基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的加速度傳感器用于采集斷路器合閘振動信號，并將振動信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出；所述電壓信號順次經(jīng)電壓調(diào)理單元、雙核處理器、EMD單元、IMF單元后進入SVM單元；依據(jù)WCPSO單元輸出的優(yōu)化信息在SVM分析單元中進行SVM性能優(yōu)化，最后通過監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元進行結(jié)果輸出。本發(fā)明系統(tǒng)通過合閘振動信號進行故障狀態(tài)判斷，實現(xiàn)了故障狀態(tài)分類的功能，能完成故障類型提前預(yù)警，提高了斷路器的檢修效率及配電系統(tǒng)的供電可靠性。
【專利說明】基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于斷路器的故障診斷系統(tǒng)，更特別地說，是指一種基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]斷路器是配電系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的重要設(shè)備。隨著配電網(wǎng)自動化程度和可靠性要求的提高，對斷路器自身的可靠性要求也不斷增加。斷路器在動作過程中蘊含著很多重要的狀態(tài)信息，當(dāng)有故障信息出現(xiàn)時提取故障信號的特征向量是對故障信號進行分析的關(guān)鍵。
[0003]目前關(guān)于基于振動信號的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷的分析方法主要有:小波變換和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法。小波變換的分析方法主要是針對平穩(wěn)振動信號，目前國內(nèi)對于非平穩(wěn)振動信號應(yīng)用較多的是經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法(EMD)，EMD方法具有自適應(yīng)性、正交性和完備性及IMF分量的調(diào)制特性等突出特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高診斷的精度和故障分類的準確率，本發(fā)明采用基于振動信號采樣斷路器的故障診斷策略。該系統(tǒng)通過對斷路器合閘產(chǎn)生的振動信號進行EMD分解及對IMF能量總量進行分析，通過SVM進行故障狀態(tài)分類，并采用動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)的粒子群優(yōu)化(WCPSO)方法優(yōu)化支持向量機(SVM)，從而得到優(yōu)化的斷路器故障狀態(tài)類型分類。本發(fā)明在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)提高了斷路器在狀態(tài)檢修方面的效率，節(jié)省了斷路器在狀態(tài)檢修中的人力、物力、財力。
[0005]本發(fā)明是一種基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有加速度傳感器(I)、電壓調(diào)理單元(2 )、雙核處理器(3 )和上位機計算處理模塊(4 );
[0006]其中，上位機計算處理模塊(4)包括有EMD分解單元(41)、MF計算單元(42)、SVM分析單元(43)、WCPSO優(yōu)化單元(44)和監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元(45)；
[0007]加速度傳感器(I)一方面用于采集12KV彈簧機構(gòu)高壓斷路器的合閘振動信號Ain，另一方面將所述合閘振動信號Ain轉(zhuǎn)換成電壓信號Vin輸出給電壓調(diào)理單元(2);
[0008]電壓調(diào)理單元(2) —方面接收電壓信號Vin，另一方面對所述電壓信號Vin進行穩(wěn)壓處理，得到穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl ;該穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl輸出給雙核處理器
(3)；
[0009]雙核處理器(3) —方面用于接收穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl,另一方面將所述穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字量的電壓值點V3tl ;所述數(shù)字量的電壓值點V3tl輸出給上位機計算處理模塊(4)中的EMD分解單元(41)；
[0010]EMD分解單元(41)一方面用于接收數(shù)字量的電壓信號V3tl，另一方面將所述數(shù)字量的電壓值點V3tl分解成內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_輸出給IMF計算單元(42);
[0011]IMF計算單元(42) —方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，另一方面將所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)Veb3的分量能量總量進行計算，得到內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量Vimf ；[0012]SVM分析單元(43)第一方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量Vimf，第二方面接收WCPSO優(yōu)化單元(44)輸出的動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)0PPS()，第三方面采用支持向量機對Vimf和OPpm進行處理，得到故障狀態(tài)分類信息Ssvm ；
