技术领域
[0001] 本
发明属于电
力设备在线监测领域，适用于110kV及以上
电压等级的敞开式高压
隔离开关设备的在线监测。
背景技术
[0002] “十二五”以来，国家倡导鼓励建设坚强的智能
电网，智能终端、MU、
电子式互感器、更先进的测控保护装置、多维的状态监测装置被应用于电网的建设中。但对于高压隔离开关的状态监测，在世界电力行业状态监测领域内仍是一片空白，高压隔离开关作为电网的重要组成部分，有着悠久的“历史”，被大量应用在我国的电网建设中。但是高压隔离开关存在着其先天的不足，由于其绝缘介质采用空气绝缘，因此其触头件绝缘距离较大，触头分合闸行程长，传动结构复杂。同时高压隔离开关多用于户外，其所处的工作环境较复杂，污秽等级高。传动机构长期暴露在户外，
风吹日晒雨淋，易受其他物质入侵(如
鸟巢)。因此户外高压隔离开关在分合闸操作过程中，会有分合闸不到位，甚至“拒分、拒合”的现象出现。为保障电网的安全运行，对户外高压隔离开关进行分合闸操作过程中，需要运行维护人员在现场，确认隔离开关的分合闸状态，因此很难实现电站的无人值守和调度的远调远控。敞开式高压隔离开关在线监测装置，能够通过多维
传感器及数据分析判断隔离开关的分合闸状态，从而实现隔离开关的远传远控。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种敞开式高压隔离开关在线监测装置，用以解决敞开式高压隔离开关分合闸不到位的问题，同时能够监测隔离开关运行
健康状态，降低了隔离开关运行维护成本，实现高压隔离开关的状态信息远传。
[0004] 本发明的方案是：
[0005] 一种敞开式高压隔离开关在线监测装置，包括传感模
块、中央主控模块、感应式电源供电模块；其特征在于：
[0006] 中央主控模块安装在敞开式高压隔离开关的高压导电臂上，传感模块安装在高压隔离开关静触头上，感应式电源供电模块安装在高压隔离开关引线处；通过传感模块采集高压隔离开关分合闸过程中的参数即采集数据，并上传给中央控
制模块；中央主控模块根据接收到的参数，判断隔离开关分合闸状态及运行状态，并将结果通过无线网路发送至综合智能电力监测装置(以下简称综合IED)；感应式电源供电模块为中央主控模块提供电源。
[0007] 本发明进一步包括以下优选方案：
[0008] 所述传感模块由2只形变传感器、1只位移传感器、1只
温度传感器组成；
[0009] 所述形变传感器安装在高压隔离开关的左、右两侧静触指上，用于监测静触指位移
信号；
[0010] 所述位移传感器安装在高压隔离开关静触头上，用于监测隔离开关动静触头之间的距离信号；
[0011] 所述温度传感器安装在高压隔离开关静触头上，用于监测隔离开关静触头温度信号。
[0012] 所述形变传感器、位移传感器、温度传感器分别将所监测到的采集数据上传至中央主控模块，其中所述采集数据包括位移信号、距离信号和温度信号。
[0013] 所述中央主控模块由信号调理单元、
数据处理单元、电源管理单元、无线通信单元，内置锂
电池组组成；
[0014] 所述信号调理单元将传感模块采集数据进行调理放大以及
模数转换后发送至数据处理单元；
[0015] 所述数据处理单元用于完成对采集数据的接收、记录并且根据采集数据绘制隔离开关分合闸过程中各个
传感器数据基于时间的变化曲线，依据变化曲线提取特定时间点的静触指位移数据和动静触头之间距离数据，以及隔离开关分合闸前后静触指位移量的变化值，作为隔离开关分合闸机械运动的特征参量；将隔离开关分合闸机械运动的特征参量作为BP神经网络多数据融合法的输入数据，通过输出结果判别隔离开关分合闸状态。
[0016] 所述电源管理单元分别接入感应式电源供电模块和中央主控模块内置电池两路电源，电源管理单元根据隔离开关运行状态切换供电来源；当隔离开关处于投运状态且隔离开关主回路
电流大于5A时，电源管理单元将供电电源切换为感应式电源供电模块，当隔离开关处于备用状态时或断开状态时电源管理单元将供电电源切换为内置电池组供电。
[0017] 所述电源管理单元依据
数据采集单元指令，对传感模块的供电进行投入或者切断操作；当隔离开关进行分合闸操作时，由数据处理单元向电源管理单元发送指令，电源管理单元投入传感模块供电回路，分合闸操作完成后切断传感模块供电回路，仅保留数据处理单元供电回路。
