一种高压开关柜在线监测与预警保护方法及其系统与流程

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及一种高压开关柜在线监测与预警保护方法及其系统。

背景技术：

高压开关柜是变电站系统中主要的控制和保护设备，对电力系统安全、可靠地运行起着至关重要的作用。目前普遍使用的小车式开关柜与断路器之间均采用动、静触点的插头联接，在动、静触点接触时，它们之间有一个接触电阻，当电流流过触点时，就会引起触点的发热，因此国家标准中规定了触点的最大允许发热温度和允许温升，正常运行时，动、静触点温度的升高不会超出规定的范围。但是小车与开关柜因制造、运输及安装不良等都会引起触点接触不良，同时，在长期运行过程中，动、静触点也经常会出现接触面不洁，触点氧化，机械变形松动等现象，这些都将导致接触电阻增大，造成触点温升超出规定的范围，引起电气设备遭到烧坏，甚至发生火灾等严重事故，这些现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，且影响极大。同时，开关柜也是发电厂的重要设备，在电力系统中起到了通断、控制和保护发电的作用，各种设备的供电也都是通过高压开关柜组实现的，如果有其中一个发生故障而不能及时得到处理，一旦机组停止运行，损失巨大。

为了避免开关柜因为温度过高而造成电力安全事故，需要对开关柜的温度进行监测，及时发现开关柜的温度异常。现有的开关柜测温方式主要有接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中，使传感器与物体保持同一温度的测温法。如水银温度计、压力式温度计和双金属温度计；热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等测温方式，以及示温蜡片、光纤测温等。其中示温蜡片是最早被人们用于电气接头过热示温的产品，示温蜡片法是根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理将不同熔点的蜡片(颜色不同)贴于高压开关柜内易过热点部位，根据蜡片的熔化情况判断易过热点的大致温度情况，该方法测温准确度低，可靠性差。热敏电阻测温法在开关柜内部恶劣的环境下表现出很大的误差，布线复杂且热敏电阻易损坏、维护难度大。非接触式红外测温也叫辐射测温，非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需要与被测物体接触，主要有红外测温法。

现有的开关柜测温技术不断地提高，对于开关柜温度变化的准确率也越来越高，但是目前大部分针对高压开关柜的工作都集中在在线监测上，最多能够做到实时报警，无法在故障发生之前提前预警，做到防患于未然，避免事故的发生或进一步扩大，提高供电可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压开关柜在线监测与预警保护方法及其系统，用以解决现有高压开关柜无法对于母线、触点温度升高进行提前预警的技术问题。

为实现上述目的，本发明方法以实时采集每一母线或触点的温度数据为预测基础，通过小波包变换去噪处理，然后在根据初始温度数据采集时间周期，获得分等间隔温度序列，然后通过二阶差分方程获得每一母线或者触点对应的温度预测公式；从而提出了一种高压开关柜在线监测与预警保护方法。具体地，该方法包括如下步骤：

实时采集并存储高压开关柜的每一母线或触点的温度数据，并传输到监控服务器；

所述监控服务器接收所述温度数据，生成每一所述母线或所述触点预设时间周期内的温度曲线，并对所述温度曲线进行小波包变换去噪处理；

根据去噪处理后所述温度曲线，获得每一所述母线或所述触点在预设时间周期内的非等间隔温度序列；

构建预测温度的二阶差分方程，利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合，通过最小二乘原理求取所述二阶差分方程的系数；从而得到每一所述触点或所述母线的温度预测公式；

根据所述温度预测公式获得预设时间后的所述触点或所述母线的预测温度值，当所述预测温度值大于报警阈值时，发出报警提示。

进一步的，当实时采集的高压开关柜的每一母线或触点的温度数据大于保护阈值时，通过设置在所述高压开关柜进线口的切断装置将供电线切断。

进一步的，所述温度曲线进行小波包变换去噪处理的具体过程为：

利用小波函数对所述温度曲线进行小波包分解获得对应的小波包系数；优选地，采用“db10”小波进行小波包分解，分级层数为三层。

采用一设定阈值进行去噪，大于所述设定阈值的系数保持不变，否则置零，其表达式为：

其中：t为设定阈值，cij为各节点上的小波系数；

对去噪后的所述温度数据重构，得到去噪处理后的所述温度曲线。

优选地，所述设定阈值为最小极大方差阈值t的表达式为

其中σ为噪声标准差。

进一步的，在利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合之前，对所述非等间隔温度序列进行插值处理。

