器、直流电源和工控机，所述工控机通过dsp控制器和ad转换器与信号放大器电气连接，所述直流电源通过控制开关与断路器的控制线圈电气连接，所述dsp控制器还与直流电源电气连接，其特征在于，还包括多个加速度传感器，所述加速度传感器与信号放大器电气连接，至少一个所述加速度传感器安装在断路器的基座上，每个所述断路器的触头上均安装有一个加速度传感器。

作进一步改进，所述加速度传感器包括第一加速度芯片、第二加速度芯片、运算放大器和电源端，所述第一加速度芯片的第八引脚和第七引脚与电源端连接，且通过第一电容接地；所述第二加速度芯片的第八引脚和第七引脚与电源端连接，且通过第三电容接地；所述运算放大器的第八引脚与电源端连接，且通过第二电容和第四电容接地；所述第一加速度芯片的第六引脚与运算放大器的第五引脚连接，所述第二加速度芯片的第六引脚与运算放大器的第三引脚连接，所述运算放大器的第一引脚和第二引脚连接，且所述运算放大器的第一引脚和第二引脚的连接端为第一输出端，所述运算放大器的第六引脚和第七引脚连接，且所述运算放大器的第六引脚和第七引脚的连接端为第二输出端，所述第一加速度芯片的第三引脚、第二加速度芯片的第三引脚和运算放大器的第四引脚均接地。

进一步的，所述dsp控制器通过da转换器与直流电源连接。

更进一步的，所述直流电源通过霍尔传感器与断路器的控制线圈电气连接，所述霍尔传感器通过电流信号放大器与ad转换器电气连接。

有益效果

本发明的优点在于：将实时振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线转换成频谱特征向量，通过对两条曲线的频谱特征向量进行计算分析，最终得到多个分析指标，将分析指标与设定指标进行分析对比，实现了对实时振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线的自动分析处理。该方法将较为复杂的实时振动幅值时间曲线转换成分析指标，直接使用分析指标与设定指标进行对比，可定位实时振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线在不同点处的差异，简单且有效，同时还能准确的反应出了断路器的真实振动状况。该方法通过小波变换算法对实时振动幅值时间曲线进行滤波处理，将曲线中的高频干扰乘法滤除，使信号的噪声更小，大大提高了对实时振动幅值时间曲线检测分析的准确性和可靠性。另外，该方法还通过实时振动幅值时间曲线的频域能量值对其进行选取，将无效的曲线数据段滤除掉，对实时振动幅值时间曲线作进一步的优化，从而大大的提高了分析速度。

附图说明

图1为本发明的测试方法流程示意图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为本发明的加速度传感器电路图。

其中：1-断路器、2-信号放大器、3-ad转换器、4-dsp控制器、5-工控机、6-直流电源、7-控制开关、8-加速度传感器、9-da转换器、10-霍尔传感器、11-电流信号放大器、101-触头、102-控制线圈。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

参阅图1，本发明的一种基于振动信号分析的断路器测试方法，该方法为选取从断路器上采集到的实时振动幅值时间曲线的有效段作为有效振动幅值时间曲线。本实施例中，测量的实时振动幅值时间曲线是从断路器合闸或者分闸开始脉冲的时间点为起点，以合闸/分闸试验时长为终点的时间曲线图，预设的试验时长在100ms-1000ms的范围内。对实时振动幅值时间曲线的采集方法为：采集断路器的两个不同量程的实时振动幅值时间曲线，判断大量程的实时振动幅值时间曲线的幅值是否超出小量程的实时振动幅值时间曲线的幅值的80％-90％，若超出，则取大量程的实时振动幅值时间曲线，否则取小量程的实时振荡幅值时间曲线。具体的，当大量程的实时振动幅值时间曲线的幅值超出小量程的实时振动幅值时间曲线的幅值的90％时，取大量程的实时振动幅值时间曲线作为实时采集到的实时振动幅值时间曲线。通过采集两个量程不同的实时振动幅值时间曲线，以实现准确测量较宽范围的加速度振动信号，使采集到的实时振动幅值时间曲线更加可靠，测量更加准确。将采集到的实时振动幅值时间曲线经过小波变换算法进行滤波处理，选择小波基波为“haar”，小波变换算法对实时振动幅值时间曲线进行变换后得到高频部分和低频部分，将高频部分的高频分量系数全部置零，再通过小波变换算法的逆变换将低频部分还原为仅有低频的实时振动幅值时间曲线。通过小波变换算法的滤波后，所得到的实时振动幅值时间曲线中的高频干扰分量已经被滤除，使信号的噪声更小，从而获得更加准确的实时振动幅值时间曲线，更接近于断路器真实的振荡状况，大大提高了对实时振动幅值时间曲线检测分析的准确性和可靠性。

