CN109342904B - 一种电弧故障检测和预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧检测技术领域，公开了一种电弧故障检测和预警的方法及装置。本发明方法包括以下步骤：电流采样单元以一定的采样间隔采样主电路的电流信号，运放电路将电流信号放大后传送给主控单元；主控单元将电流信号进行消噪处理为电流数据；主控单元根据电流数据提取电弧故障特征值，并根据电弧故障特征值进行电弧故障检测和预警。本发明能够更合理、更准确地预警或脱扣处理，从而减少空调等家用电力设备的电力火灾事故。

Description

一种电弧故障检测和预警方法

技术领域

本发明涉及电弧检测技术领域，尤其涉及一种电弧故障检测和预警方法。

背景技术

电气安全一直是楼宇电力系统、家电设备普遍关注的一个问题，但是使用环境的复杂性以及器件长期工作的寿命老化等，或多或少存在电气火灾事故。国外学者针对于电气火灾事故进行调查，其中70％～80％的电气火灾事故都是由于电弧拉弧造成局部高温引起的，电弧的危害极大，温度非常高可达到上千度造成严重的事故后果。电弧故障保护装置是一种新型的电气保护设备，能够实现对电网或电路中的故障电弧进行检测，如楼宇建筑中一般作为报警器进行检测，提醒物业管理人员进行排查，很多中央空调设备或工控设备作为断路器，检测到电弧故障时直接进行脱扣操作。

现有的电弧故障检测方法是通过区分故障电弧(“坏弧”)和正常电弧(“好弧”)，一般通过模型训练将大量的故障电弧数据(电流波形)进行建波，生成故障电弧的数学模型。但是电网以及现在电器负载的复杂性，特别是现在很多高频电子普遍使用，导致故障电弧和正常电流波形很难区分，从而有些场景电弧故障检测将存在误检测或者故障电弧未检测出。目前市面上电弧报警器或电弧断路器都存在该情况，存在明显的误脱扣、误报警或不保护的情况。如果楼宇或家电安装的电弧保护装置误脱扣，将使主电路的用电负载断电，影响用户的正常使用或生活。如果不保护或未及时保护，则将可能造成严重的后果，使用户或消防人员无法及时进行事故预防。

另外一方面，电弧故障保护造成误触发或不触发的原因主要是电弧故障数据欠缺导致其算法不成熟，基于实验室的标准环境数据无法涵盖真实场景中电弧数据，所以电弧故障保护器其安装环境下有效的数据来源非常重要。但是如误动作则很容易造成主电路断电，难以保存有效数据进一步对识别算法进行升级。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种电弧故障检测和预警方法，包括以下步骤：

装置初始运行期间，所述装置包括电流采样单元、主控单元、脱扣单元、备用电源以及WIFI模块：

电流采样单元以一定的采样间隔采样主电路的电流信号，运放电路将电流信号放大后传送给主控单元；

主控单元将电流信号进行消噪处理为电流数据；WIFI模块将实时电流数据及定位信息上传至云端服务器；

主控单元根据电流数据计算电弧故障特征值；

预设电弧故障判定特征值阈值，若电弧故障特征值大于电弧故障判定特征值阈值，立即通过脱扣单元进行脱扣处理；

装置正常运行期间：

电流采样单元以一定的采样间隔采样主电路的电流信号，运放电路将电流信号放大后传送给主控单元；

主控单元将电流信号进行消噪处理为电流数据；WIFI模块将实时电流数据及定位信息上传至云端服务器，获得补偿量信息；

主控单元根据电流数据、装置在整个初始运行期间时间段的电弧故障特征值以及获得的补偿量信息计算正常运行期间的电弧故障特征值：

如果正常运行期间的电弧故障特征值低于预设的阈值T1，则判断为未产生电弧故障，不进行脱扣或预警处理；

如果正常运行期间的电弧故障特征值大于预设的阈值T2，则判断为已产生电弧故障，立即通过脱扣单元进行脱扣处理；

如果正常运行期间的电弧故障特征值介于T1于T2之间，在判断为疑似电弧故障，主控单元启动预警操作；

判断为疑似电弧或电弧后，电流采样单元和WIFI模块的供电电路切换为备用电源供电。

进一步地，上述T1在0.5～1之间确定，T2在1～3之间确定。

进一步地，装置初始运行期间，主控单元按公式1计算电弧故障特征值δ：

其中，a为常量，N为周期数，X_i为第i个周期的电流平均值，u为X_i的平均值。

进一步地，装置正常运行期间，主控单元按公式2计算正常运行期间的电弧故障特征值δ_特征：

其中，Z根据Z＝δnew/δbegin算出，δbegin为根据公式1计算出的装置在整个初始运行期间时间段的电弧故障特征值，δnew为根据公式1计算出的装置在正常运行期间内的最近N周期内的电弧故障特征值；

