CN106370985A - 具有相干采样的计算高效的电弧检测 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有相干采样的计算高效的电弧检测。切换干扰是影响电弧检测器的准确性的初级假象。为了解决切换干扰，传统的电弧检测采用计算密集的技术，这往往是针对目标应用专门设计的。因此，传统的电弧检测器需要显著量的硬件，以精确地检测电弧故障，这可提高电力系统的成本和禁止电弧检测器的广泛部署。使用改进的信号处理，用于电弧检测的特有方法可准确有效地检测电弧故障，并耐受于电力系统的逆变器的切换干扰。具体地，该方法通过使用相干采样的小型快速傅立叶变换提供准确并有效的电弧检测，其使用公共时钟发生器组合信号调节完成。整个系统的实施方法也是可编程的，以适应各种目标应用。

Description

具有相干采样的计算高效的电弧检测
技术领域
本发明涉及集成电路的领域，特别是与逆变器集成的电弧检测器。
背景技术
电力系统是普遍存在的。电力系统的例子包括工业电厂、太阳能发电场、风力发电场、住宅用太阳能发电系统以及电动汽车。典型地，电力系统供电、传输和使用电力。电力通常通过电缆传送，并且在某些情况下，电缆可以被断开，剩下导体之间的小空气间隙。根据空气间隙周围的环境，电弧可以形成在两个导体之间，如果电力系统的故障部分不及时关闭，这是危险的。特别是当涉及高压电力，触电或火灾的风险是很高的。由于这个原因，许多电力系统配备了电弧检测器，用于检测电弧故障，它可以用于触发电弧故障电路中断，其可以机械地断开电力系统的故障部件，如断路器。这并不奇怪，以太阳能行业为例，已开发出光伏电弧故障电路保护标准。
概述
切换干扰是初级假象，其影响电弧检测器的准确性。为了解决切换干扰，传统的电弧检测采用计算密集的技术，这往往是针对目标应用专门设计。因此，传统的电弧检测器需要显著量的硬件以精确地检测电弧故障，这可以提高电力系统的成本并禁止电弧检测器的广泛部署。使用改进的信号处理，电弧检测的特有方法能够准确有效地检测电弧故障而耐受于电力系统的逆变器的切换干扰。具体地，通过使用相干采样的小型快速傅立叶变换，该方法提供准确但有效的电弧检测，所述相干采样使用公共时钟发生器组合信号调节完成。整个系统的实施方法也是可编程的，以适应各种目标应用。
附图说明
为了提供对本公开内容和特征和优点的更完整的理解，结合附图参考下面的描述，，其中类似的参考数字表示相同的部件，其中：
图1和2示出了两个示例性的频谱，每个频谱表示在电弧放电系统和非电弧系统之间的反应差异；
图3示出了示出根据本公开的一些实施例，用于高效电弧检测方法的流程图，该方法耐受于电力系统的逆变器的大型切换干扰；
图4示出根据本公开的一些实施例，用于高效电弧检测用信号调节的方法的流程图；
图5示出根据本公开的一些实施例，具有耐受于电力系统的逆变器的大型切换干扰的高效电弧检测的示例性电力系统；
图6示出根据本公开的一些实施例，在图3中看到的示例性电力系统的电弧检测器的细节；
图7示出根据本公开的一些实施例，用于提供电弧检测器的示例性硬件；
图8示出根据本公开的一些实施例，示出对光电板的串的瞬态噪声源的示例性的电力系统；
图9示出根据本公开的一些实施例，示出光伏板的多个串的全局噪声源的示例性发电系统；
图10示出根据本公开的一些实施例，用于电弧检测示例的频域表示；
图11示出根据本公开的一些实施例，用于电弧检测示例的频域表示；
图12示出根据本公开的一些实施例，梳状滤波器和在频域中电弧检测窗口函数的效果；
图13示出根据本公开的一些实施例，当相干采样被使用和开关频率在16kHz时的梳状滤波器和窗口函数的效果；
图14示出根据本公开的一些实施例，当不使用同步采样和开关频率是在15.5千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果；
图15示出根据本公开的一些实施例，当相干采样被使用和开关频率是在4千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果；和
图16示出根据本公开的一些实施例，当相干采样不使用和开关频率是在4.5千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果。
具体实施方式
电力系统的安全措施
电力线的电弧故障可是危险的，因为导体之间的空气间隙的电弧可导致火灾，这可能损坏属性或危害生命。当电缆断开或拔去门闩时，1/4英寸或1/2英寸的火花可以继续燃烧直到东西落在它上，并开始起火。例如，如果导体之间的连接是不安全的和周围的易燃材料可着火，电力系统(例如，光伏(PV)系统)处于电弧故障的风险下。通常情况下，PV系统安装在空旷地方以接受阳光照射，因此，在这些PV系统的导线电弧故障造成火灾的风险更大，因为干树叶或碎屑落在高压电弧。一些光伏系统具有用于产生电力的许多串模块化PV模块，这会增加潜在创建弧形连接器的数量。
至少由于这些原因，已经规定条例用于电弧故障保护，确保安全。在光伏系统，电弧检测器的解决方案已经提供连续监视电弧故障是否存在。如果检测到电弧故障，该解决方案可以触发动作，诸如接通指示灯，发出警报，关闭逆变器，触发电路断续器，从串断开PV模块，等等。
