CN105334413A - 基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，主要包括对检测到的单通道总漏电流进行通道扩展和采用改进单通道快速独立分量法，从多路虚拟通道总漏电流中检测并提取出触电事故特征信号等步骤；采用改进单通道快速独立分量法，从多路虚拟通道总漏电流中检测并提取出触电事故特征信号具体包括初始化；设置迭代初始向量；构造迭代公式；求解迭代公式的迭代值，对其标准正交化处理；分离求得分离信号，并对其幅值还原得到触电事故特征信号等步骤。本发明检测到生命体触电事故特征，能立即动作，具有理想的保护运行特性，特别适用于低压配电网三相四线制线路的末级保护。

Description

基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统漏电保护领域，特别涉及一种基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法。

背景技术

触电事故是供用电领域导致人身伤亡的主要原因。漏电保护装器被广泛应用于城乡供电网，是低压电网防止触漏电伤亡的主要技术手段。20世纪开始，国内外在人体触电电流方面进行了许多研究，将通电时间和触电电流通过人体带来的生理反应划分为几个区域，建立起以幅值为判据的安全基准，作为漏电保护器整定准则，以此提供给各个国家作为电击保护特性研究及装置开发的参考。在理想条件下可以起到比较良好的保护效果，但对于实际线路中存在自然漏电流引起的保护死区仍然无法解决。现有的脉冲动作型、鉴幅鉴相动作型等几种类型漏电保护装置，未能动作于具有唯一可比性的触电事故特征信号，难以有效防止人身触电伤亡。由于线路通常存在自然漏电电流，发生人身或其他生命体触电事故时，保护装置检测到的漏电流，是非常微弱的触电特征信号电流与自然漏电流的随机混合，增加了触电特征信号的检测难度。研究具有唯一可比性的触电事故特征信号的快速、准确检测方法是保证供用电安全的关键课题，具有重要理论价值和现实意义。

在三相四线制中、低压供电网中，当发生生命体触电或其他短路事故时，保护装置检测到事故电流，经处理和识别后，按设定规则向断路器发出动作信号，原理如图1所示，图1中的I或II为检测点。接入电网的保护装置在线运行，未发生事故时，检测的实时单通道总漏电流为自然漏电流I_r，为三相漏电流矢量和。正常时，三相漏电流平衡，自然漏电流I_r＝0；非正常时，三相漏电流不平衡，I_r≠0，保护装置动作。实际中，正常供电时，三相负荷很难完全平衡，线路存在老化，环境和气象变化等，均可能导致漏电流，因此总存在不为0的自然漏电流。供电网内的触电或非触电事故，主要是单相或两相之间的触电事故，均会引起漏电流变化，这是保护装置动作的基本原理。

以单相事故为例。假设C相发生触电事故，检测电流I_z是事故电流I_s与I_r的向量和：

${\stackrel{\·}{I}}_z={\stackrel{\·}{I}}_r+{\stackrel{\·}{I}}_s---\left(1\right)$

现有保护装置根据I_z的大小或变化幅度进行保护，但式(1)为随机性向量和，难以保证I_z必然增大或减小，不能区分生命体和非生命体触电，且保护装置存在死区。

因此当发生了人体触电，保护能检测到触电事故特征信号立即动作，就可以真正避免电击对人体造成的伤害。国内外已有相关的探索研究，包括小波与神经网络、有限脉冲响应与径向基神经网络、FIR滤波与RBF神经网络、支持向量机等人工智能的触电信号检测方法，但样本依赖性强，工程应用困难。事实上，保护装置检测所得漏电流可分解为自然漏电流和事故漏电流两个分量，现有特波法希望能刻画触电特征，但因对唯一可比性特征的认识不足，尚未推广应用。生命体电阻抗的频散特性可作为区分触电事故的唯一可比性特征，但该特征的检测算法复杂，工程应用尚有困难。

