基于ccd精密激光成像的开关行程轨迹及动作特性在运监测研究申请书及可行性研究报告.docx
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基于ccd精密激光成像的开关行程轨迹及动作特性在运监测研究申请书及可行性研究报告
电网有限责任公司科技项目
申请书及可行性研究报告
项目简表
项目名称
基于CCD精密激光成像的开关行程轨迹及动作特性在运监测研究
项目
负
责
人
姓名
工作单位
电网有限责任公司
供电局
性别
年龄
31
职称
工程师
项
目
分
类
1、发电（能源）[]2、输电[]
3、变电一次[√]4、配电一次[]
5、电力建设[]6、系统运行[]
7、继保自动化[]8、电网规划设计技术[]
9、通信及信息技术[]10、计量营销[]
11、智能电网新技术[]12、综合研究[]
项目起止时间
2017年1月1日-2018年12月30日
申请经费总额
92万元
项目摘要（500字以内）：
断路器种类多、数量大、操作频繁，由于制造安装质量、运行维护水平、设备老化等因素，故障时有发生，近期网区内就有多次此类故障，如处理不当会造成相当的经济及其他损失，直接影响电力系统的可靠、经济运行和企业形象。
国际大电网会议及国内的统计分析均表明：
“高压断路器的大多数故障（主要故障的70%和次要故障的86%）发生在机械机构上”。
常见的故障有机构变形、润滑不良、电磁铁卡塞、锁扣失灵、螺丝松动、部件破裂、弹簧拉伸偏差等。
而这些故障在开关的行程轨迹特性上有明显的反映和先兆，因此可通过监测行程轨迹对机械渐变性、潜在性故障进行诊断、预警。
可见精确、高速、可靠带电检测开关的行程轨迹非常关键。
然而，目前的光栅传感器、旋转编码器、及电阻式、差动变压器式、拉线磁通式等位移传感器或由于精度低、速度慢、安装不便、抗干扰能力差、寿命过短等原因，导致开关机械动态监测系统不尽理想，不能及时、准确预警故障和评估健康状态，严重制约了开关设备的状态检修和全生命周期管理的发展。
项目将研究基于CCD精密激光成像的开关行程动态在运监测方法，开发监测开关行程轨迹、速度、加速度、开断时间、轨迹匹配度等动态参量的检测技术，测量主要机械特性参数：
合分闸时间、开距、超行程、刚合速度、刚分速度、合分闸最大速度、合分闸平均速度、合闸弹跳时间次数、行程-时间曲线、速度-时间曲线、加速度-时间曲线等。
开发断路器机械运动特性在线监测模块，可与公司的电气主设备安全预警决策平台无缝连接，实现对断路器机械潜病、故障进行诊断、预警，评估健康状态。
通过对开关动作轨迹精确监测分析开关动态特性参数，掌握运行特性及变化趋势，对潜在故障进行及时监测预警，为预防措施的制定提供宝贵的准备时间，降低设备故障，提高设备的运行寿命；评估健康状态，减少过早或不必要的检修，提高检修的针对性，减轻劳动量，减少维修保养费用，为状态检修提供坚实的设备状态基础；掌握同类设备的运行性能及家族优缺点，为采购、退役提供科学依据，为全生命周期管理奠定基础。
预期成果成熟度水平
（1-9级）6级
项目负责人意见：
同意申报。
（签字）苏四2016年07月21日
申请单位意见：
（公章）年月日
总部部门、直属机构、分子公司意见：
（公章）年月日
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
项目申请单位
承担项目的整体统领协调工作，承担研发在线监测系统现场总线，研发通过光纤以太网与公司的电气设备监测预警平台无缝接入；承担开关行程轨迹及动作特性在线监测系统的顶层设计、系统分析；承担现场试验、现场安装、人机交互友好性的完善；购买实验过程所需的材料。
协作单位1
负责理论研究、系统分析、算法设计、技术方案，技术监督，项目协调；具体负责理论分析、算法设计、技术监督、技术报告、项目协调；提供技术方案、论文、专利、技术报告。
协作单位2
研发CCD精密激光成像的开关行程轨迹及动作特性在线监测系统:
（1）高速CCD精密激光成像的拐臂圆弧运动监测装置开发;