PV系统可以有不同类型的故障：系列电弧故障，并联电弧故障，接地故障和内部故障。当(系列)连接器断开或导线破损时发生一系列故障电弧。当网格因为通过在两个平行导体电弧产生的电流路径而短路时，并联电弧故障发射。当接地路径中断时，接地电弧故障发生。当PV模块内部故障时，例如在光伏组件的接头盒中，内部故障发生。一般来说，火灾是由一系列电弧故障引起的，因为这个原因，管机构和行业一直专注于检测系列电弧故障。
为了提供优质的电弧检测器，工程师可考虑设计要求，例如精度，速度，复杂性和成本。在准确性方面，电弧检测器优选能够准确地检测电弧故障(即，知道电弧故障何时存在)，而具有小的假阳性(即，当电弧故障不存在时，不触发关闭或中断)。在速度方面，电弧检测器可需要在PV系统中发生的电弧的秒内检测电弧故障。在复杂性和成本方面，电弧检测器优选具有多个组件，使得电弧检测器可以成本更低。更便宜和更简单的电弧检测器可广泛更容易部署。此外，较不复杂的检测器可具有以更少延迟检测电弧故障的可能性。工程师们面临着设计电弧检测的所有这些考虑的很大挑战；这些因素有时会相互竞争。例如，工程师们可权衡复杂的准确性。设计高效和准确的电弧检测器是不平凡的。
通过频谱分析的电弧检测：挑战
在PV太阳能电池板系统中，电弧故障检测是重要和经常需要的功能。更重要的是，可靠的检测对于防止PV太阳能电池起火是重要的。为了检测电弧故障，电弧检测器、电子元件或电路(例如，微处理器)分析在电力线的信号，以确定电弧签名是否存在。如果弧光签名存在于频谱中，电弧故障被认为存在于电力系统，并触发适当的措施。通常，计算密集的处理器用于分析谱；基于频谱，处理器可以分类弧光签名是否存在。
图1和2示出了两个示例性的频谱，每个频谱表示在电弧放电系统和非电弧系统(电弧频谱与非电弧谱)之间的响应差异。频谱表示信号在频率(例如，在频域的信号，功率谱，频谱)的功率。在不存在电弧时的本底噪声大致由采样信号的模数转换器的性能限制。电弧签名的特征在于凸起的频谱噪声地板。可以看出：与两个频谱的视觉检查，对于某些频带(大多数频率)，电弧频谱高于非电弧频谱。凸起频谱噪声地板可以是可作为频谱分析的一部分的特性，以通过比较特定频带或频率仓频谱的功率和阈值确定分类电弧是否存在(用于多频段或频点)。
在两个频谱的视觉检查可以看出：非电弧频谱具有切换干扰(从逆变器的开关噪声)引起的峰值，其具有比电弧频谱更高的功率，从而使电弧检测器更难以识别哪个噪声本底对于一些频带或频率仓更高。当电弧故障存在时，本底噪声提高一些可检测量，但噪声本底可明显低于开关噪声峰值。在电力系统的逆变器中，开关噪声由PWM控制器的脉冲宽度调制(PWM)开关的频率音调的谐波组成。开关噪声会导致电弧检测错误地检测电弧存在(即，导致误报)。
当模数转换器的采样频率对于PWM开关频率是不连贯时，拖尾可发生在非弧光放电频谱，如图2看出。在图2中可以看出，频谱具有开关噪声峰值，和噪声本底在/接近峰值上升。当拖尾发生时，区分两个噪声本底的任务更加困难，其中峰值在频域中象帐篷扩散。当PWM开关频率较低以及拖尾时，峰值在频域中并拢间隔开，以及峰值的裙边可以显著混淆噪声本底。
为了改进当拖尾存在时区分电弧频谱和非电弧频谱的能力，电弧检测器可具有高分辨率(例如，尺寸为数千样本或以上的FFT)的采取快速傅立叶变换(FFT)。该解决方案将意味着该系统是计算密集的，并且通常需要高性能处理器核心提供所需的时序性能，因此会大大增加电弧检测器的成本。
使用相干采样的高效电弧检测：示例性方法
为了监视电力系统的电弧故障，如PV模块串，电路可以采样和监测电力线的信号，以检测电弧故障是否存在。通常，如果检测电弧，在不到一两秒钟内可以触发措施以纠正或者隔离电弧故障。提供电弧检测器的挑战可以定义为如何以低成本、低等待时间提供实时、高精确度的电弧检测，并容忍可导致误报的切换干扰问题或其他条件。
本公开描述用于耐受(大幅度)电力系统的逆变器的干扰切换的有效电弧检测的方法、设备和系统。图3示出根据本公开的一些实施例的流程图的高效电弧检测方法，该方法耐受(大幅度)于电力系统的逆变器的切换干扰。第一电力线上的模数转换器采样第一信号，以产生采样频率的多个第一数字样本，相干于逆变器的脉冲宽度调制(PWM)控制器的的开关频率(框302)。数字样本可包括电压和/或电流的数字样本。快速傅立叶变换模块转换第一数字样本的第一窗口到第一频域表示(框304)。基于第一频域表示，电弧检测器分类电弧故障是否存在于电力系统(框306)。
快速傅立叶变换(FFT)是故意的(经选择用于其效率，这是很容易理解)，并且不与其他频率变换相混淆，如离散傅立叶变换(DFT)方案和小波方案。可以使用多种FFT算法，例如，其可以计算为O算法(NlogN)时间或更好的DFT。例如，具有最大512个点的基数2的FFT实施方式可用于转化。优选地，提供FFT作为专用/专门的硬件块，以确保快速的处理。
相干采样
相干采样(框302)极大地降低快速傅立叶变换(FFT)的尺寸要求，即用于产生一个FFT频域表示的样本数，而不掩蔽实际噪声底。相干采样，如本文所用和应用于本文所描述的电弧探测器，是指逆变器的PWM控制器f_PWM的开关频率以及模数转换器f_ADC的转换功率之间的数学关系，所述模数转换器将电力线的信号转换为数字样本，在第一窗口中的PWM控制器M_PWM(例如，采样集)的开关波形的多个周期，以及FFT N_FFT的多个样本：
