CN103353570B - 负载端电压检测的电弧故障辨识方法及系统 - Google Patents

负载端电压检测的电弧故障辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

电弧故障发生时常伴随着高温气体，使得低压配电线路中存在电气火灾的隐患。本发明涉及一种基于负载端电压研究的电弧故障辨识技术。首先，通过检测配电线路不同支路的端电压，然后通过电力线载波等通讯方式将各支路采集的电压信号发送到采集控制中心MCU，在MCU上采用小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，对各支路采集的电压信号的电弧故障特性加以辨析，并根据辨析结果选择出发生电弧故障的支路识别，并确保其他非故障支路的正常工作。若仅在某一支路检测到因电弧引起的端电压异常，将判断为单一支路发生电弧故障并切断该支路。若同时检测到多处电压异常情况，将判断为主回路发生电弧故障情况并切断主回路。

Description

负载端电压检测的电弧故障辨识方法及系统
技术领域
本发明属于电路故障保护领域，特别是涉及一种应用于低压配电线路中电弧故障辨识的方法。
背景技术
电弧故障发生时常伴随着高温气体，使得低压配电线路中存在电气火灾的隐患。电弧故障发生时的电流虽然通常存在较高的尖峰，但有效值并不大，一般为防止电路漏电、过电流而设计的传统断路器或保护开关，都无法对电弧故障提供全面的保护。
目前已有开发装置AFCI(电弧故障断路器)来实现电弧故障保护，美国全国电气规程(National Electric Codes，NEC)在2008年强制规定所有的家用线路都必须安装防火灾的AFCI，并有相关标准UL1699对AFCI进行规范要求。而在配电电器中存在一些负载诸如计算机的开关电源、频繁启动的冰箱电动机，其工作特性类似电弧故障的情况。
为了提高AFCI的可靠性，国内外学者提出了多种电弧故障检测的方法。目前对电弧故障的研究都以电流型检测为主，检测电弧电流的“零休时刻”、零休后电流上升率突变、电流的谐波分量来提取电弧故障的特征。根据国标GB/T7260-3—2003，电路中的基本负载可以分为线性负载和非线性负载两类。当非线性类型负载被施加正弦交流电压时，尽管电路无电弧故障发生其工作电流都将出现类似前述的电流“零休现象”。目前电流型检测方法的辨识泛化能力不强，未能提出一种可适用于不同类型负载的检测方案，能防止非线性负载额定电流和频繁投切电感性负载的启动电流引起的电弧故障检测误判断。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线路电弧故障检测方法，旨在解决现有技术在进行线路电弧故障检测时，辨识泛化能力不强，克服非线性负载额定电流和感性负载启动电流引起故障检测误判断的能力不强，以及负载设备工作电流值差异引起电弧故障阈值难以统一等问题。
本发明是这样实现的，一种基于负载端电压研究的低压配电线路电弧故障辨识方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
监测配电线路中各支路的末端电压信号，并采用微处理器MCU将采集的各支路电压信号分别采用小波变换加以分解；
将小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，用于标志各支路的故障状态信息STATE(n)(n＝1,2,3,…,N),其中，N为低压配电线路支路数，每个支路的故障状态信息将反映该支路以及主回路的工作状态；
MCU根据被检测端电压的状态信息，得出故障判断结果，并根据该结果切断相应的故障支路或主回路。
在本发明一实施例中，所述故障判断结果包括：
综合所有支路的故障状态信息仅有在支路n的状态STATE(n)确定为故障状态，则将故障发生定位在支路n；
综合所有支路的故障状态信息同时发生在支路n、支路n+1以及后续的所有支路，则将故障定位在线路Ln处。
