一种开关柜梅花触头故障诊断方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术属于高压断路器零部件诊断技术领域，具体公开了一种开关柜梅花触头故障诊断方法、系统、设备及介质，本发明专利技术采用数字孪生技术，建立三维物理模型和数学模型，并根据三维物理模型和数学模型构建数字孪生模型，对不同工况进行仿真，获得三维特征数据；对三维特征数据进行转化处理，构建基于卷积神经网络算法的故障模型，并进行训练，将实际故障数据输入训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型，输出故障诊断结果，实现梅花触点的故障诊断；得到高精度仿真数据，实现对数字孪生体的实时动态更新，包括数据与模型的更新，使其更加接近物理实体，误差精度更小，识别准确率高。识别准确率高。识别准确率高。

【技术实现步骤摘要】
一种开关柜梅花触头故障诊断方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于高压断路器零部件诊断
，具体涉及一种开关柜梅花触头故障诊断方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]高压开关柜数量多，应用范围广，对电网安全运行起着重要作用。梅花触头是高压控制装置的核心设备之一，应用于广泛用连接高压控制开关和柜体之间的连接，具有多接触、电阻小和电导性强等特性，该装置被随着高压柜的普及和应用。控制断路器在柜内接触热而引起的故障和事故越来越多，在运行过程中，高压开关柜由于制造和安装缺陷造成接触接触不良和过热，如果不及时检测和处理过热，可能会导致过热失败，甚至演变成事故。因此，基于开关柜梅花触头进行故障诊断研究，对于提升开关柜运行可靠性和配电网供电稳定性具有重要意义。
[0003]梅花触点过热是高压开关柜的典型故障，是影响电力系统稳定运行的一大隐患。目前，对梅花触点的研究较少，主要集中于实验测量和仿真模拟两个方面，在实验测量方面主要采用量测传感器进行改进温度监测以及压力值测试，存在成本高、代价大的问题。在仿真模拟方面，主要通过电磁、传热和对流耦合模拟研究了大电流开关柜内部温度分布，该方法具有高便捷性但在测试精度上存在一定局限。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种开关柜梅花触头故障诊断方法、系统、设备及介质，以解决针对梅花触头故障的研究成本高且测试精度有限的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种开关柜梅花触头故障诊断方法，包括：
[0007]S1：建立物理三维模型和数学模型，物理三维模型具体为梅花触头三维结构模型，数学模型具体为温度
‑
磁场耦合数学模型；
[0008]S2：根据梅花触头三维结构模型和温度
‑
磁场耦合数学模型构建数字孪生模型，对不同工况进行仿真，获得三维特征数据；
[0009]S3：对三维特征数据进行转化处理，进行卷积神经网络算法训练，获得训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型；
[0010]S4：将实际故障数据输入训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型，输出故障诊断结果。
[0011]进一步的，所述梅花触头三维结构模型的建立方法为：
[0012]应用ANSYS软件进行有限元建模，根据梅花触点的结构参数构建梅花触头三维结构模型。
[0013]进一步的，所述温度
‑
磁场耦合数学模型的建立方法为：
[0014]建立温度
‑
磁场耦合数学模型，计算梅花触头产热率；
[0015]梅花触头的热传导方程为：
[0016][0017]其中：ρ是导体密度，单位为g/cm3；C
p
是导体的比热容，单位为J/(kg
·
K)；T是温度，单位为℃；t是模拟时间，单位为s；λ是导体的热导率，单位为W/(m
·
K)；Q是内部热源；
[0018]对流换热系数a为：
[0019][0020]其中：a是对流传热系数，单位为W/(m2·
K)；λ是导体的热导率，单位为W/(m
·
K)；L是表面特征尺度，单位为m；ΔT是触摸手指与空气的温差，单位为℃。
[0021]辐射面传热系数α
r
为：
[0022]α
r
＝δ
b
T4[0023]其中：α
r
是辐射面传热系数，单位为W/(m2·
K)；ε是导体杆面梅花触头的等效发射率；δ
b
是玻尔兹曼常数，单位为J/K；T是温度，单位为℃。
[0024]导体的产热率如下：
[0025][0026]其中：Q是产热率；单位是w/m3，I是电流，单位为A；R是电阻，单位为Ω，V是体积，单位是m3。
[0027]进一步的，所述数字孪生模型的构建方法为：
[0028]应用ANSYS软件电磁仿真模块、热仿真模块和结构场仿真模块开展电
‑
热结构耦合仿真，根据构建梅花触头三维结构模型和温度
‑
磁场耦合数学模型构建数字孪生模型。
[0029]进一步的，所述对不同工况进行仿真，获得三维特征数据具体包括：
[0030]选取触头松动、接触电阻增大常见故障类型对开关站触点的温度进行电热结构耦合有限元仿真；根据多物理场耦合分析的计算结果，得到不同工况下梅花触点在额定电流和短路电流下的温度分布，获得三维特征数据。
[0031]进一步的，所述三维特征数据转化处理具体包括：
