一种用于弹簧断路器的合闸弹簧压力信号降噪方法及装置与流程

本发明属于弹簧断路器，具体涉及一种用于弹簧断路器的合闸弹簧压力信号降噪方法及装置。

背景技术：

1、在高电压、强互联的大电网背景下，电力系统对安全稳定的要求显著提高，故障扩展可能触发大面积停电，严重扰乱生产秩序与日常用电。高压断路器兼具供电控制与故障切除功能，其可靠运行构成电网安全稳定的基石。随着运行年限的增加，断路器装置在寿命周期内易出现一系列机械与电气故障，如传动机构卡涩、线圈老化、弹簧疲劳与力常数衰减等，严重影响了弹簧断路器分合闸的可靠性。近年来弹簧断路器在线监测技术的发展，使得断路器检修不再依赖于人工巡检，新型高精度mems压力传感器已被安装在合闸弹簧套筒中用于弹簧力的测量。

2、合闸弹簧力是驱动机构闭合的主要能量来源。其预紧力、峰值与末端保持力是否充足，直接决定能否按时、按速完成合闸并维持足够触头压力，因而是评估动作可靠性的首要观测量之一。然而在实际的测量环境中，该类压力信号往往叠加近单频正弦/准周期干扰，造成合闸弹簧压力信号的失真，进而影响了对于该信号的特征提取，降低了故障诊断的准确性，围绕合闸弹簧压力信号的精准降噪，已成为提升弹簧断路器状态识别、故障预警与检修决策有效性的关键环节。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明提供一种用于弹簧断路器的合闸弹簧压力信号降噪方法及装置，能高效抑制弹簧断路器的合闸弹簧压力信号中叠加的近单频正弦/准周期干扰，同时最大限度保持弹簧动作过程中的关键时域特征，并满足低延时、低资源占用与在线处理要求。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，提供一种用于弹簧断路器的合闸弹簧压力信号降噪方法，包括：采集弹簧断路器合闸过程中合闸弹簧的压力信号；计算所述压力信号的自相关系数；根据所述压力信号的自相关系数，获取所述压力信号的估计周期；根据所述压力信号的估计周期，生成有效候选集合；对所述有效候选集合进行中值融合，获得降噪后的合闸弹簧压力信号。

4、结合第一方面，通过设置在弹簧断路器操动机构的合闸弹簧套筒中的压力传感器，采集合闸弹簧的压力信号；

5、在理想情况下，第t个采样点对应的压力信号表示为：

6、

7、其中，为需保留的真实信号分量；为未知幅值；为离散角频率；为相位；为小扰动噪声，为采样序号，取值为，为数据序列长度。

8、结合第一方面，计算所述压力信号的自相关系数，包括：

9、计算第t个采样点对应的压力信号的样本均值：

10、

11、计算第t个采样点对应的压力信号的样本方差：

12、

13、引入滞后系数，定义归一化的自相关系数为：

14、

15、其中，为归一化的自相关系数。

16、结合第一方面，根据所述压力信号的自相关系数，获取所述压力信号的估计周期，包括：设定搜索区间 ，在  内选取第一个非零峰作为估计周期：

17、

18、

19、其中，τmin和τmax分别为滞后搜索区间的下限和上限；为估计周期，为半周期，表示四舍五入到最近整数，表示求解使得取最大值的自变量。

20、结合第一方面，根据所述压力信号的估计周期，生成有效候选集合，包括：

21、对每个采样序号构造1~个候选值，为对消层数，通过下式进行半周期对消：

22、

23、其中，为第k层半周期对消得到的候选值，为采样序号对应的压力信号， 为向前偏移k个半周期后的采样序号，k为对消层序号；

24、当索引越界，即 时，该候选值作废；将有效候选值组成集合：

25、

26、其中，为有效候选值组成的有效候选集合。

27、结合第一方面，对所述有效候选集合进行中值融合，获得降噪后的合闸弹簧压力信号，包括：

28、通过下式对同一采样序号的有效候选集合  进行中值融合，

29、

30、其中，为采样序号t处经候选集合中值融合得到的中间输出值， 为中值算子，∅表示空集，对  做一次3 点中值，得到最终输出：

31、

32、其中，为采样序号t处的最终降噪输出值，为前一采样序号对应的中间输出值，为后一采样序号对应的中间输出值。

33、第二方面，提供一种用于弹簧断路器的合闸弹簧压力信号降噪装置，包括：数据采集模块，用于采集弹簧断路器合闸过程中合闸弹簧的压力信号；自相关系数计算模块，用于计算所述压力信号的自相关系数；周期估计模块，用于根据所述压力信号的自相关系数，获取所述压力信号的估计周期；半周期对消模块，用于根据所述压力信号的估计周期，生成有效候选集合；融合模块，用于对所述有效候选集合进行中值融合，获得降噪后的合闸弹簧压力信号。

34、结合第二方面，通过设置在弹簧断路器操动机构的合闸弹簧套筒中的压力传感器，采集合闸弹簧的压力信号；

35、在理想情况下，第t个采样点对应的压力信号表示为：

36、

37、其中，为需保留的真实信号分量；为未知幅值；为离散角频率；为相位；为小扰动噪声，为采样序号，取值为，为数据序列长度。

38、结合第二方面，计算所述压力信号的自相关系数，包括：

39、计算第t个采样点对应的压力信号的样本均值：

40、

41、计算第t个采样点对应的压力信号的样本方差：

42、

43、引入滞后系数，定义归一化的自相关系数为：

44、

45、其中，为归一化的自相关系数。

46、结合第二方面，根据所述压力信号的自相关系数，获取所述压力信号的估计周期，包括：设定搜索区间 ，在  内选取第一个非零峰作为估计周期：

47、

48、

49、其中，τmin和τmax分别为滞后搜索区间的下限和上限；为估计周期，为半周期，表示四舍五入到最近整数，表示求解使得取最大值的自变量。

50、结合第二方面，根据所述压力信号的估计周期，生成有效候选集合，包括：

51、对每个采样序号构造1~个候选值，为对消层数，通过下式进行半周期对消：

52、

53、其中，为第k层半周期对消得到的候选值，为采样序号对应的压力信号， 为向前偏移k个半周期后的采样序号，k为对消层序号；

54、当索引越界，即 时，该候选值作废；将有效候选值组成集合：

55、

56、其中，为有效候选值组成的有效候选集合。

57、结合第二方面，对所述有效候选集合进行中值融合，获得降噪后的合闸弹簧压力信号，包括：

58、通过下式对同一采样序号的有效候选集合  进行中值融合，

59、

60、其中，为采样序号t处经候选集合中值融合得到的中间输出值， 为中值算子，∅表示空集，对  做一次3 点中值，得到最终输出：

61、

62、其中，为采样序号t处的最终降噪输出值，为前一采样序号对应的中间输出值，为后一采样序号对应的中间输出值。

63、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过计算采集的压力信号的自相关系数、获取压力信号的估计周期并生成有效候选集合，然后对有效候选集合进行中值融合，获得降噪后的合闸弹簧压力信号；能高效抑制弹簧断路器的合闸弹簧压力信号中叠加的近单频正弦/准周期干扰，同时最大限度保持弹簧动作过程中的关键时域特征，并满足低延时、低资源占用与在线处理要求，提升了断路器在线监测与故障诊断的整体可靠性，为断路器在线状态监测提供了有力的支撑，有助于将断路器弹簧机构异常及故障遏制在萌芽中。