CN110174602B - 非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用 - Google Patents

非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用，本公开针对非线性电流波形的特征，设计了基于快速傅里叶变换的特征指标计算方法和复合判据计算方法，并根据该复合判据进行故障电弧的检测，提高了故障检测的准确性。适用于在数据运算能力相对较弱的嵌入式硬件平台实现故障电弧检测，具有较好的实用性。

Description

非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用
技术领域
本公开涉及一种非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
串联故障电弧一般是由于线路老化、连接松动、接触不良等原因造成的高温放电现象。供电系统的串联故障电弧具有回路电流小、隐蔽性强等特点，此类故障可长时间存在，容易引燃故障点附近的可燃物，是引发重特大电气火灾的主要隐患。
目前供配电系统中广泛使用微型断路器，主要动作于负荷电流越限，对于过负荷和金属性短路故障能够起到保护作用。但由于负荷的限流作用，串联电弧故障的电流有效值远小于金属性短路，在故障扩大化之前微型断路器一般无法动作，使得串联电弧能够长期隐蔽燃烧，是严重的安全隐患。
据发明人了解，现有的串联电弧检测方法一般通过A/D采样获取电流波形数据，再利用小波变换、傅里叶变换、滤波等方法检测电弧是否发生。但开关电源等非线性负荷在正常工作时会产生大量的高频谐波，使得故障检测难度增大，容易发生误动和拒动。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种非线性负荷串联电弧故障判定方法及应用，本公开针对非线性电流波形的特征，设计了基于快速傅里叶变换的特征指标计算方法和复合判据计算方法，并根据该复合判据进行故障电弧的检测，提高了故障检测的准确性。适用于在数据运算能力相对较弱的嵌入式硬件平台实现故障电弧检测，具有较好的实用性。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种非线性负荷串联电弧故障判定方法，包括以下步骤：
等周期采集非线性负荷的电流波形，得到采样数据；
对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到设定频率分辨率的频谱；
计算以基波电流幅值为基准值的向量，提取向量中的最具代表性元素，形成复合判据向量；
判断复合判据向量中各个指标是否超出相应的预设阈值，当超过设定数目的指标超过预设值时，判定为发生电弧故障。
本公开利用串联电弧故障发生时，电流波形中高频谐波分量增加的工作原理，但是基于谐波含量的指标容易受到开关电源等非线性负荷运行工况变化的干扰。本公开利用复合判据，且基于各个指标来判断，当大部分超出预设值时，认为发生电弧故障，能够克服谐波、采样误差等因素的干扰，同时敏锐地反应高频谐波分量的变化。
作为一种可选择的实施方式，对采样数据Xi进行离散傅里叶变换，计算得到频率分辨率为
Figure BDA0002054676370000021
的频谱。
作为一种可选择的实施方式，以基波电流幅值为基准值的向量为：
Figure BDA0002054676370000022
直流分量幅值为I0，50Hz基波电流的幅值表示为I1，频率为h×50Hz的h倍频谐波电流幅值表示为Ih，频率为
Figure BDA0002054676370000031
的间谐波电流幅值为Iih。
一种非线性负荷串联电弧故障判定系统，包括：
采样模块，被配置为等周期采集非线性负荷的电流波形，得到采样数据；
变换模块，被配置为对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到设定频率分辨率的频谱；
计算模块，被配置为计算以基波电流幅值为基准值的向量，提取向量中的最具代表性元素，形成复合判据向量；
判断模块，被配置为判断复合判据向量中各个指标是否超出相应的预设阈值，当超过设定数目的指标超过预设值时，判定为发生电弧故障。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
针对非线性负荷故障电流特征，本公开提供了复合判据向量的计算方法，可计算得到表征系统工况的复合向量，进而比较并评判是否发生电弧故障。构建了可表征系统运行工况的复合向量，进而通过阈值比较和分析，准确评判是否发生电弧故障，故障前后定量判据的参数值变化达几至几十倍，对非线性负荷电弧故障具有显著的区分度，能够实现电弧的准确检测。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1交流电弧故障实验平台；
图2电弧发生装置；
图3为本实施例的流程图；
图4(a)和图4(b)为本实施例中非线性负荷正常与故障时的电流波形示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，利用实验平台探究电流在电弧故障和正常时的电流特性。
实验平台包括电源、电流互感器、电弧发生装置、负载开关、采样电路和信号处理电路。交流电源通过负载开关连接负载。负载开关与交流电源的连接点之间设置有电流互感器和电弧发生装置。
信号处理电路对于电流信号进行AD处理，再传输给处理单元。
电流互感器连接采样电路，采样电路将采样数据传输给信号处理电路。
电源为负载进行供电，电弧发生装置在模拟电弧故障时，利用电弧发生装置发生电弧故障，电流互感器、采样电路采集正常供电和电弧故障时的电流信号，经过信号处理电路的处理，处理单元对采集的数据进行分析。
如图2所示，电弧发生装置包括滑槽内设置的两个绝缘柱，绝缘柱上分别设置有静触头、动触头，两个绝缘柱的距离可改变，且随着绝缘柱的接近，静触头、动触头可以接触，利用推进手柄可以推动绝缘柱。
