GIS断路器弹簧操动机构机械状态监测方法及系统与流程

本发明涉及gis断路器操动机构机械状态监测，尤其是一种gis断路器分合闸过程中弹簧操动机构机械状态监测方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，gis)是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等电气设备组成的封闭式组合电器，具有占地空间小、绝缘水平高、检修维护工作量小、故障发生率低等优点，广泛应用于不同电压等级的变电站中。作为gis中具有灭弧功能的开断元件，断路器承载正常工作电流和切断故障电流，具有保护和控制的双重作用，是保障gis安全稳定运行的核心部件之一。

2、断路器动作时由操动机构提供能量，故操动机构的良好运行是实现断路器分合闸操作的重要前提。其中，弹簧操动机构凭借结构简单、体积小、操作噪音小、对环境无污染、免运行维护、可靠性高等优点成为高压断路器中应用最广泛的操动机构类型之一。但是，受制于断路器弹簧操动机构的复杂机械结构，其引发的故障类型较多，主要表现为拒动、分合不到位、误分和误合等。据统计，机械故障是断路器的主要故障，且因操动机构引发的故障占比最高，且逐年上升。因此，如何准确辨识gis断路器弹簧操动机构的机械缺陷一直是关注热点。

3、振动信号作为设备机械状态信息的一种有效载体，其变化与设备运行状态的改变密切相关。作为一种瞬动式开关设备，gis断路器分合闸过程中操动机构机械元件的运动、触头的撞击等均会产生振动信号，即其分合闸动作过程中的内部事件体现在每一个瞬态波形中，因此，gis断路器分合闸过程中的多峰值振动信号承载着其内部各个机械元件的动作信息，且具有很强的相似性，故振动分析法已成为断路器机械状态监测的重要手段。但是，与gis断路器分合闸过程中机械元件的运动过程相对应，其所伴生的振动信号呈现迅速上升、逐渐衰减、及多峰值混叠的特点，对应的频谱呈现宽频连续分布，给准确获取振动信号中所蕴含的设备机械状态信息带来了困难。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，该方法通过对gis断路器弹簧操动机构振动信号进行实施监测，计算分析振动信号中多个模态分量中心频率的变化，以实现gis断路器弹簧操动机构机械状态的高效、准确评判。

2、为实现上述发明目的，本发明提供采用如下的技术方案：gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，其包括：

3、步骤1、采集gis断路器分合闸过程中的振动信号s(t)；

4、步骤2、基于傅里叶变换计算振动信号s(t)的频谱，所述的振动信号频谱表示为s(ω)；

5、步骤3、根据振动信号的频谱进行变分模态分解，获取振动信号的多个模态分量；

6、步骤4、基于局部极值法识别振动信号多个模态分量中的多峰值模态分量和确定频带分割边界；

7、步骤5、根据振动信号多峰值模态分量的频带分割结果设计滤波器，获取对应的单峰值模态分量；

8、步骤6、计算分解得到的gis断路器弹簧操动机构振动信号所有单峰值模态分量的中心频率；

9、步骤7、计算当前振动信号中心频率序列与gis断路器弹簧操动机构历史振动信号中心频率序列的相关系数，根据相关系数对gis断路器弹簧操动机构机械状态进行判别：当相关系数低于0.85时，则判断gis断路器弹簧操动机构机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。

10、进一步地，步骤1中，所述的振动信号由放置在gis断路器弹簧操动机构箱外壳上的振动加速度传感器获取，其采样频率为fs，采样点长度为n0。

11、进一步地，步骤3的具体过程如下：

12、3a.构建gis断路器振动信号约束变分模型，所述的约束变分模型表示为：

13、

14、

15、式中：vk表示基于变分模态分解得到的振动信号中的第k个模态分量；p表示模态分量的个数；δ(t)表示脉冲函数；ωk表示第k个模态分量vk的中心频率，二者满足||·||2表示2范数；*表示卷积；s表示振动信号；表示时间t的偏微分；ω表示频率；

16、3b.通过增广拉格朗日函数将约束变分模型转换为无约束优化变分模型，所述的无约束优化变分模型表示为：

17、

18、式中：α为二次惩罚因子；λ为lagrange乘子参数；<x,y>代表x与y的内积运算；

19、3c.设置惩罚因子α、模态分量个数p和收敛容差σ，令迭代变量λ1＝0和n＝0，此处，n表示迭代次数；

20、3d.采用交替方向乘子法计算无约束优化变分模型的最优解。

21、更进一步地，所述采用交替方向乘子法计算无约束优化变分模型的最优解，其计算步骤如下：

22、31)分别对和λn(t)进行傅里叶变换，对应的傅里叶变换结果分别记为和λn(ω)；

23、32)根据更新模态分量所述的模态分量计算公式为：

24、

25、33)根据更新中心频率所述的中心频率计算公式为：

26、

27、34)根据更新lagrange乘子λn+1，此处，ρ为更新步长；

28、35)判别是否满足停止条件若不满足，则令n＝n+1，重复步骤31～步骤35，直至得到无约束优化变分模型的最优解，即为p个模态分量imf1、imf2、…、imfp。