（2）高速CCD精密激光成像的拉杆平动监测装置研发;（3）CCD激光垂直高速测距的运动监测装置研发;（4）FPGA-SOPC的高速影像处理系统设计;（5）行程轨迹动态参量获取的图像处理算法设计;（6）开关行程轨迹及动作特性在线监测集控系统研制。
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
理论算法研究
2017年1月
2017年3月
主要内容：
（1）高速CCD精密激光成像的拐臂圆弧运动监测技术
（2）高速CCD精密激光成像的拉杆平动监测技术
（3）CCD激光垂直高速测距的运动监测技术
考核目标：
（1）技术方案1份
（1）论文1篇
（2）申请专利1项
系统设计
2017年4月
2017年7月
主要内容：
（1）机械运动检测模块设计
（2）数据传输模块设计
（3）监测系统功能设计
（4）机械运动监测系统顶层设计
考核目标：
（1）监测系统顶层设计方案
（2）申请专利2项
系统硬件开发
2017年8月
2017年10月
主要内容：
（1）激光CCD精确高速机械运动监测装置设计
（2）FPGA-SOPC的系统设计
考核目标：
（1）完成系统硬件的试制
（2）申请专利1项
系统软件开发
2017年11月
2017年12月
主要内容：
（1）技术算法及功能软件开发
（2）开关行程轨迹及动作特性在线监测集控系统软件设计
考核目标：
（1）完成实验室软件系统的试制
（2）申请专利1项
实验室试验、调试、改进
2018年1月
2018年5月
主要内容：
（1）实验室试验、调试
（2）系统的改进及完善
考核目标：
（1）样机在实验室检测的主要技术参数达到或优于本项目提出的“主要经济技术指标”
（2）试验报告1份
现场试验及完善
2018年6月
2018年11月
主要内容：
（1）项目现场监测试验
（2）技术及现场监测设备的完善
考核目标：
（1）按照本项目的“技术经济指标”对项目进行验收
（2）发表项目相关论文
项目组成人员情况
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
31
工程师
项目负责人，项目的立项、技术分析、研发计划、分工协作安排、技术监督、验收
2
44
工程师
项目的立项、技术分析、研发计划、分工协作安排、技术监督、验收
3
32
工程师、副主任
技术指导、项目规划
4
41
工程师
现场试验配合、监督、安装指导
5
26
工程师
协助试验指导、专利材料收集申报、技术总结
6
45
工程师
技术指导、项目规划
7
21
技术员
现场配合
8
35
工程师
现场试验配合、监督、安装指导
9
22
技术员
协助试验指导、专利材料收集申报、技术总结
一、目的和意义
高压开关设备种类多，按灭弧介质可分有油断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器、真空断路器、六氟化硫断路器、自产气断路器，主要供货厂家有ABB、西门子、西开、北开、平高电气、法国阿尔斯通、如高高压电器等等；数量大，一般变电站有20多台，全网区约有12000台高压断路器。
高压断路器是担负着对电力系统控制和保护的双重任务，所以动作比较频繁、关键。
由于制造安装质量、运行维护水平、外界环境、设备老化等因素，故障时有发生。
2013年4月至10月全区发生开关设备故障407起，月平均58.1起，每月每个供电局平均发生4.2起。
如近期的桂林局北门变的部件卡阻致合上即弹开、贵港局逢宜站的插销损坏致动作不正常、百色局湖润变的卡阻致异常，如处理不当会造成相当的经济及其他损失，直接影响电力系统的可靠、经济运行和企业形象。
国际大电网会议的调查、国网公司及我公司对高压开关事故的统计分析均表明：
“高压断路器的大多数故障（主要故障的70%和次要故障的86%）发生在机械机构上”,其中拒分、拒合和误动作三类机械故障共占46%;“断路器机械故障所造成的事故在次数、所造成的停电时间上均占总量的60%以上”。
常见的机械故障有传动机构变形、润滑不良、电磁铁卡塞、锁扣失灵、触头磨损、螺丝松动、部件破裂、缓冲器故障、弹簧拉伸偏差等。
而这些故障在开关的行程轨迹特性上有明显的反映和先兆，因此可以通过监测行程轨迹对机械状态渐变性、潜在行故障进行诊断、预警。
