CN113009271A - 故障电弧检测及定位方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障电弧检测及定位方法、装置及存储介质，方法包括获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号，监测点前的市电进线侧线路上设置有高频陷波电路；判断监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧；当所述监测范围内存在故障电弧时，根据对低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定电弧故障是否为邻近支路电弧故障；在所述电弧故障不为所述邻近支路电弧故障时，根据对高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路。本发明解决了现有技术因存在邻近支路电弧扰动以及上游电弧扰动影响了故障电弧检测产品的可靠性的技术问题。

Description

故障电弧检测及定位方法、装置及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及电路电子领域，尤其涉及一种故障电弧检测及定位方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术

故障电弧是引发电气火灾的一个很重要的原因，当前故障电弧检测主要通过电流进行检测，但实际检测到故障电弧时，其发生位置可能并不在故障电弧监测点所在线路上，例如电弧故障位置可能在邻近支路或监测点上游线路，即目前的故障电弧监测方式存在邻近支路电弧扰动以及上游电弧扰动，因此影响了故障电弧检测产品的可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种故障电弧检测及定位方法、装置及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术因存在邻近支路电弧扰动以及上游电弧扰动影响了故障电弧检测产品的可靠性的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种故障电弧检测及定位方法，所述方法包括：

获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号，所述监测点前的市电进线侧线路上设置有高频陷波电路；

判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧；

当所述监测范围内存在故障电弧时，根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障；

在所述电弧故障不为所述邻近支路电弧故障时，根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路。

可选地，所述判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧的步骤包括：

依次判断信号采样时间窗口内每个单位时间内的所述第二特征值和所述第三特征值是否均大于对应的特征阈值；

其中，每判断到同一单位时间内的第二特征值和第三特征值均大于对应的特征阈值时，将计数器自加1；每判断到第二特征值或第三特征值不大于对应的特征阈值时，将所述计数器自减1；

在判断的过程中，当所述计数器的值大于预设值时，确定所述监测范围内存在故障电弧。

可选地，所述根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障的步骤包括：

根据所述第一特征值，确定高频突变和低频突变是否同步；其中，当所述高频突变和所述低频突变不同步时，判定所述电弧故障为邻近支路电弧故障。

可选地，所述根据所述第一特征值，确定高频突变和低频突变是否同步的步骤包括：

在所述信号采样时间窗口内的所有第二特征值和第三特征值判断完毕后，获取所述计数器的所有正向过零点分别对应的时刻；

获取相对所述时刻前对应的所有第一特征值的第一均值以及相对所述时刻后对应的所有第一特征值的第二均值；

当所述第一均值与所述第二均值的差值大于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变同步；

当所述第一均值与所述第二均值的差值小于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变不同步。

可选地，对所述高频差模噪声信号采样得到第二特征值和第三特征值的步骤包括：

将所述高频差模噪声信号与按照单位时间周期性变换频率的本振频率信号进行混频，并将混频后的信号进行滤波；其中周期性变换的所述本振频率依次为第一本振频率、第二本振频率和第三本振频率；

对经混频和滤波后的高频差模噪声信号进行采样，得到信号采样时间窗口内多个所述单位时间分别对应的采样数据，并对每个单位时间分别对应的采样数据进行计算，以得到第二特征值和第三特征值。

可选地，所述根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路的步骤包括：

将所述第二特征值和所述第三特征值依次与每个所述本振频率对应的中心频率进行匹配，以按照匹配的中心频率对所有所述第一特征值和所述第二特征值分别进行分组；

计算每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第三均值以及每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第四均值；

根据预设算法、所述第三均值和所述第四均值确定所述故障电弧的位置在上游线路或下辖线路；所述预设算法为：

γ＝|AVG(ε_n∈f_s1)-AVG(ε_n∈f_sc)|+|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_sc)|-|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_s1)|

η＝|AVG(β_n∈f_s1)-AVG(β_n∈f_sc)|+|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_sc)|-|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_s1)|

