CN102288857A - 一种故障电弧的辨识检测方法及其检测保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障电弧的辨识检测方法，包括(1)获取电流电压采样信号；(2)辨识得到故障电弧的模型参数；(3)根据采样信号和模型参数识别故障电弧。本发明通过对电流信号和故障电弧模型参数的双重判断，避免了由于开关设备起动而造成的电流检测法的误判，提高了故障电弧检测的准确性和可靠性，为后续的电弧故障分析提供了很好的依据；同时本发明还公开了一种故障电弧的检测保护装置，包括采样单元、数据处理单元、控制显示单元和通讯单元；很大程度上提高了开关设备的分断准确性，提高了开关设备的寿命和工作可靠性，降低了故障电弧对电力系统造成的危害。

Description

一种故障电弧的辨识检测方法及其检测保护装置

技术领域

本发明属于故障检测技术领域，具体涉及一种故障电弧的辨识检测方法及其检测保护装置。

背景技术

故障电弧是一种具有低电流的短路故障形式，由于电弧故障发生时的电流相对较小，无法起动过流保护装置，因此故障电弧是引起电气火灾的重要原因之一，同时故障电弧产生的压力、辐射、弧根效应不仅对电气设备容易造成损害，甚至还会造成人身伤亡事故和重大的经济、财产损失。

故障电弧的检测具有以下难点：(1)由于绝缘磨损、接地故障等引起的故障电弧很难预测其发生位置，给检测带来了极大不便；(2)电网中存在许多与故障电弧的电流电压波形相似的波形，给检测故障电弧带来了困难；(3)正常电弧极易与故障电弧相混淆，造成故障电弧的误判断。

由于故障电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象，具有随机性和模糊性，属于不确定性系统。为了提高故障电弧检测的可靠性，对故障电弧进行建模及检测方法的研究是非常必要的。

目前国内外故障电弧检测的方法大致可分为三类：

(1)通过电弧发生时的物理现象直观地检测故障电弧，检测点必须靠近电弧发生的位置；然而由于绝缘磨损、接地故障等引起的故障电弧很难预测其具体发生位置，给检测带来了极大不便和制约。

(2)直接根据电弧发生时的电流、电压波形变化检测故障电弧；然而电网中存在许多与故障电弧的电流电压波形相似的波形，如单相全波整流电路在交流侧所产生的电压波形、调光灯起动时的电压波形等，这就给通过电流电压的波形畸变检测故障电弧带来了困难。

(3)建立电弧数学模型，通过相应的参数检测故障电弧；由于电弧数学模型的检测参数多，且受使用条件限制，因此目前采用机理建模或数据驱动建模进行故障电弧检测进展缓慢，都仅停留在仿真阶段。

发明内容

本发明提供了一种故障电弧的辨识检测方法及其检测保护装置，能够准确判断确定线路中是否存在故障电弧及其发生的时刻，提高了故障电弧检测的可靠性。

一种故障电弧的辨识检测方法，包括如下步骤：

(1)对线路中的电流和电压进行采样，获得电流采样信号和电压采样信号；

(2)根据所述的电流采样信号和电压采样信号，辨识得到故障电弧的模型参数；

(3)对所述的电流采样信号进行高频滤波，获得电流采样高频信号，通过检测所述的电流采样高频信号的能量突变识别线路中是否存在电弧；若存在，进而根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

所述的步骤(2)中，辨识得到故障电弧的模型参数的过程如下：

1)根据气体分子运动理论以及能量平衡原理，建立故障电弧模型如下：

${\mathrm{dg}}_t=(\frac{k_2}{L_t}{i_t}^2-k_1{k}_2{g_t}^{-(\mathrm{\β}-1)})\mathrm{dt}+\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\ω}}_t---\left(1\right)$

式1中：g_t为t时刻的交流电弧电导，i_t为t时刻的电流采样值，L_t为t时刻故障电弧的弧长，k₁、k₂、β为故障电弧的模型参数，t为时间，ω_t为t时刻的噪声，σ为噪声参数；

