第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
电力资源，因其能够转化成其他形式的资源，被全球广泛应用到各个行业中，它可以转化成机械能、热能等形式，而且相对清洁，已经成为社会重要的资源，在我国国民经济中占有重要的地位。
国家能源局发布 2018 年全国电力工业统计数据表明，2018 年全国社会用电量为 68449 亿千瓦时，累计增长 8.5 个百分点，第一产业用电量为 728 亿千瓦时，第二产业用电量为亿 47235 亿千瓦时，第三产业用电量为 10801 亿千瓦时，城乡居民生活用电量为 9685 亿千瓦时。随着用电量不断增长，与电力行业相关的电力设备数量也在不断增长，相应产生的电力故障也会增加。
电力资源，因其能够转化成其他形式的资源，被全球广泛应用到各个行业中，它可以转化成机械能、热能等形式，而且相对清洁，已经成为社会重要的资源，在我国国民经济中占有重要的地位。
国家能源局发布 2018 年全国电力工业统计数据表明，2018 年全国社会用电量为 68449 亿千瓦时，累计增长 8.5 个百分点，第一产业用电量为 728 亿千瓦时，第二产业用电量为亿 47235 亿千瓦时，第三产业用电量为 10801 亿千瓦时，城乡居民生活用电量为 9685 亿千瓦时。随着用电量不断增长，与电力行业相关的电力设备数量也在不断增长，相应产生的电力故障也会增加。
《中国科学技术指南》中提出的电力能源领域发展的战略目标是“提高供电可靠性、质量和经济性，建立设备和电网故障诊断和监测系统，改进输电在线监测技术、城市输电技术” [1]。高压断路器是电力系统中的重要电气设备，起着控制和保护作用，其状态的好坏决定了电网的性能。它可以在系统出现故障时将线路切除，对整个系统进行保护。
可见，高压断路器对电力系统的重要性不言而喻。当高压断路器失效时，它会影响到它保护的设备和线路，会给整个电网带来不可估计的损失，同时也会给不同企业带来巨大经济损失。
1.2 研究现状
早在一百多年前，许多外国学者开始对高压断路器的故障诊断进行研究，到目前为止，关于断路器故障诊断的方法有许多，文献 2 中提出的方法是基于变分模态分解和多层分类器的高压断路器机械故障诊断[2]，文献 3 中提出了高压断路器混合故障在线诊断方法[3]，文献 4 是将小波变换理论应用到高压断路器故障诊断中[4]，文献 5 提出将信号分解算法（变分模态分解 VMD）与能量熵相结合构造特征向量，并利用量子粒子群改进 VMD 参数设置方式，优化模态个数 K 与惩罚因子α的取值问题[5]，文献 6 提出了一种基于模糊理论的断路器故障特征提取算法，获得了故障与特征量变化的对应关系，实现对故障的区分、归类并达到辨识的目的，为高压断路器故障诊断及寿命评估提供了依据[6]。
在早期，我国电力设备检修基本上采用定期大修方式。定期大修又称预防性大修或预定大修，根据设备性能和维修经验来确定维修时间和维修对象[7]。即使设备没有发生故障，只要设备运行指定的时间段，设备就必须断电。可以说，预防性大修是我国电力设备的安全运行的重要组成部分。
电力设备在运行服役期间，可以用“浴盆曲线”说明每个时期的发生故障的情况[4]，如图 1 所示。
............................