[0013]WCPSO優(yōu)化單元(44)對斷路器中振動信號產(chǎn)生的能量信號，結(jié)合支持向量機從而產(chǎn)生動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)OPpst)；
[0014]監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元(45)用于將接收到的故障狀態(tài)分類信息Ssvm進行界面可視化顯示；也可以將故障狀態(tài)分類信息Ssvm輸出給用戶。
[0015]本發(fā)明基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)點在于:引入WCPSO先進的計算優(yōu)化方法，縮短了分析計算的時間。提出應(yīng)用SVM進行故障狀態(tài)的分類，提高了分類的準確率。采用EMD分解與IMF能量總量的結(jié)合分析，對斷路器實現(xiàn)了更為全面的數(shù)據(jù)檢測，為斷路器在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖2是本發(fā)明經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解成內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的流程圖。
[0018]圖3是本發(fā)明動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)的流程圖。
[0019]圖4是本發(fā)明中電壓調(diào)理單元的電路原理圖。
[0020]圖5是本發(fā)明中EMD分解單元結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0022]參見圖1所示，本發(fā)明是一種基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有加速度傳感器1、電壓調(diào)理單元2、雙核處理器3和上位機計算處理模塊4 ；
[0023]所述上位機計算處理模塊4包括有EMD分解單元41UMF計算單元42、SVM分析單元43、WCPSO優(yōu)化單元44和監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元45。
[0024]EMD:Empirical Mode Decomposition,譯文為:經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解。
[0025]IMF !intrinsic mode function,譯文為:內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)。
[0026]SVM:Support Vector Machine,譯文為:支持向量機。
[0027]WCPSO:Collaborative dynamic acceleration constant inertia WeightParticle Swarm Optimization,譯文為:動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化。
[0028]加速度傳感器I
[0029]加速度傳感器I 一方面用于采集12KV彈簧機構(gòu)高壓斷路器的合閘振動信號Ain，另一方面將所述合閘振動信號Ain轉(zhuǎn)換成電壓信號Vin輸出給電壓調(diào)理單兀2。
[0030]在本發(fā)明中，加速度傳感器I選用上海鑄瑞自動化科技有限公司生產(chǎn)的YD-1型加速度傳感器，其量程為O~1000m/S2，靈敏度為6pc/ms_2。
[0031]電壓調(diào)理單元2[0032]電壓調(diào)理單元2 —方面接收電壓信號Vin，另一方面對所述電壓信號Vin進行穩(wěn)壓處理，得到穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl ;該穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl輸出給雙核處理器3。
[0033]參見圖4所示，在電壓調(diào)理單元2中電壓信號Vin經(jīng)電阻Rl接地，電壓信號Vin經(jīng)電阻R2連接在運算放大芯片(0P295型號)的3腳，運算放大芯片的2腳經(jīng)電阻R3與I腳連接，4腳接地，8腳經(jīng)電容Cl接地，1腳輸出的濾波后電壓信號V2tl連接在雙核處理器3上。
[0034]雙核處理器3
[0035]雙核處理器3 —方面用于接收穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl,另一方面將所述穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字量的電壓值點V3tl ;所述數(shù)字量的電壓值點Vm輸出給上位機計算處理模塊4中的EMD分解單元41。
[0036]EMD分解單元41
[0037]EMD分解單元41 一方面用于接收數(shù)字量的電壓信號V3tl，另一方面將所述數(shù)字量的電壓值點V3tl分解成內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)Vem輸出給IMF計算單元42。