针对面临的困难，从保护装置可检测到信号的固有特征出发，可利用盲源分离技术进行触电事故特征信号检测。盲源分离(BlindSourceSeparation，BSS)无需先验知识，具有抗干扰性强的特点，是随机混合信号中微弱信号检测的有效方法，已得到广泛应用，其中最常用的算法为快速独立分量法(IndependentComponentAnalysis，ICA)。漏电保护装置测量到的漏电流为单通道混合信号电流，利用单通道快速独立分量法(SingleChannelIndependentComponentAnalysis，SCICA)技术检测触电事故特征信号，很有吸引力，该方法已在声信号、图像、生物医学和机械故障检测等领域得到应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，以解决现有的触/漏电保护器存在保护死区的问题，建立触电故障与保护动作的直接联系。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，包括以下检测步骤：

对检测到的单通道总漏电流i_z0(t)进行通道扩展，得到多路虚拟通道总漏电流i_z(t)；设单通道总漏电流i_z0(t)中含有n个相互独立的源信号，通过延时方式将单通道总漏电流i_z0(t)扩展为多路虚拟通道总漏电流i_z(t)，向量表示为i_z＝[i_z1(t),i_z2(t),…,i_zj(t),…,i_zl(t)]^T，其中，第j个通道信号：i_zj(t)＝i_z0(t+(j-1)τ),j＝1,2,…,l，式中，τ为延时长度，满足虚拟信号与实测信号强相关、噪声弱相关的要求；l为虚拟通道数，l≥n，满足盲源分离条件；

采用改进单通道快速独立分量法，从多路虚拟通道总漏电流i_z(t)中检测并提取出触电事故特征信号；具体包括：步骤1，初始化，设置迭代次数d，迭代精度ε，估计源信号个数N；步骤2，设置迭代初始向量w_d0，其中，w_d0＝E[ri_dt]，r为已知的参考信号，满足E[(w_d0i_dt)²]＝1；步骤3，构造迭代公式，按牛顿法的思想，对预处理后的观测信号进行迭代：w_d＝E[i_dtg(w_di_dt)]-E[g'(w_di_dt)]w_d，式中，g(.)为G(.)的导数，g′(.)为g(.)的导数；步骤4，求解公式w_d＝E[i_dtg(w_di_dt)]-E[g'(w_di_dt)]w_d的迭代值，对其标准正交化处理： $\left\{\begin{array}{c}{w}_d^{*}=w_d-\underset{j=1}{\overset{d-1}{\Σ}}\left(w_d{w}_j^T\right)w_j\\ w_{d+1}=w_d^{*}/\left|\right|w_d^{*}\left|\right|\end{array}\right.;$ 步骤5，若||w_d+1-w_d||≤ε，则算法收敛，进入步骤6，反之，返回步骤3；步骤6，令d＝d+1，若d＝N，完成源信号分离，反之，返回步骤2；最后，直接分离求得分离信号i′_s(t)，并对其幅值还原得到触电事故特征信号i_s(t)。

根据上述方案，所述单通道总漏电流i_z0(t)的获取方法为：

基于数字信号处理器DSP获取触电事故的实时单通道总漏电流；

检测触电时刻，即获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)；具体为：设实时单通道总漏电流第k个采样点为i[k]，电流均值式中，M为每个周期的采样点数；定义电流均值变化率式中，μ_T、μ_T+1为第T和第T+1周期电流均值；定义电流均值相对变化率触电故障发生时刻检测判据R＝min(R_T,R_T+1)≥δ，式中，δ为检测判据阈值，从而判断出触电事故发生时刻，且获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)。

根据上述方案，所述基于数字信号处理器DSP获取触电事故的实时单通道总漏电流，具体为由一个高精度漏电电流互感器和信号调理电路构成的一路高精度漏电电流采集单元采集实时单通道总漏电流，采用DSP滑窗采样实时单通道总漏电流。

根据上述方案，设置采样窗口长度为3个工频周期，每次滑动步长为0.5个工频周期。

根据上述方案，根据检测到的触电事故特征信号，当其超过安全阈值时，发出动作信号。

根据上述方案，所述安全阈值为30mA。

根据上述方案，还包括对多通道虚拟信号进行中心化和白化处理，进而得到低维多路虚拟通道总漏电流i_z(t)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明检测方法通过DSP获取单通道触电事故时的实时单通道总漏电流，利用虚拟通道器将其扩展为多路虚拟通道总漏电流，进而利用改进单通道快速独立分量法来检测生命体触电事故特征信号。本发明检测到生命体触电事故特征，能立即动作，具有理想的保护运行特性，特别适用于低压配电网三相四线制线路的末级保护。

