CN113991615A - 一种临界电弧光锁相判断方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；步骤2，提取所述电信号的电力工频基波，并将所述电信号的电力工频基波的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；步骤3，将所述电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；步骤4，基于所述预警信号和所述控制信号执行所述临界电弧光环境下所述开关柜的保护。本发明方法思路简洁，装置元件和结构简单，系统复杂度低、硬件成本小，便于安装维护。

Description

一种临界电弧光锁相判断方法和装置

技术领域

本发明涉及电力设备领域，更具体地，涉及一种临界电弧光锁相判断方法和装置。

背景技术

目前，开关柜作为在发电、输电、配电和变电各个过程实现开合、控制和保护用电设备的主要部件，在电力系统中发挥着重要作用。开关柜内部的部件主要包括断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等。

这些部件，在工作过程中，可以会因为各种异常因素而发生大概率且不定期的异常放电。这类异常放电不仅会引起开关柜内部设备绝缘部分的损伤和击穿，严重的还会引发母线对地短路或相间短路，产生电弧，导致开关柜受损甚至爆炸。这种问题严重威胁着设备、电网以及运维人员的安全。

对于开关柜内部间歇性电弧和贯穿性电弧实时有效的监测和判断，不仅能够对电网隐患进行有效预警，还能够对电网故障进行及时保护。由于开关柜中，在强电运输和转移的过程中经常会发生放电，因此放电是否引发了电弧光则成为了判断放电是否为异常放电的有效判据。

现有技术中，已经采用了开关柜弧光保护系统来对开关柜的异常放电情况进行报警和保护。通常，弧光保护系统采用弧光传感器采集开关柜或电缆室内的电弧光强度，采用电感线圈采集母线电流，并通过采集得到的电弧光强度和母线电流大小同时对异常放电情况进行判定，并实现保护动作。

然而，现有技术中的这种方法，只有在母线电流异常的基础上，才可能判定出异常放电情况。这相当于默认了异常放电只可能是通过贯穿性电弧形成的，而基于间歇性电流所导致的异常放电则被排除在外。在这一逻辑下，当间歇性电流导致开关柜异常甚至电网异常时，现有技术中的弧光保护系统无法对开关柜的元件执行保护动作，导致了大量安全隐患的存在。

另外，现有技术中，装置需要与多个电感线圈和紫外光电探头连接以实现探测和信息采集，因此，系统复杂度高，硬件成本大，安装维护过程复杂。

第三，现有技术中只能对总的电弧光强度进行利用，并基于总的光强度判断异常放电，容易受到外界环境光等多种因素的影响，导致判定结果准确度不高，以及保护动作的触发时间难以合理设置等问题。因此，现有技术中的保护方法一方面容易误触发保护，从而降低电网运行效率；另一方面也容易在真实故障时错过保护动作，导致电网故障。

因此，亟需一种新的临界电弧光锁相判断装置。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种临界电弧光锁相判断方法和装置，通过从电弧光信号中提取电力工频基波，基于对电力工频基波信号的幅度进行计算得到预警和控制信号，以实现保护动作。

本发明采用如下的技术方案。本发明第一方面，涉及一种临界电弧光锁相判断方法，其方法包括以下步骤：步骤1，实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；步骤2，提取电信号的电力工频基波，并将电信号的电力工频基波的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；步骤3，将电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；步骤4，基于预警信号和控制信号执行临界电弧光环境下开关柜的保护。

优选地，步骤2中，比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的最大幅值，当电力工频基波信号Uac的最大幅值大于等于第一阈值Ut时，生成预警信号。

优选地，第一阈值U1基于电信号的最大幅值生成；当电信号的最大幅值为Ut时，第一阈值为Ralert*Ut；其中，Ralert为预先设定的预警常量。

优选地，步骤3中，比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，当电力工频基波信号Uac的幅值大于等于第二阈值Um时，生成控制信号。

优选地，步骤3中，所述控制信号的生成方式为：当电力工频基波信号Uac的幅值大于等于第二阈值Um时，输出比较信号为高电平；当电力工频基波信号Uac的幅值小于第二阈值Um时，输出比较信号为低电平；当比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