可见精确、高速、可靠带电检测开关的行程轨迹非常关键。
对于高压断路器实施动机械特性的监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性变化及变化趋势，对提高其运行可靠性极为重要。
由于现有高压断路器机械特性在线监测装置功能不全，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足。
因此，开展综合性的高压断路器机械特性监测技术的研究工作具有重要的学术意义和实用价值。
公司目前对高压开关设备仍然沿用传统的计划检修和故障停电检修。
这种做法在没有状态检测技术、装备的年代对保障电力系统的可靠稳定运行起到了重要的作用。
然而这种检修策略，一方面，一概而论地对所有设备进行定期检修，导致盲目对性能运行状态很好的开关设备过度检修，造成检修致损，白做无用功，检修工作量大，运行效率低下等情况；另一方面，对潜病及故障不能做到及时监测、预警，可导致故障停电、售电损失、故障扩大等风险，缺乏对故障的监测记录信息，使得故障分析、排查及消除很困难，导致检修消缺效率低下。
国标GB1984-2003《高压交流断路器》要求：
高压断路器在型式试验前，制造厂应提供断路器的参考机械行程特性曲线，试验后将测得的机械行程特性曲线与参考机械行程特性进行比较，以便判定断路器的机械动作稳定性是否达到标准规定的要求，同时还要求现场运行维护中必须测量断路器的行程－时间特性即运动速度参数。
如果能如机械偏差问题及时检测定位识别，就可以及时纠正偏差消除故障防止设备或停电事故发生。
例如8太西安高压开关厂生产的LW8-40.5型断路器的分闸时间、速度超标，对其分闸蛋黄进行更换，更换后时间、速度均合格，能继续正常运行。
随着电气设备带电监测技术的不断进步和先进设备运维理念的提出，高压断路器的带电状态监测技术必将取代一般的预防性试验，成为电气设备安全运行的第一道防线。
1.阐述项目成果对该现状和技术发展的作用；
目前，我国电气设备的检修工作主要是按照《电气设备预防性试验规程》的要求定期进行预防性试验，根据试验的结果来判断设备的运行状态，从而确定是否可以继续运行。
长期以来，坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用。
但随着电力系统的大容量化、高压化和结构复杂化，随着工农业生产的发展和用电部门重要性的提高，对电力系统安全可靠性指标的要求也越来越高，这种传统的试验与诊断方法已越来越不适应需要。
据统计，10.0%的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时，费用也很高，可达整个断路器费用的1/3～1/2，而且解体和重新装配会引起很多缺陷，由此产生的事故例子更是不胜枚举。
有关统计表明，一半以上的变电站维护费用是花在开关上，而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上。
对于断路器的哪些部件（或重要组件）运行多长时间需要更换，仍是一个争议的问题，事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时仍性能良好，而有时由于没有及时发现某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。
从计划检修向以状态监测为基础的设备检修转变是必然的发展趋势。
电力设备的状态监测技术发展很快。
某些电力设备的在线监测技术在经过多年的研究之后已经相当成熟，例如变压器、避雷器等。
但是，对于高压断路器来讲，状态监测技术还很不完善，也是目前研究的热点之一。
断路器的状态监测内容主要包括：
机械特性监测、操动机构的储压系统监测、绝缘状态监测、灭弧室和灭弧触头电磨损监测等。
此外，开展断路器早期故障模式识别方法的研究，将为改变传统的检修观念、根据状态检测实现预测检修、提高设备利用率、提高维修管理的科学性创造条件。