[0018] 所述无线通信单元采用2.4G通信频段将中央主控模块得到的隔离开关分合闸状态及运行状态诊断结果上传至综合IED。
[0019] 所述感应式电源供电模块：使用坡莫
合金钢带和空心线圈实现感应取电。使用坡莫合金缠绕一次导体，然后穿过空心线圈，最终使用卡扣将坡莫合金
钢带两端固定在一起，形成一个非闭合磁路的感应装置，通过感应穿过该装置一次主回路中的电流，获取
电能。空心线圈两端所产生的感应电动势，通过
导线经过整流滤波后，输送给电源管理单元。
[0020] 本
申请还同时公开了一种基于前述敞开式高压隔离开关在线监测装置的在线监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
[0021] 步骤1：判断敞开式高压隔离开关在线监测装置是否为初次安装在该型号隔离开关上，如果是则针对隔离开关进行多次正常分合闸操作，并采集分合闸过程中左、右侧静触指位移信号SL和SR，动静触头之间距离信号H，和静触指表面温度信号Tw，提取初始时刻和终了时刻左、右侧静触指位移SL1、SR1、SL2、SR2，动静触头间距的数据H1、H2以及初始时刻和终了时刻左、右侧静触指位移数据的变化值ΔSL和ΔSR等特征参量，并将特征量作为BP神经网络的输入向量，分合闸结果作为期望输出结果，训练和测试BP神经网络，当该网络输出结果与期望结果误差小于设定值时，判定学习成功，获得最终权值W，此时敞开式高压隔离开关在线监测装置具备了判断隔离开关分合闸状态的能力。
[0022] 步骤2：敞开式高压隔离开关在线监测装置正常投运后，敞开式高压隔离开关在线监测装置接收到被监测隔离开关操作指令后，启动传感模块，连续采集隔离开关分合闸过程中左、右侧静触指位移信号，动静触头之间距离信号，静触指表面温度信号；
[0023] 步骤3：绘制左、右侧静触指位移变化量，动静触头之间距离变化量，静触指表面温度变化量基于时间t变化的曲线图；
[0024] 步骤4：依据绘制4张曲线图，提取特定时刻左右侧静触指位移，动静触头间距的数据以及操作启始时刻与操作终了时刻隔离开关左、右侧静触指位移的变化值；
[0025] 步骤5将所提取特征参量作为输入数组，采用BP神经网路的数据融合方法，通过L-MBP
算法，根据算法输出结果判定隔离开关分合闸状态结果；
[0026] 步骤6：将获得的诊断结果通过zigbee无线网络发送至综合IED；
[0027] 步骤7：当高压隔离开关处于带载运行状态时，敞开式高压隔离开关在线监测装置采集静触指温度Tw变化数据，并从综合IED获取该条线路的负荷参数电流I，根据负荷参数电流I及静触指温度Tw、
环境温度T0等数据进行多数据融合计算，获取针对动静触指
接触电阻的变化，反映动静触指表面
氧化趋势,并将结果上传至综合IED。
[0028] 本发明一种敞开式高压隔离开关在线监测装置和方法，其优点和有益效果如下：
[0029] 1.一种敞开式高压隔离开关在线监测装置通过监测隔离开关的静触指位移，动静触头间距离的变化，可以判断隔离开关分合闸状态。；
[0030] 2.一种敞开式高压隔离开关在线监测装置通过监测隔离开关的触头温度变化，融合线路一次负荷、环境温度等参数，可以判断隔离开关动静触头表面氧化程度；
[0031] 3.一种敞开式高压隔离开关在线监测装置通过监测隔离开关的分合闸时间变化，可以判断隔离开关机械传动部件的卡塞情况；
[0032] 4.一种敞开式高压隔离开关在线监测装置采用感应电流获取
能量及定时唤醒工作方式，有效的降低了装置功耗，解决高电位侧设备维护困难的问题；
[0033] 5.一种敞开式高压隔开开关在线监测装置采用2.4G无线通信技术，规避电站内电晕干扰，有效的解决了在保证绝缘前提下，数据远传的问题，增加通信可靠性。
附图说明
[0034] 图1敞开式高压隔离开关在线监测装置系统
框图；
[0035] 图2敞开式高压隔离开关在线监测装置安装示意图；
[0036] 图3敞开式高压隔离开关在线监测方法流程事宜图；
[0037] 图4敞开式高压隔离开关在线监测简化模型示意图。
具体实施方式
[0038] 为使本发明的发明目的、技术路线和有益效果更加清晰明白，现结合附图和具体实施方式进一步说明。
[0039] 如图1所示，一种敞开式高压隔离开关在线监测装置由传感模块、中央主控模块、感应式电源供电模块组成，三种模块之间采用
