CN101673930A - 使用离散小波变换的电弧检测 - Google Patents

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Abstract

使用离散小波变换的电弧检测。一种用于执行串联和并联电弧故障电流断路(AFCI)的装置。该装置包括：电阻元件(10)，其被配置成感测从其中产生电流信号的负载；第一检测单元(30)，其被配置成基于所述电流信号输出第一信号；以及微控制器(80)，其被配置成经由离散小波变换分解至少所述第一信号从而获得离散小波系数，以及在所述离散小波系数指示满足产生脱扣信号的阈值条件时产生脱扣信号。

Description

使用离散小波变换的电弧检测
技术领域
本发明的方面涉及电气系统，并且尤其涉及用于电气系统中的并联和串联电弧检测的方法和系统。
背景技术
家用、商用和工业应用中的电气系统通常包括用于从公用(utility)电源接收电功率的配电盘。功率通过该配电盘被路由到一个或多个断流器，该断流器例如但是不限于断路器、脱扣单元以及其它的器件。
每个断流器将功率分配到所指定的分支，其中每个分支为一个或多个负载提供功率。断流器被配置成如果特定分支中的某些功率条件达到预定的设置点则中断到该分支的功率。
例如，一些断流器可以因为接地故障而中断功率，并且通常被称为接地故障断流器(GFCI)。当在线路导体(line conductor)和中性导体(neutral conductor)之间的电流流动不平衡时会导致接地故障情况，该电流不平衡可由泄漏电流或电弧接地故障引起。
其它断流器可以因为电弧故障而中断供电，并且通常被称为电弧故障断流器(AFCI)。电弧故障被定义成两个主要的类别，串联电弧和并联电弧。串联电弧可以例如当电流流动经过单个导体中的间隙时发生。另一方面，并联电弧可以例如当电流在两个导体之间通过时发生。遗憾地是，电弧故障不会引起常规电路断流器脱扣。当发生串联电弧时这尤其正确，因为电流感测设备不能区分串联电弧和正常负载电流。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种执行串联和并联电弧故障电流断路(AFCI)的装置，并且该装置包括：电阻元件，其被配置成感测从其中产生电流信号的负载；第一检测单元，其被配置成基于该电流信号输出第一信号；以及微控制器，其被配置成经由离散小波变换分解至少所述第一信号从而获得离散小波系数，以及在所述离散小波系数指示满足了产生脱扣信号的阈值条件时产生脱扣信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种执行串联和并联电弧故障电流断路(AFCI)的方法，并且该方法包括：感测负载电流；基于所感测的负载电流以高频取样信号；在已完成高频取样并且如果确定过零已被取样时计算过零离散小波系数；在已完成高频取样并且如果确定过零还没有被取样时计算非过零离散小波系数；以及如果基于过零和非过零离散小波系数确定已满足阈值标准则发出脱扣信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过检测串联和并联电弧来操作断流器的方法，并且该方法包括：感测负载电流并从该负载电流产生电流信号；低频滤波所述电流信号并在不同的负载条件下确定被低频滤波的电流信号的基频和过零；中频和/或高频滤波所述电流信号并将被中频和/或高频滤波的电流信号分解到预定水平以获得离散小波系数；对跨越过零区域和跨越预定的非过零区域的被中频和/或高频滤波的电流信号进行取样；计算在其过零和非过零处所取样的中频电流信号和/或所取样的高频电流信号的离散小波系数的绝对值；以及将所计算的离散小波系数的绝对值的各自能量相加并基于相加的各自能量来发出脱扣决定。
通过本发明的技术可以认识到其它的特征和优点。本文将详细描述本发明的其它实施例和方面并且将其作为本发明所要求保护的一部分。为了更好的理解本发明的优点和特征，参考描述和附图。
附图说明
在说明书的结论部分的权利要求中明确地要求并特别地指出关于本发明的主题。本发明的前述部分和其它方面、特征和优点将通过下面结合相应附图的详细描述而显而易见，其中：
图1是基于微控制器的组合电弧故障断流器的示意图；
图2是脱扣信号发出算法的流程图；
图3是说明中断处理算法的流程图；
图4A和图4B是说明过零计算的流程图；以及
图5是说明离散小波系数计算算法的流程图。
图6是说明如何从每个DWT获得离散小波系数的图。
具体实施方式
参照图1，提供了用于执行串联和并联电弧故障断流器(AFCI)的装置，并且该装置包括电阻元件10(例如双金属)，其被配置成感测负载，从该负载产生电流信号。电阻元件10可以用电阻材料形成，该电阻材料具有室温下6mOhm(毫欧姆)(在15A处)或3mOhm(在20A处)的特性电阻。该电阻元件10电耦合到信号线，沿着该信号线布置有加法放大器。因此电流信号连同微控制器80输出的测试信号90一起从电阻元件10流向加法放大器20，这将在下面进行描述。
