CN116908674B - 一种断路器剩余寿命监测和预测方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器剩余寿命监测和预测方法及***，属于断路器技术领域，所述方法包括如下步骤：利用传感器实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；利用边缘网关，基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元进行显示。所述***为实现所述方法对应设置的***；本发明解决了难以对不同种类低压断路器进行精准的剩余寿命监测和预测的问题。

Description

一种断路器剩余寿命监测和预测方法及***

技术领域

本发明属于断路器技术领域，尤其涉及一种断路器剩余寿命监测和预测方法及***。

背景技术

低压断路器的剩余寿命能够反映额定短路电流的开断次数，体现断路器不经检修的连续开断能力，但电寿命较其本体寿命短，且断路器电寿命主要取决于其触头部件。不能准确预测断路器电寿命可能导致盲目检修，无法有效延长设备的使用周期。

目前少有对低压断路器进行剩余寿命在线监测和预测的。主要原因在于，方案的标准化低、耦合度高、实现难度大，具体体现在：一方面，现有的智能断路器虽本体能够实现数据采集和上传，但各断路器数据采集的精度不同，且采集的数据项不统一，对理论模型的计算难度很大；另一方面，由于断路器剩余寿命计算的理论模型并不统一，不同的理论模型需要配置不同的数据采集方案。其次，剩余寿命理论模型是一个泛化模型，针对众多不同类型和型号的低压断路器需要统一的数据基础和数据精度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种断路器剩余寿命监测和预测方法及***，通过将断路器本体与采集断路器数据的传感器分离，使传感器能监测不同断路器的电流，并将传感器与断路器高度解耦，通过同时获取分闸时的录波数据，准确确定分断时间和分断电流，解决了难以对不同种类低压断路器进行精准的剩余寿命监测和预测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种断路器剩余寿命监测和预测方法，包括如下步骤：

S1、利用传感器实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

S2、利用边缘网关，基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

S3、利用显示单元显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种断路器剩余寿命监测方法，将断路器本体与采集断路器特征数据的传感器分离，在仅实时采集断路器工况和短路保护下分闸时的电流数据的情况下，结合各类不同低压断路器自身的额定短路开断电流和实时分闸波形的录波数据，即可分析得到准确的分断时间和分断电力，并利用边缘网关对不同断路器计算断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，且将计算结果用显示单元进行实时显示；本方法需采集的低压断路器特征仅包括基于分闸时录波数据确定的电流数据共两项特征数据，并结合不同低压断路器自身规格数据，实现对不同规格低压断路器剩余寿命的监测和准确预测，方案简便可行且易实施。

进一步地，电流数据和录波数据通过Modbus rtu协议由传感器传输至边缘网关；录波数据采用IEC103协议传输至边缘网关。

采用上述进一步方案的有益效果为：Modbus rtu协议常采用RS-485做为物理层，一般利用芯片的串口实现数据报文的收发，报文数据采用二进制数据进行通信，能够有效将传感器监测到的电流数据通过二进制形式传输至边缘网关，便于边缘网关对电流数据解析和处理。

进一步地，所述基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命包括如下步骤：

A1、分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

A2、基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

A3、基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

A4、断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>。

采用上述进一步方案的有益效果为：本发明基于对录波数据的分析确定了准确的分断时间和分断电流，为得到更精准的等效开断次数提供了基础；本发明根据传感器采集到的断路器分闸时的电流大小占额定短路开断电流的比例，分类对低压断路器计算断路器等效开断次数和断路器相对电磨损量，在仅采集电流和分闸波形的录波数据这两项特征数据的情况下，仍将特征数据与低压断路器本身规格联系，有效提升了断路器等效开断次数的准确度，实现了采集特征方便且能够准确预测断路器剩余寿命。

进一步地，边缘网关基于Modbus tcp协议将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元。

采用上述进一步方案的有益效果为：Modbus tcp协议是一种Modbus变体版本，使用TCP/IP网络进行通信，通过502端口进行连接，其传输的报文不额外的需要校验和计算，通过以太网底层就已经自动实现了CRC32数据完整性校验。

