一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法与流程

1.本发明属于电能表检测技术领域，尤其涉及一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法。


背景技术：

2.电能表内置继电器是费控智能电能表的核心控制部件，电网管理员通过它才能对用户进行催费预警、远程拉合闸等控制，其可靠性直接决定了用户的安全顺利用电，乃至整个配电网络的可靠运行，所以加强其可靠性寿命检测就十分重要。
3.退化数据的获取是计算电能表内置继电器可靠性及寿命预计的基本参数，而退化数据主要包括燃弧时间、弹跳时间和燃弧能量等数据。现有技术中针对电能表内置继电器退化数据的获取方式大多是通过将电能表内置继电器作为一个部件独立出来或从电能表内部拆卸出来进行测试，而不是将电能表作为一个整体进行电能表内置继电器的可靠性相关试验数据的采集，如通过测量线圈电压以计算超程时间，但测量线圈电压，必须拆卸继电器的外保护壳。电能表内部包含了繁而多的电子元器件，若将内置继电器从电能表上拆卸下来进行可靠性寿命试验参数的测量和研究，无法还原或替代电能表在实际使用环境下的内置继电器的退化过程，从而造成在计算电能表内置继电器的可靠性寿命预计时会产生较大误差。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法，以解决上述的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法的具体技术方案如下：
6.一种电能表内置继电器使用寿命检测装置，包括上位机、可程控电源、电能表、测量采样电路和示波器，所述上位机与可程控电源连接，所述可程控电源连接电能表电压回路和电能表电流回路；所述电能表电流回路连接测量采样电路；所述测量采样电路连接示波器；所述上位机与示波器和电能表连接；所述上位机通过程序控制可程控电源调节输出目标电压值、电流值以及对应的功率因素；所述上位机通过程序控制电能表内置继电器的通断；所述测量采样电路一路测量电流回路中的电流值将其转换输出电压波形，另外一路测量电流回路中的电压值输出电压波形，并将两路电压输出波形分别与示波器信号第一输入端和信号第二输入端相连；所述上位机读取示波器的两路电压波形，并将读取到的波形保存到上位机中，所述上位机基于波形数据，控制调整示波器坐标轴；所述上位机将采集的波形数据导出并保存到本地。
7.进一步的，所述测量采样电路包括锰铜分流器、触点差分电流测量模块、分压模块和触点电压差分测量模块；所述可程控电源的电流线接入电能表的电流进线端，所述电能表的电流出线端经锰铜分流器与触点差分电流测量模块相连，所述触点差分电流测量模块
的输出端与示波器信号第一输入端相连；所述电能表电流输出线经分压模块与触点电压差分测量模块相连，其输出端与示波器信号第二输入端相连。
8.进一步的，所述测量采样电路包括互感器、分压模块和触点电压差分测量模块；所述互感器二次输出连接示波器信号第一输入端，作为电流测量；所述电能表的电流输出线经分压模块与触点电压差分测量模块相连，其输出端与示波器信号第二输入端相连，作为电能表的电流输出线与地之间的电压测量。
9.本发明还公开了一种电能表内置继电器使用寿命检测方法，包括如下步骤：
10.步骤1：提取电能表内置继电器退化参数；
11.燃弧能量通过电弧电压与电流的乘积对燃弧时间进行积分求得，因此分断一次电弧的燃弧能量q：
[0012][0013]
式中，i(t)为测量采样电路测得的接触器触头两端的电流，u(t)为测量采样电路测得的触头两端的电压，t1时刻为起弧时刻，t2为电弧熄灭时刻；
[0014]
步骤1.1：燃弧能量提取；
[0015]
采用复合辛普森公式计算燃弧能量；
[0016]
步骤1.2：弹跳时间提取；
[0017]
步骤2：波形数据提取；
[0018]
粗调、细调目标波形数据，分离出有效波形数据，并计算出燃弧能量与弹跳时间。
[0019]
进一步地，所述步骤1.1包括如下具体步骤：
[0020]
步骤1.1.1：确定触点电压从0v开始升高的时间点为t1；
[0021]
步骤1.1.2：确定触点电流值过零点的时间点为t3；
[0022]
步骤1.1.3：在(t1，t3)范围内确定电流波形与电压波形相交的时间节点t2；
[0023]
步骤1.1.4：计算燃弧时间为tr＝t2-t1；
[0024]
步骤1.1.5：记录(t2-t1)范围内的各点燃弧功率值为f(t)＝u(t)i(t)；
[0025]
步骤1.1.6：计算出燃弧能量q；
[0026]
燃弧能量计算采用复合辛普森公式，具体形式如下：
[0027]