在本发明一实施例中，该方法能对多种负载进行分类分析，包括阻性负载、感性负载、非线性负载以及各类负载的混合情况。
在本发明一实施例中，所述小波变换加以分解是通过广义形态开滤波器作为小波分解的前置单元，以同时消除所采样的各支路电压信号脉冲噪声和白噪声；
以三次B样条函数作为基函数，对滤波后的电压信号实施小波变换，将工频正弦电压波形下的小波分量值定为电弧故障判断的基值Base，将电弧故障的判断阈值设置为2.5*Base值，可根据实际情况将基值倍数2.5加以适当调整。
在本发明一实施例中，所述MCU接收各支路电压信号的通讯方式是电力线载波通讯、现场总线通讯或无线通讯；对各支路及主回路电弧故障进行分布检测集中故障辨识的方法。
本发明的另一目的是提供一种线路电弧故障检测系统，其特征在于，该系统包括：监测单元，用于监测配电线路中各支路端电压，并对采样信号进行模/数转换；通讯单元，用于将所述监测单元输出的电压数字信号传输到故障识别单元；故障识别单元，其采用微处理器MCU对所述电压数字信号分别采用小波变换加以分解；将小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，用于标志各支路的故障状态信息STATE(n)(n＝1,2,3,…,N),其中，N为低压配电线路支路数，每个支路的故障状态信息将反映该支路以及主回路的工作状态；以及开关脱扣单元，根据所述故障识别单元的故障判断结果，切断相应的故障支路或主回路。
附图说明
图1为电弧电压的波形图。
图2为负载端电压检测原理图。
图3为故障辨识系统原理图。
图4a为广义形态开滤波器中腐蚀算法流程图。
图4b为广义形态开滤波器中膨胀算法流程图。
图5为三次B样条小波变换原理图。
图6为形态小波滤波效果图。
图7为故障识别单元实现原理图。
图8a-g分别为烧水器、台灯、空压机、手电钻、微波炉、冰箱、开关电源负载下的电弧故障端电压小波分解效果图。
图9为负载端电压电弧故障辨识的应用原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及发明效果更加清晰明了，以下结合附图及案例图对本发明进一步详细说明。特别说明，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，电弧电压波形在电压过零前出现熄弧尖峰，过零后出现燃弧尖峰。将该突变信息作为辨识电弧的特征量，并结合小波分析加以辨识。
如图2所示，在实际线路上发生串联电弧其具体的位置是随机的，若对电弧电压实施在线监测在实际应用中无法实现。但发生故障时，电弧电压uh和负载端电压ul呈现为串联的关系接到供电电源端us，即us＝uh+ul。电源端us正常供电时为正弦电压信号，其电源信号突变奇异性几乎接近零；因而本发明将上述电弧电压突变信息的检测转移到负载端电压的检测。
本实施例提供一种基于负载端电压研究的低压配电线路电弧故障辨识方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
监测配电线路中各支路的末端电压信号，并采用微处理器MCU将采集的各支路电压信号分别采用小波变换加以分解；
将小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，用于标志各支路的故障状态信息STATE(n)(n＝1,2,3,…,N),其中，N为低压配电线路支路数，每个支路的故障状态信息将反映该支路以及主回路的工作状态；
MCU根据被检测端电压的状态信息，得出故障判断结果，并根据该结果切断相应的故障支路或主回路。
具体的，请参见图3，在各支路电压互感器(HPT)配备一个A/D转换模块，并通过一通讯单元，本实施例中是通过配电线路本身的电力线将采集的电压数字信号统一传输到微处理器控制中心模块。要说明的是，该通讯单元并不局限于此，其还可以是现场总线通讯或无线通讯。