错误！未找到引用源。
开关波形M_PWM的循环的数目优选为大到允许或可行的，优选FFT N_FFT的采样数目是二的幂。在一些实施例中，开关频率和采样频率的比率等于第一窗口中的脉冲宽度调制控制器的开关波形的周期数和数字样本的第一窗口中的采样数的比例。比例优选是整数，其开关频率的周期的整数倍第一窗口。在一个例子中，对于电弧检测和PWM波形显示的方波，可以选择fPWM/fADC是2N和NFFT为512，Mpwm或PWM波形的周期数然后将是2的幂。
通过限制N_FFT到二的幂，并仔细选择fPWM/fADC的两个比率的幂，可以实现整数Mpwm。整数Mpwm表示PWM波形的完整周期数。周期性波形的完整周期不具有不连续性，可导致频域拖尾现象。当选择样本的相干窗口为正弦波时，所得的FFT是频域中的干净单频音调。当窗口尺寸包含正弦波的非整数周期时，FFT结果表现出非相干采样的拖尾效应。如果方波(例如，PWM波形)被非相干采样，拖尾效果也将存在。
相干采样可以控制FFT中目标噪声仓蔓延或拖尾，以允许容易分类电弧放电和非弧光放电频谱，而不必使用成千样本的FFT。通过仔细选择ADC的采样频率相干于开关频率，开关噪声音调邻接频率段的“传播”可被控制或保持足够小，即使当使用具有较少样本的FFT，和噪声本底不会因开关噪声峰的裙边所遮蔽。通过使用较低分辨率的FFT，电弧检测器将远离计算密集，产生较低成本、更低延迟的电弧检测器。
一般而言，系统设计者可工作具有支持各种采样频率的模数转换。施加FFT的尺寸(例如，512个样本或更小)作为约束，可以选择相干于给定的开关频率的采样频率，并确保开关噪声峰值之间有若干可用频率仓，用于电弧检测器正确分类电弧与非电弧。如果没有连贯采样，拖尾或开关噪声箱裙边可以掩盖信息的多个相邻频点。此外，它可以调节ADC的采样频率，以适应多种PWM开关频率。例如，当PWM开关频率增加，可调节或配置(使用一个或多个参数)ADC的采样频率和保持相干采样。所产生的电弧检测系统因而是柔性的，并且可以用于各种电力系统。下表说明，当FFT的尺寸是512个样本/点时，可在一定的约束内使用可能的采样率(例如，FFT的尺寸，最大ADC采样率等)，而具有PWM开关噪声峰之间多个仓BINS：
f_PWM kHz f_ADC kHz BINS
4 512 3
8 512 7
10 640 7
12 768 7
14 896 7
16 512 15
18 576 15
20 640 15
22 704 15
30 960 15
32 512 31
40 640 31
42 672 31
50 800 31
有效地，拖尾的效果通过保持采样频率相干减轻。当使用相干采样时，FFT的尺寸可以做得更小，或尽可能小(例如，512个样本，256个样本等)。虽然用相干采样的FFT仍然可以有一些拖尾，裙边将接近在一起，以便有更多的可用仓的空间(例如，更高的部分)，以仍然确定本底噪声的位置。不适用相干采样，裙边较宽，可以使分类非常困难，除非FFT使用大量样本(例如，数千样本)。
信号调节
除了相干采样，一个或多个信号调节方案可以应用到数字采样，以增强分类电弧故障是否存在于电力系统的能力。图4示出根据本公开的一些实施例，用于具有信号调节的高效电弧检测的方法的流程图。在样本被转换为频域表示之前(框404)，电弧检测器可调节样本(框402)。样本的信号调节可以进一步降低切换干扰和/或拖尾的影响。信号调节的示例包括施加精梳滤波器并应用窗口函数。数字样本的窗口可以通过在FFT之前由梳状滤波器进行过滤。梳状滤波器可以衰减对应于开关频率的频谱能量。在FFT之前，数字样本的窗口可另外或替代地由窗口函数来处理。窗口功能可进一步限制在捕获窗口中非相干噪声的拖尾现象。梳状滤波器和窗口函数进一步后面结合图11详细描述。
具有集成电弧检测器的逆变电力系统
图5示出根据本公开的一些实施例，具有耐受于电力系统的逆变器的切换干扰的高效电弧检测的示例性电力系统。在电力系统500中，在此例中的光伏(PV)系统，包括一个或多个PV模块(例如，太阳能电池板)或光伏模块中的一个或多个串和逆变器504。在具有PV模块的PV系统中，可以具有多个象逆变器504的逆变器504。逆变器可以包括PWM控制器506，这是可以使用脉冲宽度调制(PWM)开关将DC功率转换成控制的AC电力的半导体或电子设备。PWM控制506可以包括用于控制功能的电路，和用于产生具有开关频率的脉冲宽度调制波形的部分550(例如，包括控制回路或其影响PWM波形的调度器)。PWM开关是精确调节功率电平的有效方式，但PWM控制器中的开关设备的瞬态506(例如，第一部分550)可以产生电力系统500的切换干扰(在频谱的谐波)。如上所讨论的，切换干扰会影响电弧检测和电弧探测器设计。
除了具有PWM控制器506，逆变器504被集成到电弧检测系统508。电弧检测系统508具有模拟前端(AFE)510和电弧检测器516。AFE 510(模拟或混合信号处理)包括：模数转换器(ADC)512，可获取电力线514的信号(电压或电流)作为输入，并提供数字样本作为输出。该ADC512可以采样在第一电力线514上的第一信号，以在相干于逆变器的脉冲宽度调制控制器的开关频率的在采样频率产生多个第一数字样本。电弧检测器516(数字信号处理)可包括FFT部520，用于将所述第一数字样本的第一窗口(作为输入)转换为第一频率域表示(作为输出)。取决于在FFT之前信号调节是否施加到数字样本，FFT部分520的输入可包括原始第一数字样本或第一数字样本的派生(处理/滤波的版本)。电弧检测器516还包括分类器部分522，用于基于第一频域表示分类电弧故障是否存在于电力系统。