其中，β为第二特征值，ε为第三特征值，f_s1为第一本振频率对应的中心频率，f_sc为第二本振频率对应的中心频率，f_s2为第三本振频率对应的中心频率，AVG(β∈f)为第三均值，AVG(ε∈f)为第四均值；当η>η₀或者γ>γ₀，确定所述电弧故障位置在上游线路。

可选地，在所有步骤之后，所述方法还包括：

当所述电弧故障位置在下辖线路，执行报警动作，所述执行报警动作包括发出声光报警信号、断开所述下辖线路和上报电弧故障信息中的至少一项。

为实现上述目的，本发明还提供一种故障电弧检测及定位装置，所述装置包括：高频陷波电路、采样电路以及控制器，所述控制器包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上，并在所述处理器上执行的故障电弧检测及定位程序，所述故障电弧检测及定位程序被执行时实现如上所述的故障电弧检测及定位方法。

可选地，所述采样电路包括用于采集所述高频差模噪声信号的高频传感器，所述高频传感器的采样端连接互为反向且交叉的第一市电进线和第二市电进线。

为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储在存储器上，并在处理器上执行时被实现如上所述的故障电弧检测及定位方法。

本发明所提供的一种故障电弧检测及定位方法、装置及计算机可读存储介质，通过获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号，所述监测点前的市电进线侧线路上设置有高频陷波电路；判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧；当所述监测范围内存在故障电弧时，根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障；在所述电弧故障不为所述邻近支路电弧故障时，根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路。其中，通过第一特征值、第二特征值和第三特征值对故障电弧发生位置进行区分，从而解决了现有技术因存在邻近支路电弧扰动以及上游电弧扰动影响了故障电弧检测产品的可靠性的技术问题，能够及时发现电弧故障的准确位置，提高电弧检测产品的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这个附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明故障电弧检测及定位方法一实施例的流程示意图；

图2为图1的故障电弧检测及定位方法应用在故障电弧检测及定位装置/电路的模块结构示意图；

图3为图2中采样电路、控制器和警报单元的可选电路结构示意图；

图4为图2中故障电弧检测及定位装置/电路中高频陷波电路的幅频响应特性曲线图；

图5为图3中故障电弧检测及定位装置/电路中高频传感器、低频传感器以及高频陷波电路的信号耦合电路示意图；

图6为图2中故障电弧检测及定位装置/电路中高频陷波电路的可选电路结构示意图；

图7为图2中故障电弧检测及定位装置/电路中采样电路、控制器和警报单元另一可选电路结构示意图。

图8为故障电弧检测及定位方法另一实施例的流程示意图；

图9为本振频率输出端周期性变动输出本振频率时，控制器的高频采样端采样的数据以及控制器提取第二特征值和第三特征值的时序图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	采样电路	20	控制器
11	低频电流采样电路	16	带通滤波器
				12	高频噪声采样电路	17	检波器
LF	低频传感器	R	电阻
				13	低通滤波器	C	电容
HF	高频传感器	L	电感
				14	高频噪声信号提取电路	30	高频陷波电路
15	混频器	40	警报单元

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种故障电弧检测及定位方法，在一实施例中，参见图1，该方法包括步骤：

步骤S10，获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号，所述监测点前的市电进线侧线路上设置有高频陷波电路；

步骤S20，判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧；

步骤S30，当所述监测范围内存在故障电弧时，根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障；

步骤S40，在所述电弧故障不为所述邻近支路电弧故障时，根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路。

需要说明的是，在电气安全检测领域中的故障电弧检测细分领域，通常是在用电线路的零线或火线上设置电流传感器，配合信号调理电路，以提取出电流中的高频噪声信号，将高频噪声信号中的特征值作为特征参数；当上述特征参数超过设定阈值后，认定线路中发生了电弧故障现象。但在实际应用中我们关注的是下辖线路是否发生了电弧故障，而市电监测点对于电弧是否存在的辐射检测范围包括了下辖线路、上游线路和邻近支路，因此就上述方案对于监测点上游发生的故障电弧，也会识别出电弧故障，或者当邻近支路电弧的高频噪声信号耦合至当前支路，也会导致监测点识别到电弧故障，即已有的电弧故障检测方案存在上游电弧扰动和邻近支路扰动。