在MCU上对所采集的各支路电压信号进行处理，先通过广义形态开滤波器消除所采样的各支路电压信号脉冲噪声，再把处理后的电压信号通过小波分解同时滤除白噪声和提取电压信号的突变特征量。
采用形态小波处理电压信号具体的实施方案包括如下步骤：
广义形态开滤波器的实现对电压信号先进行腐蚀后膨胀，电压信号f(n)关于结构元素g1(n)的腐蚀变换为其中，N为电压信号长度，M1为腐蚀变换结构元素g1的长度，信号f(n)关于结构元素g2(n)的膨胀变换为其中，N为电压信号长度，M2为膨胀变换结构元素g2的长度，则广义形态开滤波器的实现为
如图4，本发明选择在定义域上为零的扁平结构元素为腐蚀和膨胀的结构元素,尺寸分别为3和4，即g1(m)＝{0,0,0}，g2(m)＝{0,0,0,0}。
如图5所示，形态滤波器滤除后的信号E(n)经如下的三次B样条二进制小波分解：
上述小波分解的细节分量W2 jE(n)与上一尺度的光滑分量S2 j-1E(n)的差分成正比。细节分量体现了信号不断平滑后的差分值，该分量包含着电弧故障电压信号中的噪声和突变信息。随尺度的增大，噪声引起的小波变换模的极大值迅速减少，小波分解到第四尺度cd4(n)即W2 4E(n)有效地滤除白噪声同时提取奇异信号的特征。
如图6所示为冰箱负载下发生电弧故障的波形经形态小波滤波后效果。
该系统采用12位A/D转换器件，系统采样的频率设置为12.8kHz，每一支路的暂存区长度取30。
小波分解计算每一个cd4(n)值，需先计算S2 3E(n)及S2 3E(n-8)的值；而S2 3E(n)及S2 3E(n-8)的值又由S2 2E(n),S2 2E(n-4),S2 2E(n-8),S2 2E(n-12),S2 2E(n-16),及S2 2E(n-20)获得；这六个值又由S2 1E(n-2k)(k＝0～13)获得；这些S2 1E值需要用到30个输入电压信号S2 0E(n-k)(k＝0-29)来获得。
第四尺度小波分量值cd4与信号调理有关，电路未发生故障时各支路的电压为工频电压220V，所有支路的故障阈值在此基础上即便负载不同亦设定为同一值，该值取220V电压波形对应小波分量值的最大值。
本发明将信号调理的变比设定为220V/1.2V，对应的故障判断基准值Base设定为4.2，并将电弧故障阈值设定为S*Base以防止电网电压波动引起的误判断，其中S为故障阈值倍数，若信号调理电路的变比发生变化，该基准值需要在工频220V基础上重新设定判断基准值Base。
如图7故障识别主要包括两部分，各支路的特征量cd4值的计算和由支路端电压的运行状态对故障点的定位。
采用上述形态小波对各支路负载端电压的运行状态进行监测，判断获得的cd4值是否超过S*Base。若超过阈值将该支路的故障状态STATE标志为1，否则标志位0。
采用变量N表示故障点发生在主回路，变量n表示故障发生在支路中。根据m个支路端电压的运行状态，判断故障点发生位置：若判断为仅某一支路发生则定位在支路n，若判断存在两个支路以上的故障端电压则定位在主回路LN线段。故障定位时不考虑两支路同时发生故障情况，因为实际中这种情况基本不会发生。
开关脱扣单元根据故障识别的N、n值，微处理器发送对应的支路或主回路脱扣信号。脱扣装置的设计既可以设计为独立的保护装置系统，也可以将该检测方案与其他现有的配电电器相结合组成多功能的保护装置。
如图8，分为阻性、感性、非线性三类负载加以小波分解。
阻性负载以台灯、烧水器为例，如图8(a)、图8(b)在烧水器、台灯下发生电弧燃烧时，端电压在过零处呈现稳定的“零休电压”，间接地反映了电弧电压过零时的尖峰电压。
感性负载以冰箱、手电钻、微波炉、手电钻为例，如图8(c)-(f)发生电弧故障其负载端电压的波形时常会缺少部分半波，手电钻下除了出现“零休电压”，也存在着较强的信号畸变。
非线性负载以开关电源为例，如图8(g)其端电压为非正弦的波形，呈现类似方波的不平稳信号，电压峰值波动较大，并且均小于额定电压的峰值。
