CN111650501A - 一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，包括信号采集处理单元、控制显示单元、电源模块。信号采集处理单元用于采集继电器动作时产生的电磁信号并进行处理、运算、分析后输出包含评估出的继电器的老化状态的分析信号；控制显示单元用于依据分析信号而得出并显示继电器的老化状态信息；电源模块用于为信号采集处理单元、控制显示单元供电。信号采集处理单元包括依次连接的电磁信号采集模块、信号调理模块、信号放大模块、高速AD模块、分析运算模块。分析运算模块包括特征提取子模块和分类器子模块。控制显示单元包括控制模块和显示模块。本发明可实现对在役继电器老化状态的无损、在线评估，具有显著的经济效益和实用价值。

Description

一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置

技术领域

本发明属于继电器老化状态评估技术领域，具体涉及一种能够无损在线评估继电器老化状态的试验装置。

背景技术

继电器作为系统中完成电能分配、信号切换功能的开关器件，其可靠性与健康状态直接影响整个系统的性能和可靠性。尤其是关键位置处的继电器，不仅造价高昂而且一旦发生故障，将直接造成灾难性后果。

继电器在长期运行中，其组件在多种老化应力的作用下会发生老化降级。继电器老化相关的参数有两类，一类是继电器的运行工况参数（主要包括温度、湿度、振动以及化学参数），另一类是老化敏感参数，包括：接触电阻、线圈直流电阻、绝缘电阻、动作电压（电流）和返回电压（电流）、动作时间和返回时间以及回跳时间等。对于应用于不同环境下、有不同用途的继电器，其敏感参数可能略有不同。目前，继电器的运行工况参数可以进行实时在线监测，但是继电器的老化敏感参数尚无法实现在线监测，一般都是在停机断电时进行离线测量。

可见，现有的对继电器老化状态进行评估的方法、装置存在不便实施的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于实施，能够实现无损、在线评估继电器老化状态的试验装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，用于对继电器的老化状态进行评估，所述无损在线评估继电器老化状态的试验装置包括：

信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于采集所述继电器动作时产生的电磁信号，并对所采集的所述电磁信号进行处理、运算、分析后输出包含评估出的所述继电器的老化状态的分析信号；

控制显示单元，所述控制显示单元与所述信号采集处理单元相连接，所述控制显示单元用于依据所述分析信号而得出并显示所述继电器的老化状态信息；

电源模块，所述电源模块分别与所述信号采集处理单元、所述控制显示单元相连接并为它们供电。

所述信号采集处理单元包括：

电磁信号采集模块，所述电磁信号采集模块用于采集所述继电器动作时产生的电磁信号，并对所述电磁信号滤波去噪后输出采样信号；

信号调理模块，所述信号调理模块与所述电磁信号采集模块相连接，所述信号调理模块用于对所述采样信号进行调相和调阻抗后输出调理信号；

信号放大模块，所述信号放大模块与所述信号调理模块相连接，所述信号放大模块用于对所述调理信号进行放大后输出放大信号；

高速AD模块，所述高速AD模块与所述信号放大模块相连接，所述高速AD模块用于对所述放大信号进行AD转换后输出所述数字信号；

分析运算模块，所述分析运算模块与所述高速AD模块相连接，所述分析运算模块用于对所述数字信号进行分析运算而评估所述继电器的老化状态并依据评估结果输出所述分析信号；

所述分析运算模块包括：

特征提取子模块，所述特征提取子模块与所述高速AD模块相连接，所述特征提取子模块用于由所述数字信号中提取所述继电器对应的特征数据并输出包含所述特征数据的特征信号；

分类器子模块，所述分类器子模块与所述特征提取子模块相连接，训练好的所述分类器子模块的输入为所述继电器的特征数据，输出为所述继电器的老化状态类别，所述分类器用于根据所述特征信号进行评估并输出包含所述继电器的老化类别的所述分析信号。