传统的高频噪声信号通过高频传感器以单线耦合的方式采集，其采样得到的高频噪声信号的主要成分为共模信号。请一并结合图2，本方案在市电监测点设置有能够采集低频电流信号和高频差模噪声信号的采样电路10，其中高频差模噪声信号即差模电流信号，其耦合有线路当中100kHz以上甚至是1MHz以上的高频噪声信号，在一定程度上能够降低受邻近支路电弧故障后通过空间电磁耦合的干扰程度。低频电流信号具体可以通过采样电路进行低通采样滤波实现电流波形信号的提取，其经过采样滤波后为10kHz以内的电流信号。

控制器20接收到低频电流信号和高频差模噪声信号，即获取到这两种信号，其可以确认是否存在故障电弧，该方案可以使用已有技术实现，或者使用本方案中的高频差模噪声信号进行判断。在存在故障电弧的情况下，由控制器20从低频电流信号中提取第一特征值，该第一特征值只要是能够描述低频电流波形突变程度的参量即可，例如可以是计算窗口内电流值的累加和、窗口内电流变化率最大值和电流有效值的方差等等。还需要说明的是，计算窗口可以根据实际需要进行设置，例如可以是工频电流周期(50Hz为20ms)。通过第一特征值可以确定低频突变和高频突变是否同步，在同步时即确定不为邻近支路电弧故障，当低频突变与高频突变不同步即为邻近支路电弧故障。值得注意的是，本方案不在于选则何种特征来描述低频突变，而在于找出低频突变发生时刻，将低频突变发生时刻与高频突变发生时刻进行比较，通过控制器获取其同步性。在本方案中，可以通过检测发生突变前后分别对应所有的第一特征值的均值进行比较，确定两者之差是否在预设范围内，以判断低频突变与高频突变是否同步。进一步地，在此基础上，还设置有高频陷波电路30，该电路设置在采样电路10所在监测点之前，即采样电路10与市电进线之间，通过设置的陷波网络，能够阻挡上游线路特定带宽的特定噪声信号流入，进而在控制器20确定不为邻近支路电弧故障时，能够根据高频噪声信号中的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动，来确定故障位置在上游线路还是下辖线路。在本实施例中，该第二特征值和第三特征值可以对应为计算窗口内所有采样点的均值和峰-峰值。

本实施例通过在故障电弧检测及定位电路中设置高频陷波电路30，以及设置采样电路10进行高频差模噪声信号和低频电流信号的采集，再结合控制器20进行第一特征值、第二特征值和第三特征值的运用，能够区分故障电弧发生位置在邻近支路、下辖线路还是上游支路，对故障电弧发生位置进行区分，从而解决了现有技术因存在邻近支路电弧扰动以及上游电弧扰动影响了故障电弧检测产品的可靠性的技术问题，能够及时发现电弧故障的准确位置，提高了故障电弧检测产品的运行可靠性。

进一步地，控制器在确定电弧故障位置在下辖线路，执行报警动作，所述执行报警动作包括发出声光报警信号、断开所述下辖线路和上报电弧故障信息中的至少一项，上报电弧故障信息可以是通过通讯端口上报。即参见图2，可以在控制器20的输出端一侧连接警报单元40，使控制器20确认故障线路位置在下辖线路时，触发警报单元40执行报警动作，使下辖线路的故障电弧现象能够得到即时处理。需要说明的是，当故障发生在邻近支路和上游线路，此时不动作。由此降低了正常的无故障电弧发生的用电支路被意外断开概率，提升了故障电弧检测产品的使用可靠性。

