CN103913663B - 一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流系统的电弧故障在线检测方法及保护装置，综合了功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程以及电弧发生时的功率电路电流交流分量的特征，所选的电弧电流特征量包括时域的峰峰值和标准差以及滤除负载特定频率点噪声后1kHz~100kHz范围内的频率分量功率和，采用马氏距离算法计算实时特征量与功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程中特征量的马氏距离值，与学习过程中设定的阀值比较，检测单次电弧是否发生。本发明技术方案具有通用性强、检测率高、误判率低的特点，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流配电系统。

Description

一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置

技术领域

本发明涉及一种直流电力系统中电弧故障的在线检测方法和保护装置，属于电工技术领域。

背景技术

直流电弧故障常发生于飞机、电动汽车、光伏电站等包含直流电源的电气系统。电弧故障是由于电线电缆的绝缘性能老化、绝缘破损及空气潮湿、连接端子松动等原因造成的。直流电弧不存在过零点、不容易灭弧，如不及时保护，可能会出现长时间的燃弧；发生时伴随着火花、明光，可产生1000℃以上的高温，导致电线电缆的绝缘进一步损坏，甚至引起电气火灾。

直流电弧故障特征与交流电弧故障特征差别很大：交流电弧电流周期性，过零时存在“零休区”；而直流电弧没有周期性，不存在基波的概念，具有很强的随机性和非平稳性。因此交流电弧故障检测的特征判据不适用于直流电弧故障的检测。

目前直流电弧故障在线检测一般均通过检测线路电流的电弧故障特征量实现。

常见直流电弧故障特征量可分为时域特征和频域特征。

常见的直流电弧故障时域特征量有平均值、标准差、峰峰值、变化率等。大量实验研究表明，直流电弧故障发生过程中电弧故障电流的时域特征之一表现为电流的突变，因此在很多技术方案中，按照时域特征量的“突变”判断电弧故障。例如美国专利US2007/0133135中公开了一种通过电流平均值的变化检测串行直流电弧、采用电流峰峰值的大小检测并行直流电弧的技术方案。中国专利CN103384446A中公开了一种基于PCB空心变压器检测电弧电流变化率(di/dt)的装置和方法。

然而美国俄亥俄州立大学研究发现随着直流系统电压的增加，电弧电流变化明显减小，容易与功率电子装置引起的谐波电流混淆。因此，时域特征判断的方法仅仅适用于特定系统的特定负载，无法通用，仅仅从电弧时域特征判断电弧故障则容易造成漏判和误判。

直流电弧故障特点频段频域特征量是目前被最广泛采用的判定电弧故障的特征。大量理论和实验研究表明，直流电弧故障发生过程中，电弧电流的特定频段高频分量显著的增加，特定频段的频率下限从数KHz到数十kHz，频率上限从数十kHz到100kHz左右。因此应用最简单易行和广泛使用的直流电弧故障检测方法是快速傅里叶分解(FFT)或其他频率特征提取方法。如德州仪器(TI)的专利US20120316804公开了一种应用于光伏高压直流系统的电弧故障判断方法，所选取电弧故障频率特征的频段为40～90KHz，但其仅仅考虑负载正常工作和电弧发生时电流的频域特征差别，未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别。实际上，上述的几种工作过程中线路电流与电弧故障电流具有相似的特征，例如负载加电启动过程和短时过载故障的波形非常类似高压直流系统中的并行电弧故障，容易误判为电弧故障。

美国专利US8093904B2中公开了一种基于电弧故障频率特征和马氏距离算法的直流电弧故障检测装置，也未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别，容易发生误判断；另外由于其算法中包含了大量的除法运算，所以运算时间较长，降低了电弧故障检测的速度。

仅仅从电弧频域特征判定直流电弧故障还存在如下缺点：

(1)由于电弧故障频率特征所在频段恰好也是很多开关电源、电力电子负载的开关频率所在的频段，因此负载性质的不同对电弧判断结果影响较大，易造成误判断；

(2)根据直流系统电源电压等级的不同，电弧故障电流的频率特征所分布的频段有较大的差别；尤其高压直流系统中，相比低压系统更容易形成稳定燃烧的电弧，电弧电流的频率特征量在幅值大大降低，仅从频率特征区别电弧故障容易误判；

(3)直流电弧故障具有很强的随机性，电弧故障电流属于随机和非平稳性信号，快速傅里叶分解(FFT)属于平稳信号的分析方法，仅仅利用FFT的频率分量分析结果去判断电弧故障易造成判定结果的不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，发明一种通用的直流系统电弧故障检测方法和保护装置，通过利用统计学的马氏距离方法综合电弧故障电流的时域和频率特征，并排除负载等因素的开关噪声、加电起动过程、开关切换加卸载和负载变化的影响，从而提高检测率、降低误判率。

