本發(fā)明涉及一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測裝置及其方法。

背景技術(shù)：

在多個負(fù)載串并聯(lián)的綜合負(fù)載回路中，若額定功率較小的支路發(fā)生故障電弧，其故障信號往往很小以至于淹沒在正常信號中，造成檢測裝置的漏判斷。

目前串聯(lián)故障電弧檢測以主線路電流為判斷對象，當(dāng)發(fā)生電弧故障時，電流波形發(fā)生畸變，基于時域小波變換和頻域快速傅里葉變換可以提取故障信號，解決不同負(fù)載下的電弧辨識問題，但存在非線性負(fù)載檢測辨識能力不足問題，對于非線性負(fù)載正常工作的奇異性電流(如零休現(xiàn)象)以及感性負(fù)載啟動瞬間引起的大脈沖，檢測裝置往往造成一定的誤判斷。

申請?zhí)枺?01310376133.4公開了“基于小波變換和時域混合特征的交流故障電弧檢測方法”專利，通過對電流信號進(jìn)行時域和小波變換特征值計算，將兩者的特征值作為收斂的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，而其輸出值作為故障電弧的判據(jù)。該方法適用范圍廣、控制精度高，但檢測方法也較為復(fù)雜且對硬件電路要求較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測裝置及其方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，提供包括一零線以及一火線的供電線路，還包括：一接入零線以及火線且用于檢測供電線路進(jìn)線端剩余電流信號的剩余電流互感器、一與所述剩余電流互感器相連的MCU、分別與零線以及火線相連的脫扣機(jī)構(gòu)；所述MCU經(jīng)一驅(qū)動電路與所述脫扣機(jī)構(gòu)相連。

還提供一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測裝置的故障電弧檢測方法，按照如下步驟實現(xiàn)：

步驟S1：系統(tǒng)初始化，電弧故障區(qū)間數(shù)count置0，脫扣標(biāo)志位trip置0；

步驟S2：所述MCU按預(yù)設(shè)采樣頻率通過所述剩余電流互感器對供電線路進(jìn)線端剩余電流實時采集，得到實時電流序列x(t)；

步驟S3：按照預(yù)設(shè)計算間隔時間對x(t)計算其四階累積量峭度值，計算公式如下：

記x(t)為平穩(wěn)隨機(jī)信號，且x₁＝x(t),x₂＝x(t+τ₁),…,x_k＝x(t+τ_k-1)，式中τ為延時量；

記隨機(jī)信號x(t)的k階矩m_k為：m_k(τ₁…τ_k-1)＝E[x(t)x(t+τ₁)…x(t+τ_k-1)]；

隨機(jī)信號x(t)的高階累積量用高階矩表示，對于零均值信號，隨機(jī)信號x(t)的四階累積量為：

當(dāng)τ₁＝τ₂＝τ₃＝0時，由上式得：c₄(0,0,0)＝m₄(0,0,0)-3m₂²(0)＝E[x⁴(t)]-3{E[x²(t)]}²；

即為信號的峭度，記零均值隨機(jī)信號x(t)的峭度為：

其中，

其中，σ_x為標(biāo)準(zhǔn)差，N為信號長度；

步驟S4：當(dāng)峭度值K>預(yù)設(shè)值，電弧故障區(qū)間數(shù)count+1，并轉(zhuǎn)入步驟S5；當(dāng)峭度值K<＝預(yù)設(shè)值，電弧故障區(qū)間數(shù)count清零，返回所述步驟S3繼續(xù)采集剩余電流；

步驟S5：判斷電弧故障區(qū)間數(shù)count值，當(dāng)count>＝預(yù)設(shè)次數(shù)值時，即為連續(xù)檢測到預(yù)設(shè)次數(shù)值數(shù)量的峭度異常，則脫扣信號trip置1，檢測裝置斷開電路；當(dāng)count<預(yù)設(shè)次數(shù)值時，返回所述步驟S3繼續(xù)采集剩余電流。

在本發(fā)明一實施例中，所述預(yù)設(shè)計算間隔時間為100ms，所述預(yù)設(shè)次數(shù)值為3。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的檢測裝置及其方法將火線零線一起穿進(jìn)剩余電流互感器采集線路進(jìn)線端的剩余電流，由于剩余電流互感器的高靈敏度，可以檢測出小功率支路發(fā)生電弧故障時的小電流信號，通過四階累積量計算得到的峭度值可以表征信號陡峭程度，較明顯的區(qū)分出正常信號與故障信號，從而解決漏判斷問題。

(2)本發(fā)明提供的檢測裝置及其方法，在負(fù)載正常工作時剩余電流互感器的電流信號一進(jìn)一出，大小相同、方向相反、互相抵消，故負(fù)載正常工作時電流信號近似零幅值平穩(wěn)信號。當(dāng)發(fā)生電弧故障時，由于故障電弧的特殊性引起電流進(jìn)出不平衡，反映在時域上為出現(xiàn)一系列脈沖波，特別是阻感性和非線性負(fù)載，由于其電弧電流畸變性較嚴(yán)重，相鄰周波差異性較大，導(dǎo)致剩余電流互感器電流信號進(jìn)出不平衡加重，脈沖現(xiàn)象更為明顯。故該檢測方法可以解決非線性負(fù)載辨識能力不足的問題，避免現(xiàn)有主線路電流采集方法對非線性負(fù)載奇異性電流信號的處理，解決誤判斷問題。