所述控制显示单元包括：

控制模块，所述控制模块与所述信号采集处理单元相连接，所述控制模块用于依据所述分析信号得出所述继电器的老化状态结论并依据所述继电器的老化状态结论输出控制信号；

显示模块，所述显示模块与所述控制模块相连接，所述显示模块用于根据所述控制信号显示所述继电器的老化状态信息。

所述特征提取子模块由所述数字信号中提取所述继电器对应的特征数据的方法为：所述特征提取子模块先确定所述数字信号的峰值所在位置，再依据所述峰值所在位置截取若干个包含所述峰值的有效信号片段，然后分别提取各所述有效信号片段的均值、方差、均方差、峰值、峭度、裕度作为若干组所述继电器对应的特征数据。

训练所述分类器子模块的方法为：准备若干处于不同老化状态的继电器作为样本继电器，分别采集各所述样本继电器动作时产生的电磁信号作为样本信号，分别由各所述样本信号中提取对应的特征数据作为所述分类器子模块的若干组训练数据，利用各组所述训练数据训练所述分类器子模块以使所述分类器子模块输出各组所述训练数据对应的老化状态类别，从而得到训练好的所述分类器子模块。

所述分类器子模块采用BP神经网络。

所述继电器按照老化程度由轻到重分为四个老化状态类别，分别为正常、弱腐蚀、强腐蚀和损坏。

所述分析运算单元还包括将所述数字信号滤波后送入所述特征提取子模块的软件滤波模块。

当至少三个所述分析信号中所包含的所述继电器的老化类别相同时，所述控制模块得出所述继电器的老化状态结论并输出所述控制信号。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可实现对在役继电器老化状态的无损、在线评估，实施方便、结果可靠，具有显著的经济效益和实用价值。

附图说明

附图1为本发明的无损在线评估继电器老化状态的试验装置的示意图。

附图2为本发明的无损在线评估继电器老化状态的试验装置的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：继电器在动作时，线圈得电或失电、触点结合或分离，都向空间辐射或电路传导一系列电磁波，是电磁干扰的重要来源。这个电磁波是有规律的：首先，与继电器动作时序一致，反映了延时整定值、动作时间、释放时间等参数；其次，将该电磁波细分为线圈电磁波和触点电磁波，线圈电磁波可反映线圈绝缘老化状态、线圈阻抗，触点电磁波可反映触点接触状态、触点老化劣化状态等信息。

线圈绝缘不良、触点接触不良或触点老化的继电器，将在基础电磁波上叠加一系列高频杂波。因此，继电器动作电磁波是继电器机械、电气性能的综合表达，可视为继电器的“心电图”。通过检测继电器在不同老化阶段动作时的电磁信号，建立继电器基于电磁信号的老化数据模型，可实现在役继电器的老化状态在线监测。也就是说，继电器动作时的电磁信号是有规律的，继电器发生老化时电磁信号会发生不同程度的颤动或延时，这是本发明检测继电器老化状态的基础。

如附图1和附图2所示，一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，包括信号采集处理单元、控制显示单元和电源模块。信号采集处理单元用于采集继电器动作时产生的电磁信号，并对所采集的电磁信号进行处理、运算、分析后输出包含评估出的继电器的老化状态的分析信号。控制显示单元与信号采集处理单元相连接，控制显示单元用于依据分析信号而得出并显示继电器的老化状态信息。电源模块分别与信号采集处理单元、控制显示单元相连接并为它们供电，其采用AC-DC交流电源。