当检测到电弧故障时，电弧检测器516可以输出信号D，它可以触发一个或多个动作如接通指示灯，发出警报，关闭逆变器，信令到PWM控制器506，触发电路断续器524，从串断开PV模块等。
集成优势
将电弧检测系统508集成到逆变器504具有多个技术优点。如果已知开关频率F_PWM，的电弧检测系统508可以更好地执行(改进信号调节和/或改进分类)。PWM控制器506可以提供F_PWM或开关频率信息到电弧检测器516。在一些实施例中，PWM开关频率F_PWM将提供给电弧检测器系统516，以便ADC 512可以调整其采样频率，以确保相干采样。此外，集成电弧检测系统508在和PWM控制器506相同的逆变器中意味着ADC 512和PWM控制器506可以由相同的时钟信号CLK，或者时钟信号CLK1和CLK2(分别)提供时钟。基于相同的根时钟来产生时钟信号CLK1和CLK2，用于相干采样。公共时钟发生器518(即，从而具有普通时钟晶体)产生时钟信号CLK，或在一些实施例中，产生两个时钟信号CLK1，CLK2，可同时用于在ADC512和PWM控制器506的部分550，用于产生(完美)相干采样PWM波形(例如，控制回路或调度其影响PWM波形)。有效地，因为具有ADC 512的整体电弧检测系统508与逆变器504中的PWM控制器506集成，相干采样成为可能或更容易。
电弧检测流程
图6示出根据本公开的一些实施例，在图3中看到的示例性电力系统的电弧检测器的细节。电弧检测器516的一个或多个部分可使用专用/专门的硬件电路来实现，以提供快速的硬件加速电弧检测。在一些实施例中，专用/专们硬件可以提供检测/防御的第一道防线，而不必中断主控制器处理器(以节省主控制器处理器的计算周期)。
电弧检测器516从AFE 510接收数字样本(电力线上的信号)，和FFT部520可以使用样本的移动窗口，以产生对应于不同的时间点的许多FFT捕获(随着时间的许多频率域表示)。基于FFT捕获，分类器522可以确定电弧签名是否存在。
根据是否以及信号调节如何施加电弧检测器可包括一个或多个以下：a(可编程)梳状滤波器602，用于在所述FFT之前滤波第一数字样本的第一窗口，其中，所述梳状滤波器602衰减对应于开关频率的频谱能量，处理窗口函数604，用于在FFT之前处理第一数字样本的第一窗口。
在一些实施例中，电弧检测器516包括平均，例如，时域平均部分606(由图8示出)和频域平均部分608(由图10所示)，其处理FFT部分520的输出，并提供在FFT捕获的平均版本到分类器522。平均可以在噪声源存在下使分类器522更健壮(例如，ADC 512的噪声，在电力线的信号噪声，开关噪声等)和减少误报，从而使得整体的电弧检测系统更准确和耐受于切换干扰。
在一些实施例中，电弧检测器516是可编程的，或者使用配置寄存器610的电弧检测器的过程的一个或多个方面可以被编程或配置，以适应特定电力系统和/或适应一个或多个外部条件。寄存器610可存储用于电弧检测器的过程的参数值。参数可以打开选择到打开或关闭的一个或多个信号调节器/功能。参数可以调整信号调节器/功能(或选择型过滤器/函数的应用)。例如，梳状滤波器的凹口可使用这些参数中的一个来调节。在另一实例中，窗口函数的形状可使用这些参数中的一个进行选择。参数可以改变由FFT部分520执行的FFT的大小。参数可改变由时域平均部分和频域平均部分使用的窗口大小。参数也可以改变正在由分类522检查的其频带或频率仓，以检测电弧。参数可改变对应于该频带或频率槽的阈值。参数可包括由分类522使用的一个或多个参数(例如，表决方案中所需表决数量，掩蔽或选择选定的频带或频率仓)。
公共时钟发生器的各种实施方式
如先前相对于解释图5，公共时钟发生器518可以产生相同的时钟信号CLK，用于计时ADC 512和PWM调制控制器的部分550。从广义上来说，定时ADC 512和PWM调制控制器的部分550的时钟信号可以是不同的，但使用共同的晶体或使用相同的根时钟信号产生的。
为了说明，图6进一步示出了用于图5的(公用的)时钟发生器518的示例性实施方式。在一些实施例中，公共时钟发生器518可以产生不同的时钟信号CLK1和CLK2，用于分别计时在ADC 512和PWM调制控制器550的部分；不同的时钟信号CLK1和CLK2从同根生的时钟信号RCLK产生，用于相干采样。具体地，单一的共同时钟发生器620产生根时钟RCLK，可以例如驱动比例块(诸如锁相环(PLL)和/或时钟分频器622)，以为ADC 512和CLK2的PWM控制器506(或PWM控制器的部分550)产生不同的时钟CLK1。在一些情况下，单个公共时钟发生器620和PLL和/或时钟分频器622允许CLK1和CLK2保持精确的整数：彼此的整数关系。例如，可以通过PLL在比根时钟RCLK的24：340来产生ADC采样时钟CLK1频率，而PWM时钟CLK2可以比根时钟RCLK的24:10频率产生。