第 2 章 高压断路器及在线故障诊断方法的研究
2.1 高压断路器简介
高压断路器，又称高压开关，它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用[10]。
2.1.1 高压断路器的基本作用
额定电压高于 3kv 的断路器称为高压断路器。 高压断路器具有控制和保护两大功能。控制功能可以将部分设备和线路退出或上线运行。保护作用可以将故障部分退出系统，保障了其它正常部分的运行。
2.1.2 高压断路器的种类
通常人们根据灭弧介质的不同，将断路器分为油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6 断路器。
2.1.3 高压断路器的结构
高压断路器的主要结构如图 2 所示。
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第 3 章 物联网通信技术方案 .................................... 12早在一百多年前，许多外国学者开始对高压断路器的故障诊断进行研究，到目前为止，关于断路器故障诊断的方法有许多，文献 2 中提出的方法是基于变分模态分解和多层分类器的高压断路器机械故障诊断[2]，文献 3 中提出了高压断路器混合故障在线诊断方法[3]，文献 4 是将小波变换理论应用到高压断路器故障诊断中[4]，文献 5 提出将信号分解算法（变分模态分解 VMD）与能量熵相结合构造特征向量，并利用量子粒子群改进 VMD 参数设置方式，优化模态个数 K 与惩罚因子α的取值问题[5]，文献 6 提出了一种基于模糊理论的断路器故障特征提取算法，获得了故障与特征量变化的对应关系，实现对故障的区分、归类并达到辨识的目的，为高压断路器故障诊断及寿命评估提供了依据[6]。
在早期，我国电力设备检修基本上采用定期大修方式。定期大修又称预防性大修或预定大修，根据设备性能和维修经验来确定维修时间和维修对象[7]。即使设备没有发生故障，只要设备运行指定的时间段，设备就必须断电。可以说，预防性大修是我国电力设备的安全运行的重要组成部分。
电力设备在运行服役期间，可以用“浴盆曲线”说明每个时期的发生故障的情况[4]，如图 1 所示。
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第 2 章 高压断路器及在线故障诊断方法的研究
2.1 高压断路器简介
高压断路器，又称高压开关，它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用[10]。
2.1.1 高压断路器的基本作用
额定电压高于 3kv 的断路器称为高压断路器。 高压断路器具有控制和保护两大功能。控制功能可以将部分设备和线路退出或上线运行。保护作用可以将故障部分退出系统，保障了其它正常部分的运行。
2.1.2 高压断路器的种类
通常人们根据灭弧介质的不同，将断路器分为油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6 断路器。
2.1.3 高压断路器的结构
高压断路器的主要结构如图 2 所示。
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2.2 高压断路器的故障分析
关于高压断路器的故障，从以下几个方面进行分析。
2.2.1 绝缘故障
大多数高压断路器故障发生都是由绝缘问题引起的，因为电气绝缘会随着电气设备的使用期增加而老化，使绝缘性能降低。一般包括内绝缘故障、外绝缘故障和相间绝缘故障三种[4]。
1）内绝缘故障：主要指设备工作一段时间后，受操作力和外力的影响，造成内部有脱落物放电所致，或者由于一些金属颗粒脱落引起内部放电所致。
2）外绝缘故障：主要是由于材料质量问题导致绝缘性能差所引发的故障。
3）相间绝缘故障：为了防止短路的产生，使用绝缘材料对导线接触点进行隔离，这些绝缘材料就是相间绝缘[11]。由于相间绝缘过热或机械碰伤而造成的故障，被称之为相间绝缘故障。
关于高压断路器的故障，从以下几个方面进行分析。
2.2.1 绝缘故障
大多数高压断路器故障发生都是由绝缘问题引起的，因为电气绝缘会随着电气设备的使用期增加而老化，使绝缘性能降低。一般包括内绝缘故障、外绝缘故障和相间绝缘故障三种[4]。
1）内绝缘故障：主要指设备工作一段时间后，受操作力和外力的影响，造成内部有脱落物放电所致，或者由于一些金属颗粒脱落引起内部放电所致。
2）外绝缘故障：主要是由于材料质量问题导致绝缘性能差所引发的故障。
3）相间绝缘故障：为了防止短路的产生，使用绝缘材料对导线接触点进行隔离，这些绝缘材料就是相间绝缘[11]。由于相间绝缘过热或机械碰伤而造成的故障，被称之为相间绝缘故障。
2.2.2 拒动故障
根据操作方式的不同，拒动故障可分为三种类型：拒绝合闸故障、拒绝分闸故障和拒绝跳闸故障。我们从电气和机械两方面说明造成拒动的原因。
1）电气方面：主要是由于电气电路或二次回路故障造成。比如：分合线圈烧蚀、分闸回路电阻烧蚀、熔丝烧蚀等。
2）机械方面：主要是由于传动系统的某些部件或操动机构某些部件出了故障。比如：部件老化、变形，铁芯松动等。
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根据操作方式的不同，拒动故障可分为三种类型：拒绝合闸故障、拒绝分闸故障和拒绝跳闸故障。我们从电气和机械两方面说明造成拒动的原因。
1）电气方面：主要是由于电气电路或二次回路故障造成。比如：分合线圈烧蚀、分闸回路电阻烧蚀、熔丝烧蚀等。
