一种高压放电计数器故障诊断方法及系统与流程

本发明涉及电力设备状态监测与故障诊断，尤其涉及一种基于多物理场因果链一致性的高压放电计数器故障自诊断方法及系统。

背景技术：

1、高压放电计数器是电力系统中用于记录避雷器放电动作次数的重要附属装置。当避雷器在雷电或操作过电压作用下放电时，放电电流流过计数器内部的非线性电阻片，驱动电磁计数器动作。同时，带监测功能的复合型计数器还能通过毫安表指示泄漏电流值。然而，计数器长期暴露于户外，受电磁干扰、温湿度循环等因素影响，故障率较高。一旦计数器自身失灵，将导致运维人员无法察觉避雷器隐患。

2、为了解决上述问题，现有的解决方案如下，但各有技术局限性：

3、便携式校验仪（如cn104777444b）：需人工现场施加标准脉冲电流验证计数器动作，属于周期性离线检测，无法实现实时在线自诊断，且无法诊断间歇性故障。

4、通用传感器交叉验证（如cn111947702b）：将传感器测量值与预设标准值进行数值偏差比较，获取降级或失效策略。该方法仅适用于静态数值比较，无法应用于高压放电计数器的故障源定位。

5、单一声学监测（如cn223038042u）：通过声纹传感器采集避雷器动作声音进行计数。单一感知维度易受环境噪声干扰，且声学传感器自身老化无法自知，无法区分“避雷器故障”与“计数器自身故障”。

6、单一电气脉冲提取（如cn119986106a）：基于rogowski线圈和三级限压电路解决多重雷击计数问题。该方案仅关注电气通道的计数准确性，不涉及计数器机械机构或内部电路的自诊断，元件参数漂移不可检测。

7、综上，现有技术均从在其自身的技术缺陷，无法实现基于物理因果一致性的计数器自诊断与退化预测。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的至少一个问题，特别针对现有技术中高压放电计数器自身故障无法自诊断、单一感知维度易受干扰、无退化趋势预测等问题，本发明提供了一种新的高压放电计数器故障诊断方法及系统。本发明的核心技术构思在于：避雷器放电事件会在不同物理场中产生具有确定因果关系的信号序列（电流脉冲、声发射波、电磁辐射、机械动作）。这些信号之间存在由物理定律决定的时延关系。本发明通过硬件电路同步采集多物理场信号，利用计算机处理器建立放电事件因果链模型，将实测信号间的时延与物理定律预测的理论时延进行一致性验证，从而实现对计数器自身健康状态的精准自诊断。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、为达上述目的，本发明提供了一种高压放电计数器故障诊断方法，其包括以下步骤：

4、s1：通过电气采集模块、声学采集模块、电磁采集模块和机械状态采集模块，同步采集避雷器放电事件在四个物理场中产生的物理信号，并基于多通道同步采集控制器的全局时间戳，获取各通道信号的事件时间戳；所述四个物理场信号包括放电电流信号、放电声发射信号、放电电磁辐射信号和计数器机械动作信号；

5、s2：根据声波传播距离和介质声速、电磁波传播距离、计数器电路rc时间常数和机械响应时间，计算各通道对之间的理论时延；

6、s3：对所述物理信号进行模数转换后，采用广义互相关法估计各通道组之间的实测时延；

7、s4：将所述实测时延与所述理论时延进行对比，计算因果链一致性指数；

8、s5：根据各通道组的因果链一致性指数查询故障源定位决策矩阵，确定计数器故障类型和故障源位置；

9、优选地，所述步骤s2中的理论时延计算包括：

10、电气与声学通道理论时延δtea_theory=dsa/vs，其中dsa为声波从放电点传播到声学采集模块的物理路径距离，vs为声波在传播介质中的速度；

11、电气与电磁通道理论时延δteem_theory=dem/c，其中dem为电磁波传播距离，c为光速；

12、电气与机械通道理论时延δtem_theory=τrc+τmech，其中τrc为计数器电路rc时间常数，τmech为电磁计数器机械响应时间。

13、优选地，所述步骤s4中的因果链一致性指数cci的计算为：其中，k∈{ea,eem,em}分别表示电气-声学、电气-电磁、电气-机械通道对；δtk,measured为实测时延，δtk,theory为理论时延，ε为正则化常数, max(0,·)为截断函数，保证cci非负；