因此，时钟信号CLK1和CLK2可直接从相同根时钟信号或由整数中导出：从相同根的时钟信号的整数比率，用于相干采样。
逐仓可编程阈值，自定义算法
如先前描述并在图1和2所示，电弧签名与对某些频段或频率槽的凸起噪声本底相关联。通过检查频谱和确定噪声本底是否高于特定阈值，电弧检测器516的分类器522可以检测弧光签名是否存在。具体地，基于第一频域表示分类电弧故障是否存在于电力系统可以包括：逐仓确定第一频域表示的功率是否高于(可编程)的阈值(或者等价地，高于或等于(可编程)的阈值。不同的阈值可以用于不同的频带或频率仓。在一些实施例中，阈值可以基于特定的应用。该阈值可以根据经验确定，和/或随着时间改变(例如，通过自适应算法或学习算法)。电弧检测器中的分类电路确定多个第一频域表示中选定仓的每个值是否高于各自的阈值。在一个实例中，如果所有所选频段在各自的阈值以上，分类器确定电弧存在(或可能存在)。在另一个例子中，如果所选的一定数量或部分频段在各自的阈值以上，分类器确定电弧的存在(或可能存在)。寄存器可以用于存储对应于多个所选频段的可编程阈值。频段可以基于特定应用来选择，例如，基于电弧签名或凸起噪声本底预计可检测的位置，基于开关噪声峰值不存在或掩蔽噪声本底的位置。
除了使用逐频段办法，一些实施例可以包括嵌入式处理器，其可以执行具有用于电弧检测(设计用于特定的系统)的更复杂的自定义算法的程序。例如，自定义算法可以被设计为具有公知的背景噪声签名的系统。
电弧检测的数字系统
图7示出根据本公开的一些实施例，用于提供电弧检测器的示例性的硬件。一个或多个部分或电弧检测器的过程(例如，由图5所示)可以由处理器702来实施或执行时，执行存储在存储器704的指令。如数字样本和频域表示(FFT捕获)的数据也可以存储在存储器704。
用于电弧检测的各种装置的部件可包括电子电路以执行本文描述的功能。在一些情况下，该装置的一个或多个部分可以由用于执行本文中所描述的功能的特别配置的处理器来提供。例如，该处理器可以包括一个或多个专用部件，或者可以包括被配置为执行本文描述的功能的可编程逻辑门。该电路可以在模拟域、数字域或混合信号域操作。在一些情况下，所述处理器可经配置以执行由存储在非临时性计算机介质上的一个或多个指令执行在此描述的功能。
在一个示例实施例中，图5和6的任何数量的电路可被相关联的电子设备的电路板来实现，例如，逆变器。该板可以是一般的电路板，可以装在电子设备的内部电子系统的各种组件，并进一步为其他外围设备提供连接器。更具体地，电路板可以提供电连接，通过其该系统的其它部件可电通信。根据特定的配置需求、处理需求、计算机设计等，任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支撑芯片组等)、计算机可读非临时性存储元件等可以被适当地联接到所述板。其他组件(诸如，外部存储、另外的传感器、用于音频/视频显示器的控制器以及外围设备)可以通过电缆被连接到电路板插入式卡，或集成到板本身。在各种不同的实施例中，本文中所描述的功能可以在仿真形式的软件或固件内布置在支持这些功能的结构的一个或多个可配置的(如可编程)元素运行来实现。提供仿真的软件或固件可以提供在非临时性计算机可读存储介质上，包括指令以允许处理器执行这些功能的。
在另一示例实施例中，图5-6的电路可以被实现为单独的模块(例如，具有相关联的部件和电路被配置为执行特定的应用程序或功能的设备)或实现为插件模块到应用电子设备的特定硬件。需要注意，本公开的具体实施例可以容易地包括在芯片上(SOC)包的系统中，无论是在部分或全部。SOC表示计算机或其它电子系统的组件集成到单个芯片的IC。它可以包含数字、模拟、混合信号以及经常射频功能：所有这些都可以在单个芯片衬底上提供。其他实施例可以包括多芯片模块(MCM)，具有多个位于单一的电子封装内并配置成彼此通过电子封装密切相互作用独立的IC。在各种其它实施例中，控制电路可以在一个或多个硅芯，被实现在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他的半导体芯片。
处理瞬态噪声源的时域平均
虽然相干采样和数字样本的信号调节有助于减少污点，其它噪声源可以潜在地影响电弧检测器的准确度，或导致误报。图8是表示根据本公开的一些实施例，光伏面板的多个串瞬态噪声源(示为螺栓)的示例性电力系统。在这个例子中，电力系统有三个光伏串和一个或多个逆变器。当实际电弧故障发生在t＝T，频谱会从具有非电弧签名的状态改变为具有电弧签名的状态。人们期望频谱将留在改变状态，直到电弧故障被排除。相反，当瞬态噪声源存在时，频谱可以持续时间非常短改变为改变的状态，并返回到非电弧状态。重要的是电弧故障未在这样的噪声源的存在下检测到。为了解决只在短时间(瞬变)影响频谱的噪声源，电弧检测器可包括时域平均部分(例如，图6的时域平均部分606)，用于为特定频段在多个频域表示平均值(FFT捕获(可编程)的窗口)，以生成电力系统的功率谱的时域平均，和分类器(例如，图5的分类器522和6)可以进一步基于时域平均基础分类是否电弧故障出现。时域平均可以平滑不可能与电弧故障关联的任何瞬变，从而防止那些瞬态噪声源导致假阳性。
处理全局噪声源
