剩余電流檢測方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種用于剩余電流檢測的方法，包括：獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份；對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，從而得到頻域數(shù)據(jù)；在頻域內(nèi)，對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與激勵信號相關(guān)的頻域數(shù)據(jù)；對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷是否存在剩余電流。
【專利說明】剩余電流檢測方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種剩余電流檢測方法和裝置，還涉及一種具有該剩余電流檢測裝置的剩余電流保護(hù)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]圖1示例性地示出了一種典型的剩余電流檢測裝置。如圖1所示，剩余電流檢測裝置100包括:電感110、激勵信號產(chǎn)生電路120、采樣電阻130、濾波電路140，以及處理單元 150。
[0003]在圖1中，電感110表示一個電流互感器的繞組，其一端連接到激勵信號產(chǎn)生電路120，另一端連接到采樣電阻130。該電流互感器包括鐵芯和繞組，其作用在于感測供電線路(圖中未示出)上是否存在剩余電流或稱漏電流。
[0004]在圖1所示的例子中，采樣電阻130為一個與電感110 (也就是和電流互感器)串聯(lián)的電阻，且采樣電阻的另一端連接到地(GND)。由此，在圖1所示的例子中，采樣電阻上流過的電流不僅包括供電線路上可能出現(xiàn)的剩余電流還包括來自激勵信號產(chǎn)生電路120的激勵信號成份。當(dāng)然，在實際電路中，采樣電阻130也可以替換為更為復(fù)雜的采樣電路。
[0005]濾波電路140獲取采樣電阻130上的電壓信號，該電壓信號反應(yīng)了流過采樣電阻130的電流的大小，即電流互感器感測到的電流。濾波電路140進(jìn)而對所獲得的電壓信號進(jìn)行硬件濾波，以濾除由激勵信號發(fā)生單元120產(chǎn)生的激勵信號成份。例如，濾波電路140為一個低通濾波器。濾波后的模擬量送入處理單元150。
[0006]處理單元150對于來自濾波電路140的信號進(jìn)行A/D采樣，得到與剩余電流相關(guān)的采樣數(shù)據(jù)，并對該采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷出是否存在剩余電流。處理單元150所進(jìn)行的分析例如包括分析電流的幅值是否超過了一個預(yù)定的閾值。如果超出該預(yù)定的閾值則該處理單元150發(fā)出一個指示信號，以指示存在剩余電流，并從而出發(fā)保護(hù)機制動作。
[0007]在如圖1所示的例子中，采用硬件濾除采樣信號的激勵信號成份。為了實現(xiàn)這種硬件濾波，激勵信號產(chǎn)生電路需要設(shè)計成使得其激勵信號頻率遠(yuǎn)高于通常的剩余電流信號的頻率檢測范圍，例如激勵信號的頻率通常達(dá)到兩倍于最高可檢測的剩余電流信號的頻率。這樣，在濾波電路中可以通過一個硬件低通濾波器濾除采樣信號中的高頻部分(即，激勵信號部分)而，留下剩余電流信號部分。最后，再由分析單元150通過軟件和算法對濾波后的信號進(jìn)行分析和判斷。
[0008]采用圖1所示的這種設(shè)計需要激勵信號頻率必須遠(yuǎn)高于最高的可檢測剩余電流信號的頻率。這導(dǎo)致剩余電流的頻率檢測范圍受到功率和電路的限制無法達(dá)到較高的數(shù)值。此外，通常還需要采用多階低通濾波器來濾除激勵信號。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個目的在于提供一種剩余電流檢測方法和裝置，其剩余電流的頻率檢測范圍可以達(dá)到所需值，而不因激勵信號頻率的選擇而受限制。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種剩余電流檢測裝置，其相對于圖1所示的方案在硬件成本和空間上具有一定的優(yōu)勢。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于剩余電流檢測的方法，包括:獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份；對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，從而得到頻域數(shù)據(jù)；在頻域內(nèi)，對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與激勵信號相關(guān)的頻域數(shù)據(jù)；對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷是否存在剩余電流。
[0011]優(yōu)選地，所述激勵信號的頻率靠近所述電流互感器可檢測的頻譜檢測范圍且與所述頻譜檢測范圍間隔開，或者所述激勵信號的頻率與所述頻譜檢測范圍相交疊。
[0012]優(yōu)選地，所述時域到頻域的變換步驟采用快速傅里葉變換。更為優(yōu)選地，所述時域到頻域的變換步驟采用基2或基4快速傅里葉變換。可選地，所述快速傅里葉變換算法中針對低頻部分和高頻部分采用不同的加窗長度。優(yōu)選地，對于高頻部分，快速傅里葉變換算法的加窗長度為小于等于20ms。對于低頻部分，快速傅里葉變換算法的加窗長度為大于等于100ms?？蛇x地，所述快速傅里葉變換算法中的窗函數(shù)為矩形窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)或者海明窗函數(shù)。