有效振动幅值时间曲线的选取方法如下步骤：

s1、截取实时振动幅值时间曲线上一时间点的曲线数据，记该时间点为t0。通过一有多个数据点的汉宁窗与曲线数据相乘获得该段曲线数据的时域窗口数据。具体的，该汉宁窗的数据点为512个，所采用汉宁窗的函数为：

w(n)＝0.5-0.5cos(2*pi*n/512)；

其中n∈(0，511)。

将汉宁窗函数与时间点t0所对应的曲线数据相乘，即：

w(n)*v(t+n)；

其中，v(t)为实时振动幅值时间曲线函数，t为时间。

即从t＝t0＝0时刻开始获取当前实时振动幅值时间曲线的时间窗口下的采用汉宁窗截取的时域窗口数据。

s2、通过快速傅里叶变换将时域窗口数据转换成频谱特征向量。即对时域窗口数据进行快速傅里叶变换，获取其频谱，该频谱的幅值系数构成频谱特征向量[a0、a1、a2...a511]。

s3、统计出频谱特征向量的频域能量值。通过能量函数对频谱特征向量的计算，得出当前时域窗口数据的频域能量值。具体的，能量函数为：

其中，ai为实时振动幅值时间曲线的频谱特征向量，即ai＝[a0、a1、a2...a511]。

s4、重复步骤s1-s3，将实时振动幅值时间曲线上的所有时间点的曲线数据的频域能量值计算出来。即将实时振动幅值时间曲线上的时间点往后移动一个时间点，该时间点计为t1。然后使用同样的汉宁窗、快速傅里叶变换和能量函数将t1所对应的时间曲线的能量计算出，得到该时间点的频域能量值e1。依次类推计算下一个时间点所对应的时间曲线的频域能量值，从而获得当前实时振动辅助曲线的全部时间点的频域能量值。

s5、依次将频域能量值与设定能量值进行对比，将大于设定能量值的频域能量值所对应的曲线数据设定为有效振动幅值时间曲线。本实施例中，设定能量值为0.2。从实时振动幅值时间曲线的t＝0时刻开始，寻找第一个频谱能量值大于0.2的点，以该点作为有效振动幅值时间曲线的起始点，记为k点。同时以最后一个频谱能量值大于0.2的电作为有效振动幅值时间曲线的终点。

选取计算所得频域能量值大于一定能量值的实时振动幅值时间曲线作为该点是否具备有效振动幅值时间曲线的依据，仅将包含有有效振动幅值的实时振动幅值时间曲线的线数据段与参考振动幅值时间曲线对比，将实时振动幅值时间曲线作进一步的优化，避免无效的曲线数据段占用资源，从而大大的提高了分析速度。

将参考振动幅值时间曲线变换成参考频谱特征向量，将有效振动幅值时间曲线变换成实时频谱特征向量，通过对参考频谱特征向量和实时频谱特征向量计算分析得到多个分析指标，将分析指标与设定指标进行对比，确定有效振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线的不相似程度，从而实现了对实时振动幅值时间曲线的自动分析处理。该方法将较为复杂的实时振动幅值时间曲线转换成分析指标，直接使用分析指标与设定指标进行对比，可定位实时振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线在不同点处的差异，简单、有效，同时也准确的反应出了断路器的真实振动状况。

分析指标的获取方法如下步骤：

s11、将第一个大于设定能量值的频域能量值所对应的实时振动幅值时间曲线上的时间点设定为实时起始点，即k点。同时根据步骤s1-步骤s4设定参考振动幅值时间曲线的参考起始点，记为m点，通过所述参考起始点的参考频谱特征向量和实时起始点的实时频谱特征向量确定实时起始点和参考起始点的几何距离。具体的，实时起始点和参考起始点的几何距离通过频域方差函数获得。