2)利用区间均分分布的方式表达故障电弧的模型参数的先验分布；

3)对故障电弧模型进行离散化；根据电流采样信号和电压采样信号，计算出交流电弧电导；进而在离散域中根据交流电弧电导和电流采样信号对故障电弧的模型参数进行辨识，得到故障电弧的模型参数初值；

4)利用似然率测试法对故障电弧的模型参数初值进行检验，得到故障电弧的模型参数估计值。

所述的步骤(3)中，识别某一时刻线路中是否存在故障电弧的过程如下：

1)根据电流采样信号、电压采样信号和故障电弧的模型参数的分布区间，建立若干个评价指标；

2)根据不同故障电弧决策方案对于每个评价指标的属性值，建立故障电弧决策方案集合对于评价指标集合的灰数决策矩阵，进而对灰数决策矩阵进行规范化，得到规范化的灰数决策矩阵；

3)根据所述的规范化的灰数决策矩阵，通过Delphi(德尔斐)调查法确定每个评价指标的权重向量，进而得到每个评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值；

4)根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号，得到该时刻对应的评价指标，进而根据该时刻的评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值，取最大的评价值所对应的故障电弧决策方案，从而识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

所述的故障电弧决策方案有三种：A.存在电弧且为故障电弧；B.存在电弧但为健康电弧；C.不存在电弧。

一种故障电弧的检测保护装置，包括采样单元、数据处理单元、控制显示单元和通讯单元。

所述的采样单元，用于对线路中的电流和电压进行高速同步采样，得到并输出电流采样信号和电压采样信号；

所述的数据处理单元，用于接收所述的电流采样信号和电压采样信号，判断线路中是否存在故障电弧，得到并输出线路故障状态信息；所述的数据处理单元具有故障电弧检测模块；

所述的控制显示单元，用于接收显示所述的线路故障状态信息，并根据线路故障状态信息对系统执行保护动作；

所述的通讯单元，用于接收所述的线路故障状态信息，实现所述的检测保护装置与上位管理机的数据通讯。

优选的技术方案中，所述的数据处理单元为嵌入式MCU(微控制单元)，数据处理能力强，性价比高。

优选的技术方案中，所述的通讯单元是基于CAN(控制器局域网络)总线实现数据通讯的，通讯性能优良。

优选的技术方案中，所述的数据处理单元连接有输入设备，方便用户对相关参数进行灵活输入或设置。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明通过对电流信号和故障电弧模型参数的双重判断，避免了由于开关设备起动而造成的电流检测法的误判，提高了故障电弧检测的可靠性；

(2)本发明通过对电弧模型的建立和判断，更深入地分析了电弧产生的机理，并反映电弧的发展过程，极大地提高了故障电弧检测的准确性，为后续的电弧故障分析提供了很好的依据；

(3)本发明通过对线路中故障电弧的准确检测和时间定位，很大程度上提高了开关设备的分断准确性，提高了开关设备的寿命和工作可靠性，降低了故障电弧对电力系统造成的危害。

附图说明

图1为本发明故障电弧辨识检测方法的步骤流程图。

图2为本发明故障电弧检测保护装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的故障电弧辨识检测方法及其检测保护装置进行详细说明。

电弧的产生，是在原来特定频率的低频电流信号中混入了高频扰动杂波，高频扰动杂波所具有的能量使电流信号的高频能量发生突变。因此，电流高频部分的波形可以反映出高频部分能量的变化情况，通过检测高频能量是否存在突变即可识别出是否存在电弧。由于电网中存在许多与故障电弧的电流电压波形相似的波形，因此需要进一步通过电流电压信号辨识故障电弧模型参数，通过参数判断电弧是否为故障电弧。

如图1所示，一种故障电弧的辨识检测方法，包括如下步骤：

(1)对线路中的电流和电压进行采样，获得电流采样信号和电压采样信号；

(2)根据电流采样信号和电压采样信号，辨识得到故障电弧的模型参数；

辨识得到故障电弧的模型参数的过程如下：

1)根据气体分子运动理论以及能量平衡原理，建立故障电弧模型如下：

${\mathrm{dg}}_t=(\frac{k_2}{L_t}{i_t}^2-k_1{k}_2{g_t}^{-(\mathrm{\β}-1)})\mathrm{dt}+\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\ω}}_t---\left(1\right)$

