基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法

本发明涉及高压断路器监测，尤其是涉及基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法。

背景技术：

1、作为输变电系统重要的保护与控制电器，高压断路器的运行状态关系着电网的安全稳定运行。弹簧操动机构因其污染小、成本低、使用方便在电网中被大量使用，但随着分合闸次数的增加，合闸弹簧将频繁受到拉伸、压缩并长期处于拉伸、压缩状态，这将导致弹簧因为材料疲劳而产生应力松弛现象，刚度降低，从而引起合闸速度持续降低甚至不能动作，直接影响电网的安全运行。因此，对高压断路器合闸弹簧的疲劳程度开展实时监测，对保障电网安全运行意义重大。

2、针对高压断路器弹簧疲劳分析及在线监测，现有方法主要集中在基于断路器振动、声音信号特征进行分析，由于振动和声音信号是断路器弹簧操动机构发生变化，内部产生的冲击经一系列复杂传递至断路器外壳产生的间接信号，因此基于振动和声音信号特征准确诊断弹簧疲劳故障较为困难。同时现有文献主要从模式识别的角度，基于振动和声音特征向量对弹簧疲劳进行定性的故障诊断，无法对弹簧疲劳程度进行定量检测。现有技术还有根据储能电流分析进行高压断路器弹簧进行评定的方法，例如申请号为201911053115.6的专利公开了一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法，将开口式电流传感器卡在储能电机电源线上，采集电机运行的整个过程中的电流，开口式电流传感器所采集的电流值传输到机械特性测试仪，机械特性测试仪对电机电流波形进行记录。采用在线监测的方式，测量装置直接布置在断路器储能装置上，不需要拆卸弹簧即可实现；测量装置在断路器运行过程中进行布置，不影响断路器正常运行；实时监测断路器储能电机的电流，保证检测数据的完整性和连续性，从而对储能装置缺陷的趋势进行分析判断。但采用单一参数进行分析，监测精度低，且无法反映合闸弹簧刚度变化趋势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，具体步骤如下：

3、步骤s1：获取高压断路器固定参数，并构建储能动作模型；

4、步骤s2：布置数据采集组件，数据采集组件包括电压传感器、电流传感器以及角度位移传感器，电压传感器和电流传感器分别采集储能电机的电压和电流信号，角度位移传感器用于采集高压断路器中操动机构曲柄的角度位移信号；

5、步骤s3：根据步骤s1中的储能动作模型和步骤s2中采集的信号确定适应度函数；

6、步骤s4：利用樽海鞘群算法和步骤s3中得到的适应度函数求解储能动作模型，得到合闸弹簧刚度k；

7、步骤s5：通过基于合闸弹簧刚度值的疲劳程度量化公式根据合闸弹簧刚度k计算当前合闸弹簧疲劳程度。

8、优选的，在步骤s1中，储能动作模型包括电压模块、储能电机模块、曲柄角位移模块以及负载模块；电压模块与储能电机模块的输入端相连接。

9、优选的，储能电机模块包括绕组部分传递子函数子模块、机械部分传递子函数子模块、第一增益子模块以及第二增益子模块；绕组部分传递子函数子模块用于描述储能电机的绕组部分，机械部分传递子函数子模块用于描述储能电机的机械部分，且绕组部分传递子函数子模块与机械部分传递子函数子模块并联；第一增益子模块和第二增益子模块用于描述储能电机的电磁转矩系数和反电动势系数，第一增益子模块、机械部分传递子函数子模块以及第二增益子模块依次串联；第一增益子模块和第二增益子模块分别与绕组部分传递子函数子模块的输出端和输入端相连接。

10、优选的，曲柄角位移模块包括依次串联的延时子模块、第三增益子模块和积分子模块，延时子模块的输入端设置在第二增益子模块与机械部分传递子函数子模块之间。

11、优选的，负载模块包括依次串联的自定义函数子模块和第四增益子模块，第四增益子模块的输出端设置在第一增益子模块与机械部分传递子函数子模块之间，自定义函数子模块的输入端与积分子模块的输出端相连接。