采用三次B样条函数对上述几种负载下的端电压进行小波分解，可很有效地辨识电弧故障，通过小波系数特征量来提取故障特征量以及确定故障发生的位置。保护装置会实时地监测线路的运行状态，在发生电弧故障的情况下切断电源，避免火灾的发生。
该检测方案在实际配电线路中具体的应用如图9。
本发明不局限于以上具体的实施方式，只要采用了本发明的负载端电压检测的电弧故障辨识方法，无论采用何种滤波算法或故障判断方法，都落入本发明的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种负载端电压检测的电弧故障辨识方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
监测配电线路中各支路的末端电压信号，并采用微处理器MCU将采集的各支路电压信号分别采用小波变换加以分解；
将小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，用于标志各支路的故障状态信息STATE(n) n=1,2,3,…,N；其中，N为低压配电线路支路数，每个支路的故障状态信息将反映该支路以及主回路的工作状态；
MCU根据被检测端电压的状态信息，得出故障判断结果，并根据该结果切断相应的故障支路或主回路；
所述故障判断结果包括：
综合所有支路的故障状态信息仅有在支路n的状态STATE（n）确定为故障状态，则将故障发生定位在支路n；
综合所有支路的故障状态信息同时发生在支路n、支路n+1以及后续的所有支路，则将故障定位在线路Ln处；
所述小波变换加以分解是通过广义形态开滤波器作为小波分解的前置单元，以同时消除所采样的各支路电压信号脉冲噪声和白噪声；
以三次B样条函数作为基函数，对滤波后的电压信号实施小波变换，将工频正弦电压波形下的小波分量值定为电弧故障判断的基值Base，将电弧故障的判断阈值设置为2.5*Base值，可根据实际情况将基值倍数2.5加以适当调整；
该方法能对多种负载进行分类分析，包括阻性负载、感性负载、非线性负载以及各类负载的混合情况；
所述MCU接收各支路电压信号的通讯方式是电力线载波通讯、现场总线通讯或无线通讯；对各支路及主回路电弧故障进行分布检测集中故障辨识。
2.一种线路电弧故障检测系统，其特征在于，该系统包括：
监测单元，用于监测配电线路中各支路端电压，并对采样信号进行模/数转换；
通讯单元，用于将所述监测单元输出的电压数字信号传输到故障识别单元；
故障识别单元，其采用微处理器MCU对所述电压数字信号分别采用小波变换加以分解；将小波分解出的第四尺度细节分量cd4作为电弧故障的判据指标，用于标志各支路的故障状态信息STATE(n) n=1,2,3,…,N；其中，N为低压配电线路支路数，每个支路的故障状态信息将反映该支路以及主回路的工作状态；
开关脱扣单元，根据所述故障识别单元的故障判断结果，切断相应的故障支路或主回路；
所述的监测单元由电压互感器以及与该电压互感器连接的模数转换模块构成；
所述通讯单元的通讯方式是电力线载波通讯、现场总线通讯或无线通讯；
所述微处理器MCU对所述电压数字信号是先通过广义形态开滤波器消除所采样的各支路电压信号脉冲噪声，再把处理后的电压信号通过小波分解同时滤除白噪声和提取电压信号的突变特征量；以三次B样条函数作为基函数，对滤波后的电压信号实施小波变换，将工频正弦电压波形下的小波分量值定为电弧故障判断的基值Base，将电弧故障的判断阈值设置为2.5*Base值，可根据实际情况将基值倍数2.5加以适当调整；
所述故障判断结果包括：
综合所有支路的故障状态信息仅有在支路n的状态STATE（n）确定为故障状态，则将故障发生定位在支路n；
综合所有支路的故障状态信息同时发生在支路n、支路n+1以及后续的所有支路，则将故障定位在线路Ln处。
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