为了解决背景技术中现有技术方案的问题，本发明采用的具体技术方案如下。

1、一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)阶段1：电弧特征的在线学习阶段

步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量X_AC(i)；

步骤2：在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量Y_AC(i)；

步骤3：在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量Z_AC(i)；

步骤4：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；

步骤5：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；

步骤6：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤7：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；

步骤8：分别计算步骤7中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；

步骤9：步骤1～8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i＝1～N，N≥20；X(i)，Y(i)，Z(i)为3×1的列向量:

X(i)＝[PPX(i)σX(i)PFX(i)]^T，i＝1～N

Y(i)＝[PPY(i)σY(i)PFY(i)]^T，i＝1～N

Z(i)＝[PPZ(i)σZ(i)PFZ(i)]^T，i＝1～N

步骤10：计算样本向量X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²X(i)；其中：

$D^{2}X\left(i\right)={\left(X\right(i)-\stackrel{\‾}{X})}^T\·C_X^{-1}\·\left(X\right(i)-\stackrel{\‾}{X}),i=1~N$

为样本向量集合X(1)～X(N)的平均值

C_X为样本向量集合X(1)～X(N)的协方差矩阵，

步骤11：计算样本向量Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²Y(i)，其中：

$D^{2}Y\left(i\right)={\left(Y\right(i)-\stackrel{\‾}{Y})}^T\·C_Y^{-1}\·\left(Y\right(i)-\stackrel{\‾}{Y}),i=1~N$

为样本向量集合Y(1)～Y(N)的平均值

C_Y为样本向量集合Y(1)～Y(N)的协方差矩阵

步骤12：计算样本向量Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²Z(i)，其中：

$D^{2}Z\left(i\right)={\left(Z\right(i)-\stackrel{\‾}{Z})}^T\·C_Z^{-1}\·\left(Z\right(i)-\stackrel{\‾}{Z}),i=1~N$

为样本向量集合Z(1)～Z(N)的平均值

C_Z为样本向量集合Z(1)～Z(N)的协方差矩阵

步骤13：计算D²X(i)，D²Y(i)和D²Z(i)的最大值D² _Normal，其中i＝1～N；

D² _Normal＝max{D²X(i)D²Y(i)D²Z(i)}|_i＝1～N

步骤14：在功率电路实际模拟电弧产生，检测电流交流分量A_AC(j)；

步骤15：计算步骤14中电流交流分量的峰峰值PPA(j)；

步骤16：计算步骤14中电流交流分量的标准差σA(j)；

步骤17：计算步骤14中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤18：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤17的计算结果中滤除所述开关频率点及其谐波噪声点的频率分量；

步骤19：计算步骤18中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；

步骤20：步骤14～19重复M次，采集样本向量集合A(j)，其中j＝1～M，M≥20；A(j)为3×1的列向量:

A(j)＝[PPA(j)σA(j)PFA(j)]^T；

步骤21：计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²AX(j)；其中：

$D^{2}AX\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{X})}^T\·C_X^{-1}\·\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{X}),j=1~M$

步骤22：计算样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²AY(j)，其中：

$D^{2}AY\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{Y})}^T\·C_Y^{-1}\·\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{Y}),j=1~M$

步骤23：计算样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²AZ(j)，其中：

$D^{2}AZ\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{Z})}^T\·C_Z^{-1}\·\left(A\right(j)-\stackrel{\‾}{Z}),j=1~M$

步骤24：计算D²AX(j)，D²AY(j)和D²AZ(j)的平均值D² _Fault，其中j＝1～M；

${D^2}_{Fault}=\frac{1}{3M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\{D^{2}AX\left(j\right)+D^{2}AY\left(j\right)+D^{2}AZ\left(j\right)\}$

步骤25：确定区分电弧与非电弧的马氏距离阀值D² _TH，取D² _Normal<D² _TH<D² _Fault；

(2)阶段2：在线单次检测电弧阶段

第k次在线检测电弧的步骤为：

步骤26：在线检测电流交流分量B_AC(k)；

步骤27：计算步骤26中电流交流分量的峰峰值PPB(k)；

步骤28：计算步骤26中电流交流分量的标准差σB(k)；

步骤29：计算步骤26中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤30：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤29的计算结果中滤除所述开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

步骤31：计算步骤30中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；

步骤32：根据样本向量B(k)＝[PPB(k)σB(k)PFB(k)]^T,B(k)为3×1的列向量；

步骤33：计算样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²BX(k)；其中：

$D^{2}BX\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^T\&CenterDot;C_X^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{X})$

步骤34：计算样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²BY(k)，其中：

$D^{2}BY\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^T\&CenterDot;C_Y^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})$

步骤35：计算样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²BZ(k)，其中：

$D^{2}BZ\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})}^T\&CenterDot;C_Z^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})$

