CN106771898A - 基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置及其方法，该装置包括：剩余电流互感器、与剩余电流互感器相连的MCU、分别与零线以及火线相连的脱扣机构；MCU经驱动电路与脱扣机构相连；该方法包括：该MCU通过剩余电流互感器实时采集线路进线端剩余电流信号并按照预设计算间隔时间进行四阶累积量峭度值计算，当连续检测到预设次数值数量的峭度值K>预设峭度值，立即驱动脱扣电路执行脱扣动作来保护电路。本发明所提出的一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置及其方法，无需判断负载类型，阈值不随负载种类变动，避免了对非线性负载正常工作奇异性电流信号的处理，可有效解决系统漏判断、误判断问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置及其方法。
背景技术
在多个负载串并联的综合负载回路中，若额定功率较小的支路发生故障电弧，其故障信号往往很小以至于淹没在正常信号中，造成检测装置的漏判断。
目前串联故障电弧检测以主线路电流为判断对象，当发生电弧故障时，电流波形发生畸变，基于时域小波变换和频域快速傅里叶变换可以提取故障信号，解决不同负载下的电弧辨识问题，但存在非线性负载检测辨识能力不足问题，对于非线性负载正常工作的奇异性电流(如零休现象)以及感性负载启动瞬间引起的大脉冲，检测装置往往造成一定的误判断。
申请号：201310376133.4公开了“基于小波变换和时域混合特征的交流故障电弧检测方法”专利，通过对电流信号进行时域和小波变换特征值计算，将两者的特征值作为收敛的BP神经网络的输入，而其输出值作为故障电弧的判据。该方法适用范围广、控制精度高，但检测方法也较为复杂且对硬件电路要求较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置及其方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置，提供包括一零线以及一火线的供电线路，还包括：一接入零线以及火线且用于检测供电线路进线端剩余电流信号的剩余电流互感器、一与所述剩余电流互感器相连的MCU、分别与零线以及火线相连的脱扣机构；所述MCU经一驱动电路与所述脱扣机构相连。
还提供一种根据权利要求1所述的一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置的故障电弧检测方法，按照如下步骤实现：
步骤S1：系统初始化，电弧故障区间数count置0，脱扣标志位trip置0；
步骤S2：所述MCU按预设采样频率通过所述剩余电流互感器对供电线路进线端剩余电流实时采集，得到实时电流序列x(t)；
步骤S3：按照预设计算间隔时间对x(t)计算其四阶累积量峭度值，计算公式如下：
记x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…,xk＝x(t+τk-1)，式中τ为延时量；
记随机信号x(t)的k阶矩mk为：mk(τ1…τk-1)＝E[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]；
随机信号x(t)的高阶累积量用高阶矩表示，对于零均值信号，随机信号x(t)的四阶累积量为：
当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式得：c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2 2(0)＝E[x4(t)]-3{E[x2(t)]}2；
即为信号的峭度，记零均值随机信号x(t)的峭度为：
其中，
其中，σx为标准差，N为信号长度；
步骤S4：当峭度值K>预设值，电弧故障区间数count+1，并转入步骤S5；当峭度值K<＝预设值，电弧故障区间数count清零，返回所述步骤S3继续采集剩余电流；
步骤S5：判断电弧故障区间数count值，当count>＝预设次数值时，即为连续检测到预设次数值数量的峭度异常，则脱扣信号trip置1，检测装置断开电路；当count<预设次数值时，返回所述步骤S3继续采集剩余电流。
在本发明一实施例中，所述预设计算间隔时间为100ms，所述预设次数值为3。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的检测装置及其方法将火线零线一起穿进剩余电流互感器采集线路进线端的剩余电流，由于剩余电流互感器的高灵敏度，可以检测出小功率支路发生电弧故障时的小电流信号，通过四阶累积量计算得到的峭度值可以表征信号陡峭程度，较明显的区分出正常信号与故障信号，从而解决漏判断问题。
(2)本发明提供的检测装置及其方法，在负载正常工作时剩余电流互感器的电流信号一进一出，大小相同、方向相反、互相抵消，故负载正常工作时电流信号近似零幅值平稳信号。当发生电弧故障时，由于故障电弧的特殊性引起电流进出不平衡，反映在时域上为出现一系列脉冲波，特别是阻感性和非线性负载，由于其电弧电流畸变性较严重，相邻周波差异性较大，导致剩余电流互感器电流信号进出不平衡加重，脉冲现象更为明显。故该检测方法可以解决非线性负载辨识能力不足的问题，避免现有主线路电流采集方法对非线性负载奇异性电流信号的处理，解决误判断问题。