优选地，若当前时刻，比较信号的占空比小于门限占比Rp时，延迟Δt后对比较信号的占空比与门限占比Rp进行再次比较，直到比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

本发明第二方面，涉及一种临界电弧光锁相判断方法装置，包括采集模块、第一比较模块、第二比较模块和控制模块；其中，采集模块，用于实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；第一比较模块，用于提取电信号的电力工频基波，并将电信号的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；第二比较模块，用于将电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；控制模块，用于基于预警信号和控制信号执行临界电弧光环境下开关柜的保护。

优选地，采集模块包括紫外光探头和电流电压转换器；其中，紫外光探头为紫外雪崩光电二极管，设置于开关柜内，用于采集开关柜内的光辐射强度，其输出端与电流电压转换器的输入端连接；电流电压转换器，将紫外光探头采集的光辐射强度电流信号转换为电压信号，其输出端与第一比较模块连接。

优选地，第一比较模块包括锁相放大器和预警单元；其中，锁相放大器，输入端与电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与预警单元连接，用于从电信号中提取电力工频基波信号Uac并将其输入至预警单元中；预警单元，输入端与电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与外部上位机系统连接，用于比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的幅值并向上位机系统中发送预警信号。

优选地，第一比较模块中还包括第一电平控制单元；第一电平控制单元用于获取电力工频，并基于电力工频生成锁相放大器的采样频率。

优选地，锁相放大器的采样频率区间为50Hz至60Hz。

优选地，第二比较模块包括迟滞比较器和判断单元；其中，迟滞比较器，输入端与锁相放大器的输出端连接，输出端与判断单元连接，用于比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，并将比较信号发送至判断单元；判断单元，输入端与迟滞比较器的输出端连接，输出端与外部继电保护单元连接，用于判断比较信号的占空比并生成和发送控制信号至外部继电保护单元。

优选地，第二比较模块还包括第二电平控制单元；其中，第二电平控制单元用于对迟滞比较器的第二阈值Um的取值进行控制。

优选地，第二电平控制单元，基于外部编码器的控制，实现第二阈值电压Um的生成，并通过第二阈值电压Um对迟滞比较器进行控制；外部编码器，与外部继电保护单元连接，用于基于外部继电保护单元发出的指令实现第二阈值电压Um参考电平的编码。

优选地，装置包括多路通道，其中，每路通道用于对一个电弧光辐照强度进行采集，并基于该电弧光辐照强度生成一个预警信号和一个控制信号；装置为每路信号提供一个输入端口和一个预警信号输出端口、一个控制信号输出端口。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种临界电弧光锁相判断方法和装置，能够通过从电弧光信号中提取电力工频基波，基于对电力工频基波信号的幅度进行计算得到预警和控制信号，以实现保护动作。本发明方法思路简洁，装置元件和结构简单，系统复杂度低、硬件成本小，便于安装维护。

本发明的有益效果还包括：

1、本发明在母线电流异常的情况下，只需要对电弧光强度一种信号进行采集即可，不涉及电感线圈对母线电流的检测，因此，节省了大量电感线圈的安装、维护和使用成本，降低了装置的复杂程度。

2、本发明通过锁相放大器，能够甄别到电弧光中的工频成分，并只对于工频成分的信号强度进行判定，具有很高的置信度，相比现有技术中的弧光检测系统的强度判断依据更为可靠。

3、本发明中未将母线电流作为必要判据，从而将间歇性电弧可能导致的异常问题也计入保护范围，提高了对电网的安全保护能力。

4、本发明方法，能够对异常放电情况进行实时跟踪，并在异常放电转换为稳定电弧的临界状态，实现快速准确的保护。这一保护时间的设置，不仅大幅降低了误保护发生的概率，还提高了合理保护的准确性和时效性。

总之，本发明方法，能够最大限度保护设备和人员安全不会受到高能电弧的威胁，保障了电网的安全持续运行。

附图说明

图1为本发明现有技术中电弧光保护系统的框架结构示意图；

图2为本发明现有技术中电弧光保护系统的保护判定逻辑示意图；

图3为本发明一种临界电弧光锁相判断方法的步骤示意图；

图4为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的框架结构示意图；

图5为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的保护和预警判定逻辑示意图；

图6为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的系统布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1为本发明现有技术中电弧光保护系统的框架结构示意图。如图1所示，现有技术中的一种电弧光保护系统，包括电流辅助单元、弧光传感器辅助单元和主单元组成。其中，电流辅助单元可以采用罗格夫线圈和霍尔线圈对母线电流进行测量，而弧光传感器辅助单元，则可以基于紫外光探头对开关柜母线或电缆室内的电弧光进行探测，并实时记录光辐照强度。