还需要说明的是，上述实现高频差模噪声信号和低频电流信号采集的采样电路以及能够对上辖线路和下游支路进行区分的高频陷波电路的结构可以根据实际需要进行设置。在本方案中，请一并参看图2至图5。该采样电路10可以包括低频电流采样电路11和高频噪声采样电路12；低频电流采样电路11对第一市电采样，低频电流采样电路11与控制器20的低频采样端连接；第一市电还与第二市电互为反向，且交叉通过高频噪声采样电路12的采样端，高频噪声采样电路12与控制器20的高频采样端连接；高频陷波电路30的第一端连接相对低频电流采样电路11和高频噪声采样电路12的第一市电进线侧线路，高频陷波电路30的第二端连接相对高频噪声采样电路12的第二市电进线侧线路。第一市电可以为零线或火线，此时对应第二市电为火线或零线。通过高频噪声采样电路12和低频电流采样电路11的分别设置，方便电流信号的对应提取，减少干扰发生。

其中，上述高频陷波电路30的结构例如可以是一个串联的LRC网络，当然具有其他等效特性的电路结构也可以。该串联的LRC网络可以包括电阻R、电感L和电容C；电容C连接第一市电进线侧线路，电容C还与电感L的第一端连接，电感L的第二端与电阻R的第一端连接，电阻R的第二端与第二市电进线侧线路连接。其中在交流110V或交流220V线路中使用时，电容C宜选择耐压1kV以上的低ESR电容。

上述低频电流采样电路11包括低频传感器LF和低通滤波器13；低频传感器LF穿设于第一市电，低频传感器LF还与低通滤波器13的输入端连接，低通滤波器13的输出端与控制器20的低频采样端连接，低频传感器LF的磁芯可以选择低磁导率磁芯，例如铁硅铝。通过低频传感器LF和低通滤波器13的设置，能够提取10kHZ以内的电流信号，以送入控制器20的低频采样端，为低频电流信号的采集提供了可能。

上述高频噪声采样电路12可以包括高频传感器HF以及高频噪声信号提取电路14；高频传感器HF的采样端为高频噪声采样电路12的采样端，高频传感器HF的输出端与高频噪声信号提取电路14的输入端连接，高频噪声信号提取电路14的输出端与控制器20的高频采样端连接。高频传感器HF由原有的单线耦合改为双线耦合方式，且第一市电和第二市电互为反向，交叉穿过高频传感器HF，以提取差模电流信号。高频传感器HF宜采用低磁导率的磁芯或空心骨架的罗氏线圈，其能够耦合线路当中100kHz以上甚至是1MHz以上的高频噪声信号。

上述高频噪声信号提取电路14的结构可以根据实际需要进行设置，参看图3，在一实施例中，可以包括混频器15、带通滤波器16和检波器17；混频器15的第一输入端与高频传感器HF的输出端连接，混频器15的第二输入端与控制器20的本振频率输出端连接，混频器15的输出端与带通滤波器16的输入端连接，带通滤波器16的输出端与检波器17的输入端连接；检波器17的输出端与控制器20的高频采样端连接。

需要说明的是，上述本振频率输出端输出有周期性变换频率的本振频率，其与高频陷波网络的幅频响应曲线的中心频率对应。请一并参看图2至图6，特别是图4，其中fc为陷波网络的中心频率点，可获得最大衰减(增益为-dc)；频率f1点小于fc频率的点，增益为-d1；频率f2点大于fc频率的点，增益为-d2；其中，f1<fc<f2；d1≈d2<dc。控制器20的本振频率输出端为控制器20的MCO端口，可以调节输出信号的频率，即输出的本振频率LO包括(LO＝LO₁,LO_c,LO₂；且LO₁<LO_c<LO₂)，高频传感器HF采样得到的信号在混频器15中与不同的本振频率进行混频，可以分析高频传感器HF输出信号中的不同成分。

上述方案对于混频器-带通滤波器-检波器的使用以获取不同频率成分的方式还可以采用混频芯片进行替换，例如混频芯片的型号可以为SA602A。或者请参看图7，在另一实施例中，高频噪声信号提取电路14可以包括三个带通滤波器16和三个检波器17；三个带通滤波器16的输入端与高频传感器HF的输出端连接，三个带通滤波器16的输出端与三个检波器17的输入端对应连接，三个检波器17的输出端与控制器20的高频采样端连接；三个带通滤波器16的中心频率均不同。即高频传感器HF输出通过三个带通滤波器16，并对应连接三个检波器17，能够在每个周期内同时得到3个频率成分的特征值，结构简单。