(3)本發(fā)明提供的檢測裝置及其方法通過調(diào)用matlab高階統(tǒng)計量工具箱，計算其四階累積量峭度值，算法較為簡單易于實現(xiàn)在線監(jiān)測，避免了判斷負(fù)載性質(zhì)的復(fù)雜過程，閾值不隨負(fù)載種類變動，且降低了對硬件電路的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測裝置的原理圖。

圖2為本發(fā)明中一種基于高階累積量識別的串聯(lián)故障電弧檢測方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明一實施例中通過本發(fā)明提供的方法采集到的典型阻性負(fù)載200w白熾燈的波形圖。

圖4為本發(fā)明一實施例中通過本發(fā)明提供的方法采集到的阻感性負(fù)載250w冰箱的波形圖。

圖5為本發(fā)明一實施例中通過本發(fā)明提供的方法采集到的非線性負(fù)載1200w吸塵器的波形圖。

圖6(a)為本發(fā)明一實施例中白熾燈正常工作剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖6(b)為本發(fā)明一實施例中白熾燈發(fā)生電弧故障剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖7(a)為本發(fā)明一實施例中冰箱正常工作剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖7(b)為本發(fā)明一實施例中冰箱發(fā)生電弧故障剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖8(a)為本發(fā)明一實施例中吸塵器正常工作剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖8(b)為本發(fā)明一實施例中吸塵器發(fā)生電弧故障剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。

圖9(a)為本發(fā)明一實施例中綜合負(fù)載情況下1800w熱水壺和240w手電鉆正常工作波形圖。

圖9(b)為本發(fā)明一實施例中該綜合負(fù)載情況下240w手電鉆支路發(fā)生電弧故障波形圖。

圖10是本發(fā)明一實施例中典型阻感性負(fù)載冰箱啟動波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。

本發(fā)明提供一種基于高階累積量識別的故障電弧檢測裝置，如圖1所示，提供包括一零線以及一火線的供電線路，還包括：一接入零線以及火線且用于檢測供電線路進(jìn)線端剩余電流信號的剩余電流互感器、一與剩余電流互感器相連的MCU、分別與零線以及火線相連的脫扣機(jī)構(gòu)；所述MCU經(jīng)一驅(qū)動電路與脫扣機(jī)構(gòu)相連。

進(jìn)一步的，在本實施例中，將火線和零線串接進(jìn)剩余電流互感器以此檢測線路進(jìn)線端的剩余電流信號，剩余電流互感器與微處理器MCU相連接，該MCU主要進(jìn)行實時剩余電流信號的采集并每隔100ms進(jìn)行四階累積量峭度值計算，當(dāng)連續(xù)三次檢測到峭度值異常立即驅(qū)動脫扣電路執(zhí)行脫扣動作來保護(hù)電路。圖1中負(fù)載端通過在線路中串接排插以此可以接各種負(fù)載。在火線零線上串接剩余電流互感器，將其與微處理器MCU相連接進(jìn)行剩余電流采集與高階累積量識別判斷。MCU通過驅(qū)動電路控制脫扣機(jī)構(gòu)的動作，從而維持正常工作或斷開電路進(jìn)行保護(hù)。

如圖2所示為本發(fā)明的檢測流程圖，首先系統(tǒng)初始化上電工作，按既定采樣頻率通過剩余電流互感器對線路進(jìn)線端剩余電流實時采集，得到實時電流序列x(t)。

設(shè)置程序為每隔100ms對x(t)進(jìn)行高階累積量統(tǒng)計，特別計算其四階累積量峭度值。計算公式如下：

設(shè)x(t)為平穩(wěn)隨機(jī)信號，且x₁＝x(t),x₂＝x(t+τ₁),…x_k＝x(t+τ_k-1)，式中τ為延時量；

隨機(jī)信號x(t)的k階矩m_k定義為：m_k(τ₁…τ_k-1)＝E[x(t)x(t+τ₁)…x(t+τ_k-1)]

隨機(jī)信號的高階累積量可以用高階矩來表示，對于零均值信號，隨機(jī)信號的四階累積量為

當(dāng)τ₁＝τ₂＝τ₃＝0時，由上式可得：

c₄(0,0,0)＝m₄(0,0,0)-3m₂²(0)＝E[x⁴(t)]-3{E[x²(t)]}²；

即為信號的峭度，零均值隨機(jī)信號x(t)的峭度定義為：

其中

其中，σ_x為標(biāo)準(zhǔn)差，N為信號長度。

從上述定義式可知，峭度值K是信號的四階累積量。任何高斯過程的高階累積量均為零，所以對于任何高斯過程的峭度值均為3，理論正常情況下峭度值應(yīng)該在3左右，實際工作時可能由于信號的擾動或其他一些外界干擾，計算得到的峭度值不可能完全理想，本發(fā)明將峭度預(yù)設(shè)值留出一定裕量。當(dāng)發(fā)生電弧故障時，電流信號中出現(xiàn)沖擊信號，使得x(t)的概率密度發(fā)生變化，其幅值分布偏離正態(tài)分布，正態(tài)曲線變得尖銳。四階累積量峭度值正是對正態(tài)曲線陡峭度的反映，當(dāng)曲線變得尖銳，峭度值變大。

