張 龍,黃新波,蔣波濤,胡海燕,胡瀟文

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.中國石化青島安全工程研究院,山東 青島 266072)

0 引 言

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的高壓開關(guān)設(shè)備之一,其可靠性直接影響著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[1-2].隨著智能電網(wǎng)的大力建設(shè),傳統(tǒng)的“定期檢修”已無法滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展.為了避免由斷路器機械故障而造成不必要的損失,則斷路器的機械特性在線監(jiān)測顯得由為重要[3-5].

斷路器的觸頭行程-時間特性曲線是其健康狀況的重要表征,為了獲得觸頭行程曲線,需要在斷路器本體上安裝位移傳感器[6-8],而位移傳感器安裝的最基本要求是:(1)不影響斷路器絕緣性能的前提下,盡量不要破壞斷路器原始的機械結(jié)構(gòu);(2)能夠精準(zhǔn)獲得斷路器的觸頭行程-時間特性曲線[9-11].

圖 1 斷路器分合閘示意圖Fig.1 Circuit breaker opening and closing schematic

目前,斷路器觸頭行程位移測量傳感器主要有直線位移傳感器、差動變壓器式位移傳感器、增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器等.其中,直線位移傳感器安裝在絕緣拉桿下端,直接采集動觸頭的位移信號,但是安裝困難、精度差、抗干擾能力低,還破壞斷路器原始結(jié)構(gòu),影響絕緣性能;差動變壓器式位移傳感器安裝在斷路器主軸上,觸頭運動的位移量改變了空間磁場的分布,使得副邊繞組感應(yīng)出不同電動勢，通過測量輸出電壓的大小來測量觸頭行程位移,但傳感器體積較大不合適中壓斷路器;增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器安裝在斷路器主軸上不僅占用空間小,還不會影響斷路器的絕緣性能,抗干擾能力強,但輸出數(shù)字信號,不能直觀的反映斷路器行程特性,需設(shè)計相應(yīng)的測量電路配合進行測量.而本文采用的高精度的角位移傳感器與光電編碼器安裝相同,且輸出是直流電壓信號,可以直觀的反映斷路器機械行程特性,無需后端測量電路[12-14].因此,本文采用角位移傳感器進行斷路器觸頭行程測量.

1 斷路器傳動四連桿模型

本文研究的ZN63A-12真空斷路器的操動機構(gòu)為四連桿結(jié)構(gòu),其分合閘過程示意圖如圖1所示,連桿處于ABCD狀態(tài)時,斷路器為分閘狀態(tài),合閘彈簧儲能.當(dāng)執(zhí)行合閘操作時,合閘彈簧做功,推動絕緣拉桿FH向上運動使動觸頭完成合閘操作,此時連桿處于AB′C′D狀態(tài),并可以使分閘彈簧G儲能.分閘操作時,連桿運動過程與上述相反.

根據(jù)四連桿機構(gòu)建立xoy坐標(biāo)系,并把各桿當(dāng)作矢量,方程如下:

(1)

在x,y軸上的投影為

(2)

cos(αi)=P0·cos(φi)+P1·cos(φi-αi)+P2.

(3)

(4)

圖 2 四連桿傳動關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of four-link transmission

(5)

2 斷路器機械特性監(jiān)測技術(shù)

斷路器機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)由過程層、間隔層、站控層組成[16].過程層主要由監(jiān)測裝置構(gòu)成,包含信號采集單元和智能處理單元,完成信號采集單元、數(shù)據(jù)預(yù)處理及斷路器機械特性參數(shù)的計算分析;間隔層為斷路器IED,監(jiān)測終端通過CAN總線與斷路器IED之間通信,IED按照電網(wǎng)標(biāo)注的IEC 61850通信協(xié)議通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至站控層監(jiān)控中心[17];站控層實現(xiàn)站內(nèi)所有斷路器遠程監(jiān)控.

2.1 監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計

斷路器機械特性在線監(jiān)測硬件電路如圖3所示.通過角位移傳感器、無線測溫模塊、閉環(huán)霍爾電流互感器,分別獲取A,B,C三相觸頭行程信號、觸頭溫升、分合閘線圈及儲能電機電流,經(jīng)信號調(diào)理電路,送入STM32F407ZET6進行A/D采樣.采樣結(jié)束后,MCU采用濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,然后經(jīng)過運算得到反映斷路器健康狀態(tài)的特征參數(shù).并采用CAN總線將斷路器的各機械參數(shù)上傳至斷路器IED,實現(xiàn)對斷路器機械特性的實時監(jiān)測.