具体地，利用newton—元三点插值法原理对非等间隔温度序列的温度数据进行插值处理。

进一步的，利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合后得到所述预测温度的二阶差分方程如下：

yt＝a0+a1yt-24+a2yt-48

其中，yt为t时刻的高压开关柜的母线或者触点温度值，a0，a1，a2为差分方程系数；

所述差分方程系数使得

具有最小值，从而获得a0，a1，a2的数值，得到所述温度预测公式。

基于同一发明构想，本发明还提供了一种高压开关柜在线监测与预警保护系统，包括数据采集装置、通信装置、监控服务器，所述数据采集装置设置在每一高压开关柜中，用于实时采集所述高压开关柜中的母线或者触点温度数据；所述通信装置用于将所述母线或所述触点的温度数据传输到所述监控服务器，所述监控服务器接收处理所述母线或所述触点的温度数据，预测预设时刻后每一所述母线或所述触点的预测温度，并发出报警提示。

进一步的，所述高压开关柜在线监测与预警保护系统还包括电磁切线装置，所述电磁切线装置设置在所述高压开关柜的进线口位置，用于在所述母线或所述触点的温度数据大于保护阈值时，切断供电线。

进一步的，所述数据采集装置包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅解调器，所述光纤光栅温度传感器贴合或者镶嵌在每一所述母线或所述触点位置；所述光纤光栅温度传感器与所述光纤光栅解调器连接，实时获得所述母线或者所述触点的温度数据。

进一步的，所述通信装置包括zigbee通信模块、路由器和协调器，每一所述高压开关柜上设置有所述zigbee通信模块，所述zigbee通信模块通过所述路由器和所述协调器与所述监控服务器实现数据通信。

进一步的，所述电磁切线装置包括切线装置本体、电磁推杆、切线刀和切线台，供电线通过一组电性固定套穿设在所述切线装置本体内，所述电磁推杆设置在所述切线装置本体上部，所述切线刀与所述切线台在所述供电线上下两侧对应设置，所述电磁推杆的输出端安装所述切线刀。

本发明方法具有如下优点：

本发明提供的高压开关柜在线监测与预警保护方法及其系统，通过实时采集高压开关柜的母线或者触点温度数据，根据温度数据通过监控服务器进行处理，能够获得母线或者触点未来一定时刻的预测温度，从而能够预先获知高压开关柜的温度是否异常，提前对可能发生的安全事故进行处理，从而保证供电安全。

附图说明

图1是本发明实施例的第一种高压开关柜在线监测与预警保护方法流程框图。

图2是本发明实施例的第二种高压开关柜在线监测与预警保护方法流程框图。

图3是本发明实施例的一种高压开关柜在线监测与预警保护系统结构示意图。

图4是本发明实施例的一种温度与时间关系图；

图5是本发明实施例的数据采集装置和通信装置系统结构框图。

图6是本发明实施例的电磁切线装置主视结构示意图。

其中，10-高压开关柜，20-数据采集装置，30-通信装置，31-路由器，32-协调器，40-电磁切线装置，50-供电线，60-监控服务器；

41-切线装置本体，42-电线固定套，43-电磁推杆，44-切线刀，45-切线台。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提出了一种高压开关柜在线监测与预警保护方法。具体地，该方法包括如下步骤：

s101、实时采集并存储高压开关柜的每一母线或触点的温度数据，并传输到监控服务器；

s102、所述监控服务器接收所述温度数据，生成每一所述母线或所述触点预设时间周期内的温度曲线，并对所述温度曲线进行小波包变换去噪处理；

s103、根据去噪处理后所述温度曲线，获得每一所述母线或所述触点在预设时间周期内的非等间隔温度序列；

s104、构建预测温度的二阶差分方程，利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合，通过最小二乘原理求取所述二阶差分方程的系数；从而得到每一所述触点或所述母线的温度预测公式；