K为WIFI模块获得的补偿量。

进一步地，所述K按以下方法确定：

将各电弧故障检测和预警装置布设在一定区域内，各电弧故障检测和预警装置实时向云端服务器上报数据，上报数据包括实时电流数据以及对应装置的定位地址；

云端服务器针对单个电弧故障检测装置将对应电流数据通过电网质量评价模型生成的补偿量k，并基于该装置WIFI定位一定距离的其它设备数量以及其它设备补偿系数k，计算平均补偿量，该平均补偿量即为K。

进一步地，所述初始运行期间为1天～10天。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)能够更为智能地判断电弧故障的程度，根据发生电弧的程度进行合理选择脱扣或预警提醒。

(2)能够更合理、更准确地预警或脱扣处理，从而减少空调等家用电力设备的电力火灾事故。

附图说明

图1为本发明一实施例的电弧故障检测及脱扣或预警的判断处理流程图。

图2为本发明一实施例的电弧故障检测和预警装置的结构图。

图3为本发明一实施例的电弧故障检测和预警装置与云端服务器的交互结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本实施例的电弧故障检测和预警装置，主要用于家庭环境下，其组成如图2所示，主要包括电流采样单元、主控单元、脱扣单元、蜂鸣器以及WIFI模块，此外还具有备用电源。其中，各部分的主要作用如下：

电流采样单元包括电流互感器、运放电路，用于电流采集；

主控单元的作用是对电流波形进行实时分析，判断故障电弧，以及进行脱扣或预警处理的判断；

脱扣单元的作用是对电路主回路进行脱扣保护，断开主回路的供电；

蜂鸣器的作用是故障预警处理，提醒周边或用户存在电气火灾隐患；

WIFI模块的作用是将采集的家庭实时电流数据及定位信息上传服务器，并获取补偿量信息，以及在发生故障预警时将预警消息推送给用户；

备用电源用于主电路脱扣后，维持电流采样单元和WIFI模块的供电。

如图1所示，该装置在进行故障检测及脱扣或预警的判断时，通过电流采样单元以一定的采样间隔对主电路的电流数据进行采样，并经过运放电路将电流信号给到主控单元。主控单元将输入的电流信号进行消噪处理，通过预定的消噪算法对其进行滤除不必要的噪声，保证近一步电弧故障识别的准确性，去噪后根据电流数据及采样间隔计算每个周期的电流平均值。WIFI模块将实时电流数据及定位信息上传至云端服务器。

由于家庭电力网络的复杂性，一般电弧故障的检测算法难以适用于所有的安装使用场景，可能存在算法无法准确判定对应电网或电路下的故障电弧。为避免更为严重的误报，在装置初始运行期间(初始运行期间是指电弧故障检测设备首次使用的一段时间)，将初始运行期间的电弧故障判定阈值提高。因此在装置初始运行期间，若实时的电弧故障特征值大于预设的电弧故障判定特征值阈值，立即通过脱扣单元进行脱扣处理。

实时的电弧故障特征值δ的计算公式为：

其中，a为常量，N为周期数，Xi为第i个周期的电流平均值，u为xi的平均值；考虑电弧检测灵敏性和准确性，故障采样周期数N在5～100范围内。

装置的初始运行期间一般为1天～10天。当初始运行期结束后，装置进入正常运行期间，此时则按公式2进行电弧故障特征值δ_特征的计算：

如δ_特征低于预设的阈值T1，则判断未产生电弧故障，此时不进行脱扣或预警处理；如δ_特征大于预设的阈值T2，则明确判断已产生电弧故障，此时立即通过脱扣单元进行脱扣处理，从而断开主回路的电源。如δ_特征介于T1于T2之间，则表示为疑似电弧故障，此时不直接进行脱扣处理，主控单元启动蜂鸣器进行预警，同时通过WIFI模块将电弧故障预警消息通过网络发送到物业管理、消防中心的管理终端，或推送提醒至该装置关联的用户手机中，使用户手机可以接受到预警推送通知，让用户可及时的进行防范处理。当物业管理、消防中心或用户进行排查故障后，可以对该次预警提醒进行标定是发生电弧或未发生电弧故障。当判断为疑似电弧或明确判断已产生电弧后，其电流采样单元和WIFI模块的供电电路切换为备用电源供电，保证数据采集的完善性，该部分电路均为弱电。