[0013]可選地，所述對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的步驟包括例如判斷濾波后得到的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值的有效值是否大于一個預(yù)定的第一閾值，或者判斷濾波后得到的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值是否超出一個預(yù)定的第二閾值。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明還提出用于實現(xiàn)上述剩余電流檢測方法的裝置。該裝置包括:獲取單元，用于獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份；變換單元，對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，得到頻域數(shù)據(jù)；濾波單元，用于在頻域內(nèi)對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與所述激勵信號成分相關(guān)的部分；分析單元，用于對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷出是否存在剩余電流。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明還提出一種剩余電流保護(hù)裝置，包括:電流互感器，用于感測出包含供電線路上的剩余電流信息的電流值；激勵單元，用于向所述電流互感器提供激勵信號；采樣單元，用于對流過所述電流互感器的電流值進(jìn)行A/D采樣，以得到時域數(shù)據(jù)；如上所述的用于剩余電流檢測的裝置，其耦合到所述采樣單元，并輸出能夠表明是否存在剩余電流的指示信號。
[0016]本發(fā)明提出的上述方法和裝置采用了頻譜分析方法。相比于硬件濾波器的方法，譜分析方法不要求激勵信號頻率遠(yuǎn)高于剩余電流的頻率檢測范圍。實際上，激勵信號的頻率可以根據(jù)實際需要選擇合理數(shù)值，由此使得激勵信號發(fā)生電路結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，功耗和成本較低。其次，譜分析方法直接讀取采樣電阻上的電壓信號并對其進(jìn)行A/D采樣，且通過軟件算法濾波，由此不再需要硬件濾波器電路，這進(jìn)一步節(jié)省了硬件成本和空間。此夕卜，由于譜分析方法可擴展性強，通過算法可以對電流信號的有效值，頻率乃至類型進(jìn)行分析和判斷。由此，采用本發(fā)明的方法和裝置可以增強剩余電流檢測功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，
[0018]圖1示出現(xiàn)有剩余電流檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的剩余電流檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的剩余電流檢測方法的流程圖；
[0021]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測是否存在剩余電流的處理單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]附圖標(biāo)記列表
[0023]110電感；120 激勵信號發(fā)生電路；
[0024]130采樣電阻140 濾波電路
[0025]150處理器260 A/D采樣單元；
[0026]250處理單元410 獲取單元
[0027]420變換單元430 頻譜濾波單元
[0028]440分析單元

【具體實施方式】
[0029]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的剩余電流檢測裝置200。與圖1不同，圖2所示的裝置200中，不再包含硬件的濾波電路140，取而代之的是由處理單元250實現(xiàn)的頻譜濾波。具體而言，如圖2所示，A/D采樣電路(模擬/數(shù)字采樣電路)260對采樣電阻130上的電壓進(jìn)行采樣，并將采樣到的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成時域數(shù)據(jù)，送入處理單元250。在處理單元250內(nèi)對該時域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？蛇x地，如果處理單元250本身具有一個A/D端口，處理單元250也可以直接耦合到采樣電阻130的上端。根據(jù)實際需要，采樣電阻130也可以由其他更為復(fù)雜的采樣電路所取代?；蛘撸珹/D采樣電路260也可以由任何適合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件來實現(xiàn)。
