一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法與流程
2023-06-23 11:59:21 1
本發明涉及電力自動化技術領域，尤其涉及一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法。
背景技術：
高壓斷路器是電力系統中重要的開關設備，承擔著電網保護和控制的任務，其發生誤動和拒動往往會引起事故或擴大事故，造成巨大的經濟損失和社會影響。為實現安全穩定的供電，電網對高壓斷路器的可靠性提出了更高的要求。
高壓斷路器的運行可靠性依賴於有效的狀態監測和故障診斷(異常判別)，其準確性和實用性直接影響對於斷路器性能狀態的判斷，準確的判別會為後續的檢修策略打下基礎，從而科學地制定檢修計劃，提高設備利用率，減少維修費用，在保證可靠性的前提下實現經濟運行。目前，對於高壓斷路器的狀態監測主要依賴增加外部傳感器，採用外部傳感技術了解斷路器內部觸頭、機構、絕緣等情況，這類方法需要附加測量裝置，成本高，操作複雜，而且測量過程易受電磁幹擾，因此在實際應用中實際推廣價值並不高。
實際上，電網中設備功能的實現都是以電能傳輸為目的的，反映設備性能的本質是電氣信號的傳輸性能，其任何設備性能的異常均可以由電氣信號的變化得到反映。由此，提出一種只依賴於電氣量測信息的高壓斷路器的性能異常判別方法。由於斷路器正常情況下並不動作，只在線路或主要設備受到擾動或故障的情況下動作，所以用其對應的錄波數據分析斷路器性能是合適的。
燃弧時間是標誌斷路器熄弧能力的重要參數，對燃弧時間進行準確測量的關鍵是確定電弧的起弧時刻。目前國內外對斷路器開斷時間測量的研究工作大都以測量斷路器開斷燃弧時間的形式出現。代表性的技術如下：
其一，根據關於分合閘時間及同期的測量電路原理，搭建電路進行測量。但這種方法只適合於臨時性監測。其次，利用空間磁場信號在線測定開斷電流的燃弧時刻。但這種方法需要附加測量裝置，成本高，操作複雜，而且測量過程易受電磁幹擾，因此在實際應用中實際推廣價值並不高。
本發明在錄波數據中提取了燃弧時間(起弧時刻至滅弧時刻)作為表徵斷路器性能的特徵量，由於起弧時刻的判定缺少對應的開關量(或實際開關量記錄不準確)，不能直接得到，本發明採用小波包分析的方法尋找起弧時刻，用特定頻段的高頻分量作為表徵起弧時刻的特徵量，求此時刻，從而得到燃弧時間。然後，通過統計大量斷路器正常燃弧時間樣本，分析其正態分布規律，劃定合理的正常燃弧時間範圍，作為斷路器異常判別的依據，完成整個斷路器異常判別過程。
技術實現要素：
本發明為了解決上述問題，提出了一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法，本發明根據小波包變換分析獲得的故障特徵量，統計分析斷路器燃弧時間的數據，然後選擇正態分布對其擬合，根據擬合的概率分布劃分合理的斷路器燃弧時間範圍，作為斷路器是否異常的判別依據。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法，根據故障錄波數據分析獲得的故障特徵量，統計分析斷路器燃弧時間的數據，利用正態分布函數對其進行擬合，根據擬合得到的概率分布劃分合理的斷路器燃弧時間範圍，作為斷路器是否異常的判別依據。
進一步的，根據小波包變換在特徵頻段模的極大值來判斷奇異點的位置，這個奇異點就是起弧時刻。
進一步的，當電流變為零時，電弧熄滅，據此得到滅弧時刻，用滅弧時刻減去起弧時刻，便是燃弧時間。
進一步的，用正態分布對數據統計結果進行概率擬合，根據3σ原則，得到正常燃弧時間範圍為正常邊界值距離[μ-3σ，μ+3σ]之內。
進一步的，得到待判別的斷路器燃弧時間，再依據擬合的概率分布劃分合理的斷路器燃弧時間範圍，看燃弧時間是否在斷路器合理燃弧時間範圍內，判斷斷路器是否出現異常。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
本發明使用了一種用於檢測斷路器燃弧時間的新方法，該方法通過對錄波數據進行小波包變換處理，得到斷路器的燃弧時間，實時性好，並且不需要配置其他裝置。
