CN103163353B - 基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，其特点是利用电流互感器采集被保护线路电流信号，经精密电阻转换成电压信号，再经A/D转化器获得数字信号输入DSP中。在DSP中对采集到的电流信号进行归一化处理，将处理后的电流信号进行相空间重构，获得相空间轨迹图，为放大电流特征量，将空心的电流相空间轨迹图进行填充，得到实心的相空间平面图，利用分形原理计算电流信号相空间轨迹图的计盒维数，依此为电流信号的特征量，判断线路中是否出现电弧故障。

Description

基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种线路故障的检测方法，特别是涉及一种在供配电线路中基于线路电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测的方法。

背景技术

中、低压配电线路中电弧故障是常见且严重的线路故障，在楼宇、家电、汽车、飞机等供用电系统内，也都一定程度地存在着电弧故障的威胁。由于很多时候线路中电弧故障的发生并没有伴随着大的过电流，其电流可能小于线路的额定电流, 但是目前的熔断器、断路器等保护装置只能对过流、短路等情况进行检测和保护，不能起到对电弧故障的检测和保护的作用，所以传统的供配电线路保护方案不能避免电弧故障的发生。电弧故障的高隐蔽性，以及其强大的破坏力，容易造成设备损坏，引起火灾甚至爆炸，严重危害了大众的生命财产的安全，由于电弧的能量大，对设备、人员的危害很大，所以在供配电线路保护系统中急需一种可靠有效的电弧故障检测方法来弥补目前的技术空缺，而且该技术的应用领域十分广泛。

中、低压配电线路中电弧故障模式按其产生位置分为串联电弧故障和并联电弧故障，串联电弧故障一般由于一根导体发生机械断裂、导体接头处松动，或导体熔断时绝缘皮炭化而产生，所以串弧故障模式又可细分为串联点接触式电弧故障和串联炭化路径式电弧故障。串弧故障的电流波形受到负载的影响，且一般小于负载电流。并联电弧故障一般产生于两根导体之间，由于两导体接头处有触碰连接，或两导体之间由于绝缘损伤、炭化而产生，所以并弧故障同样也细分为并联点接触式电弧故障和并联炭化路径式电弧故障。并弧故障的电流波形也受到负载的影响，一般大于负载电流。在线路串、并联电弧故障中，电流的波形含有丰富的高频噪声、而且最大电流上升率增加、同时电流波形存在“平肩”现象，故障特性具有明显的间歇性、随机性等。

目前国内外学者利用电弧放电时的光、热、声音和电磁辐射等特性提出了一些方法来检测电弧。如德国Moeller公司用于低压开关柜的电弧故障保护系统、ARCON ABB的ARC Guard System电弧故障保护系统、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等，由于检测这些参数的传感器都必须安装在电弧故障发生的地方，而电弧故障发生的地点是不确定的，这就给全面检测供电线路中的电弧故障带来了不便。在已公开的电弧故障检测技术中，都是从被保护回路电流波形在过零点处有无平肩现象、电流上升率是否过大等方面作为判据来检测电弧故障是否发生，该种方法有一定的实用性，但会受到负载中由于电力电子器件的存在使得电流波形发生畸变的影响，存在着误判的机率。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述不足，介于目前国内外已公开的电弧检测方法存在着诸多弊端与不便性，本发明提供一种基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法。该电弧故障检测方法通过提取供配电线路电流特征量来判定线路中是否出现电弧故障。经研究发现，在线路发生电弧故障的时段，不同模式的电弧故障电流波形均有其自身特征，该特征在同一模式电弧故障和同种负载情况下具有着明显的共性，而该特征在不同模式的电弧故障或不同负载情况下又存在着较大的差异性。电弧故障电流的该种特征不仅能够在不同负载情况下的四种电弧故障之间进行彼此区分，更主要的是能够精确有效的与负载中电力电子器件导致的畸变的电流波形特征进行区分。

为了实现上述发明内容，本发明给出的技术方案为：这种基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，采集被保护线路的电流信号，通过提取电流波形特征量来判断是否出现电弧故障，其特点是包含以下步骤：（1）将被保护线路电流经过电流互感器采集到系统之中，电流信号经过精密取样电阻转化为电压信号，转化后的电压信号送入A/D转换器，使之转换成DSP所能识别的数字量，后续步骤中针对线路电流信号的分析与处理全是通过对该经过转化而获得的电压信号的运算来完成的。

（2）以被保护线路带载情况下正常工作电流峰值为基准，将电流信号归一化处理，出现电弧故障时段的电流值同比例调整，即将检测到的被保护线路的电流值除以正常带载工作的线路电流峰值，该步骤即通过调理经精密取样电阻转化后而获得的电压信号来完成。

（3）在所采集到的被保护线路电流信号中，按时间次序依次截取完整的一个周波，其中含有线路正常工作电流周波与线路出现电弧故障时段的电流周波，此一个周期的电流波形起点与终点为电流的过零点。按时间次序依次对所截取的线路电流周波进行相空间重构，对应每一个电流周波得到一个对应的相空间轨迹图。