预测性检修思想，则是通过连续监视断路器状态，在发现断路器轻微故障时，根据对故障发展的预测，及早安排检修计划，这样可避免不必要的检修，又可防止它轻微故障最终导致事故。
因此，研究高压断路器的故障模式识别方法，加强对断路器设备的监测和诊断，正确预测断路器的运行状态，避免不必要的检修，有效提高断路器的可靠性，对增加电力系统的经济性、可靠性、安全性和经济性都具有十分重要的意义。
2.分析成果应用和推广的途径；
经过多方面的调研，供电局变电站运行班组亟待高压开关行程轨迹及动作特性监测技术，需求很大，呼声很高。
技术研究成功后，拟先在崇左供电局、河池供电局、玉林供电局试点，逐步完善应用新技术的规范和标准，成熟后可在全区甚至全国推广。
3.分析成果推广后的直接和间接效益。
据统计，仅仅广西网每年平均约有500多起开关设备故障，以平均每一起故障的处理成本费用为0.8万元计，如果研究成果能把故障率降低50%,一年就可以节省200万开关设备维护费，每年减少50台开关设备损坏节约开关设备购置成本5万元×50-250万元，因此成果推广后每年可以节省直接成本450万元。
每年的间接效益更是难以估算，由于新技术大大的减少了无计划停电时间，因此有利于挽回了数额巨大的售电量损失。
二、项目研究的背景
编写要求：
1.国内外研究水平的现状和发展趋势；
实现断路器机械特性在线监测的方法很多，如频谱分析，红外线分析，系统动态响应特性的测试分析，系统压力的动态测试，组件壳体的振动信号分析，超声波的分析等。
这些方法原理各异，现场实施难度和成本也不同。
因此要获取断路器所有的机械状态特征既不现实，其经济性也是电力部门不能接受的。
但是，如果能可靠地将断路器机械状态概率最大的故障检测到，或者按照概率因素分配监测系统资源和重要性权重,那么就既可以显著提高设备可靠性，又可以降低监测系统的复杂性，节省费用，其实用性价比也大大提高。
机械状态的诊断旨在考查断路器机械机构的工作参数变化和机械故障，它关系到灭弧系统的工作是否正常。
目前高压断路器机械特性在线监测研究主要有以下三个方面：
1）路器行程-时间特性的监测，随着计算机及电子技术的发展，现在可以记录开关每一次分﹑合闸操作的动触头运行参数，根据动触头的行程-时间特性曲线再结合其它参数，可以提取各种机械动作的参数，如可以计算动触头合、分闸操作的运动时间﹑动触头行程﹑动触头的刚分速度和刚合速度及动触头运动的平均速度和最大速度以及速度-时间曲线等。
一般说来，它们都有其最佳范围，分、合闸过程中的最大分闸速度与最大合闸速度不宜过大，否则会对结构的零部件造成很大的撞击，给缓冲器工作带来负担。
分、合闸速度过小，往往会造成动触头不能可靠的分合闸动作，使断路器失去保护和控制功能，因此对于断路器动触头的行程-时间曲线的监测是很重要的。
2）差动变压器式位移传感器，由一轴式感应变压器及一个在其内部可以在轴向自由移动的轻便磁芯组成。
断路器分、合操作时主轴连杆的运动带动位移传感器金属连杆相对其轴式感应变压器运动，由位移传感器将位移转换成同步变化的电压输出。
尽管直流差动变压器式位移传感器测量动触头的行程信号的测试结果相对比较理想，但是对于结构非常紧凑断路器来说，能用于传感器安装的位置有限。
监测断路器的机械振动信号，利用加速度传感器采集振动信号，通过高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备，断路器的价格不高，但由于其故障造成的损失，如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则远远超过断路器本身的价值，因此需要对断路器工作状态进行监测以最大限度地保证其可靠性，对高压断路器实施预测性维修和科学化管理是提高断路器运行可靠性的有效途径。
断路器的状态监测内容主要包括：
机械特性监测、操动机构的储压系统监测、绝缘状态监测、灭弧室和灭弧触头电磨损监测等。
在6kV以上高压断路器的故障中，拒分、拒合和误动作三类机械故障几乎占到一半。
可见，对于高压断路器实施机械特性的监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性变化，对提高其运行可靠性极为重要。