除了瞬态噪声源，全局其他噪声源影响弧检测。图9示出根据本公开的一些实施例，用于说明关于影响电弧检测光电板的串的全局噪声源的示例性电力系统。在这个例子中，电力系统有三个光伏串和一个或多个逆变器。如果全局噪声源存在，例如，卡车由三个光伏串驱动并在同一时间改变各频谱，电弧检测器可能检测到电弧时电弧不实际存在和不必要地关闭所有的三个光伏串。假定电弧更可能在给定时间发生在一个PV串，以及该全局噪声源发生会在同一时间干扰对应于三个光伏串的所有三个频谱(例如，其信号上的电力线被采样并分别转换入FFT)，分类器(例如，图5的分类器522和6)可以利用与在给定时间的多个光伏串相关联多个FFT捕获，以拒绝引起全局噪声源误报。例如，分类器(例如，图5的分类器522和6)可以基于多个频域表示分类电弧故障是否存在于电力系统，其中包括(1)基于第一电力线的第一信号的第一数字采样的第一窗口，第一频域表示生成和(2)基于第二电力线的第二信号的第二数字样本的第二窗口，第二频域表示生成在和第一电力线相同的电力系统上。如果在第一和第二频域表示触发电弧检测，分类器可以覆盖或忽略此类并行触发器，因为并发触发器不太可能与实际的电弧故障相关联(更可能只在一个电力线发生)。在一些实施例中，并发触发器的首要是更受限制。例如，假设全局噪声源在固定的频带或频率仓出现在多个频谱，如果触发器源自同一频率仓，分类器可能仅在乘坐并发触发器。
用于增加鲁棒性的频域平均
除了主导的开关噪声峰值，可以在图1和2的频谱看出：频谱通常具有其他噪声伪影，这些问题可导致误报(本底噪声是不连续的清洁线，但有许多小峰)。未经FFT谱的进一步处理，当分类器比较频率仓或带的功率和简单阈值时，例如噪音现象可以影响电弧检测。为了解决存在于本底噪声的其他噪声伪影，频域平均部分(例如，图6的频域平均部分608)可以在分类电弧故障是否存在于电力系统之前执行第一频域表示的移动平均。有效地，频谱平滑以增加分类器的稳健性。根据特定的应用，移动平均可以使用可编程的窗口大小，以控制需要多少平均化用于令人满意的耐用性。示例性窗口尺寸包括4个频率仓、8个频率仓，16个频率仓等。
图10示出根据本公开的一些实施例，用于电弧检测的示例频域表示。虚线表示不具有频域平均的电弧和非电弧频谱；实线表示频域平均后的电弧和非电弧频谱。由此可以看出，当频谱使用多个频率仓的移动窗口(在频域)平均时，分类器可以很容易地使用简单阈值分离和区分电弧频谱和非电弧频谱，使得分类器对频谱中的波动更加健壮。
图11示出根据本公开的一些实施例，用于电弧检测的示例频域表示。也可以在该图观察到，该频域平均可以应用于帮助分离和区分电弧放电频谱(参见，不移动平均“arcon”，平均的“movavg arcon”)和非电弧谱(参见，不移动平均“arcoff”，使用简单的阈值平均“movavg arcoff”)。
进行信号调节的梳状滤波器和窗口函数
打击非相干采样的一个可行方法是窗口功能的应用。示例性窗口函数包括Hammin，Hanning和布莱克曼窗，其具有不同的时域形状和类似的频率响应。一般来说，这些功能都在频域中类似钟形曲线形状，其中两个端部逐渐变细至0。它们在频域中的形状方面不同的宽度和拒绝围绕原始信号的旁瓣的斜率。当与输入样本的集合相乘时，任何给定的函数在边缘减小到0。其结果是，任何窗口函数可以顺利级联，因为开始和结束点是相同的，并等于0。比较这些功能，人们可以观察到相干窗口是最为理想的功能(相干窗口是指窗口长度具有1和否则0，窗口长度对应于感兴趣的周期信号的整数多个周期)。所有其他窗口函数具有在感兴趣的bin(见峰值)大小的一些损失，和一些扩散。然而，当相干采样是不可能时，窗口函数仍然是有利的。因此，信号调节可以包括窗口函数，其可以与任何窗口函数进行编程，以打击不相干于选择窗口的次要大量噪声。
图12示出根据本公开的一些实施例，在频域中电弧检测的梳状滤波器和窗口函数的效果。为了说明，“输入”具有在频域的PWM开关噪声音调。当没有相干采样时，峰的扩展或拖尾可以是特别严重的，使得分类器非常难以检测本底噪声。
为了去除切换干扰，电弧检测器可以包括具有槽口的梳状滤波器，其右边的峰衰减(如在“梳状滤波器”响应看到)。如果开关频率f_PWM已知，梳状滤波器可以被实现。可“comb out”频谱可见：两个峰被除去，和频谱下降到-300分贝。通过使用可编程的梳状滤波器，梳状滤波器可以被调谐到开关频率，以消除在f_PWM右侧的开关噪声峰值，只剩下噪声基底。在一些实施例中，通过添加加权/缩放和延迟采样到当前样本，，可以在FFT部之前在时域应用梳状滤波器，其中，所述延迟长度是可编程的(例如，y[n]＝x[n]+a*x[n-K]，其中“a”是比例因子或权重，和K是可编程延迟长度)。通过设置适当的延迟长度，开关噪声的峰值可基本上从所述谱(被梳理出)除去。在一些实施例中，施加频率仓掩模，而不是使用梳状滤波器以无视与开关噪声峰值关联的频率仓信息。
为了减少拖尾，在FFT部分之前，电弧检测器可提供窗口函数。窗口函数降低非相干采样的时域信号引起的不连续性的效果，并能减轻在频域拖尾。多种窗口函数是合适的，包括汉明窗，汉宁窗，Blackman窗等。合适的窗口函数在时域在特定窗口尺寸的端部渐缩，和信号(即，数字样本)被乘以窗口函数。在频域，信号的频域表示(即，数字样本)被卷积窗口函数的频域表示。可以在“win out”频谱看出，应用窗口函数挤压两个峰值并减少拖尾/扩展。