另外，主单元则可以通过电平阈值，来分别对于弧光传感器辅助单元、母线电流辅助单元生成的两路信号的强度进行判定，当两路信号的强度均超过设定阈值时，说明本发明中的信号强度达到了启动保护的充分条件，应当进行保护动作。

图2为本发明现有技术中电弧光保护系统的保护判定逻辑示意图。如图2所示，当其中只有一个信号超过了电平阈值时，只能够生成预警信号，通过系统预警的方式，提示电网中存在安全风险，而不会进行保护动作。

现有技术中电弧光系统进行风险判定的核心原理是“电流传感器+紫外弧光传感器”的双阈值强度判断，当两路信号的强度均超过设定阈值时，可认为电弧光是由短路的贯通行电弧构成的，而不是间歇电弧或外界光干扰。

图3为本发明一种临界电弧光锁相判断方法的步骤示意图。如图3所示，本发明第一方面涉及一种临界电弧光锁相判断方法，其中包括步骤1至步骤4。

步骤1，实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号。

本发明方法中，首先可以对开关柜内部的电弧光进行采集。采集过程中，获取的电弧光的特征为光强度信息。由于电弧的光强度信息，与发出电弧光的电弧本身的电流强度等信息直接相关，因此，本发明中是对电弧光的强度信息进行采集的。

本发明的方法，不仅可以使用在开关柜内部，还可以设置在电缆室等进行高压强电传输的电网路径上，具备大量继电器、空气开关等元件集成的相对封闭的、环境光较少的区域内。

本发明中的方法，对于电弧光的强度信息进行采集可以得到电弧光的强度。由于电弧光的主要成分大部分处于紫外光波段，因此，本发明中可以基于紫外光波段来进行电弧光强度的采集。在采集的过程中，可以基于紫外光传感器，依照探测光强度，生成光电流信号。通过光电流信号的频率和强度信息，可以很好的表征出是否产生了由绝缘故障引起的异常放电或电弧。例如，当发现光电流中含有较高成分的工频基波时，则可以判断该信号是由母线异常电弧所引起。

如果该电弧是由于母线电流放电引起的，则该电弧中，电力工频基波的强度占总的电弧的强度的比例则会非常高，而由于放电过程中所生成的电磁辐射等干扰的强度则较低。因此，将电弧中各个不同分量的强度，依次通过电弧光的强度和频率，电弧光转化成的电流信号的强度和频率，电流信号转化成的电压信号的强度和频率来表征，能够计算出总的电压信号中，多个不同频段的电压信号的强度分量。

因此，根据工频基波这一波段内，电压信号强度占总信号强度的比例，则可以获得由电力系统中各个元器件所引发的异常放电参数，而非其他因素所引发的放电参数。相比现有技术中的方法，本发明中采用的这一放电参数的置信度大幅提高。

步骤2，提取电信号的电力工频基波，并将电信号的电力工频基波的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号。

本发明中，可以采用锁相放大器等现有技术中经常采用的方式，来对电信号的电力工频基波进行提取。具体来说，根据锁相放大器的工作原理，可以使得锁相放大器的一个输入端接收具备工频基波频率的一个用于参考的基准信号，将电信号与该基准信号同时输入至锁相放大器中，锁相放大器即可过滤出工频基波分量了。提取到工频基波分量后，可以首先将该分量的幅值与第一阈值进行比较，以得到预警信号。

可以理解的是，本发明中所涉及的预警信号是用来对设备或运维人员进行预警的，也就是通过各种上位机系统的方式告知系统运维管理人员或者设备当前的开关柜或其他本发明装置所布置的位置上存在异常放电的隐患。及时当前的异常放电，还不足以使得电网出现故障，但是，这种异常情况如果经常发生，或者长期存在，则应当被重视起来并合理解决。例如，当预警信号开始发生，则运维人员应当检查开关柜内是否出现了绝缘元件老化损坏，开关柜内外环境是否符合器件运行环境等，并及早对于安全隐患进行排查和处理。