尽管公开的本发明的实施例具有作为电阻元件的实例的双金属，但是应该理解本发明的范围不限于此，并且还包括适用于本文公开的目的的其他电阻元件，例如黄铜、青铜、铜合金、钢、不锈钢、因科内尔钢(inconel steel)和/或碳钢合金。
信号线耦合到串联电弧检测单元30、并联电弧检测单元40和电流测量单元50，例如均方根电流测量单元、p-p电流测量单元、霍尔效应电流传感器或任何其他合适的设备。串联电弧检测单元30被配置成将第一信号输出到微控制器80，以用于检测电流信号中的串联电弧，而并联电弧检测单元40被配置成将第二信号输出到微控制器80，以用于检测电流信号中的并联电弧。电流测量单元50被配置成第三信号输出到微控制器80，以用于执行例如RMS电流测量和电弧检测取样定时。
在本文中，串联和并联电弧指的是通常非导电的媒体(例如空气)的电击穿，其产生发光的放电(例如电火花)，这是由流过通常非导电的媒体的电流导致的。串联电弧与负载电流串联发生，例如发生在电流传输线被破坏的地方。照这样，串联电弧电流不能高于负载电流。相反地，并联电弧在电性相反的导体之间发生，例如电路和接地元件，并且其特征是高电流尖锋以及少许或没有负载阻抗。
串联电弧检测单元30以300kHz的取样频率运行，并且从电流信号滤波除具有大约6kHz-60Hz频率的那些子信号以外的所有子信号。为此，串联电弧检测单元30包括高通滤波器31，以及可选的彼此串联的第一和/或第二低通滤波器32和33。在这里，每个低通滤波器可以包括放大器。并联电弧检测单元40以10kHz的取样频率运行，并且从电流信号滤波除具有大约150-900Hz频率的那些子信号以外的所有子信号。为此，并联电弧检测单元40包括低通滤波器41和高通滤波器42。电流测量单元50以10kHz的取样频率运行，并且包括低通滤波器51。
微控制器80被配置成分解如从串联电弧检测单元30和并联电弧检测单元40接收的第一和第二信号中的至少一个。经由离散小波变换DWT来完成对例如母小波的分解，该母小波从外部计算获得并且至少部分从包含在如从电流测量单元50接收的第三信号中的信息获得。分解的结果是计算离散小波系数，它们自身由微控制器80在脱扣信号ST的发出中使用。即微控制器被配置成在离散小波系数指示产生脱扣信号ST的一个或多个阈值条件已满足时产生脱扣信号ST。在这里，阈值条件指的是指示或者并联电弧或者串联电弧发生的信号测量。
根据本发明的实施例，每个DWT都是在其存在周期上积分到零的有限长度的短波。从图6中所示的每个DWT获得离散小波系数：
其中x[n]＝输入信号，g[n]＝根据(from)母小波的高通数字滤波器，并且h[n]＝来自母小波的低通数字滤波器。
与其他分析工具(例如傅立叶变换(FT)和快速傅立叶变换(FFT)相比，使用DWT来获得离散小波系数在电流信号分析方面提供了一些优点。例如，DWT提供母小波和电流信号之间的相关性的测量。此外，DWT可以通知特定频率在何时出现，还通过允许在过零时刻对特定频率/模式(pattern)的搜索来较简单地计算并允许对熄灭/再打火事件的检测。
因此，当微控制器80将DWT应用于串联电弧检测或并联电弧检测时，微控制器80可以通过以下来运行：识别可以与发弧(arcing)相关联的模式或符号；选择预定的母小波，其与该模式或符号密切相关；选择分析发弧的频率范围，其提供最优化的信噪比；选择波形的一部分作为集中区域；以及选择所需的窗口大小，其对应于所选择的波形部分。
考虑到这些，可以认识到“Daubechies 10”或“db 10”母小波非常适合用于电弧检测，该处频率范围被设置为93kHz或更大、取样频率被设置为300kHz并且没有使用抗混叠滤波器。因为已经认识到发弧的指示器位于电流信号的过零点处，该过零点确定何时取样被触发。因此，对于300kHz的取样频率，窗口大小被设置为25.3度，以使得电弧的再打火事件或熄灭事件的至少一个将在该窗口中捕获。
仍参考图1，该装置还可以包括耦合到微控制器80的周围温度传感器60。该周围温度传感器60测量至少电阻元件10的周围温度，并且输出该测量到微控制器80。然后微控制器80确定是否补偿上面提到的计算中电阻元件10的任何温度变化。
此外，该装置还可以包括测试开关按钮(push)70，其包括串联电弧测试配置71和并联电弧测试配置72。测试开关按钮70耦合到微控制器80并允许操作员根据局部和非局部调整来在安装时测试该装置。
现在参考图2-5，描述了用于执行串联和并联电弧故障断流器(AFCI)的方法。如图2所示，一旦随后将连续运行的算法被初始化(操作100)(期间发生负载电流的感测)，就得到是否已完成高频取样的确定(操作200)。此处，高频取样实际上指的是涉及串联电弧检测单元30的执行(performance)的中频取样以及涉及并联电弧检测单元40的执行的高频取样。