[0038]在本發(fā)明中，參見圖2、圖5所示，EMD分解單元41的具體處理流程為:
[0039]步驟41 -1:提取出數(shù)字量的電壓值點V3tl的局部最大值點及局部最小值點
prmin.^ 30 )
[0040]步驟41 - 2:將提取出的所有局部最大值點F3^ax進行擬合，得到上包絡(luò)線；
[0041]步驟41 - 3:將提取出的所有局部最小值點進行擬合，得到局部下包絡(luò)線；
[0042]步驟41 - 4:對步驟41 — I中局部最大值點F3^ax與局部最小值點相加后除2，得到平均電壓各均值點；
[0043]步驟41 - 5:利用數(shù)字量的電壓值點V3tl減去平均電壓均值點，得到相對電壓各差值點；
[0044]步驟41 - 6:在一個采樣周期里，判斷相對電壓差值點是否滿足MF條件；
[0045]首先，極值點的個數(shù)和過零點的個數(shù)必須相等或相差最多不超一個；
[0046]其次，在任意一采樣時刻，由局部極大值點形成的上包絡(luò)線和由局部極小值點形成的下包絡(luò)線的平均值為零，即上、下包絡(luò)線相對于采樣時間軸局部對稱；
[0047]步驟41 — 7:若滿足MF條件，則數(shù)字量的電壓值點V3tl為EMD分解的第一個MF分量;
[0048]若不滿足，則返回步驟41 -1重新進行局部最大最小點的獲取。
[0049]IMF計算單元42
[0050]IMF計算單元42—方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，另一方面將所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量進行計算，得到內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量'?。
[0051]SVM分析單元43
[0052]SVM分析單元43第一方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量Vimf，第二方面接收WCPSO優(yōu)化單元44輸出的動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)0PPS()，第三方面采用支持向量機對Vimf和OPpm進行處理，得到故障狀態(tài)分類信息 Ssvm。
[0053]在本發(fā)明中，依據(jù)WCPSO優(yōu)化單元44對SVM分析單元43的分類性能進行優(yōu)化，從而提高故障狀態(tài)分類的準確度及縮短分類時間。
[0054]WCPSO 優(yōu)化單元 44
[0055]WCPSO優(yōu)化單元44對斷路器中振動信號產(chǎn)生的能量信號，結(jié)合支持向量機從而產(chǎn)生動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)OPPSo。
[0056]參見圖3所示，WCPSO優(yōu)化單元44進行優(yōu)化結(jié)果的處理流程為:
[0057]步驟44 -1:初始化粒子群種群參數(shù)；
[0058]在本發(fā)明中，采用基于粒子群優(yōu)化算法進行支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)的優(yōu)化?；诹Ｗ尤簝?yōu)化算法參考2010年7月第I版第1次印刷，《粒子群優(yōu)化及智能故障診斷》，作者魏秀業(yè)，潘宏俠，第18頁至第25頁的內(nèi)容。
[0059]初始化參數(shù):粒子群種群數(shù)量記為P (P 一般取值為30)，最大進化代數(shù)記為Tmax(Tmax 一般取值為300)，代數(shù)記為t(t的初始值為1)，產(chǎn)生m個粒子Xl，X2,…，Xm組成初始種群X(t)，設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)記為Y，依據(jù)Y初始化m個粒子Xl，X2,…，Xm對應(yīng)的位置A1, A2,…，Am組成位移變化矩陣Add (t)。
[0060]若代數(shù)t為當(dāng)前代數(shù)t,則當(dāng)前代數(shù)t之前的代數(shù)記為前一個代數(shù)t-Ι,當(dāng)前代數(shù)t之后的代數(shù)記為后一個代數(shù)t+1。
[0061]為了方便說明將最后一個粒子Xm也稱為任意一個粒子xm。
[0062]步驟44 一 2:粒子速度與粒子位置更新；
[0063](A)基本粒子群優(yōu)化算法的粒子速度更新公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有雙核處理器(3)和上位機計算處理模塊(4);其特征在于:還包括有加速度傳感器(I)和電壓調(diào)理單元⑵； 其中，上位機計算處理模塊(4)包括有EMD分解單元(41)、MF計算單元(42)、SVM分析單元(43)、WCPSO優(yōu)化單元(44)和監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元(45)； 加速度傳感器(I)一方面用于采集12KV彈簧機構(gòu)高壓斷路器的合閘振動信號Ain，另一方面將所述合閘振動信號Ain轉(zhuǎn)換成電壓信號Vin輸出給電壓調(diào)理單元(2);電壓調(diào)理單元(2)—方面接收電壓信號Vin，另一方面對所述電壓信號Vin進行穩(wěn)壓處理，得到穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl ;該穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl輸出給雙核處理器(3)；雙核處理器(3) —方面用于接收穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl，另一方面將所述穩(wěn)定的濾波后電壓信號V2tl進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字量的電壓值點V3tl ;所述數(shù)字量的電壓值點V3tl輸出給上位機計算處理模塊(4 )中的EMD分解單元(41); EMD分解單元(41)一方面用于接收數(shù)字量的電壓信號V3tl，另一方面將所述數(shù)字量的電壓值點V3tl分解成內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)Vem輸出給IMF計算單元(42)； IMF計算單元(42)—方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_，另一方面將所述內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)V_的分量能量總量進行計算，得到內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量Vimf ； SVM分析單元(43)第一方面接收內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)的分量能量總量Vimf，第二方面接收WCPSO優(yōu)化單元(44)輸出的動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán)重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)0ΡΡΜ，第三方面采用支持向量機對Vimf和OPpm進行處理，得到故障狀態(tài)分類fl=! ^窗、Ssvm ； WCPSO優(yōu)化單元(44)對斷路器中振動信號產(chǎn)生的能量信號，結(jié)合支持向量機從而產(chǎn)生動態(tài)加速常數(shù)協(xié)同慣性權(quán) 重系數(shù)粒子群優(yōu)化支持向量機參數(shù)及核函數(shù)參數(shù)OPpst)； 監(jiān)測診斷結(jié)果顯示單元(45)用于將接收到的故障狀態(tài)分類信息Ssvm進行界面可視化顯示；也可以將故障狀態(tài)分類信息Ssvm輸出給用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于EMD分解單元(41)的具體處理流程為: 步驟41 -1:提取出數(shù)字量的電壓值點V3tl的局部最大值點F3^ax及局部最小值點i/min.^ 30 ， 步驟41 - 2:將提取出的所有局部最大值點進行擬合，得到上包絡(luò)線； 步驟41 - 3:將提取出的所有局部最小值點進行擬合，得到局部下包絡(luò)線； 步驟41 - 4:對步驟41 -1中局部最大值點F3^ax與局部最小值點相加后除2，得到平均電壓各均值點； 步驟41 - 5:利用數(shù)字量的電壓值點V3tl減去平均電壓均值點，得到相對電壓各差值占.步驟41 - 6:在一個采樣周期里，判斷相對電壓差值點是否滿足MF條件； 首先，極值點的個數(shù)和過零點的個數(shù)必須相等或相差最多不超一個； 其次，在任意一采樣時刻，由局部極大值點形成的上包絡(luò)線和由局部極小值點形成的下包絡(luò)線的平均值為零，即上、下包絡(luò)線相對于采樣時間軸局部對稱； 步驟41 - 7:若滿足IMF條件，則數(shù)字量的電壓值點V3tl為EMD分解的第一個IMF分量; 若不滿足，則重新進行局部最大最小點的獲取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于WCPSO優(yōu)化單元(44)進行優(yōu)化結(jié)果的處理流程為: 步驟44 -1:初始化粒子群種群參數(shù)； 初始化參數(shù):粒子群種群數(shù)量記為P，最大進化代數(shù)記為Tmax,代數(shù)記為t，產(chǎn)生m個粒子X1, X2,…，Xm組成初始種群X (t),設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)記為Y,依據(jù)Y初始化m個粒子X1, X2,…，Xm對應(yīng)的位置A1, A2,…，Am組成位移變化矩陣Add⑴； 若代數(shù)t為當(dāng)前代數(shù)t,則當(dāng)前代數(shù)t之前的代數(shù)記為前一個代數(shù)t-Ι,當(dāng)前代數(shù)t之后的代數(shù)記為后一個代數(shù)t+1 ； 步驟44 - 2:粒子速度與粒子位置更新； (A)基本粒子群優(yōu)化算法的粒子速度更新公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于:在電壓調(diào)理單元(2)中電壓信號Vin經(jīng)電阻Rl接地，電壓信號Vin經(jīng)電阻R2連接在運算放大芯片的3腳，運算放大芯片的2腳經(jīng)電阻R3與I腳連接，4腳接地，8腳經(jīng)電容Cl接地，I腳輸出的濾波后電壓信號V2tl連接在雙核處理器(3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動信號檢測的斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于:加速度傳感器(I)的量程為O~1000m/s2，靈敏度為6pc/ms_2。
【文檔編號】G01R31/327GK103809115SQ201410069804
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】武建文, 孫一航, 張路明, 廉世軍 申請人:北京航空航天大學(xué), 珠海市可利電氣有限公司