（4）利用分形理论计算线路正常带载工作电流周波相空间轨迹图的分形维数和线路出现电弧故障时段的电流周波相空间轨迹图的分形维数，两种情况下的电流相空间轨迹图分形维数存在较大差异，以此为判据检测电弧故障的出现。

所述的电流互感器所采集的线路电流信号经精密电阻转化为电压信号，又经A/D转化器转换成DSP所能识别的数字量，采样频率设为f=100kHz。

所述的分析电流信号时对电流信号首先进行归一化处理，使得线路正常带载情况下工作电流峰值为单位1，出现电弧故障时段的电流同比例调整。

所述的截取每一个电流周波时端点为电流波的两个过零点，获得的电流周波进行相空间重构，重构的相空间横坐标为I _x =i(t)，重构的相空间纵坐标为I _y =i(t+△t)，相位时间差最优取值为。

所述的获得的电流信号相空间轨迹图为一闭合空心轨迹，将该空心轨迹进行填充，获得一实心平面图，利用分形理论对其进行盒维数计算，得出线路带载正常工作电流特征量与线路发生四种模式电弧故障情况下的电流特征量，四种电弧故障模式分别为并弧点接触式、并弧碳化路径式、串弧点接触式、串弧碳化路径式，各自的盒维数即为各自的电流特征量，以此作为判据检测是否发生电弧故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1) 随着新型用电设备的增多，线路电流波形甚为复杂，一些负载实际运行时的电流波形与线路发生故障电弧时的波形极为相似，如微波炉、电子调光灯、电视机等负载的电流波形也具有平肩、电流上升率过大等现象，采用该特征判别故障电弧是否发生经常会发生误判和漏判。本发明通过对不同故障电弧及多种电器设备的电流波形进行相空间重构发现，故障电弧的相平面图与设备正常运行时的相平面图有明显差异，通过分形方法提取其特征参数，将其作为判定故障电弧是否发生的依据可以提高故障电弧识别的准确性，也易于确定量化判据。

不仅能判定是否发生了故障电弧，同时还能判别故障电弧的种类，可以为维修人员排查故障提供指导。

附图说明

图1 为被保护线路电流测量与电弧检测系统框图。

图2为盒维数计算方法流程图。

具体实施方式

参考附图及实施例对本发明的技术方案进行更进一步详细说明。

如图1所示，该发明的核心部分是对被保护线路的电流波形进行计算分析，所采用的核心硬件为数字信号处理器件DSP，被保护线路电流的测量是利用电流互感器进行采样，将采集到的电流信号经过精密电阻转化为与之对应的并保留所有波形特征的电压信号。后续所有针对电流信号的分析处理与计算完全可以在通过对经转化而得到电压信号进行。利用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号处理器DSP能够处理的数字电压信号，转换后的数字电压信号输入到数字处理模块DSP中进行计算。

由于被保护线路所带负载功率不同，线路中所承载的电流就不尽相同，为了能够满足被保护线路在带不同功率负载情况下，能够有一个统一的电流特征量范围，在本发明中需要对所采集到的线路电流信号进行归一化处理，首先需要检测线路正常带载的工作电流峰值，确定电流峰值之后将其保存到存储器中，将采集到的被保护线路电流值除以已保存的线路正常带载工作的电流峰值，之后线路正常带载工作的电流峰值为单位1，如采集到的电流信号时段为线路中出现电弧故障的时段，此时采集到的线路中的电弧故障电流也得到相同比例的调整。

将按线路正常带载工作的电流峰值归一化的电流波形按时间次序依次截取完整的一个周波，当线路正常带载运行时，此被截取的周波为正常工作电流周波，当线路中出现电弧故障时，此被截取的周波为电弧故障电流周波，每一个完整的电流周波的起点与终点均为电流的过零点，这样才可以在统一规则下对所截取的电流波形进行特征量分析。将所截取的线路电流周波进行相空间重构，对应每一个线路周波得到一个与之对应的相空间轨迹图。相空间重构的原则为：重构的相空间横坐标为，重构的相空间纵坐标为，其中为相位时间差，相位时间差的取值为一经验值，如过小，则经过相空间重构所获得的相空间轨迹图比较窄小，计算其分形维数时，不同模式的电弧故障电流之间的分形维数差异不大，线路电弧故障电流与电力电子器件负载的畸变电流之间的分形维数差异也不明显；如过大，则经过相空间重构所获得的相空间轨迹图由于取点时间间隔较大使得图像出现断续，降低了相空间轨迹图的像素，不同情况下计算出的分形维数存在的差异同样不够明显，难于区分。经过实验摸索，得出相位时间差最优取值为。为了将被保护线路电流波形特征量进行放大，即将线路电流一个完整周波的相空间轨迹图的分形维数进行放大，使得不同模式的电弧故障电流之间和线路电弧故障电流与电力电子器件负载的畸变电流之间的分形维数能够有明显的差异，将得到的空心的电流相空间轨迹图进行填充，获得一个实心的相空间平面图，利用分形理论对该实心相空间平面图进行分形维数计算。