[0030]圖3示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的由處理單元250執(zhí)行的檢測方法。具體地，如圖3所示，步驟從S310開始。在步驟S310中，處理單元250從A/D采樣單元260獲取與流過電流互感器的電流相應(yīng)的時域數(shù)據(jù)。在步驟S320中，處理單元250對所獲得的時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，得到頻域數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，處理單元250可以采用快速傅里葉變換完成步驟S320的時-頻變換。時-頻變換步驟S320的快速傅里葉變換可以采用多種不同快速傅里葉變換方法。例如，變換步驟320可以采用基2或基4快速傅里葉變換。這樣可以減少快速傅里葉變換的運算量。優(yōu)選地，快速傅里葉變換算法中還可以根據(jù)實際需要有選擇地確定其加窗長度。例如，針對低頻部分和高頻部分可以采用不同的加窗長度。t匕如，低頻部分的加窗長度小于高頻部分的加窗長度。例如，對于高頻部分，快速傅里葉變換算法的加窗長度為小于等于20ms。對于低頻部分，快速傅里葉變換算法的加窗長度為大于等于100ms。此外，可選地，所述快速傅里葉變換算法中的窗函數(shù)可以為矩形窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)和海明窗函數(shù)中的任意一種。
[0031]在完成時-頻變換之后，在步驟S330中，在頻域內(nèi)，處理單元250完成對頻域數(shù)據(jù)的濾波，以濾除激勵信號的頻譜成份，而留下與剩余電流相關(guān)的頻譜成份。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，步驟S330中的濾波方法可以為任何現(xiàn)有的頻譜濾波方法。
[0032]在步驟S340中，處理單元250針對濾波后得到的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷出是否存在剩余電流。例如，處理單元250可以根據(jù)濾波后得到頻域數(shù)據(jù)得到電流幅值的有效值，并判斷該有效值是否大于一個預(yù)定的第一閾值，如果大于，則表明出現(xiàn)了剩余電流。或者，處理單元250可以根據(jù)濾波后得到頻域數(shù)據(jù)得到電流數(shù)據(jù)的幅值，并判斷該幅值是否超出一個預(yù)定的第二閾值，如果超出，則表明出現(xiàn)了剩余電流。如果在步驟S340中判斷出存在剩余電流，則處理單元250發(fā)出一個指示信號，用于表明存在剩余電流。該指示信號將用于促使保護(hù)機制動作，以斷開相關(guān)的供電連接。由于步驟S340的分析操作是針對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行的，因而其頻譜分析方法具有很強的擴展性。例如，步驟S340中，處理單元還可以對頻譜數(shù)據(jù)所反映的電流信號的頻率進(jìn)行分析，甚至還可以據(jù)此分析出剩余電流信號的類型。
[0033]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測是否存在剩余電流的處理單元400的結(jié)構(gòu)框圖。這里，處理單元400可以是由處理器、存儲器等構(gòu)成的計算裝置，在該裝置上可以運行用于實現(xiàn)如圖3所示方法的軟件?；蛘?，處理單元400還可以是能夠?qū)崿F(xiàn)如圖3所示各步驟功能的硬件單元，例如可編程邏輯陣列、DSP、嵌入式系統(tǒng)等等。圖4僅僅示例性地示出該處理單元400的結(jié)構(gòu),根據(jù)實際情況，圖4所示出的處理單元400所包括的各個單元也可以彼此合并，或者進(jìn)一步按照其功能拆分，這一點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
[0034]圖4所示的剩余電流檢測裝置400包括獲取單元410、變換單元420、頻譜濾波單元430以及分析單元440。其中，獲取單元410，用于獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份。變換單元420，對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，得到頻域數(shù)據(jù)。頻譜濾波單元430，用于在頻域內(nèi)對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與所述激勵信號成份相關(guān)的頻域數(shù)據(jù)。分析單元440，用于對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷出是否存在剩余電流。如果經(jīng)過判斷，發(fā)現(xiàn)存在剩余電流，則分析單元440發(fā)出一個指示信號，以出發(fā)保護(hù)機制動作，切斷相關(guān)的供電連接。
[0035]本發(fā)明提出的上述方法和裝置采用了頻譜分析方法。相比于硬件濾波器的方法，譜分析方法不要求激勵信號頻率遠(yuǎn)高于剩余電流的頻率檢測范圍。實際上，激勵信號的頻率可以根據(jù)實際需要選擇合理數(shù)值，由此使得激勵信號發(fā)生電路結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，功耗和成本較低。其次，譜分析方法直接讀取采樣電阻上的電壓信號并對其進(jìn)行A/D采樣，且通過軟件算法濾波，由此不再需要硬件濾波器電路，這進(jìn)一步節(jié)省了硬件成本和空間。此夕卜，由于譜分析方法可擴展性強，通過算法可以對電流信號的有效值，頻率乃至類型進(jìn)行分析和判斷。由此，采用本發(fā)明的方法和裝置可以增強剩余電流檢測功能。