具体的，信号采集处理单元包括电磁信号采集模块、信号调理模块、信号放大模块、高速AD模块和分析运算模块。电磁信号采集模块尽可能近地设置在待评估的继电器的周边且不与该继电器接触，用于采集继电器动作时产生的电磁信号，并对电磁信号滤波去噪后输出采样信号。电磁信号采集模块的带宽范围是特定的，能够去除大部分继电器动作时的电磁信号中夹杂的环境噪声。电磁信号采集模块的带宽范围可根据待评估继电器的类别等进行设定。信号调理模块与电磁信号采集模块相连接，用于对采样信号进行调相和调阻抗后输出调理信号，使电路获得最大的传输功率。信号放大模块与信号调理模块相连接，用于对调理信号进行放大后输出放大信号。高速AD模块与信号放大模块相连接，用于对放大信号进行AD转换后输出数字信号。分析运算模块与高速AD模块相连接，用于对数字信号进行分析运算而评估继电器的老化状态并依据评估结果输出分析信号。本方案中高速AD模块的采样率为32MHz，每次采样时间持续1s，数据以8位整型存储，并通过UDP传输到PC进行处理分析。

分析运算模块主要包括特征提取子模块和分类器子模块。特征提取子模块与高速AD模块相连接，用于由数字信号中提取继电器对应的特征数据并输出包含特征数据的特征信号。分类器子模块与特征提取子模块相连接，训练好的分类器子模块的输入为继电器的特征数据，输出为继电器的老化状态类别，分类器用于根据特征信号进行评估并输出包含继电器的老化类别的分析信号。分析运算单元还可以包括软件滤波模块，其设置在电磁信号采集处理单元中的高速AD模块与特征提取子模块之间，用于将数字信号滤波后的搭配准确的继电器动作的电磁信号送入特征提取子模块。

在特征提取子模块中，其由数字信号中提取继电器对应的特征数据的方法为：特征提取子模块先通过差分阈值算法实现全自动地确定数字信号的峰值所在位置，根据统计分析，信号峰值所持续时间不超过10000个数据点；再依据峰值所在位置截取若干个包含峰值的有效信号片段用于后续分析，然后分别提取各有效信号片段的均值、方差、均方差、峰值、峭度、裕度等作为若干组继电器对应的特征数据，每组特征数据作为分类器子模块的输入。

对于分类器子模块，继电器按照老化程度由轻到重分为四个老化状态类别，分别为正常、弱腐蚀、强腐蚀和损坏，构成分类器子模块的四类输出。采用BP神经网络作为分类器，在使用前需对其进行训练。训练分类器子模块的方法为：准备大量处于不同老化状态的继电器作为样本继电器，分别采集各样本继电器动作时产生的电磁信号作为样本信号，分别由各样本信号中提取对应的特征数据（即上述均值、方差、均方差、峰值、峭度、裕度等）作为分类器子模块的若干组训练数据，依据这些训练数据可建立老化特征数据库，利用各组训练数据训练分类器子模块，经过若干次迭代优化，以使分类器子模块输出各组训练数据对应的老化状态类别，从而得到训练好的分类器子模块，将训练好的分类器模型保存。则在实际评估继电器时，可以将待评估继电器对应的特征数据与训练好的模型进行对比，从而得出继电器此时的老化状态。由于对待评估的继电器动作时的电磁信号截取了多段有效信号片段，因此依据每段有效信号片段均能得出一个该继电器的老化状态类别。

控制显示单元包括控制模块和显示模块。控制模块与信号采集处理单元中的分类器子模块相连接，用于依据分析信号得出继电器的老化状态结论并依据继电器的老化状态结论输出控制信号。当控制模块所接收的至少三个分析信号中所包含的继电器的老化类别相同时，控制模块得出继电器的老化状态结论并输出控制信号。显示模块与控制模块相连接，用于根据控制信号显示继电器的老化状态信息。

上述方案中，信号采集处理单元的电磁信号采集模块独立设置，而信号调理模块、信号放大模块、高速AD模块、分析运算模块与控制显示单元的控制模块以及电源单元集成在一个机箱中，控制显示单元的显示模块则设置在该机箱的一侧面上。

上述无损在线评估继电器老化状态的试验装置可以和接触电阻、线圈直流电阻、绝缘电阻、动作电压和返回电压等老化敏感参数的离线测量装置配合使用，是继电器的老化状态评估更为准确。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，用于对继电器的老化状态进行评估，其特征在于：所述无损在线评估继电器老化状态的试验装置包括：