12、优选的，在步骤s3中，

13、步骤s31：确定目标函数；

14、采用在线测得的电流信号与储能动作模型输出的电流信号两者之间的积分平方误差描述储能动作模型与实际的偏差，得到待求解的目标函数如下：

15、

16、其中，oise为积分平方误差，e(t)为储能动作模型电流值与在线测得的电流值的差值，为t时刻在线测得的电流值，i(t)为t时刻储能动作模型电流值；

17、

18、其中，l和l-1分别为拉氏变换和拉氏逆变换，g1(s)和g2(s)分别为储能电机绕组部分和机械部分的传递函数，

19、

20、b和j分别为折算到电机轴上的等效阻尼系数和等效转动惯量，lt为等效的绕组电感，rt为等效的绕组电阻，ke为反电动势系数，kt为电磁转矩系数，g为减速箱减速比，s为合闸弹簧向量，为负载转矩值函数，和分别为在线测得的曲柄角位移信号和电压信号，k为合闸弹簧刚度，f0为弹簧预紧力；

21、步骤s32：根据目标函数得出樽海鞘群算法中个体适应度函数，个体适应度函数f(x)如下：

22、

23、其中，x为樽海鞘群中个体的位置向量。

24、优选的，在步骤s5中，基于合闸弹簧刚度值的疲劳程度量化公式如下：

25、

26、其中，d为疲劳损伤度，k0为合闸弹簧无疲劳损伤时的初始刚度值，k为合闸弹簧刚度。

27、因此，本发明采用上述基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，具有以下有益效果：

28、(1)综合考虑储能电机输入与输出的各影响因素，构建了储能电机储能动作模型，精准刻画出储能电机在磁路饱和时的稳态行为。

29、(2)利用樽海鞘群算法求解储能动作模型参数的效果，优化精度更高，可有效在线监测高压断路器合闸弹簧刚度值，能够非常显著地反映合闸弹簧刚度变化趋势，通过高压断路器合闸弹簧刚度与疲劳程度之间的映射关系，结合合闸弹簧刚度在线监测方法能够实现合闸弹簧疲劳程度的在线有效监测。

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：在步骤s1中，储能动作模型包括电压模块、储能电机模块、曲柄角位移模块以及负载模块；电压模块与储能电机模块的输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：储能电机模块包括绕组部分传递子函数子模块、机械部分传递子函数子模块、第一增益子模块以及第二增益子模块；绕组部分传递子函数子模块用于描述储能电机的绕组部分，机械部分传递子函数子模块用于描述储能电机的机械部分，且绕组部分传递子函数子模块与机械部分传递子函数子模块并联；第一增益子模块和第二增益子模块用于描述储能电机的电磁转矩系数和反电动势系数，第一增益子模块、机械部分传递子函数子模块以及第二增益子模块依次串联；第一增益子模块和第二增益子模块分别与绕组部分传递子函数子模块的输出端和输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：曲柄角位移模块包括依次串联的延时子模块、第三增益子模块和积分子模块，延时子模块的输入端设置在第二增益子模块与机械部分传递子函数子模块之间。

5.根据权利要求4所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：负载模块包括依次串联的自定义函数子模块和第四增益子模块，第四增益子模块的输出端设置在第一增益子模块与机械部分传递子函数子模块之间，自定义函数子模块的输入端与积分子模块的输出端相连接。

6.根据权利要求5所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：在步骤s3中，

7.根据权利要求6所述的基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，其特征在于：在步骤s5中，基于合闸弹簧刚度值的疲劳程度量化公式如下：

技术总结本发明公开了一种基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，属于高压断路器监测技术领域，具体步骤如下：步骤S1：构建储能动作模型；步骤S2：采集储能电机的电压值、电流值以及操动机构曲柄的角度位移信号，步骤S3：确定适应度函数；步骤S4：利用樽海鞘群算法和适应度函数求解储能动作模型，得到合闸弹簧刚度K；步骤S5：根据合闸弹簧刚度K计算当前合闸弹簧疲劳程度。采用上述基于储能动作模型的高压断路器合闸弹簧疲劳程度在线监测方法，构建了包括曲柄角位移、合闸弹簧刚度、储能电机电压以及储能电机电流等参数的储能动作模型，采用樽海鞘群算法进行求解，实现合闸弹簧刚度的精确在线测量。技术研发人员：万书亭,豆龙江,蒲星霖,郭胡森,绳晓玲,张雄受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）技术研发日：技术公布日：2025/1/6