将[t1,t2]分成12等分：
[0028][0029]
其中h＝t2-t1；f(tk)＝u(tk)i(tk)。
[0030]
进一步地，所述步骤1.2包括如下具体步骤：
[0031]
步骤1.2.1：提取每一次闭合时的电压波形；
[0032]
步骤1.2.2：查找电压从0v升高时的起始时间，并记为t0；
[0033]
步骤1.2.3：判断电压值是否达到弹跳结束时的电压限值：否则重复步骤1.2.3，是则进入步骤1.2.4；
[0034]
步骤1.2.4：确定弹跳结束时间te；
[0035]
步骤1.2.5：计算弹跳时间t1＝te-t0。
[0036]
进一步地，所述步骤2包括如下具体步骤：
[0037]
步骤2.1：提取目标波形；
[0038]
步骤2.1.1：利用经验公式粗定位目标波形坐标；
[0039]
步骤2.1.2：将目标波形转化为方波；
[0040]
步骤2.1.3：判断是否具有波形边缘特征；是则进入步骤2.1.4；
[0041]
步骤2.1.4：记录目标波形数据。
[0042]
进一步地，所述步骤2.1.1包括如下具体步骤：
[0043]
步骤2.1.1.1：读取第一个上升沿出现的时间点对应示波器坐标轴上的第n个点；
[0044]
步骤2.1.1.2：通过上位机的程序控制将波形移到示波器显示器中央，记录需要平移的距离l；
[0045]
步骤2.1.1.3：使用最小二乘法建立n与l之间的关系，获得经验公式。
[0046]
进一步地，所述步骤2.1.2包括如下具体步骤：
[0047]
步骤2.1.2.1：将目标波形转化为方波；将大于0.9倍开路电压的电压转化为幅值为1的方波，其他值变为幅值为0；
[0048]
步骤2.1.2.2：读取高电平的数量，记为ga；
[0049]
步骤2.1.2.3：检测高电平数量是否大于等于(ga n),否则上位机通过程序自动调整示波器内波形左移，直到不再出现突变波形，或到达调整阈值tn。
[0050]
进一步地，所述步骤2.1.3包括如下具体步骤：
[0051]
步骤2.1.3.1：将目标波形转换为幅值为0或1的方波；
[0052]
步骤2.1.3.2：判断当前电压波形的幅值是否为0，且下一个时间点的电压波形数据是否为1；否则读取下一组数据；是则进入步骤2.1.3.3；
[0053]
步骤2.1.3.3：确定为具有边缘特征的目标波形。
[0054]
本发明的一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法具有以下优点：本发明的电能表内置继电器使用寿命检测装置只需与电能表连接即可获取内置继电器的电流电压信息，并通过测量采样电路采集的信息计算继电器的燃弧时间、弹跳时间和燃弧能量，通过对波形的粗调和细调在节省资源的情况下有效提取出目标波形，实现了不破坏电能表铅封外壳的情况下，获取内置继电器的退化数据用以分析其可靠性的功能。
附图说明
[0055]
图1为本发明的电能表内置继电器使用寿命检测装置模块框图；
[0056]
图2为本发明的实施例一测量采样电路原理图；
[0057]
图3为本发明的实施例二测量采样电路的互感器原理图；
[0058]
图4为本发明的燃弧能量提取方法流程图；
[0059]
图5为本发明的弹跳时间提取方法流程图；
[0060]
图6为本发明的波形提取方法流程图；
[0061]
图7为本发明的波形细调方法流程图；
[0062]
图8为本发明的边缘判断方法流程图。
具体实施方式
[0063]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种电能表内置继电器使用寿命检测装置及方法做进一步详细的描述。
[0064]
如图1所示，本发明的电能表内置继电器使用寿命检测装置，包括上位机、可程控电源、电能表、测量采样电路和示波器，上位机通过串口通信线与可程控电源连接，可程控电源通过电压线连接电能表电压回路、通过电流线连接电能表电流回路；电能表电流回路连接到测量采样电路中；测量采样电路与示波器连接；上位机通过串口通信线与示波器和电能表连接。上位机通过程序控制可程控电源调节输出目标电压值、电流值以及对应的功率因素；上位机通过程序控制电能表内置继电器的通断，具体包括接通次数、接通时间、断开次数、断开时间等参数；测量采样电路一路测量电流回路中的电流值将其转换输出电压波形，另外一路测量电流回路中的电压值输出电压波形，并将两路电压输出波形分别与示波器信号第一输入端和信号第二输入端相连；上位机通过串口通信读取示波器的两路电压波形，并将读取到的波形保存到上位机中，上位机基于波形数据，控制调整示波器坐标轴，减少不必要的波形输入；上位机将采集的波形数据以excel的形式导出并保存到本地。
