CN102868139A - 一种触电信号暂态量识别方法及剩余电流保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种触电信号暂态量识别方法以及与该方法相应的剩余电流保护装置，其包括：提取单元，用于提取实时监测到的总泄漏电流信号；选择单元，用于选择一维菱形结构元素；数学形态学运算单元，用于根据选取的一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；控制单元，用于判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，发出跳闸指令，否则控制提取单元继续提取实时监测到的总泄漏电流信号。本发明能够快速、有效地识别触电支路（人体或动物）的电流特征，从而准确辨识人体触电支路的电流信号，提高剩余电流保护装置的灵敏性和可靠性。

Description

一种触电信号暂态量识别方法及剩余电流保护装置

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，特别涉及一种触电信号暂态量识别方法及剩余电流保护装置。

背景技术

剩余电流保护装置在低压电网中防止人身触电和避免因泄露电流造成电气设备损坏等方面起着重要作用。目前常用的剩余电流保护装置的动作判据通常是低压供电回路总泄漏电流的幅值大于某个整定值，或者是总泄漏电流的微增量大于某个规定值。运行经验表明，目前的剩余电流保护装置大多无法真正辨识人体触电支路的电流信号，常常出现大负荷时合不上闸、无法正确投运；或在潮湿天气条件下，因电气回路绝缘水平显著降低，导致对地泄漏电流增大，进而出现误动作的现象。要想从根本上解决上述问题，必须尽快研究新的理论方法，使其能够从包含噪声的总泄漏电流中，快速、有效地识别触电支路（人体或动物）的电流特征，进而构建新的动作边界曲线，实现基于触电电流动作的剩余电流保护装置。

发明内容

（一）技术问题

本发明要解决的技术问题是如何准确地识别触电信号的暂态特征，提高剩余电流保护装置的灵敏性和可靠性。

（二）技术方案

本发明提供一种触电信号暂态量识别方法，其包括：

S1.提取实时监测到的总泄漏电流信号；

S2.根据述电流信号的波形，选取一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流信号进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；

S3.判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，否则返回步骤S1。

可选的，所述步骤S1中，所述实时监测到的总泄漏电流信号为1个周期的总泄漏电流信号。

可选的，所述步骤S2具体包括：将步骤2计算的闭开运算与开闭运算的结果做差，所述差作为所述暂态特征量。

可选的，所述步骤S2中，所述一维菱形结构元素的步长为1。

本发明还提供一种剩余电流保护装置，其包括：

提取单元，用于提取实时监测到的总泄漏电流信号；

选择单元，用于选择一维菱形结构元素；

数学形态学运算单元，用于根据选取的一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；

控制单元，用于判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，发出跳闸指令，否则控制提取单元继续提取实时监测到的总泄漏电流信号。

可选的，所述实时监测到的总泄漏电流信号为1个周期的总泄漏电流信号。

可选的，所述数学形态学运算单元进一步包括减法器，用于将闭开运算与开闭运算的结果做差，所述差作为所述暂态特征量。

可选的，所述一维菱形结构元素的步长为1。

可选的，所述提取单元为零序电流互感器。

（三）技术效果

本发明能够快速、有效地识别触电支路（人体或动物）的电流特征，从而准确辨识人体触电支路的电流信号，提高剩余电流保护装置的灵敏性和可靠性。

附图说明

图1表示本发明实施例的一种剩余电流保护装置的结构图；

图2表示本发明实施例的一种触电信号暂态量识别方法流程图；

图3表示触电信号与其暂态特征提取信号对比图。

具体实施方式

本发明根据生物触电时，零序电流互感器检测到的总泄漏电流会产生丰富的暂态信息的特点，提出了利用数学形态学提取触电信号的暂态特征，以该暂态特征量作为剩余电流保护装置的动作判据，进而提高剩余电流保护装置的灵敏性和可靠性。

数学形态学的基本思想是利用一个收集信息的探针，即“结构元素”，在图形中不断移动结构元素，来探测所研究信息的结构特点，是数学形态学的基本算子。

常用的结构元素有直线、曲线（如二次，三次等）、三角形、圆形和其它多边性及其结合等。对于一维信号的数学形态学分析，结构元素的长度和高度是非常重要的，但是目前，在一维信号分析领域，还没有存在针对具体应用背景的结构元素选择原则，所以需要根据具体信号波形来选择合适的结构元素。

实施例1：

本实施例提供一种剩余电流保护装置，如图1所示，其包括：

提取单元，用于提取实时监测到的总泄漏电流信号；

选择单元，用于选择一维菱形结构元素，这由触电信号的波形决定，而且在对实验获得的信号进行大量仿真后，确定采用菱形结构元素，因为菱形结构元素效果最好。

优选步长为1，这种步长既能获得明显的检测效果，也能满足快速运算的要求（步长越长运算时间越长）。

数学形态学运算单元，用于根据选取的一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；

控制单元，用于判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，发出跳闸指令，否则控制提取单元继续提取实时监测到的总泄漏电流信号。