如圖2所示，當(dāng)峭度值K>預(yù)設(shè)峭度值，電弧故障區(qū)間數(shù)count+1；當(dāng)峭度值K<＝預(yù)設(shè)峭度值，電弧故障區(qū)間數(shù)count清零，返回繼續(xù)采集剩余電流；該預(yù)設(shè)峭度值根據(jù)實際情況進(jìn)行確定。

當(dāng)count>＝3時，即為連續(xù)三次檢測到峭度異常，則脫扣信號trip置1，檢測裝置斷開電路；當(dāng)count<3時，返回繼續(xù)采集剩余電流。

在本實施例中，設(shè)置連續(xù)三次檢測到峭度值異常判斷為電弧故障，是由于某些負(fù)載(如冰箱)啟動時會有瞬時脈沖，造成其峭度值很大使得檢測裝置可能產(chǎn)生誤動作，但是啟動脈沖發(fā)生在較短時間內(nèi)，對其加以連續(xù)檢測則可以大大降低誤動作。

進(jìn)一步的，參照UL1699標(biāo)準(zhǔn)：500ms內(nèi)8.5個周波異常則判斷為電弧故障，本發(fā)明還可設(shè)置不同的峭度值計算間隔時間。具體如下：檢測500ms內(nèi)峭度值K大于預(yù)設(shè)峭度值的累積次數(shù)N1，當(dāng)N1大于預(yù)設(shè)次數(shù)值N2則判斷為電弧故障。如可設(shè)定每隔20ms進(jìn)行四階累積量峭度值計算，500ms內(nèi)共得到25個峭度值，當(dāng)每次計算的峭度值>預(yù)設(shè)峭度值時，則count+1，否則count保持不變，當(dāng)500ms內(nèi)count累加到>8時判斷為電弧故障發(fā)出脫扣信號。

為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步了解本發(fā)明提出的技術(shù)方法，下面結(jié)合具體實施例進(jìn)行說明。

如圖3、圖4、圖5分別是典型阻性負(fù)載200w白熾燈、阻感性負(fù)載250w冰箱、非線性負(fù)載1200w吸塵器利用本發(fā)明方法采集到的波形圖。從圖中可以看出，單從時域上能較明顯的區(qū)分出正常工作區(qū)間和電弧故障區(qū)間：正常工作時電流信號近似為零，電弧故障時伴隨一系列脈沖波。實驗采樣頻率為100kHz,剩余電流互感器并1kΩ電阻，幅值表現(xiàn)為電壓V。

圖6(a)為白熾燈正常工作剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。從圖中可以看出其幅值分布直方圖近似為高斯分布，matlab高階累積量計算結(jié)果如下：

均值＝0.000435655；

方差＝4.41346e-007；

斜度＝0.240963；

峭度＝3.61257。

圖6(b)為白熾燈發(fā)生電弧故障剩余電流波形圖及其幅值分布直方圖。從圖中可以看出其幅值分布直方圖不再是高斯分布，matlab高階累積量計算結(jié)果如下：

均值＝0.000489189；

方差＝1.2775e-006；

斜度＝3.39328；

峭度＝1201.91。

同理圖七(a)、圖七(b)、圖八(a)以及圖八(b)計算結(jié)果分別如下：

從以上實驗結(jié)果可以證明本發(fā)明提出的剩余電流采集和四階累積量峭度分析法在串聯(lián)電弧故障識別中的可行性以及優(yōu)越性。

圖9(a)為綜合負(fù)載情況下1800w熱水壺和240w手電鉆正常工作波形圖。其中上圖為主線路電流采集，下圖為本發(fā)明剩余電流采集。

圖9(b)為該綜合負(fù)載情況下240w手電鉆支路發(fā)生電弧故障波形圖。從圖中可以看出，小功率支路(240w手電鉆)發(fā)生電弧故障時，主線路電流采集方式下采集到的干路電流并無明顯變化，即小功率支路故障信號埋沒在大功率干路中，這也正是背景技術(shù)中提到的漏判斷問題。而基于本發(fā)明的剩余電流采集可以較清晰的發(fā)映出電弧故障信號，從而大大降低漏判率。

圖10是典型阻感性負(fù)載冰箱啟動波形圖。從圖中可以看出冰箱啟動脈沖是瞬時的，只要對其加以多次檢測即可有效防止將其誤判斷為電弧故障。本發(fā)明中的每隔100ms計算一次峭度值并進(jìn)行連續(xù)三次檢測正是基于這個出發(fā)點。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。