14、综合因果链一致性指数 ccitotal=wea⋅cciea+weem⋅ccieem+wem⋅cciem，其中wk为各通道对的权重。

15、优选地，所述步骤s5中的故障源定位决策矩阵包括：

16、当cciea≤0.5且ccieem>0.9且cciem>0.9时，定位为声学采集模块故障；

17、当cciea>0.9且ccieem≤0.5且cciem>0.9时，定位为电磁采集模块故障；

18、当cciea>0.9且ccieem>0.9且cciem≤0.5时，定位为计数机构故障；

19、当cciea≤0.5且ccieem≤0.5且cciem≤0.5时，定位环境干扰伪事件；

20、当cciea>0.9且ccieem≤0.5且cciem≤0.5时，定位为计数器内部元件老化；

21、当0.50.9时，定位为该通道对对应模块轻度退化预警。

22、优选地，所述方法还包括步骤s6：将所述因果链一致性指数输入卡尔曼滤波器，更新计数器健康指数并预测剩余有用寿命；

23、具体包括：将每次放电事件的 ccitotal×100作为观测值chiobs(t)，输入卡尔曼滤波器；状态方程为chi(t+1)=chi(t)+δ(t)+ω(t)，其中δ(t)为退化速率，ω(t)为过程噪声；观测方程为chiobs(t)=chi(t)+ν(t)，其中ν(t)为观测噪声；通过滤波平滑计算退化速率，当时，计算剩余有用寿命，其中chifailure=60为计数器健康指数失效阈值，rul单位为放电事件次数。

24、优选地，所述方法还包括环境补偿步骤：读取环境温度和湿度，根据vs_compensated=331.3+0.6t+0.003·h对声速进行温度补偿，其中t为环境温度，h为相对湿度，更新所述电气-声学通道理论时延。

25、优选地，所述环境补偿步骤还包括：读取环境电磁干扰强度，当干扰强度大于预设阈值时，降低电磁通道的权重weem并重新归一化权重，使wea+weem+wem=1。

26、优选地，所述方法还包括周期性自检注入步骤：向电气采集模块输入端注入标准测试电信号，验证电气通道响应偏差；向声学采集模块的压电传感器驱动端注入交流激励信号，利用双向压电效应验证声学通道响应信噪比；若偏差或信噪比超出预设阈值，则生成通道自检故障日志。

27、本发明还提供一种高压放电计数器故障诊断系统，其包括：

28、一多物理场采集模块，包括电气采集模块、声学采集模块、电磁采集模块和机械状态采集模块，用于同步采集避雷器放电事件在四个物理场中产生的物理信号；

29、一多通道同步采集控制器，采用fpga实现四通道全局时间戳同步，同步精度≤100ns；

30、一边缘计算处理器，与所述多通道同步采集控制器连接，用于执行如上所述的高压放电计数器故障诊断方法；

31、一环境补偿模块，包括温度传感器、湿度传感器和emi检测线圈，用于获取环境参数并传输至所述边缘计算处理器；

32、一自检注入模块，用于周期性向所述电气采集模块和声学采集模块注入测试信号。

33、优选地，所述电气采集模块包括rogowski线圈和第一adc；所述声学采集模块包括pzt压电陶瓷传感器和第二adc；所述电磁采集模块包括磁场感应线圈和第三adc；所述机械状态采集模块包括霍尔传感器和第四adc。

34、本发明的有益效果：

35、本发明通过“物理因果链”将四通道信号深度融合，对比实验表明，在机械卡滞、电路老化、传感器漂移等故障场景下，本发明故障诊断准确率达96%，而现有单一电气或声学方案准确率不足25%。

36、本发明具有极强的抗环境干扰能力，由于单一干扰源（如工频电磁场、机械振动）很难同时兼顾四个物理场通道，本发明在雷电电磁脉冲、机械振动等强干扰环境下的误判率仅为5%，远优于现有技术的30%以上。

37、本发明通过卡尔曼滤波跟踪cci序列的退化轨迹，能够提前预测计数器剩余有用寿命（rul），将传统的反应式维修升级为预测式维护。