2）机械方面：主要是由于传动系统的某些部件或操动机构某些部件出了故障。比如：部件老化、变形，铁芯松动等。
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3.1 物联网定义 ......................... 12
3.2 无线移动通信技术 ....................... 12
第 4 章 在线故障诊断实验平台的搭建 ................................... 19
4.1 故障诊断简介 ................................ 19
4.1.1 什么是故障诊断 ........................... 19
4.1.2 故障诊断的几种方法 .......................... 19
第 5 章 高压断路器故障诊断系统的研究与开发 ............................... 37
5.1 上位机软件的开发与实现 ....................................... 37
5.1.1 LabVIEW 应用程序介绍................................ 37
5.1.2 软件的开发与实现 ................................... 38
第 5 章 高压断路器故障诊断系统的研究与开发
5.1 上位机软件的开发与实现
利用 Lab VIEW 开发一套实现高压断路器故障诊断功能的应用程序。
5.1.1 LabVIEW 应用程序介绍
虚拟仪器是计算机技术与仪器技术相结合的产物。其功能如图 23 所示。
虚拟仪器能为用户提供友好的用户界面，具有很高的性能，扩展灵活性，而且能够兼容很多设备。
LabVIEW 的英文全称是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即实验室虚拟仪器集成平台。是由美国国家仪器 NI 公司推出的一种图形化程序编译平台[40]。LabVIEW 与其他语言最大的区别就是完全采用图形化界面，不需要编写任何源代码，LabVIEW 以其简单易懂的开发界面、丰富灵活的数据处理函数、天然的并行多线程等优势[41]，极大的缩短了开发的速度,提升了后续系统升级维护的便利。
LabVIEW 的英文全称是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，即实验室虚拟仪器集成平台。是由美国国家仪器 NI 公司推出的一种图形化程序编译平台[40]。LabVIEW 与其他语言最大的区别就是完全采用图形化界面，不需要编写任何源代码，LabVIEW 以其简单易懂的开发界面、丰富灵活的数据处理函数、天然的并行多线程等优势[41]，极大的缩短了开发的速度,提升了后续系统升级维护的便利。
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结论
基于物联网的高压断路器故障诊断系统可以对不同站点的多台设备进行实时在线监测，第一时间发现故障，提高设备的整体运行状态，通过对波形分析与对比来确定设备是否出现故障，为今后对设备的维护带来很大的便利，提高了设备的使用率，也减少了维修成本，这对于提高整个供电系统的可靠性有很大参考价值。系统开发完成，已经应用到全国不同地区，取得了良好的效果。
主要结论如下：
1）针对我国对高压断路器采取定期维修的现状，提出了基于物联网的高压断路器故障诊断系统的设计思想、设计理念、开发过程和优势。
2）系统在硬件方面的设计，选取适合的传感器对数据进行变送，选取适合的采集卡对数据进行采集，选取适合的 GPRS 模块对数据时行传输。
3）系统在软件方面的设计，利用 Lab VIEW 实验平台开发故障诊断系统，该系统依据诊断算法和故障诊断原理实现对高压断路器的故障诊断。
4）通过实际的测试，验证了该故障诊断系统的功能和性能。 本文所开发的高压断路故障诊断系统具有一定的局限性，对监测的故障类型也有局限性，并不能对所有故障进行全部监测，尤其目前专家系统、神经网络、模糊逻辑和人工智能等高级先进理论发展迅速，对高压断路器运行状态进行准确识别不再是梦想，我们还要从这几方面理论深入研究如何实现对高压断路器的状态在线实时监测，争取使该系统的功能更加完善。
参考文献（略）
结论
基于物联网的高压断路器故障诊断系统可以对不同站点的多台设备进行实时在线监测，第一时间发现故障，提高设备的整体运行状态，通过对波形分析与对比来确定设备是否出现故障，为今后对设备的维护带来很大的便利，提高了设备的使用率，也减少了维修成本，这对于提高整个供电系统的可靠性有很大参考价值。系统开发完成，已经应用到全国不同地区，取得了良好的效果。
主要结论如下：
1）针对我国对高压断路器采取定期维修的现状，提出了基于物联网的高压断路器故障诊断系统的设计思想、设计理念、开发过程和优势。
2）系统在硬件方面的设计，选取适合的传感器对数据进行变送，选取适合的采集卡对数据进行采集，选取适合的 GPRS 模块对数据时行传输。
3）系统在软件方面的设计，利用 Lab VIEW 实验平台开发故障诊断系统，该系统依据诊断算法和故障诊断原理实现对高压断路器的故障诊断。
4）通过实际的测试，验证了该故障诊断系统的功能和性能。 本文所开发的高压断路故障诊断系统具有一定的局限性，对监测的故障类型也有局限性，并不能对所有故障进行全部监测，尤其目前专家系统、神经网络、模糊逻辑和人工智能等高级先进理论发展迅速，对高压断路器运行状态进行准确识别不再是梦想，我们还要从这几方面理论深入研究如何实现对高压断路器的状态在线实时监测，争取使该系统的功能更加完善。
参考文献（略）