优选地，步骤2中，比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的最大幅值，当电力工频基波信号Uac的最大幅值大于等于第一阈值Ut时，生成预警信号。

本发明中，在提取到电信号中的电力工频基波信号这一信号分量后，就可以对该分量的幅值进行提取。可以理解的是，由于电力工频基波信号属于电信号中的一个分量，因此，其幅值一定小于电信号的总幅值。

通常来说，由于电信号是基于对电弧光的强度采集生成的，因此，随着电弧光在不同频段下的强度的不同，电信号也具备相同的特征。时域下的电信号可以通过类似傅里叶变换的方法实现频域的转换。在数字系统中，如果电信号经过了采样，则其在频域下的信号并非是连续的，因此，电信号可以被划分成多个不同的频段。电力工频基波这一频段的信号，是由于电网内部线路上电流的漏电所引发的，因此，这一频段信号是导致电网出现故障，需要保护动作的最主要因素。相比于电信号的幅值大小，这一频段的信号的幅值大小更具有实际的参考意义。因此本发明中预警信号和控制信号的获得方式都是通过这一频段的信号的幅值大小得到的。

本发明中，为了对何时发出预警信号进行合理的设计，设置了第一阈值Ut，以将电力工频基波这一波段下的信号Uac的最大幅值与该第一阈值Ut进行比较。一旦信号Uac的最大幅值超过了第一阈值Ut，则可以发出预警信号。

本发明中，也可以考虑对信号Uac的强度进行分析，并基于Uac的信号强度判断是否发出预警信号。另外，也可以基于信号Uac的平均幅值判断是否发出预警信号。

本发明的实施例中选取了最大幅值作为判断方式，在此基础上，采用该信号的强度和平均幅值也均是容易想到的方法。

优选地，第一阈值U1基于电信号的最大幅值生成；当电信号的最大幅值为Ut时，第一阈值为Ralert*Ut；其中，Ralert为预先设定的预警常量。

可以理解的是，本发明中，如果基于Uac信号的最大幅值对是否预警进行判定，则第一阈值U1的选取也应当考虑电信号的最大幅值。而如果是基于Uac信号的平均幅值或信号强度对是否预警进行判定，则第一阈值U1的选取也应当相应的考虑电信号的总的平均幅值或信号强度。

可以理解的是，本发明中的技术方案实质上，是比较电力工频基波分量在总信号中所占据的比例。如果该比例较大，则生成预警信号，如果该比例较小，即便是总的电信号的最大幅值，或者是强度、平均幅值较大的情况下，也不必发出相应的预警信号。

通过这种方式，本发明的预警信号，排除了工作在强电环境下的正常漏电所导致的电弧光，从而准确的筛选出了强电环境下真正会引发事故的母线短路等情况下导致的电弧光。

本发明中，Ralert可以是预先设定的经验值，其取值范围应当在0到1之间。由于Ralert代表了电力工频基波信号在总的电信号中的占比，因此，可以以这一因素进行考虑，实现对是否预警的判定。

在对预警信号进行获取的同时，本发明中还对控制信号进行了生成，该控制信号能够用来控制继电设备实现继电保护。这部分内容在步骤3中进行了详细描述。

步骤3，将电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号。

本发明中，为了实现对控制信号生成的判定，设置了第二阈值。该第二阈值同样可以与电信号的电力工频基波分量进行比较，但步骤3中的比较，相对步骤2来说，更为严格。

优选地，步骤3中，比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，当电力工频基波信号Uac的幅值大于等于第二阈值Um时，生成控制信号。

可以理解的是，本发明中，也可以采用第二阈值对电力工频基波信号Uac的多个特征中的任意一个进行比较，例如幅值、强度等等。与步骤2中不同的是，步骤3中，对于幅值、强度特征进行比较的方式，并不是采用瞬时值进行比较的，例如一个周期内信号的最大幅值。本发明的方法是通过一个时段，例如一个周期内信号的幅值的持续状态来判断是否发出控制信号的。