式1中：g_t为t时刻的交流电弧电导，i_t为t时刻的电流采样值，L_t为t时刻故障电弧的弧长，k₁、k₂、β为故障电弧的模型参数，t为时间，ω_t为t时刻的噪声，σ为噪声参数；

2)利用区间均分分布的方式表达故障电弧的模型参数的先验分布；

3)利用sinch算法对故障电弧模型进行离散化；根据电流采样信号和电压采样信号，计算出交流电弧电导；进而在离散域中根据交流电弧电导和电流采样信号对故障电弧的模型参数进行辨识，得到故障电弧的模型参数初值；

4)利用似然率测试法对故障电弧的模型参数初值进行检验，得到故障电弧的模型参数估计值。

(3)对电流采样信号进行高频滤波，获得电流采样高频信号，通过检测电流采样高频信号的能量突变识别线路中是否存在电弧；若存在，进而根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

电流采样信号若经过非线性自适应滤波处理，滤去正常的因AD精度误差以及电路噪声造成的高频干扰信号能量，再进行电弧识别，更有利于有效检测电流信号中高频部分的能量突变，对电流采样信号进行高频滤波的过程如下：

1)采用Mallat(马拉特)算法对原始信号进行小波分解，得到噪声小波系数，从而得到参考噪声信号n₁；

2)整个系统分为主通道与参考通道，将原始信号d作为主通道输入，原始信号d为真实信号s与主通道噪声n₁的叠加。n₁通过神经网络非线性处理后产生输出信号y，将其与原始信号d比较，形成误差信号e；

3)采用BP(Back Propagation)神经网络作为自适应单元，求使得e的均方差最小的输出信号y，从而实现非线性自适应滤波。

识别某一时刻线路中是否存在故障电弧的过程如下：

1)根据电流采样信号i、电压采样信号v和故障电弧的模型参数k₁、k₂、β的分布区间，建立若干个评价指标A_i＝{k₁，k₂，β，i，v}；

2)根据不同故障电弧决策方案S_i对于每个评价指标A_i的属性值

建立故障电弧决策方案集合S对于评价指标集合A的灰数决策矩阵

进而对灰数决策矩阵进行规范化，得到规范化的灰数决策矩阵

3)根据规范化的灰数决策矩阵，通过Delphi调查法确定每个评价指标的权重向量w＝(w₁，w₂，...，w_m)，进而得到每个评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值r_i＝(w₁r_i1+w₂r_i2+...+w_mr_i2)；r_i越大，表示被评价方案S_i越佳；

4)根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号，得到该时刻对应的评价指标，进而根据该时刻的评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值，取最大的评价值所对应的故障电弧决策方案，从而识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

故障电弧决策方案有三种：A.存在电弧且为故障电弧；B.存在电弧但为健康电弧；C.不存在电弧。

如图2所示，一种故障电弧的检测保护装置，包括采样单元、数据处理单元、控制显示单元和通讯单元；

采样单元包含有电压互感器、电流互感器、信号调理电路、同步采样电路和A/D转换模块；电压互感器和电流互感器分别采集线路中的电压信号和电流信号，电压、电流信号经过信号调理电路放大、滤波等处理后，输入至同步采样电路进行采样，得到电流采样信号和电压采样信号，最后，利用A/D转换模块将电流采样信号和电压采样信号进行模数转换，得到电流采样信号和电压采样信号对应的数字信号。

数据处理单元为嵌入式MCU，其内部具有故障电弧检测模块，同时嵌入式MCU还连接有输入键盘，通过输入键盘用户将故障电弧的模型参数输入至故障电弧检测模块中，同时故障电弧检测模块接收电流采样信号和电压采样信号对应的数字信号，经综合计算判断，嵌入式MCU输出线路故障状态信息。

