断路器三相不一致辨识方法和装置与流程

1.本发明涉及智能电子设备领域，尤其涉及断路器三相不一致辨识方法。


背景技术：

2.中性点接地系统中，高压断路器是变电站的重要设备，正常运行时，可以拉合高压电路中的空载电流和负荷电流，当系统运行异常时，还能在继电保护装置的作用下切断过负荷电流和短路电流。
3.断路器三相不一致是指电力系统某一支路上断路器一相或两相断开的非全相运行状态。电力生产中，断路器发生一相或两相误跳或偷跳、断路器发生三相触头非同期合闸、继电保护装置选相跳闸等均会造成断路器三相不一致运行，也称为非全相运行。断路器非全相运行时，系统中将存在较大的负序和零序分量，需要配置三相不一致保护，在准确识别断路器三相不一致状态的基础上，经延时跳开断路器，结束断路器非全相运行状态。
4.辨识出断路器处于三相不一致状态，发出三相不一致开入是三相不一致保护的核心部分。目前技术方案主要有断路器本体三相不一致保护和微机型保护装置的电气量三相不一致保护两大类。
5.断路器本体三相不一致保护是将断路器a、b、c三相的常开、常闭辅助接点分别并联后再串联，然后串接时间继电器。当断路器出现三相不一致状态时，经时间继电器动作延时闭合其接点，启动出口中间继电器，由出口继电器跳开断路器三相，其典型的保护设计方式如图1所示。图1中lp表示三相不一致压板，dl，dlb，dlc分别表示分相断路器abc三相的辅助触点，由3对常开和常闭触点组成回路，kt表示三相不一致时间继电器及对应触点，tx表示接触器，用于断路器控制。当断路器有一相或者两相断开运行时，常开触点和常闭触点分别至少有一副触点处于闭合状态，回路导通，断路器三相不一致保护启动(三相不一致压板投入运行)。三相不一致时间继电器经整定延时后动作，接触器回路导通，断路器三相跳开。
6.微机保护电气量三相不一致保护是当三相不一致保护投入，任一相twj动作，且无电流时，确认为该相开关在跳闸位置，当任一相在跳闸位置而三相不全在跳闸位置，则确认为不一致。三相不一致保护可经零序电流或负序电流开放，由“不一致经零负序电流”控制字控制其投退。经“三相不一致保护时间”满足不一致动作条件时，出口跳开本断路器。一种典型的微机保护电气量三相不一致保护的逻辑原理图如图2所示。微机保护电气量三相不一致保护的三相不一致状态辨识一般经零序、负序闭锁。
7.现场经验表明，在实际运行中存在断路器机构常开常闭辅助接点损坏、三相不一致时间继电器易受外界不利运行环境影响等问题，造成无法正确辨识出三相不一致状态，进而导致三相不一致保护拒动。
8.更重要的是，断路器本体三相不一致保护的三相不一致状态辨识仅供断路器本体三相不一致保护自己使用，一般不允许引出三相不一致状态辨识结果用作其他用途，不能直接用于断路器故障诊断等用途。
9.现场经验表明，在实际运行中存在twj异常，致使无法辨识出三相不一致状态，三
相不一致保护拒动。同时在开关断开时拉弧现象使得twj有开入同时对应开关仍有电流的情况发生，这将导致无法正确辨识出三相不一致状态，造成三相不一致保护拒动。上述问题造成长时间断路器非全相运行引起相邻线路零序后备保护越级跳闸的重大隐患。
10.此外，电气量三相不一致保护通常经零序、负序电流开放，存在线路轻载时拒动问题。更重要的是，微机保护电气量三相不一致保护的三相不一致状态辨识也是仅供微机保护电气量三相不一致保护自己使用，一般不允许引出三相不一致状态辨识结果用作其他用途。


技术实现要素：

11.本发明针对现有技术的不足，考虑到无论是断路器本体三相不一致保护还是微机保护电气量三相不一致保护，均单独实现三相不一致保护功能；且对于现有的两种方法出于可靠性考虑，需要回路上保持相对独立，不宜将这两种技术的三相不一致识别结果用于其他用途(如断路器故障诊断)。为解决该技术问题，本发明采用了以下技术方案。
12.提供了断路器三相不一致辨识方法，包括：采集断路器振动信号以及三相电场强度信号，根据断路器振动信号判断断路器是否发生变位；
13.若判断断路器发生变位，则利用断路器三相电场强度信号判断断路器三相是否合闸成功。
14.进一步地，根据断路器振动信号判断断路器是否发生变位，包括：按照设定采样频率采集断路器振动信号，若连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则启动断路器是否发生变位的判断步骤。
15.再进一步地，所述判断步骤包括：从连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数的时刻向前追溯设定时间段内的断路器振动信号数据，将其中第一个幅值大于设定阈值的采样点出现时刻定位为振动信号的初始点，从初始点开始监控采集的断路器振动信号，若判断其中有典型坏信号，则将采集到的断路器振动信号都视为无效，重新采集断路器振动信号直至不存在典型坏信号，若获得的不存在典型坏信号的断路器振动信号数据中连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则判断断路器发生了变位。
16.进一步地，利用断路器三相电场强度构建三相不一致辨识判据，利用所述三相不一致辨识判据判断断路器三相是否合闸成功，所述三相不一致辨识判据表示如下：