附图说明

图1是触电事故特征信号检测中的触/漏电保护原理示意图。

图2是本发明中改进单通道触电信号快速分量法原理示意图。

图3是本发明基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测流程。

图4是为验证本发明方法的有益效果所采用的低压动物触电实验平台。

图5是本发明中触电电流实际值与检测值的对比结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，主要步骤为：

1)基于数字信号处理器DSP获取触电事故的实时单通道总漏电流。

经由一路高精度漏电电流采集单元(由一个高精度漏电电流互感器和信号调理电路构成)采集实时单通道总漏电流，利用DSP滑窗采样实时单通道总漏电流。设置采样窗口长度为3个工频周期，每次滑动步长为0.5个工频周期。基于获取的触电事故实时单通道总漏电流来进行触电事故特征信号检测，检测结果更贴近实际工作情况，能反映电网中总漏电流变化情况，为生命体触电保护提供数据支持。

2)触电时刻快速检测

生命体触电事故检测关键包括检测事故发生时刻和检测触电事故特征信号。首先，需要准确定位事故发生时刻。本发明基于事故前后总漏电流均值变化率进行故障判断，从而确定事故发生时刻，获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)。设实时单通道总漏电流第k个采样点为i[k]，电流均值μ为：

$\mathrm{\μ}=E\{i\[k\]\}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}i\[k\]---\left(2\right)$

式中，M为每个周期的采样点数。

定义电流均值变化率D_μ(μ_T,μ_T+1)：

$D_{\mathrm{\μ}}({\mathrm{\μ}}_T,{\mathrm{\μ}}_{T+1})=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_{T+1}}{{\mathrm{\μ}}_T}\right|\×100\%---\left(3\right)$

式中，μ_T、μ_T+1为第T和第T+1周期电流均值。

定义电流均值相对变化率R_T：

$R_T=\frac{D_{\mathrm{\μ}}({\mathrm{\μ}}_T,{\mathrm{\μ}}_{T+1})}{D_{\mathrm{\μ}}({\mathrm{\μ}}_{T-1},{\mathrm{\μ}}_T)}---\left(4\right)$

触电故障发生时刻检测判据R定义为：

R＝min(R_T,R_T+1)≥δ(5)

式中：δ为检测判据阈值。实验统计表明，触电故障前后的电流均值相对变化率R_T≥30，可选检测判据阈值δ＝30。由此可以判断触电事故发生时刻，并且获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)。

3)触电事故特征信号检测

a、对已有单通道总漏电流i_z0(t)进行通道扩展，得到多路虚拟通道总漏电流i_z(t)。

快速独立分量法适用于观测信号数不小于源信号数的情况，在单通道条件下，可采用虚拟通道的来满足这一条件。本发明中采用通道扩展器，来构造多路虚拟总漏电流通道。

设单通道总漏电流i_z0(t)中含有n个相互独立的源信号。由于多通道测量同一信号时必然存在时延，因此，可通过延时方式将单通道总漏电流i_z0(t)扩展为虚拟多通道信号，向量表示为i_z＝[i_z1(t),i_z2(t),…,i_zj(t),…,i_zl(t)]^T，其中，第j个通道信号：

i_zj(t)＝i_z0(t+(j-1)τ),j＝1,2,…,l(6)

式中，τ为延时长度，满足虚拟信号与实测信号强相关、噪声弱相关的要求；l为虚拟通道数，l≥n，满足盲源分离条件。

b、基于改进单通道快速独立分量法，从多路虚拟通道总漏电流i_z(t)中检测并提取出触电事故特征信号。

b1、数据预处理

本发明对多通道虚拟信号进行中心化和白化处理，可使其维数降低，得到低维多路虚拟通道总漏电流i_z(t)，从而避免分离矩阵病态，保证算法收敛性。

b2、基于改进单通道快速分量法的触电事故特征信号检测

一般情况下，独立分量检测法所得结果顺序具有随机性，用于触电事故特征检测时，仅需分离出触电特征信号。本发明中选用通过实验可得生命体触电时特征信号的一般波形作为参考信号，从而提高一般单通道独立分量法的收敛速度，能快速检测并提取触电事故特征信号。改进单通道触电信号快速分量法原理，如图2所示。

