CN107085158A - 一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置及方法，MCU微控制单元分别连接高频滤波器、低频信号调理电路、SIM卡电路、485电路、WIFI模块，高频滤波器连接高频信号调理电路，低频信号调理电路连接线低频电流互感器，高频信号调理电路连接高频电流互感器，市电通过电源模块后得到给MCU微控制单元供电及低频信号调理电路和高频信号调理电路运放所需要的电压。

Description

一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电弧检测装置，具体涉及一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置及方法。
背景技术
中国专利曾公开了一种用于在包括光伏板和利用DC输电线与所述光伏板可连接的负载的系统中的电弧检测的方法(201110349734.7)，所述方法测量传递到所述负载的功率，因而产生传递到所述负载的功率的第一测量结果。还测量通过所述光伏板产生的功率，因而产生通过所述光伏板产生的功率的第二测量结果。比较所述第一测量结果与所述第二测量结果，因而产生差分功率测量结果。当所述差分功率测量结果超过阈值时，还可以设置报警条件。优选地，调制所述第二测量结果并通过所述DC输电线传输所述第二测量结果。
中国专利曾公开了一种使用离散小波变换的并联电弧检测(200910262530.2)，执行并联电弧故障断流的装置，包括：电流感测装置,位于该电气电路中以感测电气负载，被配置为产生表示流过其的负载电流的输出信号；检测单元,与该电流感测装置信号通信，并被配置为接收由该电流感测装置产生的输出信号，被配置并布置为基于该输出信号输出二次信号；和微控制器，耦合到该检测单元，响应于计算机可执行指令，该指令在由该微控制器执行时，使得该微控制器接收并经由离散小波变换来分解该二次信号从而获得离散小波系数，并计算离散小波系数的和,比较该离散小波系数的和与预定阈值，当感测的负载电流大于预定阈值并且该离散小波系数的和共同表示解扣信号产生的预定阈值条件满足时，产生解扣信号。
中国专利曾公开了一种串联故障电弧检测电路(201510897303.2)，包括电流采样电路(1)，设置于被检测线路的火线上，用于输出表征火线电流高频分量的电流检测信号；噪声抑制放大电路，用于对所述电流检测信号进行去噪和放大获得交流高频信号；整流电路，用于将交流高频信号转换为直流高频信号；比较电路，用于比较所述直流高频信号的幅值与预定电压阈值，输出故障电弧提示信号；以及控制电路，用于根据所述故障电弧提示信号输出保护信号。本发明可以提高串联故障电弧检测的准确性，减少保护装置的误动作及拒动作情况，进而提高故障电弧保护装置的可靠性，实现其在远距离或电磁干扰严重的环境中稳定工作。
目前市场上还没有一种针对电弧产生的检测装置。当电路中发生故障电弧时，负荷电流一般会很小，低于目前电力系统特别是低压配电领域广泛安装的过电流保护的设定值，故障电弧不在保护的范围内。随着故障电弧引起的火灾造成人员的财产损失日益严重，为了减少家用电气设备故障电弧引发的不安全因素，美国的全国电气条例(NEC)关于故障电弧保护出台了一系列强制性的规定。近年来，在我国故障电弧引起的电气火灾呈上升趋势，造成重大经济损失。随着国内对低压安全和电弧故障的保护重视程度逐渐提高，国家势必也会出台一些安装电弧保护设备的强制法规，AFCI技术的应用前景巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可进行SIM卡通信通信、485通信和无线WIFI通信的故障电弧检测装置。它是基于神经网络算法和差分算法对故障电弧进行判断，增加对电弧判断的准确性，减小故障电弧断路器的误动作，不仅可以检测故障电弧，而且可以通过SIM卡、485、无线WIFI将故障信息上传给监控主机处理。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置，MCU微控制单元分别连接高频滤波器、低频信号调理电路、SIM卡电路、485电路、WIFI模块，高频滤波器连接高频信号调理电路，低频信号调理电路连接线低频电流互感器，高频信号调理电路连接高频电流互感器，市电通过电源模块后得到给MCU微控制单元供电及低频信号调理电路和高频信号调理电路运放所需要的电压。