圖 3 斷路器機械特性在線監(jiān)測硬件電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of mechanical characteristics of the circuit breaker on-line monitoring hardware

2.2 軟件設(shè)計

圖 4 斷路器機械特性在線監(jiān)測軟件設(shè)計流程圖Fig.4 Flowchart of online monitoring software design for circuit breaker mechanical characteristics

斷路器機械特性在線監(jiān)測軟件設(shè)計如圖4所示。監(jiān)測裝置上電后,首先,進行系統(tǒng)初始化;其次,通過實時監(jiān)測斷路器的開入量與分合閘線圈電流,判斷斷路器是否發(fā)生動作.當(dāng)斷路器發(fā)生動作,采用A/D+DMA中斷的模式對進行信號采集與搬運,數(shù)據(jù)搬運結(jié)束后,關(guān)閉DMA中斷,并分別調(diào)用分合閘采樣子程序、濾波算法程序、數(shù)據(jù)運算子程序進行采樣數(shù)據(jù)備份,數(shù)字濾波、斷路器特征參數(shù)計算和打包；最后,通過CAN通訊方式將曲線數(shù)據(jù)與特征參數(shù)全部上傳至斷路器IED.

3 檢測信號處理

3.1 信號存在問題

斷路器機械特性在線監(jiān)測裝置運行在高電壓、強磁場的環(huán)境下,在線監(jiān)測裝置在數(shù)據(jù)采集和信號傳輸過程中會受到各種干擾,導(dǎo)致斷路器的行程——時間曲線嚴(yán)重畸變,圖5為文中通過示波器獲得斷路器分合閘的原始波形.

若利用該數(shù)據(jù)直接進行斷路器機械特性分析計算會產(chǎn)生較大的誤差,且這樣的結(jié)果更不能真實的反映當(dāng)前斷路器的健康狀態(tài),從而使得斷路器的機械特性在線監(jiān)測的作用減弱,因此，為了獲得理想的行程——時間曲線,需要對采集的原始數(shù)據(jù)采用相關(guān)算法進行處理,有效濾除各種干擾的影響且保真地還原信號.

(a) 合閘波形 (b) 分閘波形圖 5 原始分合閘曲線Fig.5 Original opening and closing curve

3.2 觸頭行程信號處理

3.2.1 小波閾值去噪 首先要選取一個最優(yōu)小波和分解層數(shù)對含噪信號進行分解,因為不同的小波基具有不同特性,各自降噪效果有很大區(qū)別.為了選擇最佳的小波基和分解尺度,文中建立在真實可靠的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用其中1組合閘行程數(shù)據(jù)選取分解尺度N=5對3種常見的離散小波族——Coiflet小波族、Symlets小波族和Daubechies小波族(選取Coif5、Sym8、Db6)分別進行實驗對比,仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)Coif5、Sym8、Db6 3種小波去噪的整體效果良好[18-19],如圖6所示.但是通過信號局部去噪聲的效果來看Sym8效果最好,如圖7所示.

圖 6 Coif5、Sym8、Db6小波去噪對比 圖7 Coif5、Sym8、Db6小波去噪局部對比Fig.6 Wavelet denoising differences among Coif5,Sym8 and Db6 Fig.7 Partial differences of wavelet denoi-sing among of Coif5,Sym8,Db6

小波閾值去噪的第2步就是小波分解系數(shù)的閾值選取和量化.閾值的選取直接影響降噪的效果,若閾值選取過小,去噪效果不明顯;若閾值選取過大,則會導(dǎo)致信號失真.因此,選取一個合適的閾值尤為重要.文中選取了一種新的小波自適應(yīng)閾值函數(shù)[20].

(6)

式中:參數(shù)m,n∈R+,通過調(diào)節(jié)參數(shù)m,n可以來改變閾值函數(shù)的變化趨勢.參數(shù)A(0≤A≤1)決定了小波閾值的逼近程度,因此,改變參數(shù)A不僅使得硬閾值函數(shù)在λ處連續(xù)且抑制了振蕩,還很大程度上降低了軟閾值函數(shù)在分解小波系數(shù)時產(chǎn)生的恒定偏差,并保留了傳統(tǒng)閾值函數(shù)的優(yōu)點.

選擇合適的閾值函數(shù)對原始進行分解,根據(jù)第N層的低頻系數(shù)和第一層到第N層經(jīng)過修改的高頻系數(shù),計算出信號的小波重建,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)信號得去噪.