频域方差函数为：

其中，dis为频域方差值，ai为实时频谱特征向量，ai＝[a0、a1、a2...a511]，bi为参考频谱特征向量，bi＝[b0、b1、b2...b511]。

而实时频谱特征向量和参考频谱特征向量均通过上述步骤s1和步骤s2计数获得。

s12、将汉宁窗在有效振动幅值时间曲线上往后移动若干时间点，并再次将此时有效振动幅值时间曲线的时间点转换成实时频谱特征向量，同时确定时间点和参考起始点的几何距离。具体的，取有效振动幅值时间曲线上实时起始点往后的1-9个点中的任一时间点，并将该时间点所对应的时间曲线转换成实时频谱特征向量。通过频域方差函数计算出该时间点与参考起始点的几何距离，即频域方差值。在有效振动幅值时间曲线上向后移动所加的汉宁窗，从而获得有效振动幅值时间曲线在不同的时间点与参考振动幅值时间曲线的匹配程度。

s13、重复步骤s12，得到多个几何距离，并将得到的全部几何距离中的最小几何距离查找出，该最小几何距离作为第一分析指标。具体的，通过步骤s12的计算出二十五个几何距离，即dis0-dis24，然后寻找dis0-dis24中值最小的一个，即为最小几何距离。最小几何距离作为第一分析指标，即以频域方差作为第一分析指标。

s14、将此时所述汉宁窗所在的有效振动幅值时间曲线上的时间点与参考起始点的差作为第二分析指标。具体的，将根据步骤s13移动后完毕后的有效振动幅值时间曲线上的当前时间点计为kj，其中，j为自然数。用kj-m作为第二分析指标，第二分析指标为有效振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线的时域平移。

s15、通过参考频谱特征向量确定参考振动幅值时间曲线的模值，将最小几何距离与模值的商作为第三分析指标。具体的，通过模值函数计算参考振动幅值时间曲线的模值。模值函数为：

以disn/da作为第三分析指标，第三分析指标为有效振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线的不相似度。

s16、将此时所述汉宁窗所在的有效振动幅值时间曲线上的时间点再向后移动一个时间点，同时将所述参考振动幅值时间曲线上的时间点从参考起始点往后移动一个时间点，再根据步骤s11-步骤s15确定此时的第一分析指标、第二分析指标和第三分析指标。即将m和kj分别往后移动一个时间点，得到m1和kj+1，然后按照步骤s11-步骤s15确定此时的频域方差值、时域平移值和曲线的不相似度。

s17、重复步骤s16，获取有效振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线的剩余时间点的第一分析指标、第二分析指标和第三分析指标，所有的第一分析指标、第二分析指标、第三分析指标分别构成第一分析曲线、第二分析曲线、第三分析曲线。即最终获得频域方差的时间曲线、时域平移的时间曲线和曲线的不相似度的时间曲线。

本实施例中，设定指标包括第一设定曲线、第二设定曲线和第三设定曲线。分别将第一分析曲线、第二分析曲线和第三分析曲线与第一设定曲线、第二设定曲线和第三设定曲线对比，若所述第一分析曲线超出第一设定曲线、且第二分析曲线超出第二设定曲线、且第三分析曲线超出第三设定曲线，则所述实时振动幅值时间曲线与参考振动幅值时间曲线完全一致。通过频域方差、时域平移和曲线的不相似度三个指标对有效振动幅值时间曲线和参考振动幅值时间曲线的相似度的判定，可简单、有效、准确的分析和定位这两条振动幅值时间曲线在不同时间点处的差异。

本实施例中，参考振动幅值时间曲线以及设定指标均通过数据库进行存储。该数据还同时记录断路器的合闸或分闸的实时振动幅值时间曲线，且该数据库的其中一个模块存储有断路器的参数，其内容包括断路器的额定电压、额定电流、制造厂家、型号以及合闸时间、分闸时间、合分时间、分合时间、回路电阻、长度不低于100ms的合闸参考振动幅值时间曲线和长度不低于100ms的分闸参考振动幅值时间曲线。数据库中所存储的内容均可进行删除、更新，同时所有的测试结果都可以通过模板库管理功能添加到数据库中，也可以通过导入导出接口一次性导入或导出数据库中所存储的信息。通过直接从数据库中获取所需参数对实时振动幅值时间曲线进行处理和分析，并给出结论，使对实现振动幅值时间曲线的测试过程更加简单快捷。

优选的，通过对断路器的线圈的电流进行采集，得到电流时间曲线。该电流时间曲线作为振动试验判断的一个辅助指标，用来检测断路器控制线圈的电气特性是否发生了变化。其滤波以及检测方法均与对实时振动幅值时间曲线的检测方法一致。