设参考信号为r(t)，检测信号与参考信号的误差σ(t)为：σ(t)＝r(t)-y(t)。为便于描述，表达简化为r、σ、y。当误差最小时，认为检测到触电事故特征信号。利用最小均方差思想构造代价函数：

$\begin{array}{c}\mathrm{\κ}\left(w_d\right)=E\[{\mathrm{\σ}}^2\]=E\[r^2-2ry+y^2\]\\ =E\[r^2\]-2E\[r\tilde{x}\]w_d+w_d^{T}E\[{\tilde{x}}^T\tilde{x}\]w_d\end{array}---\left(7\right)$

对代价函数求导并取零，得使均方差最小时的最优解：

$w_{d0}={\{E\[i_{dt}^T{i}_{dt}\]\}}^{-1})E\[{\mathrm{ri}}_{dt}\]=E\[{\mathrm{ri}}_{dt}\]---\left(8\right)$

基于改进单通道快速分量法的触电事故特征信号检测，步骤为：

(1)算法初始化。设置迭代次数d，迭代精度ε，估计源信号个数N。

(2)设置迭代初始向量w_d0。其中，w_d0＝E[ri_dt]，满足E[(w_d0i_dt)²]＝1。

(3)构造迭代公式。按照牛顿法的思想，对预处理后的观测信号进行迭代：

w_d＝E[i_dtg(w_di_dt)]-E[g'(w_di_dt)]w_d(9)

式中：g(.)为G(.)的导数，g′(.)为g(.)的导数。

(4)求解公式(9)的迭代值，对其标准正交化处理：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_d^{*}=w_d-\underset{j=1}{\overset{d-1}{\Σ}}\left(w_d{w}_j^T\right)w_j\\ w_{d+1}=w_d^{*}/\left|\right|w_d^{*}\left|\right|\end{array}\right.---\left(10\right)$

(5)若||w_d+1-w_d||≤ε，则算法收敛，进入步骤(6)，反之，返回步骤(3)。

(6)令d＝d+1，即进行下一次运算，若d＝N，完成源信号分离，反之，返回步骤(2)。

由此，直接分离求得分离信号i′_s(t)，并对其幅值还原得到触电事故特征信号i_s(t)。

c、根据检测到的特征信号，判断是否发出动作信号。

对检测到的触电事故特征信号i_s(t)进行分析，当超过安全阈值30mA，则发出信号，使触/漏电保护器切断故障支路。本发明完成一次判断时间远小于0.2s。

本发明基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，对单通道总漏电流中生命体触电事故特征进行检测提取，使保护装置直接动作于触电事故特征信号，从而可以消除保护死区。

为验证为本发明的有益效果，下面以实验用兔为例进行生命体触电事故特征检测。实验用兔由专业动物中心培养，已经过所在单位学术伦理道德委员会批准。低压动物触电实验平台，如图4所示。

触电部位为兔子左前肢和右后肢。实验前，在保证皮肤完整性的同时，剃除触电部位毛发。保证所有设备的绝缘水平，忽略设备漏电流，用白炽灯作负载。用高精度录波仪(DL750)记录数据，采样频率5kHz，每次记录2s。分别以真实市电和模拟市电(含谐波)为电源进行实验。模拟市电由标准扰动源(Fluke6100A)和线性功率放大器产生，触电实验条件表1所示。

表1触电实验条件

a、触电时刻检测

模拟市电设定的触电时刻有：峰值点、过零点、上升过程的点和下降过程的点，对各情况进行测试，所得平均检测时间为0.000075s，略大于理论仿真的0.000017s，仍满足保护装置动作要求。

b、触电特征信号检测

b1、检测效果检验准则

以检测电流相关系数ξ_c为检验准则：

${\mathrm{\ξ}}_c=\frac{\left|\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{i^{\′}}_s\left(t\right)i_s\left(t\right)\right|}{\sqrt{\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{\[{i^{\′}}_s\left(t\right)\]}^2\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{\[i_s\left(t\right)\]}^2}}---\left(10\right)$