一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，MCU微控制单元分别连接高频滤波器、低频信号调理电路、SIM卡电路、485电路、WIFI模块，高频滤波器连接高频信号调理电路，低频信号调理电路连接低频电流互感器，高频信号调理电路连接高频电流互感器，市电通过电源模块后得到给MCU微控制单元供电及低频信号调理电路和高频信号调理电路运放所需要的电压，低频电流互感器用来获得主回路中的电流信号和电压信号，并通过波形来识别负载类型，高频电流互感器用来获得高频脉冲；当电路发生串联电弧或并联电弧时，经低频电流互感器先将原始信号隔离缩小到一定范围，然后通过低频信号调理电路将信号变成 MCU微控制单元能进行处理的范围，最后经MCU微处理单元来获得电压电流信号，获得负载类型；高频电流互感器通过高频滤波器得到带通信号，再经过高频信号调理电路获得30K-100K之间的高频信号，输入MCU微控制单元，通过AD采样得到的脉冲判断是否发生拉弧，低频电流互感器获得主回路中的电流信号，其二次侧的电流信号I通过低频信号调理电路将电流信号变成电压信号U，然后对该电压信号U进行整流，将整流后的信号传给MCU 微控制单元，高频电流互感器通过高频滤波器得到带通信号，再经过高频信号调理电路获得30K-100K之间的高频信号PLUSE1，MCU微控制单元通过A/D通道，采集高频信号 PLUSE1的信息，通过差分算法检测主回路中电流频谱的变化，进行故障电弧的判定，区分出是由于电路中负载的正常启动，还是由于负载的功率调节引起的干扰还是发生了故障电弧。
所述的MCU微控制单元还连接复位电路。
所述的MCU微控制单元还连接声光报警电路。
所述的SIM卡电路将故障信息传输给监控主机，监控主机通过网络服务器与上位机监视控制软件进行信息互传。
所述的WIFI模块将故障信息传输给监控主机，监控主机通过网络服务器与上位机监视控制软件进行信息互传。
所述的485电路通过有线方式，将故障信息传输给监控主机，监控主机通过网络服务器与上位机监视控制软件进行信息互传。
所述的市电通过所述的电源模块后得到给MCU微控制单元供电的3.3V电压及低频信号调理电路和高频信号调理电路运放所需要的±9V电压。
该种集合多种通信方式的故障电弧检测装置与现有技术相比，具有以下积极效果：它是基于神经网络算法和差分算法对故障电弧进行判断，增加对电弧判断的准确性，减小故障电弧断路器的误动作，不仅可以检测故障电弧，而且可以通过SIM卡、485、无线WIFI将故障信息上传给监控主机处理。
附图说明
图1是本实例的主回路原理图。
图中：1、低频电流互感器，2、高频电流互感器，3、电源模块，4、低频信号调理电路，5、高频信号调理电路，6、高频滤波器，7、MCU微控制单元，8、SIM卡电路，9、负载，10、网络服务器，11、上位机，12、市电，13、声光报警电路，14、复位电路，15、 WIFI模块，16、485电路，17、监控主机。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明再作描述。
参见图1，一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置，MCU微控制单元7分别连接高频滤波器6、低频信号调理电路4、SIM卡电路8、485电路16、WIFI模块15，高频滤波器6连接高频信号调理电路5，低频信号调理电路4连接线低频电流互感器1，高频信号调理电路5连接高频电流互感器2，市电12通过电源模块3后得到给MCU微控制单元7供电及低频信号调理电路4和高频信号调理电路5运放所需要的电压。
参见图1，一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，MCU微控制单元7分别连接高频滤波器6、低频信号调理电路4、SIM卡电路8、485电路16、WIFI模块16，高频滤波器6连接高频信号调理电路5，低频信号调理电路4连接低频电流互感器1，高频信号调理电路5连接高频电流互感器2，市电12通过电源模块3后得到给MCU微控制单元7供电及低频信号调理电路4和高频信号调理电路5运放所需要的电压，低频电流互感器1用来获得主回路中的电流信号和电压信号，并通过波形来识别负载类型，高频电流互感器2用来获得高频脉冲；当电路发生串联电弧或并联电弧时，经低频电流互感器1先将原始信号隔离缩小到一定范围，然后通过低频信号调理电路4将信号变成MCU微控制单元7能进行处理的范围，最后经MCU微处理单元7来获得电压电流信号，获得负载类型；高频电流互感器2 