[0017][0018]
其中ea(t)为a相测量点电场强度，eb(t)为b相测量点电场强度，ec(t)为c相测量点电场强度，t1为a相测量点和c相测量点之间的电场强度差异阈值，t2为a相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，t3为c相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，α1和γ为设定的电场强度u型曲线的参数，x
max
为a相测量点距离b相测量点的距离；
[0019]
以上三相不一致辨识判据都满足则判断断路器三相合闸成功，否则则判断断路器三相不一致。
[0020]
进一步地，参数γ小于参数α1。
[0021]
进一步地，判断断路器三相不一致之后进一步判断未能成功合闸的相，包括：
[0022]
若在设定时间内出现设定个数的三相电场强度值使以下两个判据不满足，且在设定时间内持续满足|ea(t)-eb(t)|＞m，判为断路器三相合闸，a相未合上，其中m为a相合闸不成时的ab相电场强度差异门槛值，
[0023][0024][0025]
若在设定时间内出现设定个数的三相电场强度值使以下两个判据不满足，且在设定时间内持续满足|ec(t)-eb(t)|＞m
′
，判为断路器三相合闸，c相未合上，其中m
′
为c相合闸不成时的bc相电场强度差异门槛值，
[0026][0027][0028]
若在设定时间内出现设定个数的三相电场强度值使以下两个判据不满足，且在设定时间内持续满足|ea(t)-eb(t)|＞m且|ec(t)-eb(t)|＞m
′
，判为断路器三相合闸，b相未合上；
[0029][0030][0031]
另一方面，本发明提供了断路器三相不一致辨识装置，包括：断路器变位判断模块以及三相不一致辨识模块，
[0032]
所述断路器变位判断模块用于根据断路器振动信号判断断路器是否发生变位；
[0033]
所述三相不一致辨识模块，用于判断若判断断路器发生变位，则利用断路器三相电场强度信号判断断路器三相是否合闸成功。
[0034]
8.根据权利要求7所述的断路器三相不一致辨识系统，其特征在于，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：
[0035]
按照设定采样频率采集断路器振动信号，若连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则启动断路器是否发生变位的判断步骤。
[0036]
进一步地，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：从连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数的时刻向前追溯设定时间段内的断路器振动信号数据，将其中第一个幅值大于设定阈值的采样点出现时刻定位为振动信号的初始点，从初始点开始监控采集的断路器振动信号，若判断其中有典型坏信号，则将采集到的断路器振动信号都视为无效，重新采集断路器振动信号直至不存在典型坏信号，若获得的不存在典型坏信号的断路器振动信号数据中连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则判断断路器发生了变位。
[0037]
进一步地，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：利用断路器三相电场强度构建三相不一致辨识判据，利用所述三相不一致辨识判据判断断路器三相是否合闸成功，所述三相不一致辨识判据表示如下：
[0038][0039]
其中ea(t)为a相测量点电场强度，eb(t)为b相测量点电场强度，ec(t)为c相测量点电场强度，t1为a相测量点和c相测量点之间的电场强度差异阈值，t2为a相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，t3为c相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，α1和γ为设定的电场强度u型曲线的参数，x
max
为a相测量点距离b相测量点的距离；
[0040]
以上三相不一致辨识判据都满足则判断断路器三相合闸成功，否则则判断断路器三相不一致。
[0041]
本发明所取得的有益技术效果：本发明应用于断路器的在线监测与故障诊断，其出发点首先是可靠识别三相不一致状态，其次是最大限度减少与现有技术的回路相关联，不引入断路器辅助接点、监视继电器位置，通过非接触式方式获取其他故障特征量，实现三相不一致状态的识别。
[0042]
本发明剔除了典型坏信号的数据，根据保留的有效信号判断断路器是否发生变位，使三相不一致辨识更加准确。
附图说明
[0043]
图1为断路器本体三相不一致保护原理示意图；
[0044]
图2为微机保护电气量三相不一致保护示意图；
[0045]
图3为电场强度测量终端安装示意图；
[0046]
图4为具体实施例提供的断路器三相不一致辨识方法流程图。