请继续结合图2至图6，以采用检波器和混频器的方案进行举例说明。可以理解的是，高频传感器HF输出为宽带噪声信号，在混频器15中与本振频率LO进行混频后输出经过带通滤波器16，可以得到一个窄带信号，该窄带信号的中心频率为f_zd，优选地，滤波器参与的滤波环节应尽量控制该窄带信号带宽在50kHz以内；最后通过检波器17可以得到该窄带信号的包络并送入高频采样端进行采样。值得注意的是：根据混频的原理，即混频是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程，得到的新信号相当于源信号与本振LO信号做和差频，该包络实际描述的是高频传感器HF输出的宽带噪声信号中频率为f_S的成分f_S＝LO±f_zd。对应在本实施例中，我们着重监测的是高频传感器输出的三个频率成分，高频传感器HF输出的三个频率成分：

中心频率f_Sc的成分：f1<(f_Sc＝LO_c±f_zd≈fc)<f2

中心频率f_S1的成分：f1≈(f_S1＝LO₁±f_zd)<fc

中心频率f_S2的成分：fc<(f_S2＝LO₂±f_zd)≈f2

即采样电路和控制器，例如控制器可以通过自身和/或对采样电路进行控制，并基于上述结构获得第二特征值和第三特征值的过程包括：将所述高频差模噪声信号与按照单位时间周期性变换频率的本振频率信号进行混频，并将混频后的信号进行滤波；其中周期性变换的所述本振频率依次为第一本振频率LO1、第二本振频率LOc和第三本振频率LO2；对经混频和滤波后的高频差模噪声信号进行采样，得到信号采样时间窗口内多个所述单位时间分别对应的采样数据，并对每个单位时间分别对应的采样数据进行计算，以得到第二特征值和第三特征值。

通过高频陷波电路30、高频噪声采样电路12以及低频电流采样电路11的内部结构设计，给出了故障电弧检测的细化结构实现方案，其中高频噪声采样电路12通过混频器-滤波-检波的结构设计能够周期性提取不同频率成分的第二特征值和第三特征值，为故障电弧位置诊断提供了技术基础。

进一步地，参见图8，在故障电弧检测及定位方法的另一实施例中，该方法包括：

步骤S10，获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号；

步骤S21，依次判断信号采样时间窗口内每个单位时间内的所述第二特征值和所述第三特征值是否均大于对应的特征阈值；其中，每判断到同一单位时间内的第二特征值和第三特征值均大于对应的特征阈值时，将计数器自加1；每判断到第二特征值或第三特征值不大于对应的特征阈值时，将所述计数器自减1；

步骤S22，在判断的过程中，当所述计数器的值大于预设值时，确定所述监测范围内存在故障电弧；

步骤S31，根据所述第一特征值，确定高频突变和低频突变是否同步；

步骤S32，当所述高频突变和所述低频突变不同步时，判定所述电弧故障为邻近支路电弧故障；

步骤S41，当高频突变和低频突变同步时，将所述第二特征值和所述第三特征值依次与每个所述本振频率对应的中心频率进行匹配，以按照匹配的中心频率对所有第一特征值和第二特征值分别进行分组；

步骤S42，计算每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第三均值以及每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第四均值；

步骤S43，根据预设算法、所述第三均值和所述第四均值确定所述故障电弧的位置在上游线路或下辖线路；所述预设算法为：

γ＝|AVG(ε_n∈f_s1)-AVG(ε_n∈f_sc)|+|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_sc)|-|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_s1)|

η＝|AVG(β_n∈f_s1)-AVG(β_n∈f_sc)|+|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_sc)|-|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_s1)|

其中，β为第二特征值，ε为第三特征值，f_s1为第一本振频率对应的中心频率，f_sc为第二本振频率对应的中心频率，f_s2为第三本振频率对应的中心频率，AVG(β∈f)为第三均值，AVG(ε∈f)为第四均值；当η>η₀或者γ>γ₀，确定所述电弧故障位置在上游线路。