[0065]
测量采样电路实施例一：
[0066]
如图2所示，测量采样电路包括锰铜分流器、触点差分电流测量模块、分压模块和触点电压差分测量模块。
[0067]
可程控电源的电流线接入电能表的电流进线端，电能表的电流出线端经锰铜分流器与触点差分电流测量模块相连，触点差分电流测量模块的输出端与示波器信号第一输入端相连，此部分主要是为了使用示波器读取电能表电流线路的电流波形和数据。
[0068]
电能表电流输出线经分压模块与触点电压差分测量模块相连，其输出端与示波器信号第二输入端相连，此部分主要是为了使用示波器读取电能表电流输出线与地之间的电压波形数据。
[0069]
测量采样电路的输入端采用差分电路，有效地防止在使用示波器读取测试数据时，火零线短接，烧坏电路。且整个测量采样电路具有强大的抗干扰能力，减少了外界因素的影响。
[0070]
测量采样电路包括滤波器，滤波器拓扑结构选用sallen-key，其输入阻抗较高，在低增益情况下精度高。考虑到继电器通断信号频率只有50hz，而杂波频率具有1khz以上，通频带较广，增益不需要太高，所以选择sallen-key的拓扑结构来设计滤波器。
[0071]
示波器的滤波器类型选用了巴特沃斯滤波器(butterworth filter)，也被称作最大平坦滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。
[0072]
通过使用基于sallen-key拓扑结构的无增益butterworth低通滤波器成功滤除了电源产生的高频谐波，修正了畸变波形，使其变成了正常的正弦波。可以更好的获取数据。
[0073]
测量采样电路实施例二：
[0074]
如图3所示，测量采样电路包括互感器、分压模块和触点电压差分测量模块。
[0075]
互感器二次输出连接示波器信号第一输入端，作为电流测量；电能表的电流输出线经实施例一中所述的分压模块与触点电压差分测量模块相连，其输出端与示波器信号第二输入端相连，作为电能表的电流输出线与地之间的电压测量。
[0076]
本发明的一种电能表内置继电器使用寿命检测方法，包括如下步骤：
[0077]
步骤1：提取电能表内置继电器退化参数；
[0078]
电能表内置继电器退化参数主要是指燃弧时间、弹跳时间和燃弧能量。具体说明如下：
[0079]
电能表内置继电器在长时间的使用磨损过程中，随着通断动作次数增加，触点间隙不断增大，会使触点超程减小，导致在触点分断时由静触点提供的机械反力减小，从而降低动触点的分断速度，继而延长触点的燃弧时间并增强对应的燃弧能量。
[0080]
电弧对继电器触头的侵蚀机理是电弧的高温作用熔解了触头表面的材料，电弧等离子从表面带走了熔融液滴并蒸发了一些基体，造成了触头材料的不断损失。在触头磨损机理不变的情况下，燃弧能量越大，产生的热量、电弧等离子以及热熔解的触头材料也越多，从而带走更多的触头材料，触头的质量损失也越大。除此之外，交流接触器的触头在接通分断过程中，触头表面会重复地承受轻微的撞击力，使得触头会承受一个垂直冲击力方向的伸展力，造成了触头表面变形、产生裂缝，从而引起弹跳现象出现频率增加。
[0081]
燃弧能量是触头在接通分断电流时产生的放电现象，是电器电寿命研究的重要参量。随着燃弧能量增长，对触头的侵蚀也就越严重。许多文献表明，电器触点材料的电侵蚀量与触点通断时触点间产生的燃弧能量成正比，它是反映电弧能量以及触头表面烧蚀情况的重要参数。燃弧能量指的是电弧燃弧期间所释放的能量，其值可以通过电弧电压与电流的乘积对燃弧时间进行积分求得，因此分断一次电弧的燃弧能量q：
[0082][0083]
式中，i(t)为测量采样电路测得的接触器触头两端的电流，u(t)为测量采样电路测得的触头两端的电压，t1时刻为起弧时刻，t2为电弧熄灭时刻。
[0084]
步骤1.1：燃弧能量提取；
[0085]
如图4所示，燃弧能量提取包括如下具体步骤：
[0086]
步骤1.1.1：确定触点电压从0v开始升高的时间点为t1；
[0087]
步骤1.1.2：确定触点电流值过零点(从试验电流值降为0a或从0a升高为试验电流值)的时间点为t3；
[0088]
步骤1.1.3：在(t1，t3)范围内确定电流波形与电压波形相交的时间节点t2；
[0089]
步骤1.1.4：计算燃弧时间为tr＝t2-t1；
[0090]
步骤1.1.5：记录(t2-t1)范围内的各点燃弧功率值为f(t)＝u(t)i(t)；
[0091]
步骤1.1.6：计算出燃弧能量q；
[0092]
燃弧能量在软件中的算法是采用复合辛普森公式，具体形式如下：
[0093]
将[t1,t2]分成12等分：
[0094][0095]