3.2.2 曲線平滑 觸頭行程曲線經(jīng)小波閾值去噪后得到了很大的改善,但還是不能徹底將噪聲濾除,在此基礎(chǔ)上本文采用改進的中值濾波算法對去噪后的數(shù)據(jù)進一步平滑處理.設(shè)原始觸頭行程信號為x(n),從x(n)構(gòu)造一個新序列x2(n),該算法對原序列開頭和結(jié)尾的幾個數(shù)進行了濾波,所得序列x2(n)與原序列x(n)具有相同的長度,有效避免了濾波前后數(shù)據(jù)長度不相等的問題.使用該算法對觸頭行程位移信號進行平滑,進一步減小噪聲測量精度的影響[21].改進的中值濾波算法見式(7),濾波之后的行程曲線如圖8所示.

(a) 合閘曲線 (b) 分閘曲線圖 8 平滑后行程曲線Fig.8 Smoothed travel curve

(7)

4 斷路器機械特性試驗

4.1 平臺搭建

基于上述獲得的主軸轉(zhuǎn)角與觸頭行程之間的關(guān)系,本文以一臺ZN63A-12戶內(nèi)型高壓真空斷路器作為研究對象在實驗室搭建了試驗平臺進行測試,測試的項目主要包括分合閘線圈電流、儲能電機電流和觸頭行程測量等．

4.2 行程曲線

斷路器的行程曲線監(jiān)測過程中會受到許多噪聲干擾,其噪聲主要來源有:(1)角位移傳感器安裝在主軸上斷路器進行分/合閘時機械振動;(2)斷路器分/合閘彈簧的儲能是通過電機實現(xiàn)的,電機啟動時較大的啟動電流也會產(chǎn)生干擾;(3)斷路器分/合閘過程時間都特別短,一般幾十毫秒,因此,斷路器快速投切的過程相當(dāng)于一個較大負載的投切,也會產(chǎn)生很大的干擾.上述所有的干擾信號導(dǎo)致斷路器的行程曲線嚴(yán)重變形,采用這樣的波形對機械特性分析會產(chǎn)生很大的誤差.所以，本文對斷路器原始的行程數(shù)據(jù)先經(jīng)小波去噪，又采用中值濾波對波形進一步平滑,最后獲得理想的波形.圖9是本文對原始信號處理之后通過示波器獲得分/合閘波形.

(a) 合閘波形 (b) 分閘波形圖 9 去噪平滑后行程曲線Fig.9 Smoothed travel curve of denoising

4.3 斷路器剛合/剛分點獲取

斷路器剛分/合點獲取的傳統(tǒng)方法有:(1)通過判斷分合閘線圈的電流變化來獲取剛分、剛合點,但是閾值的選取都是根據(jù)經(jīng)驗選取,這樣會帶來人為誤差;(2)通過監(jiān)測振動信號來獲取剛分、剛合點,但是,斷路器在分合閘過程中自身的機械振動會將干擾信號疊加到信號中,因此,上述獲取剛分、剛合點的方法都不可靠,本文建立真實的行程測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)相關(guān)算法處理后,通過仿真獲得斷路器分/合閘速度/加速度曲線來獲取剛分、剛合點.

4.3.1 剛合點確定 當(dāng)斷路器接收到合閘命令時,合閘線圈通電使得合閘彈簧釋放能量,驅(qū)動動觸頭開始運動。由圖10可知,開始動觸頭的合閘速度和加速度都不斷增大,但是觸頭運動過程中會受操動機構(gòu)連桿間的摩擦力和空氣阻力的影響,而且當(dāng)動觸頭逐漸靠近斷路器靜觸頭時,動靜觸頭之間會產(chǎn)生電弧,電弧產(chǎn)生的電動力同樣阻礙動觸頭來運動,由圖10的合閘加速度曲線發(fā)現(xiàn)t=0.06s時,動觸頭加速度逐漸減小但是依然與觸頭運動的方向一致,所以速度還在持續(xù)增大,當(dāng)t=0.08 s時加速度方向變?yōu)榕c動觸頭運動相反方向,此時速度達到最大,即為斷路器剛合時刻,動觸頭這段時間內(nèi)的位移稱為空行程.之后動觸頭繼續(xù)前進,但動觸頭的摩擦力和緩沖器阻力的合力產(chǎn)生的加速與觸頭運動方向相反,使得觸頭速度不斷減小為零,最終動觸頭達到合閘位置,這一段位移叫做超程.