本实施例中，市电监测点中控制器的低频采样端可以以采样频率Fs持续进行采样，以上述工频电流周期为计算窗口为例，可以采集单位数据长度为N的低频电流信号，并提取得到第一特征值，控制器可以连续缓存1秒内的数据，其中1秒为信号采样时间窗口，当然也可以为其他时间长度，当缓存1秒内的数据，可以提取并存储有50个第一特征值。而控制器的高频采样端同样以采样频率Fs持续进行采样，计算窗口、单位数据长度和信号采样时间窗口均与上述一致，对应控制器也可以存储连续50个第二特征值和第三特征值。需要说明的是，请一并参看图9，我们将工频电流周期作为基本单元依次更新本振频率…→LO₁→LO_c→LO₂→…，循环往复，实际提取到的高频差模噪声信号也是不同的频率成分…→f_s1→f_sc→f_s2→…，对应计算得到的也是依次基于LO₁,LO_c,LO₂的第二特征值和第三特征值，在此对应记为(特征2，β)和(特征3，ε)。

在进行电弧故障诊断时，如果一个计算窗口内，第二特征值大于对应的阈值β₀且第三特征值大于对应的值ε₀，则将计数值MU自加1，反之，则自减1；计算窗口随着时间的推移滑动，当计数器MU的值从0变为1，即正向过零，可以记录该时刻TS。在判断的过程中，一旦计数器MU的值大于阈值_MU0时，判定存在电弧故障，此时可以认为线路中存在电弧电流信号，但并不能确定电弧故障的位置，即无法确定电弧故障一定发生在下辖线路。进一步地，如果认为发生电弧故障可以将电弧故障的标志置1，即ArcFaultSomeWhere＝1。

在确定存在电弧故障，控制器可以获取计数器的所有正向过零点分别对应的时刻TS；获取相对时刻TS前对应的所有第一特征值的第一均值以及相对所述时刻TS后对应的所有第一特征值的第二均值，即计算时刻TS前的第一特征值大小的均值、时刻TS后第一特征值大小的均值。仍以采集50个第一特征值为例，第一均值和第二均值对应计算方法如下：

其中，α_avg1为第一均值，α_avg2为第二均值，TS为正向过零点对应的时刻，α为第一特征值。

当所述第一均值与所述第二均值的差值大于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变同步；当所述第一均值与所述第二均值的差值小于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变不同步。继续使用上述参数表示，即是α_avg2-α_avg1>η₀，其中，η₀为预设突变阈值，则Sync＝1，认定高频突变与低频突变同步，此时非邻近支路电弧故障。当α_avg2-α_avg1<η₀，可以将同步标志置为Sync＝0，认定高频突变与低频突变不同步，是非下辖线路出现电弧故障，不做进一步报警和断开线路处理，出现这种情况一般认定为是邻近支路发生了电弧故障。需要说明的是，为了方便计算，此处的差值一般指两者间的差距大小，是正数。实际可以将第一均值减去第二均值，也可以将第二均值减去第一均值，对应突变阈值根据实际算法进行大小设置。

可以理解的是，当Sync＝1时，即高频突变与低频突变同步。此时并不能区分电弧故障发生在上游还是下辖线路，本方案通过分析第二特征值和第三特征值，即高频信号均值和幅值是否受上游陷波网络的影响，以此识别电弧故障是发生在上游还是下辖线路。

其实现方式是进一步分析缓存的连续50个第二特征值和第三特征值的特点；由于电弧噪声类似粉红噪声，即幅度与频率近似1/f的反比关系，在一个较窄的频段内，我们近似认为幅度值是相等的，即认为电弧噪声中f1,fc,f2及其附近的频率成分幅度近似相等。当上游高频信号经过陷波网络流过高频传感器时，不同频率的信号会获得不同程度的衰减；请一并参看图4，越靠近fc的频率成分衰减越大，基于前述描述，周期性改变本振频率，对应提取到了不同频率成分的第二特征值和第三特征值。由于高频互感器前端设置了高频陷波网络，一旦电弧故障位置发生在上游线路，则流过高频传感器的高频信号会受到抑制，抑制程度对照高频陷波电路的幅频响应曲线，f_sc的频率成分下第二特征值和第三特征值最小，f_s1和f_s2依次之，可以通过统计采样提取到的采样时间窗口内的分属于不同频率点的第二特征值和第三特征值确定电弧故障在下辖线路还是上游线路，在此取均值是为了更好体现幅频响应规律，排除偶然干扰的影响，具体计算分属于不同频率的第三均值和第四均值如下：