控制显示单元包含有LCD显示器、驱动电路和脱扣开关；LCD显示器接收并显示嵌入式MCU输出的线路故障状态信息，驱动电路根据线路故障状态信息判断是否给脱扣开关提供驱动信号，脱扣开关接收驱动信号并执行动作，从而实现对系统实现保护。

通讯单元接收线路故障状态信息，并基于CAN总线实现检测保护装置与上位管理机的数据通讯。

Claims (7)

1.一种故障电弧的辨识检测方法，包括如下步骤：

(1)对线路中的电流和电压进行采样，获得电流采样信号和电压采样信号；

(2)根据所述的电流采样信号和电压采样信号，辨识得到故障电弧的模型参数；

(3)对所述的电流采样信号进行高频滤波，获得电流采样高频信号，通过检测所述的电流采样高频信号的能量突变识别线路中是否存在电弧；若存在，进而根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

2.根据权利要求1所述的故障电弧的辨识检测方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，辨识得到故障电弧的模型参数的过程如下：

1)根据气体分子运动理论以及能量平衡原理，建立故障电弧模型如下：

${\mathrm{dg}}_t=(\frac{k_2}{L_t}{i_t}^2-k_1{k}_2{g_t}^{-(\mathrm{\β}-1)})\mathrm{dt}+\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\ω}}_t---\left(1\right)$

式1中：g_t为t时刻的交流电弧电导，i_t为t时刻的电流采样值，L_t为t时刻故障电弧的弧长，k₁、k₂、β为故障电弧的模型参数，t为时间，ω_t为t时刻的噪声，σ为噪声参数；

2)利用区间均分分布的方式表达故障电弧的模型参数的先验分布；

3)对故障电弧模型进行离散化；根据电流采样信号和电压采样信号，计算出交流电弧电导；进而在离散域中根据交流电弧电导和电流采样信号对故障电弧的模型参数进行辨识，得到故障电弧的模型参数初值；

4)利用似然率测试法对故障电弧的模型参数初值进行检验，得到故障电弧的模型参数估计值。

3.根据权利要求1所述的故障电弧的辨识检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，识别某一时刻线路中是否存在故障电弧的过程如下：

1)根据电流采样信号、电压采样信号和故障电弧的模型参数的分布区间，建立若干个评价指标；

2)根据不同故障电弧决策方案对于每个评价指标的属性值，建立故障电弧决策方案集合对于评价指标集合的灰数决策矩阵，进而对灰数决策矩阵进行规范化，得到规范化的灰数决策矩阵；

3)根据所述的规范化的灰数决策矩阵，通过Delphi调查法确定每个评价指标的权重向量，进而得到每个评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值；

4)根据故障电弧的模型参数以及某一时刻的电流采样信号和电压采样信号，得到该时刻对应的评价指标，进而根据该时刻的评价指标在每个故障电弧决策方案下的评价值，取最大的评价值所对应的故障电弧决策方案，从而识别该时刻线路中是否存在故障电弧。

4.一种故障电弧的检测保护装置，其特征在于：包括采样单元、数据处理单元、控制显示单元和通讯单元；

所述的采样单元，用于对线路中的电流和电压进行高速同步采样，得到并输出电流采样信号和电压采样信号；

所述的数据处理单元，用于接收所述的电流采样信号和电压采样信号，判断线路中是否存在故障电弧，得到并输出线路故障状态信息；所述的数据处理单元具有故障电弧检测模块；

所述的控制显示单元，用于接收显示所述的线路故障状态信息，并根据线路故障状态信息对系统执行保护动作；

所述的通讯单元，用于接收所述的线路故障状态信息，实现所述的检测保护装置与上位管理机的数据通讯。

5.根据权利要求4所述的故障电弧的检测保护装置，其特征在于：所述的数据处理单元为嵌入式MCU。

6.根据权利要求4所述的故障电弧的检测保护装置，其特征在于：所述的通讯单元是基于CAN总线实现数据通讯的。

7.根据权利要求4所述的故障电弧的检测保护装置，其特征在于：所述的数据处理单元连接有输入设备。

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