(3)本发明提供的检测装置及其方法通过调用matlab高阶统计量工具箱，计算其四阶累积量峭度值，算法较为简单易于实现在线监测，避免了判断负载性质的复杂过程，阈值不随负载种类变动，且降低了对硬件电路的要求。
附图说明
图1为本发明中一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置的原理图。
图2为本发明中一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测方法的流程图。
图3为本发明一实施例中通过本发明提供的方法采集到的典型阻性负载200w白炽灯的波形图。
图4为本发明一实施例中通过本发明提供的方法采集到的阻感性负载250w冰箱的波形图。
图5为本发明一实施例中通过本发明提供的方法采集到的非线性负载1200w吸尘器的波形图。
图6(a)为本发明一实施例中白炽灯正常工作剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图6(b)为本发明一实施例中白炽灯发生电弧故障剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图7(a)为本发明一实施例中冰箱正常工作剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图7(b)为本发明一实施例中冰箱发生电弧故障剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图8(a)为本发明一实施例中吸尘器正常工作剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图8(b)为本发明一实施例中吸尘器发生电弧故障剩余电流波形图及其幅值分布直方图。
图9(a)为本发明一实施例中综合负载情况下1800w热水壶和240w手电钻正常工作波形图。
图9(b)为本发明一实施例中该综合负载情况下240w手电钻支路发生电弧故障波形图。
图10是本发明一实施例中典型阻感性负载冰箱启动波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种基于高阶累积量识别的故障电弧检测装置，如图1所示，提供包括一零线以及一火线的供电线路，还包括：一接入零线以及火线且用于检测供电线路进线端剩余电流信号的剩余电流互感器、一与剩余电流互感器相连的MCU、分别与零线以及火线相连的脱扣机构；所述MCU经一驱动电路与脱扣机构相连。
进一步的，在本实施例中，将火线和零线串接进剩余电流互感器以此检测线路进线端的剩余电流信号，剩余电流互感器与微处理器MCU相连接，该MCU主要进行实时剩余电流信号的采集并每隔100ms进行四阶累积量峭度值计算，当连续三次检测到峭度值异常立即驱动脱扣电路执行脱扣动作来保护电路。图1中负载端通过在线路中串接排插以此可以接各种负载。在火线零线上串接剩余电流互感器，将其与微处理器MCU相连接进行剩余电流采集与高阶累积量识别判断。MCU通过驱动电路控制脱扣机构的动作，从而维持正常工作或断开电路进行保护。
如图2所示为本发明的检测流程图，首先系统初始化上电工作，按既定采样频率通过剩余电流互感器对线路进线端剩余电流实时采集，得到实时电流序列x(t)。
设置程序为每隔100ms对x(t)进行高阶累积量统计，特别计算其四阶累积量峭度值。计算公式如下：
设x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…xk＝x(t+τk-1)，式中τ为延时量；
随机信号x(t)的k阶矩mk定义为：mk(τ1…τk-1)＝E[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]
随机信号的高阶累积量可以用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号的四阶累积量为
当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式可得：
c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2 2(0)＝E[x4(t)]-3{E[x2(t)]}2；
即为信号的峭度，零均值随机信号x(t)的峭度定义为：
其中
其中，σx为标准差，N为信号长度。
从上述定义式可知，峭度值K是信号的四阶累积量。任何高斯过程的高阶累积量均为零，所以对于任何高斯过程的峭度值均为3，理论正常情况下峭度值应该在3左右，实际工作时可能由于信号的扰动或其他一些外界干扰，计算得到的峭度值不可能完全理想，本发明将峭度预设值留出一定裕量。当发生电弧故障时，电流信号中出现冲击信号，使得x(t)的概率密度发生变化，其幅值分布偏离正态分布，正态曲线变得尖锐。四阶累积量峭度值正是对正态曲线陡峭度的反映，当曲线变得尖锐，峭度值变大。
如图2所示，当峭度值K>预设峭度值，电弧故障区间数count+1；当峭度值K<＝预设峭度值，电弧故障区间数count清零，返回继续采集剩余电流；该预设峭度值根据实际情况进行确定。
当count>＝3时，即为连续三次检测到峭度异常，则脱扣信号trip置1，检测装置断开电路；当count<3时，返回继续采集剩余电流。