K1为β_n∈f_s1的个数；

K2为β_n∈f_sc的个数；

K3为β_n∈f_s2的个数。

K4为ε_n∈f_s1的个数；

为ε_n∈f_sc的个数；

K6为ε_n∈f_s2的个数。

其中AVG(β_n∈f_s1)为第二特征值属于f_s1频率时的第三均值，AVG(β_n∈f_sc)为第二特征值属于频率f_sc时的第三均值，AVG(β_n∈f_s2)为第二特征值属于f_s2频率时的第三均值；AVG(ε_n∈f_s1)为第三特征值属于f_s1频率时的第四均值；AVG(ε_n∈f_sc)为第三特征值属于f_sc频率时的第四均值；AVG(β_n∈f_s2)为第三特征值属于f_s2频率时的第四均值。

通过预设算法可以求取均值，其中若η>η₀或γ>γ₀，则说明高频信号均值或幅值受上游陷波网络的影响，认定电弧故障发生在上游线路，此时不做进一步报警和断开线路处理；否则，认为故障电弧发生在下辖线路，可以将下辖线路发生电弧故障标志置1，即ArcFaultLoadSide＝1，可以通过控制器连接的警报单元发出报警动作。本方案通过计算线路中电流高低频成分的特征来推测故障电弧发生位置，仅当发生位置处于监测点下辖线路时，才判断电弧故障，从而降低正常用电的下辖支路(无故障电弧发生)意外被断开的概率，提高了电弧检测产品的可靠性。

本发明实施例还提出一种故障电弧检测及定位装置，该故障电弧检测及定位装置包括故障电弧检测及定位电路，该故障电弧检测及定位电路的结构可参照上述实施例，在此不再赘述。或者，该故障电弧检测及定位装置可以包括高频陷波电路、采样电路以及控制器，所述控制器包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上，并在所述处理器上执行的故障电弧检测及定位程序，所述故障电弧检测及定位程序被执行时实现如上实施例所述的故障电弧检测及定位方法。理所应当地，由于本实施例的故障电弧检测及定位装置采用了上述故障电弧检测及定位电路或故障电弧检测及定位方法的技术方案，因此该故障电弧检测及定位装置具有上述所有的有益效果。

值得一提的是，故障电弧检测及定位装置中的采样电路包括用于采集所述高频差模噪声信号的高频传感器，所述高频传感器的采样端连接互为反向且交叉的第一市电进线和第二市电进线。通过采样端以及市电进线的设计实现了高频差模噪声信号的采集，能够在一定程度上降低受邻近支路电弧故障后通过空间电磁耦合的干扰程度。

此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述计算机可读存储介质可以是控制器中的存储器，也可以是如ROM(Read-Only Memory，只读存储器)/RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、磁碟、光盘中的至少一种，所述计算机可读存储介质包括若干指令用以使得一台具有处理器的终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种故障电弧检测及定位方法，其特征在于，所述方法包括：

获取市电监测点采集的低频电流信号和高频差模噪声信号，所述监测点前的市电进线侧线路上设置有高频陷波电路；

判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧；

当所述监测范围内存在故障电弧时，根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障；

在所述电弧故障不为所述邻近支路电弧故障时，根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路。

2.根据权利要求1所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，所述判断所述监测点对应的监测范围内是否存在故障电弧的步骤包括：

依次判断信号采样时间窗口内每个单位时间内的所述第二特征值和所述第三特征值是否均大于对应的特征阈值；

其中，每判断到同一单位时间内的第二特征值和第三特征值均大于对应的特征阈值时，将计数器自加1；每判断到第二特征值或第三特征值不大于对应的特征阈值时，将所述计数器自减1；