分形维数(Fractal Dimension)是分形理论的核心，它是描述分形体复杂结构的主要工具。目前有许多维数的定义和计算方法，主要包括豪斯多夫(Hausdorff)维数、计盒维数(Box Counting Dimension)、容量维数、信息维数等等。豪斯多夫维数是分形几何理论的基础，可以说分形几何的理论体系建立在这一基础之上，但是豪斯多夫维数只适合分形几何的理论推导，它对实际应用中提出的分形维数的计算问题无能为力。而计盒维数（简称“盒维数”）及其变形则由于易于进行程序化计算，在分形理论应用研究中得到了广泛的应用。本发明即通过计算被保护线路电流信号相空间轨迹图的计盒维数，以此为线路正常带载工作电流和电弧故障电流的特征量来分析判断线路中是否有电弧故障发生。

下面结合盒维数计算流程图图2具体说明盒维数的计算方法。在本发明中计算计盒维数采用像素点覆盖法。首先将分形图像二值化处理，即把线路电流信号相空间轨迹图进行二值化处理，得到一个数据文件为N阶（N为2的n次幂）的0、1方阵，其中元素“0”表示为分形图像中轨迹图所占有的像素点、元素“1”表示分形图像中除轨迹图以外的空白处所占有的像素点。将该二值矩阵按2^k阶逐阶网格化，k=0,1,2,3….i。对该二值矩阵进行网格划分时，得到的子矩阵阶数为N1=N/2^k，子矩阵中包含轨迹所占像素点的子矩阵个数记为δ_k，即本次划分得到δ_k个非单位矩阵。按此规则逐阶对原二值矩阵进行网格化划分，可以依次得到需要的盒子数为δ₀，δ₁，δ₂，......，δ_i。将每次划分得到的盒子数与子矩阵阶数取对数，得到数据点（logδ_k，logN/2^k），k=0,1,2,3…...i，然后在双对数坐标系下绘出该组数据点，并用直线对该组数据点进行线性拟合与线性回归分析，如能得到一条线性相关的直线，直线斜率的负值即为该电流信号相空间轨迹图像的计盒维数。计盒维数的计算表达式为：   。

利用以上方法计算出采集到的每一个电流周波的计盒维数，线路正常带载工作电流周波的计盒维数、四种不同模式电弧故障电流周波计盒维数和电力电子器件负载畸变电流周波计盒维数彼此之间存在明显的差异性，利用线路电流的该特征量可以快速有效的分析判断电弧故障的发生与否，如检测到线路中存在电弧故障，同时还可以判断出该电弧故障属于四种电弧故障模式中的哪一种。

Claims (4)

1.基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1) 将被保护线路电流经过电流互感器采集到系统之中，电流信号经过精密取样电阻转化为电压信号，转化后的电压信号送入A/D转换器，使之转换成DSP所能识别的数字量，后续步骤中针对线路电流信号的分析与处理全是通过对该经过转化而获得的电压信号的运算来完成的；

(2) 以被保护线路带载情况下正常工作电流峰值为基准，将电流信号归一化处理，出现电弧故障时段的电流值同比例调整，即将检测到的被保护线路的电流值除以正常带载工作的线路电流峰值，该步骤即通过调理经精密取样电阻转化后而获得的电压信号来完成；

(3) 在所采集到的被保护线路电流信号中，按时间次序依次截取完整的一个周波，其中含有线路正常工作电流周波与线路出现电弧故障时段的电流周波，此一个周期的电流波形起点与终点为电流的过零点；按时间次序依次对所截取的线路电流周波进行相空间重构，对应每一个电流周波得到一个对应的相空间轨迹图；

(4) 利用分形理论计算线路正常带载工作电流周波相空间轨迹图的分形维数和线路出现电弧故障时段的电流周波相空间轨迹图的分形维数，两种情况下的电流相空间轨迹图分形维数存在较大差异，以此为判据检测电弧故障的出现。

2.根据权利要求1所述基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，其特征在于：电流互感器所采集的线路电流信号经精密取样电阻转化为电压信号，又经A/D转换器转换成DSP所能识别的数字量，采样频率设为f=100kHz。

3.根据权利要求1所述基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，其特征在于：分析电流信号时对电流信号首先进行归一化处理，使得线路正常带载情况下工作电流峰值为单位1，出现电弧故障时段的电流同比例调整。

4.根据权利要求1所述基于电流波形相空间重构和分形理论的电弧故障检测方法，其特征在于：获得的电流信号相空间轨迹图为一闭合空心轨迹，将该空心轨迹进行填充，获得一实心平面图，利用分形理论对其进行盒维数计算，得出线路带载正常工作电流特征量与线路发生四种模式电弧故障情况下的电流特征量，四种电弧故障模式分别为并弧点接触式、并弧碳化路径式、串弧点接触式、串弧碳化路径式，各自的盒维数即为各自的电流特征量，以此作为判据检测是否发生电弧故障。