当梳状滤波器和窗口函数一起使用时，所得到的频谱可以基本上不含开关噪声峰，如在“win+comb out”频谱看出，在-300分贝仅留下噪声基底。
图13示出根据本公开的一些实施例，当使用相干采样和开关频率在16kHz时的梳状滤波器和窗口函数的效果。“arc on iput”是其与本文中所描述相干采样采样的电力线的信号。“window only”表示窗口滤波器对于“arc on input”信号的作用。由于使用相干采样，施加窗口滤波器的效果甚微。“window and comb”示出了加窗滤波器和梳状滤波器的作用。使用附加的梳状滤波器，基本上除去“arc on iput”看到的峰值。
图14示出根据本公开的一些实施例，当不使用同步采样和开关频率是在15.5千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果。“arc on iput”是其未经本文所述的相干采样采样的电力线的信号。可以从图中观察到，该拖尾是显著的，和拖尾的效果已遮蔽信号的噪声本底。“window only”表示窗口滤波器关于“arc on iput”信号的作用。拖尾使用窗口滤波控制器，这是有利的，因为该信号没有被相干采样。“window and comb”示出了加窗滤波器和梳状滤波器的作用。使用附加的梳状滤波器，基本上除去出现在“arc on iput”的峰，并且它是在视觉上更清楚，其中比较“window and comb”到“arc on iput”当噪声基底。因此，在一些实施例中，梳状滤波器可以被施加到解决非相干采样，例如如果相干采样是不可能的。
注意，在这个例子中，“arc on iput”具有显著拖尾，由于非相干采样。当适当地配置梳状滤波器，可以消除拖尾的效果，由于非相干采样有效，因为梳状滤波器被调谐到16kHz，这是接近15.5千赫开关频率。虽然过滤器的谷不与开关频率精确地对准，所述对准通常在方波音调的更高倍数变得更糟。在这个例子中，16千赫和15.5千赫是相当接近的，从而梳状滤波器在处理拖尾产生可接受的结果。
注意，当信号仓是在整数过采样率之间中途时，梳状滤波器将产生不能接受的结果。考虑一个例子，其中采样率是512千赫，梳状滤波器被调谐到16kHz。过采样率是512/16＝32。精梳滤波器的不好情况的一个例子可以是在512/32.5＝15.754kHz的方波PWM频率。如果ADC时钟不可扩展到相干和采样率保持在512千赫，则既不梳状滤波器n*512/32＝n*16kHz，也不是n*512/33＝15.515kHz有效去除在n*15.754kHz的音调。
图15示出根据本公开的一些实施例，当使用相干采样和开关频率是在4千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果(其中，峰比当开关频率是在16千赫时的峰值更接近，如图13看到的)。“arc on iput”是其与本文中所描述相干采样采样的电力线的信号。“windowonly”表示窗口滤波器关于“arc on iput”信号的作用。由于使用相干采样，施加窗口滤波器的效果甚微。“window and comb”示出了加窗滤波器和梳状滤波器的作用。使用附加的梳状滤波器，基本上除去在“arc on iput”看到的峰值是。
图16示出根据本公开的一些实施例，当不使用同步采样和开关频率是在4.5千赫时的梳状滤波器和窗口函数的效果(其中，峰比当开关频率是在15.5千赫峰值时更接近，如图可见1)。“arc on iput”是其未经本文所述的相干采样采样的电力线的信号。“windowonly”表示窗口滤波器关于“arc on iput”信号的作用。拖尾使用窗口滤波器控制，这是有利的，因为该信号没有被相干采样。“window and comb”示出了加窗滤波器和梳状滤波器的作用。使用附加的梳状滤波器，基本上除去出现在“arc on iput”的峰。
变化和实现
尽管本公开描述用于光伏系统的示例性电弧检测器，由本公开所设想的是，本文所述的电弧检测器将有利于其他电力系统，例如马达逆变器或其中电弧可以发生和电弧检测是理想的系统。
此外，还必须要注意，所有的规格、尺寸以及且本文所概述的关系(例如，处理器，逻辑运算，数量等)只被提供用于示例和教学的目的。这样的信息可以变化相当大，而不脱离本公开的精神，或所附权利要求的范围。说明书只适用于非限制性示例，因此，它们应被理解为这样。在前面的描述中，示例实施例已经参考特定的处理器和/或部件安排描述。可以对这样的实施方式进行各种修改和改变，而不脱离示例和所附权利要求的范围。说明书和附图相应地应被视为示例性的而不是限制性的意义。
注意，利用本文提供的许多例子，相互作用可以在两个、三个、四个或更多个电部件来描述。然而，这已只为清楚和示例的目的进行。但是应当理解，该系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计方案，任何示出的组件、模块和图5-7的元件可以以各种可能的配置相结合，所有这些显然在本说明书的范围之内。在某些情况下，可能会更容易通过只引用电元件的有限数量来描述一个或多个一组给定流的功能。但是应当理解的是，图和其教导的电路是容易可扩展的，并且可以容纳大量的组件，以及更复杂/精密的安排和配置。因此，提供的示例不应该限制范围或抑制电路的广泛教导为可能应用于其它无数架构。