检测效果最差时，ξ_c≈0；效果最佳时，ξ_c≈1。假设：1≥ξ_c≥0.9时，检测效果满意；0.5≥ξ_c≥0时，检测效果不满意。

b2、检测效果验证

用模拟市电进行直接触电实验，用真实市电进行直接和间接触电实验，触电开始时刻为电压峰值和非峰值时刻。将改进前后的快速独立分量检测法效果对比，结果如表2所示。由于篇幅限制，触电电流实际值与检测值(样本6)波形，如图5所示。

表2两种检测方法的效果对比

在各种实验条件和触电方式下，改进独立分量快速算法的检测效果更好，最小系数0.9554，最长检测时间为0.0389s，能满足工程应用需要。

Claims (7)

1.一种基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，包括以下检测步骤：

对检测到的单通道总漏电流i_z0(t)进行通道扩展，得到多路虚拟通道总漏电流i_z(t)；设单通道总漏电流i_z0(t)中含有n个相互独立的源信号，通过延时方式将单通道总漏电流i_z0(t)扩展为多路虚拟通道总漏电流i_z(t)，向量表示为i_z＝[i_z1(t),i_z2(t),…,i_zj(t),…,i_zl(t)]^T，其中，第j个通道信号：i_zj(t)＝i_z0(t+(j-1)τ),j＝1,2,…,l，式中，τ为延时长度，满足虚拟信号与实测信号强相关、噪声弱相关的要求；l为虚拟通道数，l≥n，满足盲源分离条件；

采用改进单通道快速独立分量法，从多路虚拟通道总漏电流i_z(t)中检测并提取出触电事故特征信号；具体包括：步骤1，初始化，设置迭代次数d，迭代精度ε，估计源信号个数N；步骤2，设置迭代初始向量w_d0，其中，w_d0＝E[ri_dt]，r为已知的参考信号，满足E[(w_d0i_dt)²]＝1；步骤3，构造迭代公式，按牛顿法的思想，对预处理后的观测信号进行迭代：w_d＝E[i_dtg(w_di_dt)]-E[g'(w_di_dt)]w_d，式中，g(.)为G(.)的导数，g′(.)为g(.)的导数；步骤4，求解公式w_d＝E[i_dtg(w_di_dt)]-E[g'(w_di_dt)]w_d的迭代值，对其标准正交化处理： $\left\{\begin{array}{c}{w}_d^{*}=w_d-\underset{j=1}{\overset{d-1}{\Σ}}\left(w_d{w}_j^T\right)w_j\\ w_{d+1}=w_d^{*}/\left|\right|w_d^{*}\left|\right|\end{array}\right.;$ 步骤5，若||w_d+1-w_d||≤ε，则算法收敛，进入步骤6，反之，返回步骤3；步骤6，令d＝d+1，若d＝N，完成源信号分离，反之，返回步骤2；最后，直接分离求得分离信号i′_s(t)，并对其幅值还原得到触电事故特征信号i_s(t)。

2.如权利要求1所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，所述单通道总漏电流i_z0(t)的获取方法为：

基于数字信号处理器DSP获取触电事故的实时单通道总漏电流；

检测触电时刻，即获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)；具体为：设实时单通道总漏电流第k个采样点为i[k]，电流均值式中，M为每个周期的采样点数；定义电流均值变化率式中，μ_T、μ_T+1为第T和第T+1周期电流均值；定义电流均值相对变化率触电故障发生时刻检测判据R＝min(R_T,R_T+1)≥δ，式中，δ为检测判据阈值，从而判断出触电事故发生时刻，且获取包含触电事故特征信号的单通道总漏电流i_z0(t)。

3.如权利要求2所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，所述基于数字信号处理器DSP获取触电事故的实时单通道总漏电流，具体为由一个高精度漏电电流互感器和信号调理电路构成的一路高精度漏电电流采集单元采集实时单通道总漏电流，采用DSP滑窗采样实时单通道总漏电流。

4.如权利要求3所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，设置采样窗口长度为3个工频周期，每次滑动步长为0.5个工频周期。

5.如权利要求1至4任一项所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，根据检测到的触电事故特征信号，当其超过安全阈值时，发出动作信号。

6.如权利要求5所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，所述安全阈值为30mA。

7.如权利要求1所述的基于改进单通道快速独立分量法的触电事故特征信号检测方法，其特征在于，还包括对多通道虚拟信号进行中心化和白化处理，进而得到低维多路虚拟通道总漏电流i_z(t)。