s105、根据所述温度预测公式获得预设时间后的所述触点或所述母线的预测温度值，当所述预测温度值大于报警阈值时，发出报警提示。

通过对预设时间周期内(如1天、1周、1月等设定的时间周期)，实质是不间断地实时监测高压开关柜的母线或触点温度，以本时间节点作为分界线，预设时间周期是本时间节点前的1天、1周或1月等设定时间；预测时间是本时间节点之后的1天、1周或1月等设定时间；通过预设时间周期内所采集的母线或触点温度处理获得温度预测公式，根据温度预测公式获得未来某一时间点的母线或者触点温度预测值，与报警阈值比较判断是否发出报警提示。高压开关柜的母线、触点温度，在一段时间内电压、环境参数不变时，如1个月内一般电压、环境参数不会发生突变，因此，高压开关柜的母线、触点温度是渐变性，也即是前后一段时间的母线、触点温度具有关联性的，从而能够通过历史温度数据预测未来某一时刻的温度。

差分方程的原理：

描述n阶线性连续系统的数学模型是n阶微分方程，而描述n阶线性离散系统的数学模型是n阶差分方程。以t表示时间，规定t只取非负整数。t＝0表示第一周期初，t＝1表示第二周期初等。记yt为变量y在时刻t时的取值，则称δyt＝yt+1-yt为yt的一阶差分，称δ²yt＝δ(δyt)＝δyt+1-δyt＝yt+2-2yt+1+yt为yt的二阶差分。类似地，可以定义yt的n阶差分。

对于开关柜的母线或触头温度，设t时刻的温度值为yt,考虑环境因素的影响，构造二阶差分方程yt＝a0+a1yt-24+a2yt-48，利用全体温度数据进行拟合，通过最小二乘原理求系数a0，a1，a2。

如图2所示，本发明提供了另一种高压开关柜在线监测与预警保护方法。具体地，该方法包括如下步骤：

s201、实时采集并存储高压开关柜的每一母线或触点的温度数据，并传输到监控服务器；

s202、所述监控服务器接收所述温度数据，生成每一所述母线或所述触点预设时间周期内的温度曲线，并对所述温度曲线进行小波包变换去噪处理；

s203、根据去噪处理后所述温度曲线，获得每一所述母线或所述触点在预设时间周期内的非等间隔温度序列；

s204、构建预测温度的二阶差分方程，利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合，通过最小二乘原理求取所述二阶差分方程的系数；从而得到每一所述触点或所述母线的温度预测公式；

s205、根据所述温度预测公式获得预设时间后的所述触点或所述母线的预测温度值，当所述预测温度值大于报警阈值时，发出报警提示。

s206、当实时采集的高压开关柜的每一母线或触点的温度数据大于保护阈值时，通过设置在所述高压开关柜进线口的切断装置将供电线切断。

其中，所述温度曲线进行小波包变换去噪处理的具体过程为：

利用小波函数对所述温度曲线进行小波包分解获得对应的小波包系数；优选地，采用“db10”小波进行小波包分解，分级层数为三层。

采用一设定阈值进行去噪，大于所述设定阈值的系数保持不变，否则置零，其表达式为：

其中：t为设定阈值，cij为各节点上的小波系数；

对去噪后的所述温度数据重构，得到去噪处理后的所述温度曲线。

优选地，所述设定阈值为最小极大方差阈值t的表达式为

其中σ为噪声标准差。

小波包分析的主要方法就是小波包分解；小波包分解具有分析瞬变和非平稳或时变现象的能力，它可以同时提供时间和频率的多尺度和多分辨率分析，对低频部分和高频部分同步实施分解。而小波包分解能根据被分析信号的特性和分析要求，适应地选择相应频带与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率，为更加有效的提取信号特征提供了良好的基础。

高压开关柜温度测量点上的温度传感器受到较近频带的各种电磁噪声干扰，温度曲线呈现不同程度的抖动，近似认为噪声为高斯加性噪声。对温度曲线进行小波包分解得到一系列描述信号逼近的小波系数和细节系数，对信号的消噪也就是对小波变换系数的选择过程：保留描述信号特征的小波变换系数，去掉描述噪声毛刺信号的小波系数。