同時本發明通過將得到的大量歷史數據進行擬合，確定出一個正常燃弧時間範圍，並對斷路器是否故障進行判別，清晰直觀，為斷路器的故障判別提供了一種新的方法與思路。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。
圖1是本發明斷路器異常判別流程圖；
圖2是本發明的小波包變換判別燃弧時刻圖；
圖3是本發明的小波包分解結構圖
圖4是本發明的正態分布圖。
具體實施方式：
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
正如背景技術所介紹的，現有技術中存在高壓斷路器的異常判別以在線的狀態監測為主，這種方法可以減少計劃性檢修帶來的眾多弊端，減少斷路器維修的盲目性，但需要配備眾多的測量裝置的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法。
本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，本發明提出一種基於小波包變換與正態分布規律的斷路器異常判別方法：
步驟一，搜集故障錄波數據，並對故障錄波數據進行小波包變換處理，得到燃弧時間。
步驟二，根據所得到的斷路器燃弧時間的數據統計結果，選擇合適的概率分布對其擬合，根據擬合的概率分布劃分合理的斷路器燃弧時間範圍，作為斷路器是否異常的判別依據。
步驟三，輸入待判別的故障錄波數據，根據步驟一得到斷路器燃弧時間，依據步驟二得到的判別依據對斷路器是否異常進行判別。
步驟一的方法為，用小波包變換對故障錄波數據進行處理，根據小波包變換在特徵頻段模的極大值來判斷奇異點的位置，得到起弧時刻。如圖2所示。
小波變換的實質是將一個被稱為基本小波的函數ψ(t)做位移b後，再在不同尺度a下與待分析信號x(t)做內積
式中，a,b和t均是連續變量。b是時移，a是尺度因子。
其等效的頻域表達式為
此式中，x(ω)、ψ(ω)分別是x(t)、ψ(t)的傅立葉變換。
在本發明中，為了信號分析和處理的方便，信號都要被離散化處理。因此，必須對尺度a和位移b進行離散化處理。
離散小波變換定義為
小波包分析對於小波分析最大的一個優點，就是可以把信號分析的更加精細，把高頻部分進一步的細分，從而得到更多細化的頻域範圍。對採樣頻率為5khz的原信號進行2層小波包分解後，其分解結構圖見圖3，分解結構中各節點係數對應的子頻段見表1。
表1小波包分解節點與子頻段對應關係表
當斷路器的觸頭開始分離時，代表著斷路器起弧的開始。由於電弧的電導率以及截面積都隨著燃弧的進行而增大，尤其是電導率，將會產生劇烈增加的現象，這樣便導致了電弧阻值的減小。因此，當斷路器起弧時，暫態電流會有一定大小的畸變，與此同時，一些高頻分量也會隨之產生。根據查閱資料，故障電弧電流的特徵頻段為782-1562.5hz。基於以上特點，本發明用小波包變換對燃弧產生的高頻分量提取出來,得到起弧時刻。具體方法是根據小波包變換在特徵頻段模的極大值來判斷奇異點的位置,這個奇異點的位置就是起弧時刻。當電流變為零時，電弧熄滅，據此我們可以得到滅弧時刻。用滅弧時刻減去起弧時刻，便是燃弧時間。
步驟二的方法為，用正態分布對數據統計結果進行概率擬合。根據正態分布的3σ原則，判斷正常燃弧範圍。
若隨機變量x服從一個數學期望為μ,標準方差為σ2的高斯分布，記為：
x～n(μ,σ2),
則其概率密度函數為
在實際應用中，若一組數據近似於正態分布的概率，則將有99.7％的概率分布在距離平均值有3個標準差之內的範圍。這被稱之為3σ原則。如圖4所示。
p(μ-σ≤x≤μ+σ)＝0.6826
p(μ-2σ≤x≤μ+2σ)＝0.9544
p(μ-3σ≤x≤μ+3σ)＝0.9972
在本發明中，當得到大量斷路器燃弧時間後，可以看到，統計的的數據近乎成正態分布，用正態分布將斷路器燃弧時間進行擬合，根據3σ原則，當得到斷路器的燃弧時間大於正常邊界值μ+3σ，就可以認定其性能存在異常。
步驟三的方法為，依據測得的待判別斷路器燃弧時間，對斷路器是否異常進行判別。
當再次得到待判別的斷路器故障錄波數據時，根據步驟一得到其燃弧時間，在依據步驟二擬合的概率分布所劃分的合理斷路器燃弧時間範圍，看燃弧時間是否在斷路器合理燃弧時間範圍內，判斷斷路器是否出現異常。
以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。