其中h＝t
2-t1；f(tk)＝u(tk)i(tk)。
[0096]
步骤1.2：弹跳时间提取；
[0097]
电能表内置继电器在通电闭合时，由于闭合时会发生动触点和动合触点的碰撞，从而使触头间会产生物理弹跳的现象。弹跳有可能会引起电弧的重燃，引起触头的融焊，加重触头的烧损，从而降低继电器的电寿命。因此触头弹跳也是影响继电器寿命的一个重要参量，具体由弹跳时间量化表述。
[0098]
弹跳时间是指动触点和动合触点第一次闭合到动触点弹跳结束(即完全闭合)的时间。当弹跳的触点电压不小于开路电压的90％，且脉宽不能小于10μs时，可认为弹跳结束并记录每一次的弹跳时间。而弹跳的触点电压是指电能表电流输出端与地之间的电压值，可由示波器读取。
[0099]
如图5所示，弹跳时间提取包括如下具体步骤：
[0100]
步骤1.2.1：提取每一次闭合时的电压波形；
[0101]
步骤1.2.2：查找电压从0v升高时的起始时间，并记为t0；
[0102]
步骤1.2.3：判断电压值是否达到弹跳结束时的电压限值：否则重复步骤1.2.3，是则进入步骤1.2.4；
[0103]
步骤1.2.4：确定弹跳结束时间te；
[0104]
步骤1.2.5：计算弹跳时间t1＝te-t0。
[0105]
步骤2：波形数据提取；
[0106]
电网中的电压波形为50hz正弦波，就步骤1.2中所提取的每一次内置继电器通电闭合时的目标波形数据，常混杂在50hz正弦波中，我们需将其分离出来，才能有效利用并计算出燃弧能量与弹跳时间。
[0107]
如图6所示，针对每一次电能表内置继电器通电闭合时的波形数据提取，具体的步骤如下：
[0108]
步骤2.1：提取目标波形；
[0109]
步骤2.1.1：利用经验公式粗定位目标波形坐标；
[0110]
在用示波器采集目标波形时，由于目标波形是随机出现在示波器的时间轴上，若示波器采集频率过快或将试验过程中的全部波形完整读取出来，数据量较大，容易堵塞通信通道，会影响计算机运算能力和处理数据的效率，导致后续每一次继电器通断的目标波形无法正常提取。因此通过上位机的程序控制实现对示波器的显示控制，自动调整示波器采集频率和读取范围，有效提取每一次目标波形。
[0111]
首先，通过软件进行粗调，获得一个合适的采集频率，具体步骤如下：
[0112]
步骤2.1.1.1：读取第一个上升沿出现的时间点对应示波器坐标轴上的第n个点。
[0113]
步骤2.1.1.2：通过上位机控制程序将波形移到示波器显示器中央，记录需要平移的距离l。
[0114]
步骤2.1.1.3：使用最小二乘法建立n与l之间的关系，获得经验公式。
[0115]
步骤2.1.2：将目标波形转化为方波；
[0116]
由于继电器开合产生的波形每次不一定一致，一般会存在脉宽不一样的情况，因此可能存在有部分波形没显示在示波器中央，导致波形读取不完全，所以需要进一步细调进行优化。
[0117]
如图7所示，具体细调的方法如下：
[0118]
步骤2.1.2.1：将目标波形转化为方波；由于已经过粗调确定了采样频率，此时可
转换成方波的波形全来源于突变波形。突变波形的数据即我们所需的燃弧能量和弹跳时间的数据。由于突变波形存在锯齿，不是一个恒定的电压值，因此将大于0.9倍开路电压的电压转化为幅值为1的方波，其他值变为幅值为0，以方便波形的提取。
[0119]
步骤2.1.2.2：读取高电平的数量，记为ga；目的是为了记录此时突变波形的数量，因可能有部分高电平数据没显示出来。
[0120]
步骤2.1.2.3：检测高电平数量是否大于等于(ga n),否则上位机通过程序自动调整示波器内波形左移，直到不再出现突变波形(最后一个突变波形之后的电压是一个斜率几乎为0的电压波形)，或到达调整阈值tn。
[0121]
参数n与th都可根据实际状况调整，n为粗调后突变波形未能显示在显示器中的数量，其数量的大小取决于示波器的分辨率。th取决于经验值，若想提高提取速度可设成一个较小值。
[0122]
步骤2.1.3：判断是否具有波形边缘特征；是则进入步骤2.1.4；
[0123]
如图8所示，目标波形边缘特征判断方法包括如下具体步骤：
[0124]
步骤2.1.3.1：将目标波形转换为幅值为0或1的方波；
[0125]
步骤2.1.3.2：判断当前电压波形的幅值是否为0，且下一个时间点的电压波形数据是否为1；否则读取下一组数据；是则进入步骤2.1.3.3；
[0126]
步骤2.1.3.3：确定为具有边缘特征的目标波形。
[0127]
步骤2.1.4：记录目标波形数据。
[0128]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。