[0032]数据转化：将三维的温度数据转换为二维温度数据；将三维的温度数据转化为二维的热力图，投影到轴线所在平面，将三维点云以轴线所在的平面分割，将点云以平面为基准的高度信息抹去，投影到平面上，得到一个二维平面上的点阵；
[0033]数据补齐：构建一个自定义分辨率的函数，将点阵以分辨率为两个基准的矩阵分类到每一个矩阵格子中，再取每个格子中所有点的温度均值作为矩阵元素的温度，获得一个像素化的热力图矩阵，具体计算公式如下：
[0034]输入n个插值节点：x1<x2<
…
<x
n
，对应函数值y1，y2，
…
，y
n
，待求插值点为x0；
[0035]计算h
j
＝x
j+1
‑
x
j
(j＝1,2,
…
n
‑
1)
[0036]计算
[0037]计算
[0038]求解方程组：
[0039]带入插值函数求解插值：
[0040][0041]从第一个有效值点到最后一个有效值点计算样条插值函数，补齐一整行的温度，再做每一列的样条插值补齐，最后获得完整的热力图矩阵图像。
[0042]进一步的，所述卷积神经网络算法训练具体包括：
[0043]选择卷积神经网络来进行异常状态检测；设置InceptionNet模块，封装多个大小的卷积核同时学习图像特征，用1*1卷积核、3*3卷积核、5*5卷积核、池化后的1*1卷积核，四种卷积核分支组建构成四条卷积路线并封装在InceptionNet模块中以供CNN调用；卷积神经网络经过卷积、池化等操作将图片的信息展开成最后的全连接层并进行预测分类；
[0044]优化器选用Adam优化器；
[0045]将仿真温度三维特征数据经过数据处理变成热力图矩阵再送入卷积神经网络进行学习，再用正常运行数据与故障数据对卷积神经网络进行训练；
[0046]最终获得训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型。
[0047]第二方面，本专利技术提供一种开关柜梅花触头故障诊断系统，包括：
[0048]物理三维模型及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，包括：S1：建立物理三维模型和数学模型，物理三维模型具体为梅花触头三维结构模型，数学模型具体为温度
‑
磁场耦合数学模型；S2：根据梅花触头三维结构模型和温度
‑
磁场耦合数学模型构建数字孪生模型，对不同工况进行仿真，获得三维特征数据；S3：对三维特征数据进行转化处理，进行卷积神经网络算法训练，获得训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型；S4：将实际故障数据输入训练好的基于卷积神经网络算法的故障模型，输出故障诊断结果。2.根据权利要求1所述的一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，所述梅花触头三维结构模型的建立方法为：应用ANSYS软件进行有限元建模，根据梅花触点的结构参数构建梅花触头三维结构模型。3.根据权利要求1所述的一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，所述温度
‑
磁场耦合数学模型的建立方法为：建立温度
‑
磁场耦合数学模型，计算梅花触头产热率；梅花触头的热传导方程为：其中：ρ是导体密度，单位为g/cm3；C
p
是导体的比热容，单位为J/(kg
·
K)；T是温度，单位为℃；t是模拟时间，单位为s；λ是导体的热导率，单位为W/(m
·
K)；Q是内部热源；对流换热系数a为：其中：a是对流传热系数，单位为W/(m2·
K)；λ是导体的热导率，单位为W/(m
·
K)；L是表面特征尺度，单位为m；ΔT是触摸手指与空气的温差，单位为℃；辐射面传热系数α
r
为：α
r
＝εδ
b
T4其中：α
r
是辐射面传热系数，单位为W/(m2·
K)；ε是导体杆面梅花触头的等效发射率；δ
b
是玻尔兹曼常数，单位为J/K；T是温度，单位为℃；导体的产热率如下：其中：Q是产热率；单位是w/m3，I是电流，单位为A；R是电阻，单位为Ω，V是体积，单位是m3。4.根据权利要求1所述的一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，所述数字孪生模型的构建方法为：应用ANSYS软件电磁仿真模块、热仿真模块和结构场仿真模块开展电
‑
热结构耦合仿
真，根据构建梅花触头三维结构模型和温度
‑
磁场耦合数学模型构建数字孪生模型。5.根据权利要求1所述的一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，所述对不同工况进行仿真，获得三维特征数据具体包括：选取触头松动、接触电阻增大常见故障类型对开关站触点的温度进行电热结构耦合有限元仿真；根据多物理场耦合分析的计算结果，得到不同工况下梅花触点在额定电流和短路电流下的温度分布，获得三维特征数据。6.根据权利要求1所述的一种开关柜梅花触头故障诊断方法，其特征在于，所述三维特征数据转化处理具体包括：数据转化：将三维的温度数据转换为二维温度数据；将三维的温度数据转化为二维的热力图...

【专利技术属性】
技术研发人员：林栋，张轩瑜，宋鹏，李国强，刘利则，张铭，谷哲飞，冯楠，梁惠施，贡晓旭，周奎，林俊，郝城，
申请(专利权)人：国家电网有限公司清华四川能源互联网研究院，
类型：发明
国别省市：