优选地，控制信号的生成方式为：当电力工频基波信号Uac的幅值大于等于第二阈值Um时，输出比较信号为高电平；当电力工频基波信号Uac的幅值小于第二阈值Um时，输出比较信号为低电平；当比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

本发明的方法中，可以通过一个比较信号作为时滞，间接的得到控制信号。首先，对一个时段，例如整周期内的电力工频基波信号Uac与第二阈值Um进行比较，由于在整个周期内，电力工频基波信号Uac的取值在部分相位中大于第二阈值Um，而在部分相位中小于第二阈值Um。因此，生成的比较信号就会区分出高电平和低电平。高电平的占空比越大，则说明该电力工频基波信号Uac超过第二阈值Um的时间越长，通常来说，也说明电力工频基波信号Uac的最大幅值越高。

在这一情况下，当比较信号的占空比超过一个门限占比Rp时，则可以控制电路生成一个控制信号了。门限占比Rp的大小可以根据经验值来设定，其取值范围也在0到1之间。优选地，若当前时刻，比较信号的占空比小于门限占比Rp时，延迟Δt后对比较信号的占空比进行比较，直到比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

本发明中，可以实时的对于控制信号进行生成，也就是说，可以不断的对比较信号的占空比大小进行判定，如果当前时刻比较信号的占空比小于门限占比Rp，则可以延迟一个设定的时间Δt之后，再对比较信号的占空比进行获取，直到生成控制信号为止。

需要说明的是，如果当前时刻t_h下，对当前一个周期的占空比与Rp进行比较后，发现当前周期的占空比小于门限占比Rp时，则对下一时刻再次进行分析，从而能够得到下一时刻下的占空比数据。具体来说，下一时刻可以通过公式t_h＝t_h+Δt的方式得到。

通过这种方法，可以及时的获得控制信号，不会出现较大的时延，从而在电弧光发生异常放电转变的临界状态下，有效的判断出启动保护的时间。

另外，本发明步骤3的方法，可以方便的利用步骤2中获得的数据来进一步的进行分析，并提供控制信号。因此，步骤3中所采用的电路，一部分程度上是基于步骤2中所采用的电路模块实现了电路的复用，降低了电路复杂度的同时，增加了数据的有效利用，以及数据来源的一致性。另一方面，比较信号有效的实现了电路的隔离，不会由于步骤3中的电路模块对步骤2中的电路模块造成任何影响。

步骤4，基于预警信号和控制信号执行临界电弧光环境下开关柜的保护。

在通过步骤2和步骤3获得了预警信号和控制信号之后，本发明中还可以基于预警信号和控制信号执行开关柜的保护。

例如，可以将预警信号的输出端接入至外部上位机系统中，从而通过外部上位机系统报告预警信息。进一步的，通过该系统还可以实现外部上位机系统的预警信息的发布，运维人员或相应的电器设备可以获得该预警通知，从而实现预警。

另一方面，控制信号的输出端可以接入至继电保护单元中，从而使得继电保护单元基于该控制信号实现快速的保护动作。这一过程完全是通过自动化方式实现的，因此保护准确、快速，充分满足了对开关柜中异常放电的可靠保护。

图4为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的框架结构示意图。如图4所示，本发明第二方面，涉及一种临界电弧光锁相判断装置，装置包括采集模块、第一比较模块、第二比较模块和控制模块；其中，采集模块，用于实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；第一比较模块，用于提取电信号的电力工频基波，并将电信号的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；第二比较模块，用于将电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；控制模块，用于基于预警信号和控制信号执行临界电弧光环境下开关柜的保护。

可以理解的是，本发明中的采集模块、第一比较模块、第二比较模块和控制模块分别可以用于执行本发明相应方法中的步骤1至步骤4。另外，尽管采用模块对装置中的各个元件进行了描述，但并不表示模块中的各个元件的布置方式是按照不同模块实现分布的。本发明中所记载的上述模块均是实现多个不同功能的虚拟模块。

例如，本发明中的采集模块中对于电弧光进行采集的元件就应当设置在开关柜内部，而对于电弧光进行放大的元件，则可以被设置在开关柜外部，集成在装置主体中。并且，两者之间通过线路实现连接。