具体实施方式
[0047]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0048]
如图3所示，考虑到变电智能运检中的断路器在线监测技术，为实现断路器机械故障监测已安装断路器振动信号传感器1，为实现断路器瓷套裂纹等外绝缘股故障已分相安装断路器电场强度测量终端2，两者通过有线通讯线路7或站内无线通讯和智能ied柜3中的断路器在线监测装置相关联，智能ied柜3中设置断路器三相不一致辨识装置。其中断路器安装在断路器横梁5上或者断路器机构箱8中，断路器横梁5架设于断路器支柱6上。断路器横梁5平坦。振动信号传感器1设置于断路器横梁5上并且位于断路器灭弧室4的下方，或者设置于断路器机构箱8附近，电场强度测量终端2设置于断路器横梁5上并且位于断路器灭弧室4的下方。
[0049]
基于振动信号传感器的振动信号和电场强度测量终端的电场强度信号，本发明采取的技术方案为(如图4所示)：利用分析振动信号判断断路器变位事件发生，通过分析对应的电场强度信号判断断路器是否处于三相不一致状态。
[0050]
具体分为两个步骤：
[0051]
(1)基于振动信号幅值的断路器变位判别方法
[0052]
下面以安装于断路器横梁的采样频率为50khz的振动传感器为例，介绍断路器变位的判断方法。
[0053]
由于断路器正常运行时振动传感器感受到的振动极小，将所采集信号持续存入一个先进先出的队列中，将数据不断滚动覆盖。当断路器操作分合或故障分合闸时，振动传感器感受到振动幅值远远大于断路器无分合时的振动幅值，一旦出现5个连续幅值较大的测量值，即初步判断断路器已发生变位，应形成振动信号记录，开始启动断路器是否发生变位的判断步骤。
[0054]
立即追溯保存在队列里的该时刻之前20ms内的信号数据，(1000个数据点)并将第一个大幅值出现时刻定位为振动信号的初始点t0。
[0055]
当t0时刻确定后，继续收集数据，进一步对监测数据是否存在典型坏信号(典型坏信号包括单点数值异常信号或多点排列异常信号)进行动态检测。若存在典型坏信号，则视为该采样值无效，重新采集振动信号直至不存在典型坏信号。若获得的不存在典型坏信号的断路器振动信号数据中连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则判断断路器发生了变位。本发明剔除了典型坏信号的数据，根据保留的有效信号判断断路器是否发生变位，使三相不一致辨识更加准确。
[0056]
(2)断路器三相电场强度差异识别方法
[0057]
如前所述，已在断路器abc三相分别安装了电场强度测量终端，平时动态采集电场信号，采样频率为1khz(考虑到振动传感器、电场强度测量终端本身有各自的监测目的和用途，采样频率有差异是正常现象，本发明在不增加额外投入调整两者采样频率的基础上进行)。下面以断路器三相合闸，a相未合上为例加以说明。
[0058]
由于电场强度测量数据亦持续存入一个先进先出的队列中，将数据不断滚动覆盖。振动传感器判别出断路器变位后，触发断路器三相不一致识别机制，立即追溯保存在队列里的该时刻之前20ms内的信号数据(20个数据点)持续记录3秒电场强度数据(按照大于三相不一致保护动作时间考虑记录长度)。
[0059]
一般而言，断路器运行状态下，测量终端安装位置的abc三相电场强度将呈现出ac相偏高，b相偏低的规律，即所谓的u型曲线。下面以三个测量点的电场强度值和抛物线型u型曲线加以说明；
[0060]
以b相电场强度值u型曲线为例，所述三相电场强度值u型曲线，定义x轴为距离断路器b相测量点的距离，y轴为断路器b相测量点的电场强度值，且t时刻以断路器b相测量点所在位置的垂线作为对称轴的连续函数g(x，t)，该函数由两个半支组成，两个半支分别由连续可导函数g1(x，t)、g2(x，t)组成，所述两个半支在x＝0处缀合成一个定义在r
×r
上的连续函数；
[0061]
对于抛物线型三相电场强度值u型曲线，g1(x，t)、g2(x，t)分别为：
[0062][0063]
其中，x为其他测量点距离b相测量点的距离；正常状态下，一般有γ小于α1,可根
据断路器经验数据估计当前运行状态下断路器附近电场强度u型曲线的参数α1和γ，优选地α1是γ的5倍至8倍。
[0064]
一般三个电场强度测量终端放置在a相，b相，c相瓷柱下方的测点，因此此时a相、c相测量点电场强度ea(t)、ec(t)为：
[0065][0066]
其中，x
max
为a相测量点距离b相测量点的距离。
[0067]
易知，如三相合闸成功，则应有以下断路器三相不一致辨识判据：
[0068][0069]
其中，t1，t2，t3分别为不同相测量点之间的电场强度差异阈值。举例中，假设a相未能成功合闸，则上式的前两项判据将不满足，一般ea(t)将偏低，低于eb(t)。
[0070]
考虑电场测量数值本身易受干扰，这里采取一种更为保守地辨识程序。如在前20ms(20组3相数据比较)内出现10次以上前两项判据不满足，且在20ms-30ms持续满足|ea(t)-eb(t)|＞m，即判为断路器三相合闸，a相未合上。
[0071]