由于现有高压断路器机械特性在线监测装置功能不全，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足，因此，开展综合性的高压断路器机械特性监测技术的研究具有重要的实用价值。
国内外发展概况
随着国内外监测技术的发展，高压断路器机械特性在线监测技术已经进入新的阶段。
断路器检测技术经历了三个发展过程，即离线测试、周期性在线检测、长期在线监测，如今以机械特性在线监测为主。
美国和日本在相关方面累计了大量数据、经验和方法。
相对于国外技术的日趋成熟，国内断路器在线监测技术发展较缓慢，自主研发的监测装置存在诸多问题。
近年来，国内外先后研发的断路器机械特性检测仪存在诸多限制因素。
各厂家都在努力研制适用范围广、精度高、抗干扰能力强、软件功能齐全、价格低廉的设备。
机械特性在线监测技术的发展状况及问题
断路器的检测技术大体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程。
据资料介绍,美国于1995年颁布了“电气设备绝缘诊断方法导则”,现已转向为以机械特性在线监测为主,并已制定出有关标准。
日本20世纪80年代开始进人以机械状态监测为基础的预知维修时代,该项技术的研究与应用进展很快,并已积累了大量数据与经验,逐步形成了一些标准和较成熟的方法。
如今,一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术已日趋成熟,并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。
目前,高压断路器机械特性在线监测技术存在着一些值得注意的问题:
l）选择合适的传感器以及对不同的高压断路器机构安装适应性差的问题,即针对不同电压等级和不同操动机构的断路器所选择的传感器类型也不一样;2）以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果,而对机械运动的过程关心不多;虽然现有的在线监测模块也可以测量合、分闸特性曲线,但对于机构的状态仍然只能做出好或坏的判断,却判断不了故障究竟发生在什么部位;3）数据处理的问题,目前对机械特性在线监测主要是测量合、分闸时间,平均速度等,根据这些测量值,经过简单的阂值判断来对机构状态做出预测。
因此,现有的机械特性在线监测装置功能不完善,缺乏足够的数据积累,即使有了大量数据,故障诊断的分析能力也不足;4）在线监测装置模块寿命过短,安装维护困难,价格过高而精度不够高。
综上所述,高压断路机械特性的在线监测技术发展起步较晚,还需要进一步完善。
2.介绍国外研究机构对本项目的研究情况；
监测系断路器状态监测技术起步较晚，从某种意义上讲是“状态维修”概念促进了断路器状态监测技术的发展。
在电力系统中，可能是由于断路器的造价与变压器、发电机等珍贵电力组件相比较为便宜，也可能是由于其故障时所造成的危害不如电容性设备严重，虽然在变电和配电中，它所造成的非计划停电事故无论从时间和数量上都远远高于其它电力组件，但直到90年代以后断路器状态监测技术才逐渐发展起来。
具有代表性的断路器状态监测系统有美国Hathway公司开发的BCM200断路器状态监测系统、ABB公司开发的SF6断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测和诊断系统、法国Alstom研究中心研制的CBWatch系列断路器状态监测系统。
3.介绍国内研究机构对本项目的研究情况。
在我国,断路器机械特性在线监测技术发展起步较晚,近年来,国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故障诊断方面的工作。
例如,由清华大学开发的高压断路器状态监测系统,华中理工大学和湖南省电力公司联合研制的高压断路器机械特性在线监测系统。
香港中华电力公司项目组开发了断路器状态监测在线分布式信息系统,通过独立的微处理器实现对每台断路器状态的连续监测。