可选的，所述实时监测到的总泄漏电流信号为1个周期的总泄漏电流信号。

可选的，所述数学形态学运算单元进一步包括减法器，用于将闭开运算与开闭运算的结果做差，所述差作为所述暂态特征量。

可选的，所述一维菱形结构元素的步长为1。

可选的，所述提取单元为零序电流互感器。

该剩余电流保护装置的动作包括：

（1）选取一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学的闭开和开闭运算；

（2）将闭开和开闭运算的结果做差，得到总泄漏电流的暂态特征量；

（3）判断暂态特征量超过额定值，即为该时刻出现故障，剩余电流保护装置跳闸。

其中，一维菱形结构元素的步长为1。

其中，额定值需根据具体情况具体设定。

本发明通过数学形态学的开、闭运算的特点，构造了闭开-开闭梯度形态检测法，依据梯度形态检测的结果超过某一额定值来判断触电时刻，并以此作为剩余电流保护装置的动作判据，使剩余电流保护装置的灵敏性和可靠性更高，避免了根据总泄漏电流大小判断是否跳闸而导致的保护装置误动或拒动的问题。

实施例2：

本发明提供的触电信号暂态量识别方法具体流程如图2所示，包括：

步骤1，提取实时监测到的总泄漏电流信号，由于在时间域里描述一个信号，其基本单位即为一个周期，为了保证算法的精度，每次优选1个周期的总泄漏电流信号。

步骤2，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学开闭运算和闭开运算并将闭开运算与开闭运算的结果做差。其中，开闭运算定义为：将总泄漏电流信号与构造的菱形结构元素先做数学形态学开运算再做数学形态学闭运算；闭开运算定义为：将总泄漏电流信号与构造的菱形结构元素先做数学形态学闭运算再做数学形态学开运算。

下面对开运算和闭运算的过程进行具体说明：

膨胀和腐蚀是最基本的形态运算，令f(x)和b(x)分别表示一维采样信号和一维结构元素，D_f和D_b分别表示f(x)和b(x)的定义域。信号f(x)关于结构元素b(x)的膨胀和腐蚀运算分别定义为：

$(f\⊕b)\left(s\right)=\max \{f(s-x)+b\left(x\right)\begin{array}{c}s-x\∈D_f\\ x\∈D_b\end{array}\}---\left(1\right)$

$\left(\mathrm{f\Θb}\right)\left(s\right)=\min \{f(s+x)-b\left(x\right)\begin{array}{c}s+x\∈D_f\\ x\∈D_b\end{array}\}---\left(2\right)$

式中，

和Θ分别是膨胀运算符和腐蚀运算符。

膨胀和腐蚀是不可逆运算，先腐蚀后膨胀通常不能使目标函数复原，而是产生一种新的形态学变换，称之为开运算，与开运算对应的是闭运算，即先膨胀后腐蚀。开、闭运算分别被定义为：

$f\·b=(f\⊕b)\mathrm{\Θb}---\left(4\right)$

式中，ο和·分别为开运算符和闭运算符。

定义闭开和开闭运算分别为：

OC=(fοb·b)(n)    （5）

CO=(f·bοb)(n)    （6）

式中，OC为闭开运算结果，CO为开闭运算结果。

将上述闭开运算与开闭运算的结果做差，即闭开-开闭梯度形态检测法：

y(n)=CO-OC  （7）。

步骤3，判断步骤2的结果的幅值是否超过整定值，超过整定值即判断此刻发生触电事故，发出动作指令跳闸；如未超过整定值，返回提取下一周期的总泄漏电流信号，重复步骤1~步骤3。其中，整定值的设定需根据具体情况具体设定。

触电信号暂态特征提取结果如图3所示。其中触电信号（曲线1）是检测到的总泄漏电流触电前后的波形；检测信号（曲线2）是本发明建立的闭开-开闭梯度形态检测法的检测结果，该信号中突起的尖峰即为触电时刻。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种触电信号暂态量识别方法，其特征在于，包括：

S1.提取实时监测到的总泄漏电流信号；

S2.选取一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流信号进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；

S3.判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，否则返回步骤S1。

2.如权利要求1所述的触电信号暂态量识别方法，其特征还在于，所述步骤S1中，所述实时监测到的总泄漏电流信号为1个周期的总泄漏电流信号。

3.如权利要求1所述的触电信号暂态量识别方法，其特征还在于，所述步骤S2具体包括：将步骤2计算的闭开运算与开闭运算的结果做差，所述差作为所述暂态特征量。

4.如权利要求1所述的触电信号暂态量识别方法，其特征还在于，所述步骤S2中，所述一维菱形结构元素的步长为1。

5.一种剩余电流保护装置，其特征在于，包括：

提取单元，用于提取实时监测到的总泄漏电流信号；

选择单元，用于根据述电流信号的波形选择一维菱形结构元素；

数学形态学运算单元，用于根据选取的一维菱形结构元素，对实时监测到的总泄漏电流进行数学形态学的闭开和开闭运算，得到暂态特征量；

控制单元，用于判断所述暂态特征量是否超过预定值，如果超过，则判断出现故障，发出跳闸指令，否则控制提取单元继续提取实时监测到的总泄漏电流信号。

6.如权利要求5所述的剩余电流保护装置，其特征还在于，所述实时监测到的总泄漏电流信号为1个周期的总泄漏电流信号。

7.如权利要求5所述的剩余电流保护装置，其特征还在于，所述数学形态学运算单元进一步包括减法器，用于将闭开运算与开闭运算的结果做差，所述差作为所述暂态特征量。

8.如权利要求5所述的剩余电流保护装置，所述一维菱形结构元素的步长为1。

9.如权利要求5所述的剩余电流保护装置，所述提取单元为零序电流互感器。

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