在判断的过程中，当所述计数器的值大于预设值时，确定所述监测范围内存在故障电弧。

3.根据权利要求2所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，所述根据对所述低频电流信号采样得到的用于标识低频电流突变程度的第一特征值，确定所述电弧故障是否为邻近支路电弧故障的步骤包括：

根据所述第一特征值，确定高频突变和低频突变是否同步；其中，当所述高频突变和所述低频突变不同步时，判定所述电弧故障为邻近支路电弧故障。

4.根据权利要求3所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，所述根据所述第一特征值，确定高频突变和低频突变是否同步的步骤包括：

在所述信号采样时间窗口内的所有第二特征值和第三特征值判断完毕后，获取所述计数器的所有正向过零点分别对应的时刻；

获取相对所述时刻前对应的所有第一特征值的第一均值以及相对所述时刻后对应的所有第一特征值的第二均值；

当所述第一均值与所述第二均值的差值大于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变同步；

当所述第一均值与所述第二均值的差值小于预设突变阈值时，确定所述高频突变和所述低频突变不同步。

5.根据权利要求1～4任一项所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，对所述高频差模噪声信号采样得到第二特征值和第三特征值的步骤包括：

将所述高频差模噪声信号与按照单位时间周期性变换频率的本振频率信号进行混频，并将混频后的信号进行滤波；其中周期性变换的所述本振频率依次为第一本振频率、第二本振频率和第三本振频率；

对经混频和滤波后的高频差模噪声信号进行采样，得到信号采样时间窗口内多个所述单位时间分别对应的采样数据，并对每个单位时间分别对应的采样数据进行计算，以得到第二特征值和第三特征值。

6.根据权利要求5所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，所述根据对所述高频差模噪声信号采样得到的第二特征值和第三特征值是否受高频陷波扰动以确定故障线路位置在上游线路或下辖线路的步骤包括：

将所述第二特征值和所述第三特征值依次与每个所述本振频率对应的中心频率进行匹配，以按照匹配的中心频率对所有所述第一特征值和所述第二特征值分别进行分组；

计算每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第三均值以及每个中心频率匹配第二特征值时每个组的第四均值；

根据预设算法、所述第三均值和所述第四均值确定所述故障电弧的位置在上游线路或下辖线路；所述预设算法为：

γ＝|AVG(ε_n∈f_s1)-AVG(ε_n∈f_sc)|+|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_sc)|-|AVG(ε_n∈f_s2)-AVG(ε_n∈f_s1)|

η＝|AVG(β_n∈f_s1)-AVG(β_n∈f_sc)|+|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_sc)|-|AVG(β_n∈f_s2)-AVG(β_n∈f_s1)|

其中，β为第二特征值，ε为第三特征值，f_s1为第一本振频率对应的中心频率，f_sc为第二本振频率对应的中心频率，f_s2为第三本振频率对应的中心频率，AVG(β∈f)为第三均值，AVG(ε∈f)为第四均值；当η>η₀或者γ>γ₀，确定所述电弧故障位置在上游线路。

7.根据权利要求1～4任一项所述的故障电弧检测及定位方法，其特征在于，在所有步骤之后，所述方法还包括：

当所述电弧故障位置在下辖线路，执行报警动作，所述执行报警动作包括发出声光报警信号、断开所述下辖线路和上报电弧故障信息中的至少一项。

8.一种故障电弧检测及定位装置，其特征在于，所述装置包括：高频陷波电路、采样电路以及控制器，所述控制器包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上，并在所述处理器上执行的故障电弧检测及定位程序，所述故障电弧检测及定位程序被执行时实现如权利要求1～7任一项所述的故障电弧检测及定位方法。

9.根据权利要求8所述的故障电弧检测及定位装置，其特征在于，所述采样电路包括用于采集所述高频差模噪声信号的高频传感器，所述高频传感器的采样端连接互为反向且交叉的第一市电进线和第二市电进线。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储在存储器上，并在处理器上执行时被实现如权利要求1～7任一项所述的故障电弧检测及定位方法。

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