通过高频滤波器6得到带通信号，再经过高频信号调理电路5获得30K-100K之间的高频信号，输入MCU微控制单元7，通过AD采样得到的脉冲判断是否发生拉弧，低频电流互感器 1获得主回路中的电流信号，其二次侧的电流信号I通过低频信号调理电路4将电流信号变成电压信号U，然后对该电压信号U进行整流，将整流后的信号传给MCU微控制单元7，高频电流互感器2通过高频滤波器6得到带通信号，再经过高频信号调理电路5获得30K- 100K之间的高频信号PLUSE1，MCU微控制单元7通过A/D通道，采集高频信号PLUSE1 的信息，通过差分算法检测主回路中电流频谱的变化，进行故障电弧的判定，区分出是由于电路中负载的正常启动，还是由于负载的功率调节引起的干扰还是发生了故障电弧。
参见图1，所述的MCU微控制单元7还连接复位电路14。
参见图1，所述的MCU微控制单元7还连接声光报警电路13。
参见图1，所述的SIM卡电路8将故障信息传输给监控主机17，监控主机17通过网络服务器10与上位机11监视控制软件进行信息互传。
参见图1，所述的WIFI模块15将故障信息传输给监控主机17，监控主机17通过网络服务器10与上位机11监视控制软件进行信息互传。
参见图1，所述的485电路16通过有线方式，将故障信息传输给监控主机17，监控主机17通过网络服务器10与上位机11监视控制软件进行信息互传。
参见图1，所述的市电12通过所述的电源模块3后得到给MCU微控制单元7供电的3.3V电压及低频信号调理电路4和高频信号调理电路5运放所需要的±9V电压。
差分算法：是经过观察大量的实验数据得出，当发生故障电弧时，主回路的电流会出现高频分量，由于高频分量本身容易受到过渡电阻，传输距离的影响，使得采集到得信号中的高频分量的幅值非常的小，有时候甚至会被幅值较大的基波，次谐波，或直流分量所湮没。传统的带通或高频滤波器很难准确获得所需要的高频分量，然而差分运算在一定的条件下成近似关系的性质，根据这一特点差分算法能有效的放大高频信号，衰减低频信号。
差分算法基本原理：y(t)＝x(t)-x(t-Δt)＝Δt*(x(t)-x(t-Δt))/Δt
其中：x(t)代表t时刻所采集到得数据
x(t-Δt)代表t-Δt时刻所采集到的数据
Δt代表采样时间间隔
y(t)代表差分后的信号
由上式可以看到当采样频率较高时Δt——→dt，x(t)-x(t-Δt)——→dx(t)
所以有y(t)＝Δt*dx(t)/dt＝x'(t)*Δt
差分算法对波形的影响：单片机AD通道接收到的信号可以有一组N个具有一定幅值，频率，和相位的正弦函数组成：
上式中k代表谐波次数，k＝0，1，2,…m
W代表基波角频率
γk代表初始相角
所以经差分后
有上式我们可以得出进行差分处理后，各频率分量的幅值均变为原来的kwΔt倍，频率越高，放大倍数越大。以差分前后基波分量的幅值为参考对像，保持其幅值不变，将差分后的信号除以wΔt得
有(1)式和(3)式，可以得到差分后输入信号中的各分量的频率不变，幅值扩大kw倍。
将一个周期的原始信号经信号处理后变成带通信号，通过A/D通道进行数据采集，然后进行FFT运算，FFT运算的点数为N，采样频率为fs。对这一周期的数据进行后项差分运算。
取M(M>10)个周期进行差分运算后的数据，对相邻周期频率相同的谐波分量求差，再对其进行求和放到数组sum_buf[M/2]中，当发生故障电弧时，sum_buf中的元素大于阈值K (L<M/2)的次数L1明显增多。经过大量不同的负载试验测试，可以设定一个阈值L2，如果L1>L2则电路发生故障电弧。
BP神经网络算法：通过各种复杂的负载实验得出，每种负载的波形是有区别的，根据这一特性，可以采用BP神经网络算法来训练，从而识别负载类型。
(1)初始化，随机给定各连接权[w]，[v]及阀值θi，rt。
(2)由给定的输入输出模式对计算隐层、输出层各单元输出
bj＝f(wijai-θj)ct＝f(vjtbj－rt)
式中：bj为隐层第j个神经元实际输出；ct为输出层第t个神经元的实际输出；wij为输入层至隐层的连接权；vjt为隐层至输出层的连接权。
dtk＝(ytk－ct)ct(1－ct)ejk＝[dtvjt]bj(1－bj)
(3)选取下一个输入模式对返回第2步反复训练直到网络设输出误差达到要求结束训练。