步骤36：判断D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)是否大于马氏距离阀值D² _TH，若其中任意一个大于马氏距离阀值D² _TH，则第k次判定结果为检测出电弧发生；若D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)均小于等于马氏距离阀值D² _TH，则第k次判定结果为未检测出电弧发生；

(3)阶段3：电弧故障判定和保护阶段

步骤37：在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，重复步骤26～36，并对电弧检出次数进行计数，对累积电弧时间进行计算；

步骤38：根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件；满足以下任意条件之一则判定电弧故障：

(a)在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；

(b)在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；

步骤39：根据电弧故障的判定结果发出电弧故障信号。

一种直流系统电弧故障在线检测装置，用于直流系统电弧故障在线保护装置，所述直流系统电弧故障在线保护装置包括固态开关或机械式断路器(1)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示模块(7)和通讯接口(8)，其特征在于直流系统电弧故障在线检测装置包括：

(1)电弧特征的离线学习模块，包括：

第一电流交流分量检测模块，用于离线学习阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量X_AC(i)；

第二电流交流分量检测模块，用于在功率电路正常工作过程中获取电流交流分量Y_AC(i)；

第三电流交流分量检测模块，用于在功率电路过载故障过程中获取电流交流分量Z_AC(i)；

第一峰峰值计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；

第一标准差计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；

第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出各功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第一滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第一频率分量的功率和计算模块，计算第一滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的各功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；

第一样本向量集合合成模块，以第一峰峰值计算模块、第一标准差计算模块、第一频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，对各功率电路电流交流分量分别生成3×1的样本向量，利用多组样本向量合成样本向量集合；

X(i)＝[PPX(i)σX(i)PFX(i)]^T，i＝1～N

Y(i)＝[PPY(i)σY(i)PFY(i)]^T，i＝1～N

Z(i)＝[PPZ(i)σZ(i)PFZ(i)]^T，i＝1～N；

其中i＝1～N，N≥20；

第一马氏距离计算模块，分别计算X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²X(i)，Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²Y(i)，Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²Z(i)；

第一马氏距离阀值计算模块，取第一马氏距离计算模块计算得到的最大马氏距离值作为第一马氏距离阀值；

第四电流交流分量检测模块，用于在功率电路模拟电弧产生过程中获取电流交流分量A_AC(j)；

第二峰峰值计算模块：计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPA(j)；

第二标准差计算模块：计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σA(j)；

第二1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第二滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第二1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第二频率分量的功率和计算模块，计算第二滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；

第二样本向量集合合成模块，以第二峰峰值计算模块、第二标准差计算模块、第二频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量分别生成3×1的样本向量，利用多组样本向量合成对应的样本向量集合；

A(j)＝[PPA(j)σA(j)PFA(j)]^T，其中j＝1～M，M≥20；

第二马氏距离计算模块，计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离，样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²AY(j)，样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²AZ(j)；

第二马氏距离阀值计算模块，取第二马氏距离计算模块得到三个马氏距离的平均值作为第二马氏距离阀值；

电弧与非电弧的马氏距离阀值D² _TH计算模块，取D² _Normal<D² _TH<D² _Fault；

(2)单次电弧在线检测模块，包括；

电流交流分量在线检测模块，用于在线检测阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量B_AC(k)；

第三峰峰值计算模块：计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPB(k)；

第三标准差计算模块：计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σB(k)；

第三1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第三滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第三1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第三频率分量的功率和计算模块，计算第三滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；

在线样本向量生成模块，以第三峰峰值计算模块、第三标准差计算模块、第三频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，生成3×1的在线样本向量B(k)＝[PPB(k)σB(k)PFB(k)]^T；

第三马氏距离计算模块，分别计算在线样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²BX(k)；在线样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²BY(k)；在线样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²BZ(k)；

单次电弧检测判断模块，通过马氏距离D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)与马氏距离阀值D² _TH的比较，判断是否检测出电弧；

(3)电弧故障在线检测模块，包括：

循环触发单次在线检测与单次电弧检测结果计数模块，在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，使单次电弧在线检测模块重复进行在线检测，并对电弧检出次数进行计数；

电弧故障判定模块，根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件，满足以下任意条件之一则判定电弧故障：

(a)在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；

(b)在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；

电弧故障信号发出模块，根据电弧故障判定模块的判断结果，发出电弧故障信号。

采用本发明技术方案后带来的有益效果如下：

(1)方法通用性强，适用于直流28V、42V、100V、270V、600V以及1000V或更高电压等级的直流系统串行和并行的故障检测；

(2)采用统计学的马氏距离方法综合了电弧的时域和频率特征，克服了电弧故障电流随机性和非平稳性对于电弧故障检测的不利影响；马氏距离方法能够以马氏距离这一特征量综合好突出了电弧电流与非电弧电流在时域和频域的特征，提高了电弧故障检测率。