电缆相连接。传感模块由2只形变传感器、1只位移传感器、1只温度传感器组成，负责采集隔离开关左、右侧静触指的位移信号，动静触头间的距离信号，静触指的温度信号，并将信号通过电缆传送给中央主控模块。中央主控模块由调理单元、数据处理单元、电源管理单元、无线通信单元，内置电池组组成，中央主控模块主要负责控制整个装置运行逻辑，调理和分析传感模块所采集数据，并根据分析结果给出隔离开关分合闸状态的判定结果，并将结果通过无线通信单元传送给综合IED装置。感应式电源供电模块，通过感应穿过该模块的一次导体上流过的电流为中央主控装置提供电源。敞开式高压隔离开关在线监测装置能够通过采集隔离开关左、右侧静触指位移信号，动静触头间的距离信号，静触指的温度信号，分析判断隔离开关分合闸状态，并将分析结果通过无线通信网络发送至综合IED装置，并最终上送至一体化监控后台。
[0040] 如图2所示：敞开式隔离开关在线监测装置安装在高压隔离开关单相一次导体侧。2只形变传感器分别安装在隔离开关左、右两侧静触指片上，通过形变量反应静触指的位移量。1只位移传感器安装在隔离开关静触头
位置，能够监测隔离开关动静触头之间距离。1只温度传感器安装在隔离开关静触指上。中央主控模块安装在高压导电臂上端，采用
螺栓固定，保证中央主控模块与一次设备处于相同电位。感应式电源供电模块，采用坡莫
合金钢带穿过空心线圈结构。坡莫合金钢带缠绕在隔离开关引线处的一次导体上，并穿过空心线圈，最终使用钢带
固定器将坡莫合金钢带两端固定到一起。坡莫合金钢带即从一次电流中获取电能，又起到固定作用，将感应式电源供电模块固定在高压隔离开关上。
[0041] 如图3所示：当敞开式隔离开关在线监测装置初次安装在某一类型隔离开关上时，其使用BP神经网络数据融合法需要完成学习、训练、测试的过程后，才具备判断隔离开关分合闸状态的能力。敞开式隔离开关在线监测装置初次安装完成后，需针对隔离开关进行多次正常分合闸操作，采集正常分合闸数据，数据包含分合闸操作初始时刻隔离开关左右侧静触指位移SL1、SR1隔离开关动静触头间距H1，分合闸操作终了时刻隔离开关左右侧静触指位移SL2、SR2，隔离开关动静触头间距H2，以及初始时刻与终了时刻各个数据的变化量ΔSL和ΔSR。将上述8种数据作为BP神经网络的输入数组数据X(X1、X2…X8)，X1-8与SL1、SL2、SR1、SR2、H1、H2、ΔSL、ΔSR成一一对应关系。并将所有分合闸数据作为学习，训练，测试的样本数据，y(y1、y2)作为输出结果，y1＝1且y2＝0代表隔离开关正常分闸状态，y1＝0且y2＝1代表隔离开关正常合闸状态。BP神经网络使用S型函数：
[0042]
[0043] 其中net＝W1X1+W2X2+W3X3+W4X4+W5X5+W6X6+W7X7+W8X8，W代表权值。误差函数为：
[0044]
[0045] 其中do为期望输出结果，即正常分闸时d1＝1且d2＝0，正常合闸时d1＝0且d2＝1，yo为BP神经网络输出结果，K为输入数据个数，其整个工作过程如下：
[0046] 1)将多次正常分合闸数据作为学习和测试的输入向量数据；
[0047] 2)设置do为期望输出结果，即正常分闸时d1＝1且d2＝0，正常合闸时d1＝0且d2＝1；
[0048] 3)将数据输入网络，获得相应的输出结果y(y1、y2)；
[0049] 4)如果输出结果y与期望输出结果do不符，则计算误差，将误差反传修正权值W；
[0050] 5)反复重复1至4过程，直至网路输出结果与期望输出结果相符，以确定最终权值W；
[0051] 6)使用测试数据对最终网路进行测试，查看输出结果与预期结果是否相同，最终确定BP网络的正确性。
[0052] 装置正常投运后，敞开式高压隔离开关在线监测装置采用定时唤醒工作模式。唤醒时，监听是否有隔离开关分合闸操作指令，如果收到分合闸操作指令，继而投入传感模块采集分合闸过程中隔离开关左、右侧静触指位移信号，动静触头之间距离信号，静触头温度信号，并记录数据。合闸过程中如图4所示，随着隔离开关合闸过程的进行，隔离开关左，右侧静触指位移量SL、SR逐渐增大，动静触头间距离H逐渐减小，静触头温度无变化。反之则为分闸操作数据变化过程。待各个传感器数据稳定后，装置认定分合闸过程完成。装置根据分合闸过程中所采集的数据，绘制触指位移，动静触头间距离，温度等数据随时间变化的曲线。依据数据曲线提取初始时刻及终了时刻的静触指位移数据SL1、SL2、SR1、SR2和动静触头之间距离数据H1、H2以及静触指位移量的变化值ΔSL、ΔSR，，作为隔离开关分合闸机械运动的特征参量。将特征参量作为BP神经网络数据融合方法的输入数据，使用已经完成学习和测试的网络算法进行数据分析，根据输出结果y(y1、y2)判定隔离开关分合闸状态，并将结果通过无线网络上送给综合IED装置，最终上传至一体化监控后台。