如图3所示，故障检测的具体步骤包括：
1.对检测装置进行初始化，设定主要参数和阈值。
2.对N个相邻周期的电流波形进行采样频率为fs的等周期采样，得到采样数据Xi(i＝1,2,…，N×fs/50)(典型值下，N可取为3，fs取为10kHz，采样数据量为600)。
3.对采样数据Xi进行离散傅里叶变换(DFT)，计算得到频率分辨率为
Figure BDA0002054676370000051
的频谱。其中，直流分量幅值为I0，50Hz基波电流的幅值表示为I1，频率为h×50Hz的h倍频谐波电流幅值表示为Ih，频率为
Figure BDA0002054676370000052
的间谐波电流幅值为Iih。
4.计算以基波电流幅值为基准值的向量R
Figure BDA0002054676370000053
在上述典型值下，R为300维向量。
5.在主成分分析的基础上，提取向量R中的少量最具代表性元素，建立复合判据向量
Figure BDA0002054676370000054
典型值下取4。
6.根据各指标Ri,判断单个指标是否超出预设阈值；当多数指标超出预设值时，认为发生电弧故障。典型值下，当有3个及以上指标越限时，即判为故障。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
以荧光灯为例进行检测，对20个周波的计算、分析结果，如表1所示：
表1非线性负荷(荧光灯)正常和故障情况计算过程
Figure BDA0002054676370000061
由上述计算数据可见，所提出的各条指标判据在正常工况和故障电弧工况下有较大的区分度，能够克服谐波等干扰，满足检测准确度的要求。
针对非线性负荷故障电流特征，设计了复合判据向量的计算方法，可计算得到表征系统工况的复合向量，进而比较并评判是否发生电弧故障。在实施例中，故障前后定量判据的参数值变化达5至几十倍，对非线性负荷电弧故障具有显著的区分度，能够实现电弧的准确检测。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种非线性负荷串联电弧故障判定方法，其特征是：包括以下步骤：
等周期采集非线性负荷的电流波形，得到采样数据；
对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到设定频率分辨率的频谱；
计算以基波电流幅值为基准值的向量，提取向量中的最具代表性元素，形成复合判据向量；
判断复合判据向量中各个指标是否超出相应的预设阈值，当超过设定数目的指标超过预设阈值时，判定为发生电弧故障；
以基波电流幅值为基准值的向量为：
Figure FDA0002770517410000011
直流分量幅值为I0，50Hz基波电流的幅值表示为I1，频率为h×50Hz的h倍频谐波电流幅值表示为Ih，频率为
Figure FDA0002770517410000012
的间谐波电流幅值为Ii，i＝1,.,N×fs/100，i不等于N的倍数，N为对相邻周期的电流波形进行采样的个数，fs为等周期采样电流波形的频率；
对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到频率分辨率为
Figure FDA0002770517410000013
的频谱；
建立复合判据向量V→＝{R1,R2,R3,R4}；根据各指标Rj，判断单个指标是否超出预设阈值。
2.一种非线性负荷串联电弧故障判定系统，其特征是：包括：
采样模块，被配置为等周期采集非线性负荷的电流波形，得到采样数据；
变换模块，被配置为对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到设定频率分辨率的频谱；
计算模块，被配置为计算以基波电流幅值为基准值的向量，提取向量中的最具代表性元素，形成复合判据向量；
判断模块，被配置为判断复合判据向量中各个指标是否超出相应的预设阈值，当超过设定数目的指标超过预设阈值时，判定为发生电弧故障；
以基波电流幅值为基准值的向量为：
Figure FDA0002770517410000021
直流分量幅值为I0，50Hz基波电流的幅值表示为I1，频率为h×50Hz的h倍频谐波电流幅值表示为Ih，频率为
Figure FDA0002770517410000022
的间谐波电流幅值为Ii，i＝1,.,N×fs/100，i不等于N的倍数，N为对相邻周期的电流波形进行采样的个数，fs为等周期采样电流波形的频率；
对采样数据进行离散傅里叶变换，计算得到频率分辨率为
Figure FDA0002770517410000023
的频谱；
建立复合判据向量V→＝{R1,R2,R3,R4}；根据各指标Rj，判断单个指标是否超出预设阈值。
3.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
4.一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1所述的一种非线性负荷串联电弧故障判定方法。
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Assignee: JINAN HAOYUAN AUTOMATION SYSTEM ENGINEERING Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG University

Contract record no.: X2022980000389

Denomination of invention: Method and application of series arc fault judgment for nonlinear load

Granted publication date: 20210108

License type: Exclusive License

Record date: 20220112