CN105094116A - 交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法，用于解决现有方法检测效率低的技术问题。技术方案是根据单片机每周期的采样点数N，采集N/2个点作为半周期的电流波形数据，再将半周期电流波形拓展为整周期电流波形，对整周期波形进行FFT分析，计算畸变率；判断有无电弧现象，若畸变率达到事先设定的阈值标准，电弧事件数值+1；判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，切断回路，实现保护。本发明以交流半波为检测单位，实了现电弧故障的快速检测和精准定位。本发明电弧故障检测频率是以整周期交流波形为检测单位的电弧故障检测方法的二倍，缩短了电弧故障检测时间，提高了检测效率。

Description

交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法

技术领域

本发明属于航空电气系统安全领域，特别是涉及一种交流固态功率控制器(SolidStatePowerController,SSPC)快速电弧故障检测数据预处理方法。

背景技术

航空交流SSPC用来实现通信与开关、过流反延时保护、过流快速保护、零电压开通与零电流关断这五项基本功能。电弧故障已被证明是引起飞机故障、部件失灵甚至飞机起火的重要原因。在SSPC中集成电弧故障检测的功能，一方面可以节约飞机上的空间，减轻设备重量，另一方面便于配电系统的集中管理，提高航空配电系统的可靠性和稳定性。电弧故障检测方法分为机械式与电气式两种，航空电弧故障检测所选用的方法需要易于工程实践，适应航空设备体积小、重量轻的特点，电气式检测方法是比较好的选择。此外，根据美国故障电弧断路器安全标准UL1699(UL1699,Arc-FaultCircuitInterrupters[S],UnitedStates:ULStandardDestination,2006)，在400Hz航空交流线路中，当电弧故障断路器在100ms内察觉到8个半周的故障电弧时，断路器需要执行脱扣动作，切断电路。

文献“航空交流故障电弧特性的研究,低压电器,2011,Vol2,p19-23”通过分析电弧电流的时域和频域特性，总结出故障电弧电流波形时域和频域特征。分析结果表明，可通过检测电弧电流直流分量、3次谐波和高频分量(10～50kHz)变化来识别故障电弧，所得结论为飞机电气系统交流故障电弧检测和保护技术的研究奠定了理论基础。文献所述方法以整周期电弧电流为研究对象，若一个周期内实际发生两次半周电弧故障，仅能检测出一次电弧故障，检测速度低；在负载为阻感性负载时，故障电弧电流波形趋近正常负载波形，时频域特性不够明显，检测效率不高。

发明内容

为了克服现有方法检测效率低的不足，本发明提供一种交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法。该方法根据单片机每周期的采样点数N，采集N/2个点作为半周期的电流波形数据，再将半周期电流波形拓展为整周期电流波形，对新构造的整周期波形进行FFT分析，计算畸变率；判断有无电弧现象，若畸变率达到事先设定的阈值标准，电弧事件数值+1；判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，交流SSPC切断回路，实现保护。本发明以交流半波为检测单位，可以实现电弧故障的快速检测和精准定位。本发明的电弧故障检测频率是以整周期交流波形为检测单位的电弧故障检测方法的二倍，缩短了电弧故障检测时间，提高了检测效率。本发明将交流半波通过“半周期反平移”和“半周期反对称”两种方法拓展为整周期波形，若该半波发生了电弧事件，可突显电弧故障信息，提高了检测的精确度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、对航空交流固态功率控制器波形进行采样，每个周期采样N个点，将其中连续的N/2个点作为航空交流半波电弧数据。其中，N为2的整数次幂。

步骤二、选取下述任一种方法将半周期电流波形拓展为整周期电流波形。

①对交流半波进行半周期反平移，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点，即为实际电流采集数据，则构造的后个点，即 $Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\]$ 满足式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[1\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[2\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ a\[N\]=-a\[\frac{N}{2}\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，为新构造波形的后个点，为实际电流波形的前个点。

②对交流半波进行半周期反对称，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点，即为实际电流采集数据，则需要构造的后个点，即 $Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\])$ 满足式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[\frac{N}{2}\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[2\]\\ a\[N\]=-a\[1\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤三、对新构造的整周期波形进行FFT分析，计算THD，THD的计算如式(3)所示：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i^2}}{h_1}---\left(3\right)$

式中，h₁是基波分量的幅值，h_i是第i次谐波的幅值。

步骤四、对故障电弧事件进行计数，将THD阈值设置为15％，若式(3)计算得到的数值大于15％，电弧事件数值+1。

步骤五、判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，单片机电弧故障信号输出，交流SSPC切断回路，实现保护。

本发明的有益效果是：该方法根据单片机每周期的采样点数N，采集N/2个点作为半周期的电流波形数据，再将半周期电流波形拓展为整周期电流波形，对新构造的整周期波形进行FFT分析，计算畸变率；判断有无电弧现象，若畸变率达到事先设定的阈值标准，电弧事件数值+1；判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，交流SSPC切断回路，实现保护。本发明以交流半波为检测单位，实现了电弧故障的快速检测和精准定位。本发明的电弧故障检测频率是以整周期交流波形为检测单位的电弧故障检测方法的二倍，缩短了电弧故障检测时间，提高了检测效率。本发明将交流半波通过“半周期反平移”和“半周期反对称”两种方法拓展为整周期波形，若该半波发生了电弧事件，可突显电弧故障信息，提高了检测的精确度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法的流程图。