信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于采集所述继电器动作时产生的电磁信号，并对所采集的所述电磁信号进行处理、运算、分析后输出包含评估出的所述继电器的老化状态的分析信号；

控制显示单元，所述控制显示单元与所述信号采集处理单元相连接，所述控制显示单元用于依据所述分析信号而得出并显示所述继电器的老化状态信息；

电源模块，所述电源模块分别与所述信号采集处理单元、所述控制显示单元相连接并为它们供电。

2.根据权利要求1所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述信号采集处理单元包括：

电磁信号采集模块，所述电磁信号采集模块用于采集所述继电器动作时产生的电磁信号，并对所述电磁信号滤波去噪后输出采样信号；

信号调理模块，所述信号调理模块与所述电磁信号采集模块相连接，所述信号调理模块用于对所述采样信号进行调相和调阻抗后输出调理信号；

信号放大模块，所述信号放大模块与所述信号调理模块相连接，所述信号放大模块用于对所述调理信号进行放大后输出放大信号；

高速AD模块，所述高速AD模块与所述信号放大模块相连接，所述高速AD模块用于对所述放大信号进行AD转换后输出所述数字信号；

分析运算模块，所述分析运算模块与所述高速AD模块相连接，所述分析运算模块用于对所述数字信号进行分析运算而评估所述继电器的老化状态并依据评估结果输出所述分析信号。

3.根据权利要求2所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述分析运算模块包括：

特征提取子模块，所述特征提取子模块与所述高速AD模块相连接，所述特征提取子模块用于由所述数字信号中提取所述继电器对应的特征数据并输出包含所述特征数据的特征信号；

分类器子模块，所述分类器子模块与所述特征提取子模块相连接，训练好的所述分类器子模块的输入为所述继电器的特征数据，输出为所述继电器的老化状态类别，所述分类器用于根据所述特征信号进行评估并输出包含所述继电器的老化类别的所述分析信号。

4.根据权利要求1所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述控制显示单元包括：

控制模块，所述控制模块与所述信号采集处理单元相连接，所述控制模块用于依据所述分析信号得出所述继电器的老化状态结论并依据所述继电器的老化状态结论输出控制信号；

显示模块，所述显示模块与所述控制模块相连接，所述显示模块用于根据所述控制信号显示所述继电器的老化状态信息。

5.根据权利要求3所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述特征提取子模块由所述数字信号中提取所述继电器对应的特征数据的方法为：所述特征提取子模块先确定所述数字信号的峰值所在位置，再依据所述峰值所在位置截取若干个包含所述峰值的有效信号片段，然后分别提取各所述有效信号片段的均值、方差、均方差、峰值、峭度、裕度作为若干组所述继电器对应的特征数据。

6.根据权利要求3所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：训练所述分类器子模块的方法为：准备若干处于不同老化状态的继电器作为样本继电器，分别采集各所述样本继电器动作时产生的电磁信号作为样本信号，分别由各所述样本信号中提取对应的特征数据作为所述分类器子模块的若干组训练数据，利用各组所述训练数据训练所述分类器子模块以使所述分类器子模块输出各组所述训练数据对应的老化状态类别，从而得到训练好的所述分类器子模块。

7.根据权利要求6所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述分类器子模块采用BP神经网络。

8.根据权利要求3所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述继电器按照老化程度由轻到重分为四个老化状态类别，分别为正常、弱腐蚀、强腐蚀和损坏。

9.根据权利要求3所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：所述分析运算单元还包括将所述数字信号滤波后送入所述特征提取子模块的软件滤波模块。

10.根据权利要求4所述的一种无损在线评估继电器老化状态的试验装置，其特征在于：当至少三个所述分析信号中所包含的所述继电器的老化类别相同时，所述控制模块得出所述继电器的老化状态结论并输出所述控制信号。

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