[0036]應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于剩余電流檢測的方法，包括: 獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份； 對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，從而得到頻域數(shù)據(jù)； 在頻域內(nèi)，對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與所述激勵信號成份相關(guān)的頻域數(shù)據(jù)； 對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷是否存在剩余電流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激勵信號的頻率靠近所述剩余電流的頻譜檢測范圍且與所述剩余電流的頻譜檢測范圍間隔開，或者所述激勵信號的頻率與所述剩余電流的頻譜檢測范圍相交疊。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述時域到頻域的變換步驟采用快速傅里葉變換。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述時域到頻域的變換步驟采用基2或基4快速傅里葉變換。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，所述快速傅里葉變換算法中針對低頻部分和高頻部分采用不同的加窗長度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其中，對于高頻部分,加窗長度為小于等于20ms。
7.如權(quán)利要求5所述的方法,其中，對于低頻部分,加窗長度為大于等于100ms。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述快速傅里葉變換算法中的窗函數(shù)為矩形窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)或者海明窗函數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的步驟包括: 如果濾波后的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值的有效值大于一個預(yù)定的第一閾值，則表明存在剩余電流，或者 如果濾波后的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值超出一個預(yù)定的第二閾值，則表明存在剩余電流。
10.一種用于剩余電流檢測的裝置，包括: 獲取單元(410)，用于獲取與流經(jīng)電流互感器的電流相關(guān)的時域數(shù)據(jù)，其中所述電流互感器用于感測供電線路上的剩余電流，且所述時域數(shù)據(jù)包含用于激勵所述電流互感器的激勵信號成份； 變換單元(420)，對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換，以得到頻域數(shù)據(jù)； 頻譜濾波單元(430)，用于在頻域內(nèi)對所述頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除與所述激勵信號成份相關(guān)的頻域數(shù)據(jù)； 分析單元(440)，用于對濾波后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷出是否存在剩余電流。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述激勵信號頻率靠近所述剩余電流的頻譜檢測范圍且與所述剩余電流的頻譜檢測范圍間隔開，或者所述激勵信號的頻率與所述剩余電流的頻譜檢測范圍相交疊。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述變換單元(420)對所述時域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述快速傅里葉變換算法中針對低頻部分和高頻部分采用不同的加窗長度。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述快速傅里葉變換算法中的窗函數(shù)為矩形窗函數(shù)、漢寧窗函數(shù)或者海明窗函數(shù)。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中， 所述分析單元在判斷出濾波后的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值的有效值大于一個預(yù)定的第一閾值時，輸出指示信號，以指示存在剩余電流；或者 所述分析單元在判斷出濾波后的頻域數(shù)據(jù)所反映的電流幅值超出一個預(yù)定的第二閾值時，輸出指示信號，以指示存在剩余電流。
16.一種剩余電流保護(hù)裝置，包括: 電流互感器(110)，用于感測出包含供電線路上的剩余電流信息的電流值； 采樣單元(260)，用于對來自所述電流互感器的電流值進(jìn)行A/D采樣，以得到時域數(shù)據(jù)； 如權(quán)利要求1-15中任意一個所述的用于剩余電流檢測的裝置，其耦合到所述采樣單元，并輸出能夠表明是否存在剩余電流的指示信號。
【文檔編號】G01R19/25GK104422816SQ201310401158
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】黃先, 吳笛 申請人:西門子公司