(3)由于在电弧特征学习阶段可以针对特定负载进行特征学习，并区分负载加电启动、开关切换、正常工作和过载故障过程的电流时域和频域特征；因此本发明的方法能够适用于多种类型的负载条件下的电弧故障检测，例如阻性、阻感性、阻容性等线性负载和DC/DC、DC/AC等非线性负载。

(4)抗干扰能力强，误判率低：综合了负载加电启动、开关切换加卸载、正常工作和负载变化如过载故障过程的电流时域和频域特征，滤除了电源或者电力电子负载正常工作时固有的在特定频率点的开关噪声，因此能够排除上述负载变化等干扰因素对于电弧故障误判断的影响。

(5)具有电弧故障自检测功能：方便日常检修和维护，检查电弧故障检测装置的电弧故障检测和保护功能是否正常。

本发明的技术方案可广泛应用于飞机、舰船、电动汽车的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流配电系统，提高电弧故障检测率、降低误判率，保证配电系统安全。

附图说明

图1是直流电弧故障在线检测方法的总流程图。

图2是直流电弧故障在线检测方法阶段1的流程图。

图3是直流电弧故障在线检测方法阶段2的流程图。

图4是直流电弧故障在线检测方法阶段3的流程图。

图5是直流系统电弧故障在线保护装置的一般实施例原理框图。

图6是含电弧故障信号模拟产生电路的直流系统电弧故障在线保护装置实施例原理图。

图7是电弧故障信号模拟产生电路的原理图。

图8是直流电弧故障在线保护装置中软件总流程图。

图9是直流电弧故障在线保护装置中电弧故障检测功能自检子程序流程图。

图10是直流电弧故障在线保护装置中软件中在阶段2：在线单次检测电弧阶段的流程图。

图11是直流电弧故障在线保护装置软件中峰峰值计算子程序流程图。

图12是直流电弧故障在线保护装置软件中标准差计算子程序流程图。

图13是直流电弧故障在线保护装置软件中计算1kHz～100kHz频率分量功率和的子程序流程图。

图14是本发明所述直流电弧故障在线检测方法离线学习阶段、功率电路加电起动过程和开关切换过程连线图。

图15是本发明所述直流电弧故障在线检测方法离线学习阶段、过载故障过程连线图。

图16是本发明所述直流电弧故障在线检测方法离线学习阶段、串行电弧模拟连线图。

图17是本发明所述直流电弧故障在线检测方法离线学习阶段、并行电弧模拟连线图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明在实施过程中的所涉及的细节，以支持权利要求部分。

直流电弧故障在线检测方法如图1～图4所示。

图1是直流电弧故障在线检测方法的总流程图，分为三个阶段：

(1)阶段1：电弧特征的离线学习阶段。阶段1中考虑了功率电路加电起动或加卸载过程中、正常工作过程中、过载故障过程，利用统计学的马氏距离算法区分电弧与上述过程中的电流在时域和频率特征差别，最终得出了用于判断单次电弧发生的马氏距离阀值。

图14中直流电弧故障在线保护装置串联于功率回路中。所示直流电源可以是直流发电机、蓄电池或太阳能电池串，负载可以是任意类型的负载，例如DC/AC逆变器。图14中利用开关S1模拟负载加电起动和开关切换过程，在此过程中执行步骤1、步骤4～10，对负载加电起动和开关切换过程的电流时域、频域特征和马氏距离进行分析。

设置负载稳态正常工作时，执行步骤2、步骤4～9、步骤11，对负载稳态正常工作的电流时域、频域特征和马氏距离进行分析。

图15中利用开关S2模拟负载过载故障连线图，在此过程中执行步骤3～9、步骤12，对负载过载故障过程的电流时域、频域特征和马氏距离进行分析。

步骤13中综合上述几种非电弧故障的电流时域、频域特征和马氏距离，得出上述几种非电弧故障的马氏距离最大值D² _Normal。

从本发明采用的马氏距离的计算公式可以看出，计算过程中不涉及除法运算，因此大大提高了计算速度，从而提高了电弧故障检测和保护的速度。

步骤14中模拟电弧产生，可根据图16和图17分别模拟串行电弧和并行电弧，并在此过程中执行步骤15～24，得出电弧电流样本对各种非电弧电流样本的马氏距离平均值。

步骤25中确定区分电弧与非电弧的马氏距离阀值D² _TH，取D² _Normal<D² _TH<D² _Fault；由于D² _Normal和D² _Fault通常相差几个数量级，因此建议D² _TH取值为

(2)阶段2：在线单次检测电弧阶段。在线检测电流交流分量与功率电路加电起动过程中、正常工作过程中、过载故障过程中电流交流分量的马氏距离(执行步骤26～35)，并与阶段1的马氏距离阀值比较，判断单次电弧是否发生(步骤36)。