注意，在本说明书中，包含在“一个实施例”、示例实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中引用的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)旨在表示，任何这样的功能都包含在本公开内容的一个或多个实施例，而是可或可以在相同的实施例被组合。
同样重要的是要注意，电弧检测相关的功能只示出了一些可能由图中所示的系统执行的电弧检测功能。其中的一些操作可在适当情况被删除或移除，或这些操作可以被修改或改变，而不脱离本公开的范围。另外，这些操作的定时可以大大改变。前面的操作流程已经提供用于示例和讨论的目的。在不脱离本公开的教导的情况下，在此描述的实施例可以通过任何合适的布置、年表、配置和定时机制提供极大的灵活性。

Claims (20)

1.一种耐受于电力系统的逆变器的切换干扰的高效电弧检测方法，该方法包括：
由模数转换器采样第一电力线的第一信号，以产生相干于逆变器的脉冲宽度调制控制器的开关频率的采样频率的多个第一数字样本；
使用快速傅立叶变换模块转化第一数字样本的第一频域表示的第一窗口；和
基于第一频域表示，通过电弧检测器分类电弧故障是否存在于电力系统。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
模数转换器以及产生具有开关频率的脉冲宽度调制波形的脉冲宽度调制控制器的一部分由相同的时钟信号计时，用于相干采样。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
模数转换器以及产生具有开关频率的脉冲宽度调制波形的脉冲宽度调制控制器的一部分由通过相同的根时钟信号产生的时钟信号计时，用于相干采样。
4.如权利要求1所述的方法，其中：
开关频率和采样频率的比率等于在第一窗口中的脉冲宽度调制控制器的开关波形的周期数以及在数字样本的第一窗口中的样本数量的比率。
5.如权利要求3所述的方法，其中，开关波形的周期数目为二的幂；和/或样本的数目是二的幂。
6.如权利要求1所述的方法，其中：基于开关频率，采样频率是可配置的，用于相干采样。
7.如权利要求1所述的方法，其中，第一数字样本的第一窗口是由在快速傅立叶变换前的梳状滤波器过滤，其中所述梳状滤波器衰减对应于开关频率的频谱能量。
8.如权利要求1所述的方法，其中，第一数字样本的第一窗口是由快速傅立叶变换之前的加窗口函数进行处理。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在执行分类电弧故障是否存在于电力系统之前执行第一频域表示的移动平均。
10.如权利要求1所述的方法，其中，用于移动平均的窗口是可编程的。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在多个频域表示平均特定仓的值，以产生电力系统的功率谱的时域平均；和
进一步基于时域平均，由电弧检测器分类电弧故障是否出现。
12.如权利要求1所述的方法：进一步基于根据第二电力线的第二信号的第二数字样本的第二窗口生成的第二频域表示，由电弧检测器分类电弧故障是否存在于在所述电力系统，所述第二电力线和所述第一电力线在相同的电力系统上。
13.如权利要求1所述的方法，其中，基于第一频域，表示由电弧检测器分类电弧故障是否存在于电力系统包括：以确定第一频域表示的电力是否大于可编程阈值。
14.一种耐受于电力系统的逆变器的切换干扰的高效电弧检测的装置，该装置包括：
模数转换器采样第一电力线的第一信号，以产生相干于逆变器的脉冲宽度调制控制器的开关频率的采样频率的多个第一数字样本；
公共时钟发生器，用于对于模数转换器和脉冲宽度调制控制器的一部分产生相干采样的时钟信号，用于产生具有开关频率的脉冲宽度调制波形；
使用快速傅立叶变换模块，转化第一数字样本的第一窗口到第一频域表示；和
分类部分，基于第一频域表示，分类电弧故障是否存在于电力系统。
15.如权利要求14所述的装置，其中：
基于相干采样的开关频率，采样频率是可配置的。
16.如权利要求14所述的装置，进一步包括：
可编程梳状滤波器，在快速傅立叶变换之前滤波第一数字样本的第一窗口，其中所述梳状滤波器衰减对应于开关频率的频谱能量。
17.如权利要求14所述的装置，进一步包括：
在快速傅立叶变换之前，处理窗口函数，用于处理第一数字样本的第一窗口。
18.权利要求14所述的装置，其中，所述分类电路确定在第一频域表示的多个选定仓的每个值是否高于相应阈值。
19.根据权利要求14，进一步包括装置：
寄存器，用于存储对应于多个所选仓的可编程阈值。
20.一种耐受于电力系统的逆变器的切换干扰的高效电弧检测的装置，该装置包括：
装置，用于采样第一电力线的第一信号，以产生相干于逆变器的脉冲宽度调制控制器的开关频率的采样频率的多个第一数字样本；
装置，用于对于模数转换器和脉冲宽度调制控制器的一部分产生相干采样的时钟信号，用于产生具有开关频率的脉冲宽度调制波形；
装置，用于转化第一数字样本的第一窗口到第一频域表示；和
装置，用于基于第一频域表示，检测电弧故障是否存在于电力系统。
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