4.3.2 剛分點確定 當(dāng)斷路器接收到分閘指令時,分閘線圈通電后使得分閘彈簧釋放能量,驅(qū)動動觸頭開始運動,由圖11可知,此時速度、加速度不斷增大,當(dāng)動靜觸頭分離時會產(chǎn)生拉弧,電弧的電動力及分閘儲能消耗使得加速度減小,但速度持續(xù)增大,當(dāng)加速度為零時速度達到最大,此時動/靜觸頭分離,該時刻為剛分時刻,此段運動過程得到位移就是超行程.動觸頭將繼續(xù)沿分閘方向運動繼續(xù)運動,受到緩沖裝置發(fā)生作用,動觸頭的加速度的方向與動觸頭運動方向相反,使得動觸頭速度降低直至為零,但由于緩沖裝置的能量釋放使得斷路器動觸頭實現(xiàn)反彈,直到能量衰減為零時,動觸頭達到分閘位置,這時斷路器完成分閘操作.

(a) 合閘速度曲線 (b) 合閘加速度曲線圖 10 合閘速度及加速度曲線Fig.10 Closing speed and acceleration curve

(a) 分閘速度曲線 (b) 分閘加速度曲線圖 11 分閘速度及加速度曲線Fig.11 Opening speed and acceleration curve

4.4 機械特性參數(shù)分析

本文在獲得精確的觸頭行程-時間曲線后,通過分析計算得到斷路器的行程、超程、開距等機械參數(shù),如表1,2所示.

表 1 斷路器分閘機械特性參數(shù)

表 2 斷路器合閘機械特性參數(shù)

將表1，2數(shù)據(jù)與健康狀況下運行的斷路器分合閘機械特性參數(shù)比較,可以看出角位移傳感器獲取的機械特性參數(shù)符合斷路器出廠時的要求,能夠成功實現(xiàn)斷路器分合閘時觸頭的行程信息的采集工作.

5 結(jié) 論

(1) 本文對斷路器的連桿結(jié)構(gòu)進行分析,建立了主軸轉(zhuǎn)角與觸頭直線位移的關(guān)系,并采用角位移傳感器進行斷路器觸頭監(jiān)測,最終通過試驗驗證該方法精確、可靠,而本文研究的對象為ZN63A-12真空斷路器,該方法也可以應(yīng)運到其他類型的斷路器中.

(2) 文中采用小波閾值和中值濾波對原始的測量數(shù)據(jù)進行處理之后獲得了精確的觸頭行程-時間位移曲線,說明數(shù)據(jù)處理對真實信號的還原的重要性.

(3) 獲得精確的行程曲線后,文中通過對分合閘過程中分合閘速度及加速度的變化進行分析獲取剛分/剛合點,為后續(xù)的其他機械參數(shù)的計算提供依據(jù).

參考文獻(References)：

[1] 黃新波.變電設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2010：276-319.

HUANG X B.Transformer equipment online monitoring and fault diagnosis[M].Beijing:China Electric Power Press,2010:276-319.

[2] 黃新波,陶晨,劉斌.智能斷路器機械特性在線監(jiān)測技術(shù)和狀態(tài)評估[J].高壓電器,2015,51(3):129-134.

HUANG X B,TAO C,LIU B.On-line monitoring technology of mechanical properties and state evaluation method for intelligent[J].High Voltage Appliances,2015,51(3):129-134.

[3] 趙洋,劉漢宇,曾慶軍.高壓真空斷路器機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].高壓電器,2009,45(6):91-95.

ZHAO Y,LIU H Y,ZENG Q J.Study on on-line monitoring for mechanical characteristics of high voltage vacuum circuit breaker[J].High Voltage Appliances,2009,45(6):91-95.

[4] ZHENG Y.A model-based fault detection framework for vacuum circuit breaker by trip coil analysis[J].Journal of Software,2014,9(1):739-742.

[5] 劉明光,高世勤,徐新社,等.真空斷路器觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].鐵道學(xué)報,2002,24(1):39-42.

LIU M G,GAO S Q,XU X S,et al.Study on the on-line monitoring system for contactor′s temperature of vacuum circuit breaker[J].Journal of the China Railway Society,2002,24(1):39-42.

[6] 孟永鵬,賈申利,榮命哲.真空斷路器機械特性的在線監(jiān)測方法[J].高壓電器,2006,42(1):31-34.

MENG Y P,JIA S L,RONG M Z.On line monitoring method for mechanical characteristics of vacuum circuit breakers[J].High Voltage Appliances,2006,42(1):31-34.