此外，根据图3的中断处理算法来发生高频和/或中频取样。该算法从接收由未控制器80产生的低频中断信号开始(操作201)。此时，确定是否RMS长度已被取样(操作202)，并且如果已被取样，则计算RMS(操作203)。一旦计算出RMS，它就被用于确定在有发弧条件的情况下该装置需要多快来脱扣。如果RMS没有被取样，则计算过零(操作204)。
操作204的过零计算可以根据图4A和图4B的流程图来进行。如所示，过零计算指的是情况(Case)0-11，每个情况(Case)都描述了与电流信号的先前值有关的一个如果-则-否则(if-then-else)方案，其中负阈值(NEGTHRESH)＝-15、正阈值(POSTHRESH)＝15、负零(NEGZERO)＝-3且正零(POSZERO)＝3。
一旦计算出过零，就要确定是否已登记了正过零(操作205)。如果还没有登记正过零，则设置用于过零取样的以及非过零取样的负过零的延迟，并且中频和/或高频取样被触发(操作206)。然而，如果已经登记了正过零，则正过零的延迟被设置用于过零取样和非过零取样，中频和/或高频取样被触发(操作207)。
返回图2，如果确定中频和/或高频取样未完成，则以低频取样电流信号(操作300)，并且如果低频取样已完成，则计算已经被低频滤波的信号的移动平均数(操作500)。
如果中频和/或高频取样已完成并且如果确定过零已被取样，则根据至少该移动平均数来计算过零离散小波系数(操作410)。相反地，如果中频和/或高频取样已完成并且如果确定过零已被取样，则根据至少该移动平均数来计算非过零离散小波系数(操作420)。
此处，参考图5，在操作410和420中使用离散小波算法。如所示，所取样的信号最初被定义为具有OuterIndex(其指的是被卷积的信号的指数)、SumCD(其指的是详细的系数的总和的绝对值)以及InnerIndex(其指的是使用的滤波器的指数)的信号，它们每个都被设置为零。
首先，确定OuterIndex是否小于被卷积的信号的长度。如果OuterIndex不小于被卷积的信号的长度，则SumCD的值返回到零。相反地，如果OuterIndex小于被卷积的信号的长度，则CD的值(它们是单独的详细系数)被设置为零，并且JumpIndex的值被设置为被卷积的信号乘以2的值。
然后，确定InnerIndex是否小于滤波器的长度。如果InnerIndex小于滤波器的长度，CD的值被设置为CD的值加上该信号的值。此处，该信号值是InnerIndex的值乘以滤波器的值再加上JumpIndex的值。重复这一过程直到确定InnerIndex不小于滤波器的长度。此时，CD的值被设置为CD的绝对值，并且SumCD的值被设置为SumCD的绝对值加上CD的值。
最后，参考图2，基于过零和非过零离散小波系数来确定是否所有的阈值标准都满足(操作600)。随后，如果确定所有的阈值标准都满足则发出脱扣信号(操作700)。此处，脱扣信号的发出包括将离散小波系数的各自能量的总和与阈值条件进行比较，并且确定各自能量的总和是否超过脱扣信号发出的阈值条件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过检测串联和并联电弧来操作断流器的方法。该方法包括感测负载电流，并从该负载电流产生电流信号；低频滤波所述电流信号并在不同的负载条件下确定被低频滤波的电流信号的基频和过零；中频和/或高频滤波所述电流信号并将被中频和/或高频滤波的电流信号分解到预定水平以获得离散小波系数；对跨越过零区域和跨越预定的非过零区域的被中频和/或高频滤波的电流信号进行取样；计算在其过零和非过零处所取样的中频电流信号和/或所取样的高频电流信号的离散小波系数的绝对值；以及将所计算的离散小波系数的绝对值的各自能量相加并基于所相加的各自能量来发出脱扣决定。
此处，分解操作包括使用从被低频滤波的电流信号获得的离散小波转换来分解被中频和/或高频滤波的电流信号。此外，发出脱扣决定包括将相加的离散小波系数的各自能量与阈值条件进行比较，并且确定相加的各自能量是否超过脱扣信号发出的阈值条件。
根据本发明的其他方面，提供了用于基于先前的电流过零来确定高频取样窗口的位置的方法，以及将输入信号的向下取样和/或子取样结合到卷积中以降低卷积计算中乘法和加法运算的次数的方法。此处，参考图5，该方法包括如上所述的离散小波算法的操作。
尽管已经参考示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解在不偏离本公开的范围的情况下可以进行各种变化并且可以用等同物来代替其中的元件。此外，在不偏离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多改变来使特定的情况或材料适应于本公开的教导。因此，意图是本公开不限于作为计划用于执行本公开的最佳方式而公开的特定示例性实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求范围之内的所有实施例。