若在设定时间内出现设定个数的三相电场强度值使以下两个判据不满足，且在设定时间内持续满足|ec(t)-eb(t)|＞m
′
，判为断路器三相合闸，c相未合上，其中m
′
为c相合闸不成时的bc相电场强度差异门槛值，
[0072][0073][0074]
若在设定时间内出现设定个数的三相电场强度值使以下两个判据不满足，且在设定时间内持续满足|ea(t)-eb(t)|＞m且|ec(t)-eb(t)|＞m
′
，判为断路器三相合闸，b相未合上；
[0075][0076][0077]
本发明有鉴于当前三相不一致状态识别方法在智能运检实际应用中的局限性，对振动、电场强度等物理量进行非侵入式监测，在无需改动断路器原有操作回路前提下，提出了一种基于振动信号与电场强度信息的断路器三相不一致辨识方法。应注意，该方法亦不依赖于断路器辅助接点接入与位置继电器可靠性。
[0078]
与以上实施例提供的断路器三相不一致辨识方法相对应地，本发明具体实施例还提供了断路器三相不一致辨识装置，包括：断路器变位判断模块以及三相不一致辨识模块，
[0079]
所述断路器变位判断模块用于根据断路器振动信号判断断路器是否发生变位；
[0080]
所述三相不一致辨识模块，用于判断若判断断路器发生变位，则利用断路器三相电场强度信号判断断路器三相是否合闸成功。
[0081]
进一步地，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：
[0082]
按照设定采样频率采集断路器振动信号，若连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则启动断路器是否发生变位的判断步骤。
[0083]
进一步地，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：从连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数的时刻向前追溯设定时间段内的断路器振动信号数据，将其中第一个幅值大于设定阈值的采样点出现时刻定位为振动信号的初始点，从初始点开始监控采集的断路器振动信号，若判断其中有典型坏信号，则将采集到的断路器振动信号都视为无效，重新采集断路器振动信号直至不存在典型坏信号，若获得的不存在典型坏信号的断路器振动信号数据中连续出现幅值大于设定阈值的断路器振动信号采样点个数超过设定个数，则判断断路器发生了变位。
[0084]
进一步地，所述三相不一致辨识模块执行包括以下步骤：
[0085]
利用断路器三相电场强度构建三相不一致辨识判据，利用所述三相不一致辨识判据判断断路器三相是否合闸成功，所述三相不一致辨识判据表示如下：
[0086][0087]
其中ea(t)为a相测量点电场强度，eb(t)为b相测量点电场强度，ec(t)为c相测量点电场强度，t1为a相测量点和c相测量点之间的电场强度差异阈值，t2为a相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，t3为c相测量点和b相测量点之间的电场强度差异阈值，α1和γ为设定的电场强度u型曲线的参数，x
max
为a相测量点距离b相测量点的距离；
[0088]
以上三相不一致辨识判据都满足则判断断路器三相合闸成功，否则则判断断路器三相不一致。
[0089]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置/模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0090]
本发明提供的三相不一致辨识方法和系统，完全基于非侵入监测手段，可方便直接应用于变电站断路器故障诊断。有前景应用包括：
[0091]
1)提供给断路器故障诊断系统，在分析断路器振动信号的同时，获悉了外部的三相不一致信息，实现断路器机械故障的精准诊断；
[0092]
2)提供给断路器故障诊断系统，根据三相不一致信息，对断路器各相动作时间一致性的评价；
[0093]
3)提供给智能运检后台提供断路器三相不一致告警信息。应注意，该功能并非三相不一致保护告警信号的重复。如保护电气量三相不一致保护，由于受到闭锁逻辑影响，有可能在低负荷无法动作，也无法告警。试验与仿真结果均表明，本发明所提方法在低负荷工况下测量到的电场强度差别足以区分断路器是否出现了三相不一致，可以及时给出告警，便于运维人员应急处置。
[0094]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0095]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0096]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0097]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0098]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。