Claims (8)

1.一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置，其特征是：MCU微控制单元(7)分别连接高频滤波器(6)、低频信号调理电路(4)、SIM卡电路(8)、485电路(16)、WIFI模块(15)，高频滤波器(6)连接高频信号调理电路(5)，低频信号调理电路(4)连接线低频电流互感器(1)，高频信号调理电路(5)连接高频电流互感器(2)，市电(12)通过电源模块(3)后得到给MCU微控制单元(7)供电及低频信号调理电路(4)和高频信号调理电路(5)运放所需要的电压。
2.一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，其特征是：MCU微控制单元(7)分别连接高频滤波器(6)、低频信号调理电路(4)、SIM卡电路(8)、485电路(16)、WIFI模块(15)，高频滤波器(6)连接高频信号调理电路(5)，低频信号调理电路(4)连接线低频电流互感器(1)，高频信号调理电路(5)连接高频电流互感器(2)，市电(12)通过电源模块(3)后得到给MCU微控制单元(7)供电及低频信号调理电路(4)和高频信号调理电路(5)运放所需要的电压，低频电流互感器(1)用来获得主回路中的电流信号和电压信号，并通过波形来识别负载类型，高频电流互感器(2)用来获得高频脉冲；当电路发生串联电弧或并联电弧时，经低频电流互感器(1)先将原始信号隔离缩小到一定范围，然后通过低频信号调理电路(4)将信号变成MCU微控制单元7能进行处理的范围，最后经MCU微处理单元(7)来获得电压电流信号，获得负载类型；高频电流互感器(2)通过高频滤波器(6)得到带通信号，再经过高频信号调理电路(5)获得30K-100K之间的高频信号，输入MCU微控制单元(7)，通过AD采样得到的脉冲判断是否发生拉弧，低频电流互感器(1)获得主回路中的电流信号，其二次侧的电流信号I通过低频信号调理电路(4)将电流信号变成电压信号U，然后对该电压信号U进行整流，将整流后的信号传给MCU微控制单元(7)，高频电流互感器(2)通过高频滤波器(6)得到带通信号，再经过高频信号调理电路(5)获得30K-100K之间的高频信号PLUSE1，MCU微控制单元(7)通过A/D通道，采集高频信号PLUSE1的信息，通过差分算法检测主回路中电流频谱的变化，进行故障电弧的判定，区分出是由于电路中负载的正常启动，还是由于负载的功率调节引起的干扰还是发生了故障电弧。
3.根据权利要求1所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置，其特征是：所述的MCU微控制单元(7)还连接复位电路(14)。
4.根据权利要求1所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测装置，其特征是：所述的MCU微控制单元(7)还连接声光报警电路(13)。
5.根据权利要求2所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，其特征是：所述的SIM卡电路(8)将故障信息传输给监控主机(17)，监控主机(17)通过网络服务器(10)与上位机(11)监视控制软件进行信息互传。
6.根据权利要求2所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，其特征是：所述的WIFI模块(15)将故障信息传输给监控主机(17)，监控主机(17)通过网络服务器(10)与上位机(11)监视控制软件进行信息互传。
7.根据权利要求2所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，其特征是：所述的485电路(16)通过有线方式，将故障信息传输给监控主机(17)，监控主机(17)通过网络服务器(10)与上位机(11)监视控制软件进行信息互传。
8.根据权利要求2所述的一种集合多种通信方式的故障电弧检测方法，其特征是：所述的市电(12)通过所述的电源模块(3)后得到给MCU微控制单元(7)供电的3.3V电压及低频信号调理电路(4)和高频信号调理电路(5)运放所需要的±9V电压。
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