武汉市大洋新技术有限公司研制的DB8001动特性分析仪也己在相关电力企业得以应用。
此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。
随着研究的深人,先后生产了自己需要的高压断路器机械特性在线监测装置,不过都存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行监测的问题,检查结果的适用性和部分项目的检测方法仍有待进一步提高。
4.项目研究的技术关键与难点。
高压开关行程轨迹及动作特性在线监测的技术关键在于功能部件运动的精确、高速在线测量，难点在于设置安装精密的、兼容的位移传感器。
一般开关行程只有5cm左右，合闸时间30ms左右，分闸时间10ms左右，所以测量精度需达到0.5mm，测量速度需达到10000次/秒，也就是检测速度需高达10KHZ。
一般的电阻式位移传感器、光栅传感器、直线光电编码器、旋转编码器、拉线磁通式位移传感器等的测量精度很难达到，而测量精度很高的光学测量、直流差动变压器式位移传感器的测量速度很难达到要求，而且体积一般比较大、对环境的要求比较高，不便于安装、适应性比较差。
高压开关机构箱内空间有限，能安装传感器及监测装置的位置非常局限，体积大、重量大、结构复杂的装置都不适用。
另外监测装置的可靠性、适应性、抗干扰能力也是技术关键之一。
本项目通过10um高分辨率的CCD及基于FPGA的100KHZ高速采集这一关键技术解决开关行程轨迹的精确、高速、在线监测问题，通过激光技术实现测量的抗干扰能力、可靠性和适应性。
三、项目申请单位具备的研究基础和条件
1、项目负责人：
苏四，变电检修一班副班长，电气工程与自动化专业毕业，长期从事变电一次设备检修工作，熟悉变电设备特点及运行特性，在本项目中主要负责组织可研、制定方案、参加验收，审查成果及相关方案。
2、玉林供电局：
各种型号变电站电气设备现场符合项目研究特性。
项目组成工作人员新老结合，具备丰富的工作经验与扎实的理论知识，拥有良好的软、硬条件，满足项目申请要求。
四、项目研究内容、技术路线与实施方案
编写要求：
1.项目研究内容的详细说明（分专题或按内容序号描述）。
主要研究内容
1主要技术内容
1.1高速CCD精密激光成像的拐臂圆弧运动和拉杆平动的监测技术
研发线条激光生成探头，10um分辨率CCD线阵，线阵CCD10KHz以上高速图像采集、激光成像的旁瓣抑制算法、激光成像的高速定位跟踪算法，轨迹信号数据的高速高容量存储。
针对拐臂圆弧运动监测，在拐臂上同心径向安装条纹激光探头，在运动区域外切线方向安装10um分辨率CCD线阵，通过激光成像和三角运算测得拐臂圆弧运动的高分辨率运动轨迹。
针对拉杆平动监测，在拉杆上安装条纹激光探头，在运动区域外投影方向安装10um分辨率CCD线阵，通过激光成像测得拉杆平动的高分辨率运动轨迹。
1.2激光垂直高速测距的运动检测技术
研发10KHz以上激光垂直高速测距的运动检测技术，包括高旁瓣抑制比的激光生成，反射激光成像的旁瓣抑制算法，高（10um）分辨率CCD线阵的角度控制，影像信号的高速采集及滤波算法，位移信息的高速算法。
激光探头把激光达到监测的运动部位，反射激光在高分辨率CCD线阵上成像，通过成像的位置测得反射光的夹角，由已知的发射角、光源和CCD影像的距离求得监测物体的位移。
1.3FPGA-SOPC的高速影像处理系统设计
基于激光CCD成像的高速运动轨迹监测，信息量大、速度高，算法复杂，但是又要求器件体积小、功耗低、可靠性高，用一般的微处理器、ARM、单片机、PLC很难实现。
FPGA-SOPC技术可以实现高级算法硬件逻辑门实现，具有硬件实现的高速度，它集成度高、体积小、功耗低。
项目用FPGA-SOPC实现成像信息的高速采集、信号量滤波与成像旁瓣抑制、成像位置的提取与位移的计算、数据的高速转移存储，设备的协调控制。
1.4行程轨迹动态参量获取的图像处理算法
运用现代图像滤波和特征提取技术通过对高速成像图像
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