为了保持温度数据的主体特征，尽量去除噪声扰动，达到平滑优化样本的目的。保持描述逼近的低频小波系数不变，对高频细节小波系数阈值化。采用最小极大方差阈值准则选取阈值，使得选取的阈值产生最小的极大方差。

高压开关柜的噪卢主要是温度传感器引人的电磁波噪卢，导致温度曲线毛刺较多。经过上述阈值方法选择和阈值设置，筛选出可以描述信号特征的小波系数，达到降低噪声的影响并保留原始信号的重要信息的目的，使曲线变得单一平滑，去掉抖动的温度数据的影响。具体过程描述如下。

第一步：选取合适的小波函数、阈值方法、分解层数对信号进行小波包变换；

第二步：对小波变换系数进行筛选，设定门限值进行去噪。

第三步：对去噪后的信号重构，得到去噪后的信号。

如图3所示，采用“db10”小波进行小波包分解，分级层数为三层，对分解后的各项小波系数进行削减后，信号重构得到新的信号。信号既保留了重要的特征，又不至于过分光滑。

其中，在利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合之前，对所述非等间隔温度序列进行插值处理。

具体地，利用newton—元三点插值法原理对非等间隔温度序列的温度数据进行插值处理:

首先，使得非等间隔温度序列x⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(pi),p∈n⁺,i＝1,2,3,4,...,n}，令ip为小于pi的正整数，从而δpi＝pi-ip；

然后，构建等间隔温度序列

式中，当ip＝pi时，

最后，利用newton—元三点插值多项式进行插值计算，其公式如下：

式中，

其中，利用所述非等间隔温度序列对所述二阶差分方程进行拟合后得到所述预测温度的二阶差分方程如下：

yt＝a0+a1yt-24+a2yt-48

其中，yt为t时刻的高压开关柜的母线或者触点温度值，a0，a1，a2为差分方程系数；

所述差分方程系数使得

具有最小值，从而获得a0，a1，a2的数值，得到所述温度预测公式。

实施例2

基于同一发明构想，如图3、4所示，本发明还提供了一种高压开关柜在线监测与预警保护系统，包括数据采集装置20、通信装置30、监控服务器60，所述数据采集装置20设置在每一高压开关柜10中，用于实时采集所述高压开关柜10中的母线或者触点温度数据；所述通信装置30用于将所述母线或所述触点的温度数据传输到所述监控服务器60，所述监控服务器60接收处理所述母线或所述触点的温度数据，预测预设时刻后每一所述母线或所述触点的预测温度，并发出报警提示。

其中，所述高压开关柜在线监测与预警保护系统还包括电磁切线装置40，所述电磁切线装置40设置在所述高压开关柜10的进线口位置，用于在所述母线或所述触点的温度数据大于保护阈值时，切断供电线50。

其中，所述数据采集装置20包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅解调器，所述光纤光栅温度传感器贴合或者镶嵌在每一所述母线或所述触点位置；所述光纤光栅温度传感器与所述光纤光栅解调器连接，实时获得所述母线或者所述触点的温度数据。

其中，所述通信装置30包括zigbee通信模块、路由器31和协调器32，每一所述高压开关柜10上设置有所述zigbee通信模块，所述zigbee通信模块通过所述路由器31和所述协调器32与所述监控服务器60实现数据通信。

如图5所示，所述电磁切线装置40包括切线装置本体41、电磁推杆43、切线刀44和切线台45，供电线50通过一组电性固定套42穿设在所述切线装置本体41内，所述电磁推杆43设置在所述切线装置本体41上部，所述切线刀44与所述切线台45在所述供电线50上下两侧对应设置，所述电磁推杆43的输出端安装所述切线刀44。

本发明提供的高压开关柜在线监测与预警保护方法及其系统，通过实时采集高压开关柜的母线或者触点温度数据，根据温度数据通过监控服务器进行处理，能够获得母线或者触点未来一定时刻的预测温度，从而能够预先获知高压开关柜的温度是否异常，提前对可能发生的安全事故进行处理，从而保证供电安全。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。