29、进一步地，步骤4的具体过程如下：

30、4a.依次对各个模态分量imf1、imf2、…、imfp进行傅里叶变换，得到其频谱，记为uk，k＝1,2,…,p；

31、4b.遍历整个频谱序列，将同时大于前一个元素和后一个元素的序列元素作为频谱曲线的局部极大值添加到数组{uk_localmax}中；

32、4c.对数组{uk_localmax}中的元素按照降序顺序进行排列，提取其中最大的频谱序列元素uk_max及排序为第l个的元素vk_l；

33、4d.根据第l个元素vk_l对降序排序前的数组{uk_localmax}作出修正，保留大于等于uk_l的l个局部极大值，记录并依次记作yk_1、yk_2、…、yk_l、…、yk_l；此处，yk_l表示模态分量imfk第l个局部极大值的幅值，l＝1,2,…,l；

34、4e.设定多峰判断阈值系数μk，将yk_l依次与μkvk_max比较；若仅存在一个局部最大值满足yk_l≥μkvk_max，则判定模态分量imfk的频谱呈现单峰形式，视为已分解完成，记为imfk.0，且此模态分量的数量设置为nk＝1；否则，模态分量imfk的频谱为多峰函数；

35、4f.记模态分量imfk中满足yk_l≥μkuk_max的局部最大值的频率依次记作ωk_1、ωk_m、…、ωk_m，即为确定频带分割边界的依据。

36、更进一步地，步骤5中，第k个多峰值模态分量的计算过程如下：

37、5a.确定频带分割边界，即将两个连续极大值对应频率的中间值作为频谱分割的边界对应的计算公式为：

38、

39、式中：ωk_0＝0和ωk_m+1＝π为自身两侧边界；

40、由此整个频带划分为m+1个子频带，不同子频带范围记为：

41、此处，和

42、5b.以为中心，定义宽度为的过渡段，此处，

43、5c.引入尺度函数构建上的带通滤波器，其它频带范围上的带通滤波器由经验小波函数确定，n＝2,…,m+1，所述的尺度函数和经验小波函数的公式为：

44、

45、

46、式中：β(x)为任意的ck[0,1]方程，取为：

47、β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3)；

48、5d.将尺度函数和经验小波函数分别与频谱信号uk基于内积运算进行频带滤波，得到逼近系数和细节系数其表示为：

49、

50、

51、式中：和分别是和的傅里叶变换；表示取(·)的复共轭函数；f-1[·]表示傅里叶逆变换；τ表示时间；表示在时间轴上的平移；表示在时间轴上的平移；

52、5e.根据逼近系数和细节系数计算获取多峰模态分量imfk的单成分分量将其按照nk个频率由低到高进行排列，依次记为imfk.1、imfk.2、…、imfk.(m+1)，所述的单成分分量的计算公式为：

53、

54、进一步地，步骤6中，所述的中心频率由傅里叶变换计算得到，个数为nk表示频率的个数，p表示模态分量个数。

55、上述技术方案通过计算gis断路器弹簧操动机构振动信号各个模态分量中心频率，根据中心频率序列与历史振动信号模态分量中心频率序列的相关系数，来判别gis断路器弹簧操动机构机械状态，该判断方法高效、准确，且易于实施，便于操作人员及时发现gis断路器弹簧操动机构的异常机械状态。

56、本发明所提及的gis断路器弹簧操动机构由于采用了上述技术方案，有效提高了gis断路器弹簧操动机构振动信号分解过程中增强抗噪声干扰和抑制模态混叠现象的能力，使得其可以通过gis断路器弹簧操动机构振动信号实现其机械状态的准确监测，进而采取有效的运维措施，大大降低了gis断路器弹簧操动机构的故障损坏率。

57、本发明的目的之二在于提供一种gis断路器弹簧操动机构机械状态监测系统，其用于实现上述的gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法。

58、本发明的目的之三在于提供执行发明目的之一的电子设备，其包括处理器、存储介质以及计算机程序，所述计算机程序存储于存储介质中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法。

59、本发明的目的之四在于提供存储发明目的之一的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法。

60、本发明的一种gis断路器弹簧操动机构机械状态监测系统、电子终端、计算机可读存储介质用于执行本发明的一种gis断路器弹簧操动机构机械状态监测方法，当然也具有上述有益效果，此处不再赘述。