(3)阶段3：电弧故障在线判定阶段，如图4所示。该阶段中采用多次判断的方法，根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件。例如其中时间宽度为ΔT、累积电弧次数阀值NUM、累积电弧时间阀值T1的取值可参考相应的应用领域的规范和标准选取。例如应用场合为低压28V直流电气系统时，则根据AS6019标准，选择ΔT＝100毫秒，NUM＝20次，T1＝10毫秒。

本发明所述直流电弧故障在线检测方法中步骤6、17、31中分析电流交流分量1kHz～100kHz频率分量可以采用任意典型的频谱分析方法，如离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)。

图5是直流电弧故障在线保护装置的一般实施例原理框图。其中功率电路电流交流分量检测电路2可以采用电流互感器或电流检测电阻，调理电路4将电流交流分量检测电路2的输出调理为适合模数转换器(ADC)5处理的电压范围，微处理器6则对模数转换器5的输出信号进行运算。其中微处理器6可以采用数字信号处理器DSP、单片机或者FPGA等。微处理器6中执行直流系统电弧故障在线检测软件，软件流程采用图1～图4所示的直流系统电弧故障在线检测方法，软件功能模块对应检测方法的步骤进行划分(参见发明内容直流系统电弧故障在线检测装置部分，不再赘述)，其中执行相同功能的软件模块可以采用同一模块(例如：第一～第四电流交流分量检测模块及电流交流分量在线检测模块的功能均是利用模数转换器(ADC)5的输入获取电流交流分量，可以采用同一模块；又例如：第一～第三峰峰值计算模块均是利用获取的电流交流分量进行峰峰值计算，可以采用同一模块；其余具有相同功能的软件模块同理于此)。直流系统电弧故障在线保护装置的开关命令CMD接第一与门3的一个输入端和微处理器6的故障复位端RESET。功率电路无电弧故障正常工作时，开关命令CMD和电弧故障保护信号ARCFault为高电平。当微处理器6判定发生电弧故障时，微处理器6输出的电弧故障保护信号ARCFault变成低电平，使断路器或固态开关1保护关断；故障状态指示模块7根据电弧故障保护信号ARCFault指示电弧故障是否发生；通讯接口8将电弧故障状态信息上传。直流系统电弧故障在线保护装置的开关命令CMD变为低电平时，通过故障复位端RESET清除电弧故障状态，电弧故障保护信号ARCFault变为高电平。

图6是含电弧故障信号模拟产生电路14的直流系统电弧故障在线保护装置实施例的原理图。其中功率电路电流交流分量检测电路2可以如图中所示采用电流互感器CT，也可以采用电流检测电阻。电阻R1将电流传感器CT检测到的功率电路电流交流分量变为电压量。二极管D1和D2构成双向限幅电路13，对功率电路电流交流分量检测部分输出电压进行限幅，限幅范围约为±700mV。微处理器6的第一I/O口(I/O_SELF_ARC_TEST)默认为低电平，单刀双掷开关12指向P1，进行在线电弧故障检测；当微处理器6的软件模块中进入电弧故障检测功能自检测子程序时，I/O_SELF_ARC_TEST为高电平，单刀双掷开关12指向P2时，进行电弧故障检测功能自检测。调理电路4将电流交流分量检测电路2的输出调理为适合模数转换器5处理的电压范围，微处理器6中软件模块则对模数转换器5的输出信号进行运算。其中微处理器6可以采用数字信号处理器DSP、单片机或者FPGA等。微处理器6的第二I/O口(I/O_RESET)、第四I/O口(I/O_ArcFault)分别对应图5中的故障复位端RESET和电弧故障保护信号端ARCFault。保护装置设置了电弧故障检测功能自检指示模块，其输入端与微处理器6的第三I/O口(I/O_SELF_ARC_TEST_Indicator)连接，当电弧故障检测功能自检不通过时，指示电弧故障检测功能故障。

图7所示为电弧故障信号模拟产生电路，由噪声产生电路10和1kHz～100kHz带通滤波电路11组成，用于模拟电弧故障信号。噪声产生电路10利用PNP三极管T1的发射极和基极反向齐纳击穿过程产生的白噪声放大产生，电阻R2和R3为偏置电阻，C2为交流耦合电容。电阻R4和运算放大器U1组成零点偏置的电压跟随器。带通滤波器为典型的二阶带通滤波器，在低于1kHz和高于100kHz的频段提供40dB/十倍频的衰减特性。

直流系统电弧故障在线保护装置总流程图如图8所示。总流程中加入了电弧故障检测功能自检步骤，用于在检测系统上电时进行系统自检，并在装置结构中增加了用于指示自检是否通过的指示单元(图6中的15)。直流系统电弧故障在线保护装置加电后执行电弧故障检测功能自检子程序，电弧故障模拟信号由噪声产生电路10和1kHz～100kHz带通滤波电路11产生，当电弧故障检测功能自检不通过时，微处理器6的第三I/O口(I/O_SELF_ARC_TEST_Indicator)变为低电平，指示电弧故障检测功能故障；当电弧故障检测功能自检通过开始在线电弧故障检测；若判定发生电弧故障，则关断固态开关或者机械式断路器，并发出电弧故障指示，通过通讯接口上传故障状态等待上位机处理。