参阅图2，一种基于振动信号分析的断路器测试系统，包括断路器1、信号放大器2、ad转换器3、dsp控制器4、工控机5和直流电源6。工控机5通过dsp控制器4和ad转换器3与信号放大器2电气连接，直流电源6通过控制开关7与断路器1的控制线圈102电气连接，dsp控制器4还与直流电源6电气连接。该系统还包括多个加速度传感器8，加速度传感器8与信号放大器2电气连接，至少一个加速度传感器8安装在断路器1的基座上，每个断路器1的触头101上均安装有一个加速度传感器8。具体的，该系统包括四个加速度传感器8，一个加速度传感器8安装在断路器1的基座上，基座上还安装有控制线圈102。本实施例中的断路器1为三相断路器1，在断路器1的三相触头上分别安装有一个加速度传感器8。在试验过程中，通过四个加速度传感器8同时对断路器1进行测试，使对断路器1的振动测试更加可靠。

参阅图3，加速度传感器8包括第一加速度芯片u1、第二加速度芯片u2、运算放大器u3和电源端。第一加速度芯片u1和第二加速度芯片u2的型号一致，均为adxl001；运算放大器u3的型号为ad8629。第一加速度芯片u1的第八引脚和第七引脚与电源端连接，且通过第一电容c1接地；第二加速度芯片u2的第八引脚和第七引脚与电源端连接，且通过第三电容c3接地；运算放大器u3的第八引脚与电源端连接，且通过第二电容c2和第四电容c4接地；第一加速度芯片u1的第六引脚与运算放大器u3的第五引脚连接，第二加速度芯片u2的第六引脚与运算放大器u3的第三引脚连接，运算放大器u3的第一引脚和第二引脚连接，且运算放大器u3的第一引脚和第二引脚的连接端为第一输出端，运算放大器u3的第六引脚和第七引脚连接，且运算放大器u3的第六引脚和第七引脚的连接端为第二输出端，第一加速度芯片u1的第三引脚、第二加速度芯片u2的第三引脚和运算放大器u3的第四引脚均接地。

每个加速度传感器8上集成了2个加速度芯片，使得同一个加速度传感器8可以同时具备2路不同量程的加速度信号输出。加速度传感器8的电路被嵌入到带安装孔的金属壳体内。采用加速度芯片的y轴方向输出作为信号采集输出端，加速度传感器8的内部电路被完全屏蔽在具备加速度方向标识的壳体内，以提高采集的精度。加速度传感器8的两路加速度信号被同时输入信号放大器2，再输入ad转换器3进行ad转换，由dsp控制器4同时采样两路加速度信号。dsp控制器4首先判断所取大量程加速度信号的幅值是否超过了低量程加速度信号幅值的90％，如果超过该幅值则取大量程加速度信号，否则取低量程的加速度信号。本实施例中，第一加速度芯片u1和第二加速度芯片u2的测量范围分别为0-75g和0-250g。即加速度传感器8的内部集成了量程分别为75g和250g的加速度芯片，当dsp控制器4取样得到的加速度信号幅值低于68g时，则dsp控制器4取75g的加速度信号作为实时振动幅值时间曲线，否则则采用250g的加速度信号作为实时振动幅值时间曲线。

优选的，控制开关7为igbt电子开关。dsp控制器4通过da转换器9与直流电源6连接。通过da转换器9调节直流电源6的幅值，并通过igbt电子开关控制断路器1合闸线圈及分闸线圈，从而控制断路器1进行合闸与分闸。具体的，dsp控制器4通过da转换器9输出控制电压至直流电源6，使其产生试验所需的电压幅值，然后通过连接在合闸回路及分闸回路上的igbt电子开关开启或关断断路器1上的合闸线圈或分闸线圈的供电电路，从而实现对断路器1的分/合闸试验。使用igbt电子开关对断路器1的控制，使得分/合闸命令控制时间的精度在0.1ms及以内，从而使获取的实时振动幅值时间曲线更为精确。

直流电源6通过霍尔传感器10与断路器1的控制线圈102电气连接，霍尔传感器10通过电流信号放大器11与ad转换器3电气连接，直流电源6还与电流信号放大器11电气连接。具体的，霍尔传感器10与直流电源6的正极连接，同时霍尔传感器10还与电流信号放大器11和控制线圈102连接。霍尔传感器10采集合闸试验或分闸试验过程中的控制线圈102的电流时间曲线，并将其作为振动试验判断的一个辅助指标，用来检测断路器1的控制线圈102的电气特性是否发生了变化。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。