图2是半周期反平移正常电流与电弧电流FFT分析结果对比图。

图3是半周期反对称正常电流与电弧电流FFT分析结果对比图。

具体实施方式

参照图1-3。本发明交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法具体步骤如下：

步骤一、对航空交流固态功率控制器波形进行采样，每个周期采样N个点(N为2的整数次幂)，将其中连续的N/2个点作为航空交流半波电弧数据。

步骤二、选取下述任一种方法将半周期电流波形拓展为整周期电流波形。

①对交流半波进行半周期反平移，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点为实际电流采集数据，则构造的后个点 $(Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\])$ 满足式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[1\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[2\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ a\[N\]=-a\[\frac{N}{2}\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，为新构造波形的后个点，为实际电流波形的前个点。

②对交流半波进行半周期反对称，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点为实际电流采集数据，则需要构造的后个点 $(Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\])$ 满足式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[\frac{N}{2}\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[2\]\\ a\[N\]=-a\[1\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤三、对新构造的整周期波形进行FFT分析，计算THD，THD的计算如式(3)所示：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i^2}}{h_1}---\left(3\right)$

式中，h₁是基波分量的幅值，h_i是第i次谐波的幅值。

步骤四、对故障电弧事件进行计数，将THD阈值设置为15％，若式(3)计算得到的数值大于15％，电弧事件数值+1。

步骤五、判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，单片机电弧故障信号输出，交流SSPC切断回路，实现保护。

实施例1。

对频率为400Hz的航空电流以12.8kHz的采样频率(即每个周期采样32个点)采样并进行FFT分析。参照图2，将故障电弧命名为Arc19，对该波形的前后半波Arc19former与Arc19later分别进行半周期反平移计算。可以看出故障半波反平移拓展后基波含量降低，各次谐波含量增加。

各波形的电弧故障检测结果列于表1，可知采用半周期反平移方法对故障电弧波形进行分析，能够准确定位出具体哪半波发生了电弧故障。对比Arc19与Arc19later的THD数值，可以证实本发明提出的半周期反平移计算能够突显电弧故障信息。

表1半周期反平稳电弧故障检测结果

波形	THD	检测结果
			Arc19	18.78％	1
Arc19former	3.35％	0
			Arc19later	25.30％	1

注：检测结果“1”表示发生了电弧故障，“0”表示没有发生电弧故障。

实施例2。

对频率为400Hz的航空电流以12.8kHz的采样频率(即每个周期采样32个点)采样并进行FFT分析。参照图3，将故障电弧命名为Arc8，对该波形的前后半波Arc8former与Arc8later分别进行半周期反对称计算。可以看出故障半波反对称拓展后基波含量降低，各次谐波含量增加。

各波形的电弧故障检测结果列于表2，可知采用半周期反对称方法对故障电弧波形进行分析，能够准确定位出具体哪半波发生了电弧故障。对比Arc8与Arc8later的THD数值，可以证实本发明提出的半周期反对称计算能够突显电弧故障信息，减少误判，提升检测效率。

表2半周期反对称电弧故障检测结果

波形	THD	检测结果
			Arc8	10.06％	0
Arc8former	3.50％	0
			Arc8later	18.33％	1

注：检测结果“1”表示发生了电弧故障，“0”表示没有发生电弧故障。

Claims (1)

1.一种交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、对航空交流固态功率控制器波形进行采样，每个周期采样N个点，将其中连续的N/2个点作为航空交流半波电弧数据；其中，N为2的整数次幂；

步骤二、选取下述任一种方法将半周期电流波形拓展为整周期电流波形；

①对交流半波进行半周期反平移，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点，即为实际电流采集数据，则构造的后个点，即 $Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\]$ 满足式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[1\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[2\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ a\[N\]=-a\[\frac{N}{2}\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，为新构造波形的后个点，为实际电流波形的前个点；

②对交流半波进行半周期反对称，假设新构造的N点整周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前个点，即为实际电流采集数据，则需要构造的后个点，即 $Alatter=a\[\frac{N}{2}+1\]~a\[N\])$ 满足式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}a\[\frac{N}{2}+1\]=-a\[\frac{N}{2}\]\\ a\[\frac{N}{2}+2\]=-a\[\frac{N}{2}-1\]\\ ...\\ ...\\ a\[N-1\]=-a\[2\]\\ a\[N\]=-a\[1\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤三、对新构造的整周期波形进行FFT分析，计算THD，THD的计算如式(3)所示：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i^2}}{h_1}---\left(3\right)$

式中，h₁是基波分量的幅值，h_i是第i次谐波的幅值；

步骤四、对故障电弧事件进行计数，将THD阈值设置为15％，若式(3)计算得到的数值大于15％，电弧事件数值+1；

步骤五、判断100ms内电弧事件的个数，若达到8，确定发生了电弧故障，单片机电弧故障信号输出，交流SSPC切断回路，实现保护。