[7] 武建文,白洪超,張丹丹,等.適用于新標(biāo)準(zhǔn)的斷路器機械特性測試裝置[J].高壓電器,2006,42(4):298-300.

WU J W,BAI H C,ZHANG D D,et al.Circuit-breaker mechanical characteristics test device conforming to the new GB standard[J].High Voltage Appliances,2006,42(4):298-300.

[8] QUAN Y S,WANG Z J,WU Y,et al.Research on high voltage circuit breaker mechanical faults online monitoring[J].Applied Mechanics & Materials,2014,521:362-365.

[9] FU C,HAO J.On-line monitoring system based on vibration signal of high voltage circuit breaker[J].Journal of Multimedia,2014,9(4):598-604.

[10] 王小華,蘇彪,榮命哲,等.中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測裝置的研制[J].高壓電器,2009,45(3):52-55.

WANG X H,SU B,RONG M Z,et al.Development of on-line monitoring system of medium voltage switchgear[J].High Voltage Appliances,2009,45(3):52-55.

[11] HUANG X B,LI H B,ZHU Y C.Short-term ice accretion forecasting model for transmission lines with modified time-series analysis by fireworks algorithm[J].Iet Generation Transmission & Distribution,2018,12(5):1074-1080.

[12] KADRIU K,GASHI A,GASHI I,et al.Influence of dc component during inadvertent operation of the high voltage generator circuit breaker during mis-synchronization[J].Energy & Power Engineering,2013,5(3):225-235.

[13] CHEN G,SUN B O,WANG X L E.Robust optimisation of the spring actuator in a vacuum circuit breaker[J].Mathematical Structures in Computer Science,2014,24(5):1295-1300.

[14] 林莘,李永祥,馬躍乾,等.高壓斷路器新型電機操動機構(gòu)的動態(tài)特性分析[J].電機與控制學(xué)報,2009,13(2):216-221.

LIN X,LI Y X,MA Y Q,et al.Dynamic characteristics analysis on novel motoractuator of high voltage circuit breaker[J].Electric Machines and Control,2009,13(2):216-221.

[15] 王卓,黃新波,鄧凸,等.變壓器套管介質(zhì)損耗在線監(jiān)測裝置[J].廣東電力,2013,26(4):72-76.

WANG Z,HUANG X B,DENG T,et al.Dielectric loss of transformer bushing on-line monitoring apparatus[J].Guangdong Electric Power,2013,26(4):72-76.

[16] 黃新波,張瑜,吳孟魁,等.箱式變電站在線監(jiān)測智能電子設(shè)備的IEC61850信息建模[J].廣東電力,2015,28(11):31-36.

HUANG X B,ZHANG Y,WU M K,et al.IEC 61580 information modeling of online intelligent electronic monitoring device in packaged substation[J].Guangdong Electric Power,2015,28(11):31-36.

[17] 程正興.小波分析算法與應(yīng)用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:57-119.

CHENG Z X.Wavelet analysis algorithm and application[M].Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press,2001:57-119.

[18] 吳振升,王瑋,楊學(xué)昌,等.基于小波算法的SF-6斷路器動作時間在線監(jiān)測[J].中國電力,2006(6):26-29.

WU Z S,WANG W,YANG X C,et al.On line monitoring of operation time for SF6high voltage circuit breakers based on wavelet algorithm[J].Electric Power,2006(6):26-29.

[19] 鄭鈞,侯銳鋒.小波去噪中小波基的選擇[J].沈陽大學(xué)學(xué)報,2009,21(2):108-110.

ZHENG J,HOU R F.Selection of wavelet base in denoising of wavelet transform[J].Journal of Shenyang University,2009,21(2):108-110.

[20] 李紅延,周云龍,田峰,等.一種新的小波自適應(yīng)閾值函數(shù)振動信號去噪算法[J].儀器儀表學(xué)報,2015,36(10):2200-2206.

LI H Y,ZHOU Y L,TIAN F,et al.Wavelet-based vibration signal denoising algorithm with a new adaptive threshold function[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2015,36(10):2200-2206.

[21] 徐志鈕,律方成,趙麗娟,等.結(jié)合頻譜校正的修正理想采樣頻率方法用于介損角測量[J].高壓電器,2006,42(5):365-367.

XU Z N,LYU F C,ZHAO L J,et al.The dielectric loss angle measurement combined modified ideal sampling frequency with spectrum rectifying[J].High Voltage Apparatus,2006,42(5):365-367.