另一方面，本发明还提供一种基于断路器剩余寿命监测和预测方法的预测***，包括：

传感器，用于实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

边缘网关，用于基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

显示单元，用于显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。

进一步地，所述边缘网关包括：

第一子模块，用于分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

第二子模块，用于基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

第三子模块，用于基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

第四子模块，用于基于断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>；

第五子模块，用于将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于断路器剩余寿命监测和预测方法的***为上述一种断路器剩余寿命监测和预测方法对应设置的***，用于实现上述方法，且所具有的有益效果与上述方法对应一致。

针对于本发明还具有的其他优势将在后续的实施例中进行更细致的分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1中一种断路器剩余寿命监测和预测方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例2中一种基于断路器剩余寿命监测和预测方法的预测***的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种断路器剩余寿命监测和预测方法，包括如下步骤：

S1、利用传感器实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

本实施例中，电流数据和录波数据通过Modbus rtu协议由传感器传输至边缘网关；录波数据采用IEC103协议传输至边缘网关。所述IEC103协议通常采用非平衡式通讯方式，其支持一个主站同时访问多个子站设备，子站之间通过地址来区分，且IEC103协议有很多不同的服务，每种服务的报文结构和长度都不相同。

S2、利用边缘网关，基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

所述基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命包括如下步骤：

A1、分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

A2、基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

A3、基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

A4、基于断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>。全新未启用的低压断路器的断路器初始相对寿命为1，本实施例中，最后得到的断路器剩余寿命为大于等于0且小于等于1的小数，通过百分比转化既能够得到其百分比化的断路器剩余寿命，基于此百分比化的断路器剩余寿命乘以该低压断路器规格中的额定开断次数，即可预测出其剩余的开断次数。

本实施例中，边缘网关基于Modbus tcp协议将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元。

S3、利用显示单元显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。

实施例2：

如图2所示，在本发明的另一个实施例中，本发明还提供一种基于断路器剩余寿命监测和预测方法的预测***，包括：

传感器，用于实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

边缘网关，用于基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

所述边缘网关包括：

第一子模块，用于分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

第二子模块，用于基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

第三子模块，用于基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

第四子模块，用于基于断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>；

第五子模块，用于将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元。

显示单元，用于显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种断路器剩余寿命监测和预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用传感器实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

S2、利用边缘网关，基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

所述基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命包括如下步骤：

A1、分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

A2、基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

A3、基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

A4、基于断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>；

S3、利用显示单元显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的断路器剩余寿命监测和预测方法，其特征在于，电流数据通过Modbus rtu协议由传感器传输至边缘网关；录波数据采用IEC103协议传输至边缘网关。

3.根据权利要求1所述的断路器剩余寿命监测和预测方法，其特征在于，边缘网关基于Modbus tcp协议将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的断路器剩余寿命监测和预测方法的预测***，其特征在于，包括：

传感器，用于实时监测并采集断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流数据，并根据comtrade99标准形成录波数据，且将录波数据和电流数据传输至边缘网关；

边缘网关，用于基于录波数据、电流数据、额定短路开断电流和额定分段时间，计算得到分段时间系数、断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命，并将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

所述边缘网关包括：

第一子模块，用于分析波形数据，得到分断时间系数：

所述分断时间系数的计算表达式如下：

其中，表示分断时间系数，/>表示结束分断时间，/>表示开始分断时间，/>表示额定分断时间；

第二子模块，用于基于电流数据、额定短路开断电流和分断时间系数，计算得到断路器等效开断次数；

所述断路器等效开断次数的计算表达式如下：

其中，表示断路器等效开断次数，/>表示额定短路开断电流，/>表示断路器在工况下和短路保护下分闸时的电流；

第三子模块，用于基于断路器等效开断次数、电流数据和额定短路开断电流，计算得到断路器相对电磨损量；

所述断路器相对电磨损量的计算表达式如下：

其中，表示断路器相对电磨损量；

第四子模块，用于基于断路器相对电磨损量，计算得到断路器剩余寿命；

所述断路器剩余寿命的计算表达式如下：

其中，表示断路器剩余寿命，/>表示断路器初始相对寿命，/>表示第i次断路器的相对电磨损量，其中，/>；

第五子模块，用于将断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命传输至显示单元；

显示单元，用于显示断路器等效开断次数、断路器相对电磨损量和断路器剩余寿命。