附图标记
电阻元件                   10
加法放大器                 20
测试信号                   90
微控制器                   80
第一/串联电弧检测单元      30
高通滤波器                 31
第一/第二低通滤波器        32/33
第二/并联电弧检测单元      40
低通滤波器                 41
高通滤波器                 42
电流测量单元               50
低通滤波器                 51
脱扣信号            ST
温度传感器          60
测试开关            70
串联电弧测试配置    71
并联电弧测试配置    72
算法的初始化        操作100
高频取样确定        操作200
接收低频中断信号    操作201
RMS确定             操作202
RMS计算             操作203
过零计算            操作204
正过零确定          操作205
触发高频取样        操作206，207
低频取样            操作300
计算移动平均数      操作500
计算过零系数        操作410
计算非过零系数      操作420
阈值标准满足确定    操作600
发出脱扣信号        操作700

Claims (10)

1、一种用于执行串联和并联电弧故障电流断路(AFCI)的装置，该装置包括：
电阻元件(10)，其被配置成感测从其中产生电流信号的负载；
第一检测单元(30)，其被配置成基于所述电流信号输出第一信号；以及
微控制器(80)，其被配置成经由离散小波变换分解至少所述第一信号从而获得离散小波系数，以及在所述离散小波系数指示满足产生脱扣信号的阈值条件时产生脱扣信号。
2、根据权利要求1所述的装置，还包括第二检测单元(40)，其布置成与所述第一检测单元(30)并联并且配置成基于所述电流信号输出第二信号。
3、根据权利要求1所述的装置，还包括电流测量单元(50)，其被布置成与所述第一检测单元(30)并联并且配置成基于所述电流信号输出测量信号，以使得产生脱扣信号的阈值条件是电流测量的函数。
4、根据权利要求2所述的装置，还包括电流测量单元(50)，其被布置成与所述第一和第二检测单元(30)、(40)并联并且配置成基于所述电流信号输出测量信号，以使得产生脱扣信号的阈值条件是电流测量的函数。
5、根据权利要求1所述的装置，还包括加法放大器(20)，其可操作地布置在所述电阻元件(10)和所述第一检测单元(30)之间，其中所述微控制器(80)耦合到所述加法放大器(20)。
6、根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述微控制器(80)的周围温度传感器(60)，通过所述周围温度传感器(60)所述微控制器80确定是否补偿电阻元件(10)的温度变化。
7、根据权利要求1所述的装置，其中所述第一检测单元(30)以300kHz的取样频率运行，并且从电流信号滤波除具有大约6kHz-60Hz频率的那些子信号以外的所有子信号。
8、根据权利要求3所述的装置，其中所述电流测量单元(50)以10kHz的取样频率运行。
9、一种执行串联和并联电弧故障电流断路(AFCI)的方法，该方法包括：
感测负载电流；
基于所感测的负载电流以高频取样信号(操作200)；
在已完成高频取样并且如果确定过零已被取样时，计算过零离散小波系数(操作410)；
在已完成高频取样并且如果确定过零还没有被取样时，计算非过零离散小波系数(操作420)；以及
如果基于过零和非过零离散小波系数确定已满足阈值标准则发出脱扣信号(操作600)、(操作700)。
10、提供了一种通过检测串联和并联电弧来操作断流器的方法，该方法包括：
感测负载电流并从该负载电流产生电流信号；
低频滤波所述电流信号并在不同的负载条件下确定被低频滤波的电流信号的基频和过零(操作300)；
中频和/或高频滤波所述电流信号并将被中频和/或高频滤波的电流信号分解到预定水平以获得离散小波系数(操作200)；
对跨越过零区域和跨越预定的非过零区域的被中频和/或高频滤波的电流信号进行取样(操作204)；
计算在其过零和非过零处所取样的中频电流信号和/或所取样的高频电流信号的离散小波系数的绝对值(操作410、420)；以及
将所计算的离散小波系数的绝对值的各自能量相加并基于所相加的各自能量来发出脱扣决定(操作600、700)。
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