功率电路无电弧故障正常工作时，CMD和第四I/O口ARCFault为高电平。当判定发生电弧故障时，微处理器6输出的电弧故障保护信号、第四I/O口输出ARCFault变成低电平，使断路器或固态开关1保护关断；故障状态指示模块7根据ARCFault指示电弧故障是否发生；通讯接口8将电弧故障状态信息上传。直流系统电弧故障在线保护装置的开关命令CMD变为低电平时，通过故障复位信号(RESET)清除电弧故障状态，ARCFault变为高电平。

图9是直流电弧故障在线保护装置中电弧故障检测功能自检子程序流程图。首先让单刀双掷模拟开关指向P2，模数转换器采集模拟的电弧故障信号；然后电弧次数计数器清零，开始ΔT时间的计时，在ΔT时间内，重复单次电弧故障判断子程序，并对电弧检出次数进行计数；若在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障检测功能正常、自检通过，否则判定电弧故障检测功能不正常、自检不通过。

图10是本发明所述直流电弧故障在线保护装置软件中单次电弧故障判断子程序的流程图。在线工作过程中，依次计算当前电流与几种非电弧故障工作状况的马氏距离D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)，并与D² _Normal进行比较，当D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)其中任意一个大于D² _Normal，认定单次电弧事件发生。

图11、图12和图13是直流电弧故障在线保护装置软件中峰峰值计算子程序、标准差计算子程序、1kHz～100kHz频率分量功率和计算子程序的流程图。其中分析电流交流分量1kHz～100kHz频率分量可以采用任意典型的频谱分析方法，如离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)阶段1：电弧特征的在线学习阶段

步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量X_AC(i)；

步骤2：在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量Y_AC(i)；

步骤3：在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量Z_AC(i)；

步骤4：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；

步骤5：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；

步骤6：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤7：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；

步骤8：分别计算步骤7中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；

步骤9：步骤1～8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i＝1～N，N≥20；X(i)，Y(i)，Z(i)为3×1的列向量:

X(i)＝[PPX(i) σX(i) PFX(i)]^T，i＝1～N

Y(i)＝[PPY(i) σY(i) PFY(i)]^T，i＝1～N

Z(i)＝[PPZ(i) σZ(i) PFZ(i)]^T，i＝1～N

步骤10：计算样本向量X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²X(i)；其中：

$D^{2}X\left(i\right)={\left(X\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^T\&CenterDot;C_X^{-1}.\left(X\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{X}),i=1~N$

为样本向量集合X(1)～X(N)的平均值

C_X为样本向量集合X(1)～X(N)的协方差矩阵，

步骤11：计算样本向量Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²Y(i)，其中：

$D^{2}Y\left(i\right)={\left(Y\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^T\&CenterDot;C_Y^{-1}.\left(Y\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),i=1~N$

为样本向量集合Y(1)～Y(N)的平均值

C_Y为样本向量集合Y(1)～Y(N)的协方差矩阵

步骤12：计算样本向量Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²Z(i)，其中：

$D^{2}Z\left(i\right)={\left(Z\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})}^T\&CenterDot;C_Z^{-1}\&CenterDot;\left(Z\right(i)-\stackrel{\&OverBar;}{Z}),i=1~N$

为样本向量集合Z(1)～Z(N)的平均值

C_Z为样本向量集合Z(1)～Z(N)的协方差矩阵

步骤13：计算D²X(i)，D²Y(i)和D²Z(i)的最大值D² _Normal，其中i＝1～N；

D² _Normal＝max{D²X(i) D²Y(i) D²Z(i)}|_i＝1～N

步骤14：在功率电路实际模拟电弧产生，检测电流交流分量A_AC(j)；

步骤15：计算步骤14中电流交流分量的峰峰值PPA(j)；

步骤16：计算步骤14中电流交流分量的标准差σA(j)；

步骤17：计算步骤14中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤18：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤17的计算结果中滤除所述开关频率点及其谐波噪声点的频率分量；

步骤19：计算步骤18中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；

步骤20：步骤14～19重复M次，采集样本向量集合A(j)，其中j＝1～M，M≥20；A(j)为3×1的列向量:

A(j)＝[PPA(j) σA(j) PFA(j)]^T；

步骤21：计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²AX(j)；其中：

$D^{2}AX\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^T\&CenterDot;C_X^{-1}\&CenterDot;\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{X}),j=1~M$

步骤22：计算样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²AY(j)，其中：

$D^{2}AY\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^T\&CenterDot;C_Y^{-1}\&CenterDot;\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),j=1~M$