在本实施例中，设置连续三次检测到峭度值异常判断为电弧故障，是由于某些负载(如冰箱)启动时会有瞬时脉冲，造成其峭度值很大使得检测装置可能产生误动作，但是启动脉冲发生在较短时间内，对其加以连续检测则可以大大降低误动作。
进一步的，参照UL1699标准：500ms内8.5个周波异常则判断为电弧故障，本发明还可设置不同的峭度值计算间隔时间。具体如下：检测500ms内峭度值K大于预设峭度值的累积次数N1，当N1大于预设次数值N2则判断为电弧故障。如可设定每隔20ms进行四阶累积量峭度值计算，500ms内共得到25个峭度值，当每次计算的峭度值>预设峭度值时，则count+1，否则count保持不变，当500ms内count累加到>8时判断为电弧故障发出脱扣信号。
为了让本领域技术人员进一步了解本发明提出的技术方法，下面结合具体实施例进行说明。
如图3、图4、图5分别是典型阻性负载200w白炽灯、阻感性负载250w冰箱、非线性负载1200w吸尘器利用本发明方法采集到的波形图。从图中可以看出，单从时域上能较明显的区分出正常工作区间和电弧故障区间：正常工作时电流信号近似为零，电弧故障时伴随一系列脉冲波。实验采样频率为100kHz,剩余电流互感器并1kΩ电阻，幅值表现为电压V。
图6(a)为白炽灯正常工作剩余电流波形图及其幅值分布直方图。从图中可以看出其幅值分布直方图近似为高斯分布，matlab高阶累积量计算结果如下：
均值＝0.000435655；
方差＝4.41346e-007；
斜度＝0.240963；
峭度＝3.61257。
图6(b)为白炽灯发生电弧故障剩余电流波形图及其幅值分布直方图。从图中可以看出其幅值分布直方图不再是高斯分布，matlab高阶累积量计算结果如下：
均值＝0.000489189；
方差＝1.2775e-006；
斜度＝3.39328；
峭度＝1201.91。
同理图七(a)、图七(b)、图八(a)以及图八(b)计算结果分别如下：
从以上实验结果可以证明本发明提出的剩余电流采集和四阶累积量峭度分析法在串联电弧故障识别中的可行性以及优越性。
图9(a)为综合负载情况下1800w热水壶和240w手电钻正常工作波形图。其中上图为主线路电流采集，下图为本发明剩余电流采集。
图9(b)为该综合负载情况下240w手电钻支路发生电弧故障波形图。从图中可以看出，小功率支路(240w手电钻)发生电弧故障时，主线路电流采集方式下采集到的干路电流并无明显变化，即小功率支路故障信号埋没在大功率干路中，这也正是背景技术中提到的漏判断问题。而基于本发明的剩余电流采集可以较清晰的发映出电弧故障信号，从而大大降低漏判率。
图10是典型阻感性负载冰箱启动波形图。从图中可以看出冰箱启动脉冲是瞬时的，只要对其加以多次检测即可有效防止将其误判断为电弧故障。本发明中的每隔100ms计算一次峭度值并进行连续三次检测正是基于这个出发点。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置，其特征在于，包括：一接入零线以及火线且用于检测供电线路进线端剩余电流信号的剩余电流互感器、一与所述剩余电流互感器相连的MCU、分别与零线以及火线相连的脱扣机构；所述MCU经一驱动电路与所述脱扣机构相连。
2.一种根据权利要求1所述的一种基于高阶累积量识别的串联故障电弧检测装置的故障电弧检测方法，其特征在于，按照如下步骤实现：
步骤S1：系统初始化，电弧故障区间数count置0，脱扣标志位trip置0；
步骤S2：所述MCU按预设采样频率通过所述剩余电流互感器对供电线路进线端剩余电流实时采集，得到实时电流序列x(t)；
步骤S3：按照预设计算间隔时间对x(t)计算其四阶累积量峭度值，计算公式如下：
记x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…,xk＝x(t+τk-1)，式中τ为延时量；
记随机信号x(t)的k阶矩mk为：mk(τ1…τk-1)＝E[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]；
随机信号x(t)的高阶累积量用高阶矩表示，对于零均值信号，随机信号x(t)的四阶累积量为：
c4(τ1,τ2,τ3)＝m4(τ1,τ2,τ3)-m2(τ1)·m2(τ3-τ2)
-m2(τ2)·m2(τ3-τ1)-m2(τ3)·m2(τ2-τ1)
当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式得：c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2 2(0)＝E[x4(t)]-3{E[x2(t)]}2；
即为信号的峭度，记零均值随机信号x(t)的峭度为：
其中，
其中，σx为标准差，N为信号长度；
步骤S4：当峭度值K>预设峭度值，电弧故障区间数count+1，并转入步骤S5；当峭度值K<＝预设峭度值，电弧故障区间数count清零，返回所述步骤S3继续采集剩余电流；
步骤S5：判断电弧故障区间数count值，当count>＝预设次数值时，即为连续检测到预设次数值数量的峭度异常，则脱扣信号trip置1，检测装置断开电路；当count<预设次数值时，返回所述步骤S3继续采集剩余电流。
3.根据权利要求2所述的故障电弧检测方法，其特征在于：所述预设计算间隔时间为100ms，所述预设次数值为3。
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