[0053] 当隔离开关处于合闸状态下且开关处于投运状态时，隔离开关在线监测装置定时采集隔离开关静触指的温度信号Tw及环境温度T0，通过综合IED装置获取该组隔离开关该相运行负荷电流I。通过上述算法，隔离开关在线监测装置推算出虚拟电阻R′通过监测R′的变化，能够反映出动静触指之间的接触电阻R的变化趋势，如果R′有增大的趋势，但是装置判断隔离开关合闸机械特征良好，则可以认定隔离开关动静触指接触面氧化程度或污秽等级增高，并将分析结果通过无线通信网络发送至综合IED装置，并最终上送至一体化监控后台，其原理如下：
[0054] 动静触指之间的核心变化因素为接触电阻R，流过动静触指之间的电流所做的功全部用于产生热量，QR＝I2R。所产生的热量表现为隔离开关导体的温升Qw，但是由于隔离开关处于户外，其所处环境温度，天气变化会对温升造成一定影响。主要表现为
对流气体造成热量的损失Qc以及热量由高温物体向低位物体的
辐射Qr。其热平衡方程为：
[0055] Qw＝QR-Qc+Qr
[0056] QR＝I2R
[0057] Qc＝ac(Tw-T0)Fc
[0058]
[0059] 其中ac代表对流换热系数，Tw触指表面温度，T0周围空气温度，Fc单位长度换热面积，ε导体材料辐射系数。其中由于开关在任何状态下换热面积Fc保持不变，因此设置其为一个常量，并不依据隔离开关实际外形计算。最终获得的载流量I与电阻R之间的关系式为：
[0060]
[0061] 因为公式中Fc为设置常数，并非开关实际
散热面积，因此所得到的R′并不是隔离开关动静触指之间真正的接触电阻R，但是其可以表征电阻R的变化趋势。
[0062] 本申请还同时公开了一种基于前述敞开式高压隔离开关在线监测装置的在线监测方法，所述监测方法包括以下步骤：
[0063] 步骤1：判断敞开式高压隔离开关在线监测装置是否为初次安装在该型号隔离开关上，如果是则针对隔离开关进行多次正常分合闸操作，并采集分合闸过程中左、右侧静触指位移信号SL和SR，动静触头之间距离信号H，和静触指表面温度信号Tw，提取初始时刻和终了时刻左、右侧静触指位移SL1、SR1、SL2、SR2，动静触头间距的数据H1、H2以及初始时刻和终了时刻左、右侧静触指位移数据的变化值ΔSL和ΔSR等特征参量，并将特征量作为BP神经网络的输入向量，分合闸结果作为期望输出结果，训练和测试BP神经网络，当该网络输出结果与期望结果误差小于设定值时，判定学习成功，获得最终权值W，此时敞开式高压隔离开关状态监测装置具备了判断隔离开关分合闸状态的能力。
[0064] 步骤2：敞开式高压隔离开关在线监测装置正常投运后，敞开式高压隔离开关在线监测装置接收到被监测隔离开关操作指令后，启动传感模块，连续采集隔离开关分合闸过程中左、右侧静触指位移信号，动静触头之间距离信号，静触指表面温度信号；
[0065] 步骤3：绘制左、右侧静触指位移变化量，动静触头之间距离变化量，静触指表面温度变化量基于时间t变化的曲线图；
[0066] 步骤4：依据绘制4张曲线图，提取特定时刻左右侧静触指位移，动静触头间距的数据以及操作启始时刻与操作终了时刻隔离开关左、右侧静触指位移的变化值；
[0067] 步骤5将所提取特征参量作为输入数组，采用BP神经网路的数据融合方法，通过L-MBP算法，根据算法输出结果y(y1、y2)判定隔离开关分合闸状态结果；
[0068] 步骤6：将获得的诊断结果通过zigbee无线网络发送至综合IED；
[0069] 步骤7：当高压隔离开关处于带载运行状态时，敞开式高压隔离开关在线监测装置采集静触指温度Tw变化数据，并从综合IED获取该条线路的负荷参数电流I，根据负荷参数电流I及静触指温度Tw、环境温度T0等数据进行多数据融合计算，获取针对动静触指接触电阻R的虚拟接触电阻R′，通过R′的变化反映动静触指表面氧化趋势,并将结果上传至综合IED。
[0070]
申请人结合
说明书附图对本发明的
实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