步骤23：计算样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²AZ(j)，其中：

$D^{2}AZ\left(j\right)={\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})}^T\&CenterDot;C_Z^{-1}\&CenterDot;\left(A\right(j)-\stackrel{\&OverBar;}{Z}),j=1~M$

步骤24：计算D²AX(j)，D²AY(j)和D²AZ(j)的平均值D² _Fault，其中j＝1～M；

${D^2}_{Fault}=\frac{1}{3M}\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\{D^{2}AX\left(j\right)+D^{2}AY\left(j\right)+D^{2}AZ\left(j\right)\}$

步骤25：确定区分电弧与非电弧的马氏距离阀值D² _TH，取D² _Normal<D² _TH<D² _Fault；

(2)阶段2：在线单次检测电弧阶段

第k次在线检测电弧的步骤为：

步骤26：在线检测电流交流分量B_AC(k)；

步骤27：计算步骤26中电流交流分量的峰峰值PPB(k)；

步骤28：计算步骤26中电流交流分量的标准差σB(k)；

步骤29：计算步骤26中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；

步骤30：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤29的计算结果中滤除所述开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

步骤31：计算步骤30中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；

步骤32：根据样本向量B(k)＝[PPB(k) σB(k) PFB(k)]^T,B(k)为3×1的列向量；

步骤33：计算样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²BX(k)；其中：

$D^{2}BX\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^T\&CenterDot;C_X^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{X})$

步骤34：计算样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²BY(k)，其中：

$D^{2}BY\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^T\&CenterDot;C_Y^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Y})$

步骤35：计算样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²BZ(k)，其中：

$D^{2}BZ\left(k\right)={\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})}^T\&CenterDot;C_Z^{-1}\&CenterDot;\left(B\right(k)-\stackrel{\&OverBar;}{Z})$

步骤36：判断D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)是否大于马氏距离阀值D² _TH，若其中任意一个大于马氏距离阀值D² _TH，则第k次判定结果为检测出电弧发生；若D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)均小于等于马氏距离阀值D² _TH，则第k次判定结果为未检测出电弧发生；

(3)阶段3：电弧故障判定和保护阶段

步骤37：在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，重复步骤26～36，并对电弧检出次数进行计数，对累积电弧时间进行计算；

步骤38：根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件；满足以下任意条件之一则判定电弧故障：

(a)在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；

(b)在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；

步骤39：根据电弧故障的判定结果发出电弧故障信号。

2.如权利要求1所述的直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于还包括电弧故障检测功能自检步骤，用于在检测系统上电时进行系统自检。

3.一种直流系统电弧故障在线检测装置，用于直流系统电弧故障在线保护装置，所述直流系统电弧故障在线保护装置包括固态开关或机械式断路器(1)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示模块(7)和通讯接口(8)，其特征在于直流系统电弧故障在线检测装置包括：

(1)电弧特征的离线学习模块，包括：

第一电流交流分量检测模块，用于离线学习阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量X_AC(i)；

第二电流交流分量检测模块，用于在功率电路正常工作过程中获取电流交流分量Y_AC(i)；

第三电流交流分量检测模块，用于在功率电路过载故障过程中获取电流交流分量Z_AC(i)；

第一峰峰值计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；

第一标准差计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；

第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出各功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第一滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第一频率分量的功率和计算模块，计算第一滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的各功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；

第一样本向量集合合成模块，以第一峰峰值计算模块、第一标准差计算模块、第一频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，对各功率电路电流交流分量分别生成3×1的样本向量，利用多组样本向量合成样本向量集合；

X(i)＝[PPX(i) σX(i) PFX(i)]^T，i＝1～N

Y(i)＝[PPY(i) σY(i) PFY(i)]^T，i＝1～N

Z(i)＝[PPZ(i) σZ(i) PFZ(i)]^T，i＝1～N；

其中i＝1～N，N≥20；

第一马氏距离计算模块，分别计算X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²X(i)，Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²Y(i)，Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²Z(i)；

第一马氏距离阀值计算模块，取第一马氏距离计算模块计算得到的最大马氏距离值作为第一马氏距离阀值；

第四电流交流分量检测模块，用于在功率电路模拟电弧产生过程中获取电流交流分量A_AC(j)；

第二峰峰值计算模块：计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPA(j)；

第二标准差计算模块：计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σA(j)；

第二1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第二滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第二1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第二频率分量的功率和计算模块，计算第二滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；

第二样本向量集合合成模块，以第二峰峰值计算模块、第二标准差计算模块、第二频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量分别生成3×1的样本向量，利用多组样本向量合成对应的样本向量集合；

A(j)＝[PPA(j) σA(j) PFA(j)]^T，其中j＝1～M，M≥20；

第二马氏距离计算模块，计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离，样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²AY(j)，样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²AZ(j)；