上述T1可以在0.5～1之间确定，T2可以在1～3之间确定。

上述式中，Z根据Z＝δnew/δbegin算出，而δbegin为根据公式1计算出的本装置在整个初始运行期间时间段的电弧故障特征值，δnew为根据公式1计算出的本装置在正常运行期间内的最近N周期内的电弧故障特征值。

上述式中，K为WIFI模块获得的补偿量。电网波动(如谐波和冲击电流等)容易造成电弧检测的误动作，而电网波动并非电弧引起。一般电网波动具有较强的区域性，故通过WIFI进行定位，收集本装置周边其余的装置的电弧故障检测上传数据，根据上传数据生成补偿量K，具体实现如下：

(1)WIFI模块实现定位：考虑各电弧故障检测和预警装置一般是应用于智能楼宇或在智慧小区，该类应用地理位置比较固定，可通过WIFI定位技术实现具体的位置信息；各电弧故障检测和预警装置实时向云端服务器上报数据，上报数据包括实时电流数据以及对应装置的定位地址。

(2)云端服务器针对单个电弧故障检测装置将对应电流数据通过电网质量评价模型生成的补偿量k，并基于该装置WIFI定位一定距离的其它设备数量以及其它设备补偿系数k，计算平均补偿量，该平均补偿量即为K。

(3)电弧故障检测装置以一定的周期更新补偿量K。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电弧故障检测和预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

装置初始运行期间，所述装置包括电流采样单元、主控单元、脱扣单元、备用电源以及WIFI模块：

电流采样单元以一定的采样间隔采样主电路的电流信号，运放电路将电流信号放大后传送给主控单元；

主控单元将电流信号进行消噪处理为电流数据；WIFI模块将实时电流数据及定位信息上传至云端服务器；

主控单元根据电流数据计算电弧故障特征值；

预设电弧故障判定特征值阈值，若电弧故障特征值大于电弧故障判定特征值阈值，立即通过脱扣单元进行脱扣处理；

装置正常运行期间：

电流采样单元以一定的采样间隔采样主电路的电流信号，运放电路将电流信号放大后传送给主控单元；

主控单元将电流信号进行消噪处理为电流数据；WIFI模块将实时电流数据及定位信息上传至云端服务器，获得补偿量信息；

主控单元根据电流数据、装置在整个初始运行期间时间段的电弧故障特征值以及获得的补偿量信息计算正常运行期间的电弧故障特征值：

如果正常运行期间的电弧故障特征值低于预设的阈值T1，则判断为未产生电弧故障，不进行脱扣或预警处理；

如果正常运行期间的电弧故障特征值大于预设的阈值T2，则判断为已产生电弧故障，立即通过脱扣单元进行脱扣处理；

如果正常运行期间的电弧故障特征值介于T1于T2之间，在判断为疑似电弧故障，主控单元启动预警操作；

判断为疑似电弧或电弧后，电流采样单元和WIFI模块的供电电路切换为备用电源供电。

2.根据权利要求1所述的电弧故障检测和预警方法，其特征在于，上述T1在0.5～1之间确定，T2在1～3之间确定。

3.根据权利要求2所述的电弧故障检测和预警方法，其特征在于，装置初始运行期间，主控单元按公式1计算电弧故障特征值δ：

其中，a为常量，N为周期数，X_i为第i个周期的电流平均值，u为X_i的平均值。

4.根据权利要求3所述的电弧故障检测和预警方法，其特征在于，装置正常运行期间，主控单元按公式2计算正常运行期间的电弧故障特征值δ_特征：

其中，Z根据Z＝δnew/δbegin算出，δbegin为根据公式1计算出的装置在整个初始运行期间时间段的电弧故障特征值，δnew为根据公式1计算出的装置在正常运行期间内的最近N周期内的电弧故障特征值；

K为WIFI模块获得的补偿量。

5.根据权利要求4所述的电弧故障检测和预警方法，其特征在于，所述K按以下方法确定：

将各电弧故障检测和预警装置布设在一定区域内，各电弧故障检测和预警装置实时向云端服务器上报数据，上报数据包括实时电流数据以及对应装置的定位地址；

云端服务器针对单个电弧故障检测装置将对应电流数据通过电网质量评价模型生成的补偿量k，并基于该装置WIFI定位一定距离的其它设备数量以及其它设备补偿系数k，计算平均补偿量，该平均补偿量即为K。

6.根据权利要求1所述的电弧故障检测和预警方法，其特征在于，所述初始运行期间为1天～10天。

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