第二马氏距离阀值计算模块，取第二马氏距离计算模块得到三个马氏距离的平均值作为第二马氏距离阀值；

电弧与非电弧的马氏距离阀值D² _TH计算模块，取D² _Normal<D² _TH<D² _Fault；

(2)单次电弧在线检测模块，包括；

电流交流分量在线检测模块，用于在线检测阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量B_AC(k)；

第三峰峰值计算模块：计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPB(k)；

第三标准差计算模块：计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σB(k)；

第三1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；

第三滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第三1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；

第三频率分量的功率和计算模块，计算第三滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；

在线样本向量生成模块，以第三峰峰值计算模块、第三标准差计算模块、第三频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的1kHz～100kHz频率段分量的功率和为元素，生成3×1的在线样本向量B(k)＝[PPB(k) σB(k) PFB(k)]^T；

第三马氏距离计算模块，分别计算在线样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²BX(k)；在线样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²BY(k)；在线样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²BZ(k)；

单次电弧检测判断模块，通过马氏距离D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)与马氏距离阀值D² _TH的比较，判断是否检测出电弧；

(3)电弧故障在线检测模块，包括：

循环触发单次在线检测与单次电弧检测结果计数模块，在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，使单次电弧在线检测模块重复进行在线检测，并对电弧检出次数进行计数；

电弧故障判定模块，根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件，满足以下任意条件之一则判定电弧故障：

(a)在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；

(b)在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；

电弧故障信号发出模块，根据电弧故障判定模块的判断结果，发出电弧故障信号。

4.如权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于还包括电弧故障检测功能自检模块，用于在检测系统上电时进行系统自检。

5.如权利要求3所述直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于第一～第四电流交流分量检测模块及电流交流分量在线检测模块采用同一模块，第一～第三峰峰值计算模块采用同一模块；第一～第三标准差计算模块采用同一模块，第一～第三频率分量的功率和计算模块采用同一模块，第一～第三1kHz～100kHz频率分量的计算模块采用同一模块，第一～第三滤除特定频率点噪声模块采用同一模块，第一～第三马氏距离计算模块采用同一模块。

6.如权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于直流系统电弧故障在线保护装置还包括双向限幅电路(13)，单刀双掷模拟开关(12)和电弧故障信号模拟产生电路(14)，功率电路电流交流分量检测电路(2)连于双向限幅电路(13)，双向限幅电路的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P1；电弧故障信号模拟产生电路(14)由噪声产生电路(10)和1kHz～100kHz带通滤波电路(11)组成，噪声产生电路(10)的输出连于1kHz～100kHz带通滤波电路(11)，1kHz～100kHz带通滤波电路(11)的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P2，单刀双掷模拟开关(12)的输出连于调理电路(4)；功率电路电流交流分量检测电路(2)由电流互感器CT和电阻R1组成；微处理器(6)的第一I/O口连于单刀双掷模拟开关(12)的控制端。

7.如权利要求6所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于噪声产生电路(10)由电阻R2、R3、R4、电容C1、C2和PNP三极管T1、运算放大器U1组成，模拟电路供电电源经电阻R2连于电容C1和PNP三极管T1发射极，电容C1另一端接地，PNP三极管T1基极经电阻R3接地，并经交流耦合电容C2连于电阻R4的一端和运算放大器U1的正极性端，PNP三极管T1集电极悬空，电阻R4另一端接地，U1负极性端连于U1输出端，U1输出端作为噪声产生电路(10)的输出连于1kHz～100kHz带通滤波电路(11)，1kHz～100kHz带通滤波电路(11)采用典型二阶有源带通滤波器。

8.一种直流系统电弧故障在线保护装置，其特征在于，所述直流系统电弧故障在线保护装置含有权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置。

9.如权利要求8所述的直流系统电弧故障在线保护装置，其特征在于还包括固态开关或机械式断路器(1)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、双向限幅电路(13)、单刀双掷模拟开关(12)、电弧故障信号模拟产生电路(14)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示(7)和通讯接口(8)；功率电路电流交流分量检测电路(2)连于双向限幅电路(13)，双向限幅电路的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P1；电弧故障信号模拟产生电路(14)由噪声产生电路(10)和1kHz～100kHz带通滤波电路(11)组成，噪声产生电路(10)的输出连于1kHz～100kHz带通滤波电路(11)，1kHz～100kHz带通滤波电路(11)的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P2，单刀双掷模拟开关(12)的输出连于调理电路(4)，调理电路(4)的输出连于模数转换器(5)，模数转换器(5)的输出连于微处理器(6)的功率电路交流分量输入端；微处理器(6)的第一I/O口连于单刀双掷模拟开关(12)的控制端；直流系统电弧故障在线保护装置的开关命令CMD接第一与门(3)的一个输入端和微处理器(6)的第二I/O口；微处理器(6)的第四I/O口连于故障状态指示模块(7)和第一与门(3)的另一个输入端。