优选地，采集模块包括紫外光探头和电流电压转换器；其中，紫外光探头为紫外雪崩光电二极管，设置于开关柜内，用于采集开关柜内的光辐射强度，其输出端与电流电压转换器的输入端连接；电流电压转换器，将紫外光探头采集的光辐射强度电流信号转换为电压信号，其输出端与第一比较模块连接。

可以理解的是，由于电弧光的主要成分为紫外线波段，因此本发明中只需要设置紫外光探头即可。可以理解的是，电弧光在其他波段的，主要也并非是由于电网线路漏电造成的，可能是由于电网线路漏电所导致的电弧光，在间接发生的散射、反射后产生的，因此本发明中，将这部分波长的光不计入采集范围之内。

紫外雪崩光电二极管可以采集到电弧光的强度，并将其转换为电信号。该电信号主要通过电流的方式表征电弧光的强度和频率特征，因此，需要将该电流信号进一步执行转换。该电流信号经过传输线路被输入至位于本发明装置本体中的电流电压转换器之后，电流电压转换器能够将电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行放大，以使得电压信号的输出充分满足后级电路功能实现的需求，以及判断准确性的需求。

优选地，第一比较模块包括锁相放大器和预警单元；其中，锁相放大器，输入端与电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与预警单元连接，用于从电信号中提取电力工频基波信号Uac并将其输入至预警单元中；预警单元，输入端与电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与外部上位机系统连接，用于比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的幅值并向上位机系统中发送预警信号。

可以理解的是，本发明中的第一比较模块能够接收到来自采集模块的电压信号，并通过锁相放大器提取出电压信号中电力工频基波分量Uac。

锁相放大器作为电路中常用的对于信号进行滤波的元件，能够在控制电平的作用下，确保特定频段的信号通过，从而实现了对于电力工频基波分量Uac的过滤。另外，通过锁相放大器后，Uac信号能够被发送至预警单元，预警单元可以采用现有技术中常用的比较器来实现。通过比较器，对Uac信号与第一阈值Ut进行比较，以实现预警信号的生成。

可以理解的是，本发明中，预警信号的生成过程中，第一阈值Ut的取值是可以改变的。也就是说，比较器的其中一个输入端的参考电压是改变的。该参考电压可以通过一个可变的参考信号来实现的。这部分内容在图4中并未示出。具体来说，该参考信号能够由电流电压放大器直接传输至预警单元中，该参考信号对电流电压放大器输出的电信号进行接收，并基于设定的比例生成第一阈值。

优选地，第一比较模块中还包括第一电平控制单元；第一电平控制单元用于获取电力工频，并基于电力工频生成锁相放大器的采样频率。

可以理解的是，第一比较模块中的第一电平控制单元可以基于电力工频来实现对锁相放大器采样频率的设置。这种设置方法作为现有技术中通用的方法，本发明中不再赘述。

优选地，锁相放大器的采样频率区间为50Hz至60Hz。将锁相放大器的采样频率设置在50Hz至60Hz之间的一个固定值时，锁相放大器就可以有效获得电力工频分量，而滤除其他分量。

优选地，第二比较模块包括迟滞比较器和判断单元；其中，迟滞比较器，输入端与锁相放大器的输出端连接，输出端与判断单元连接，用于比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，并将比较信号发送至判断单元；判断单元，输入端与迟滞比较器的输出端连接，输出端与外部继电保护单元连接，用于判断比较信号的占空比并生成和发送控制信号至外部继电保护单元。

可以理解的是，本发明中的第二比较模块中的迟滞比较器和判断单元依次接收来自锁相放大器的输出。其中，迟滞比较器可以判断电力工频基波信号Uac与第二阈值Um之间的大小，并通过判断得到的高低电平信号生成比较信号。

而本发明中的判断单元，则可以提取比较信号中的占空比，并通过该占空比与门限占比Rp之间的比较，得到控制信号。

优选地，第二比较模块还包括第二电平控制单元；其中，第二电平控制单元用于对迟滞比较器的第二阈值Um的取值进行控制。

本发明中，第二比较模块可以获取到迟滞比较器的第二阈值Um，可以理解的是，尽管在具体对于电力工频基波信号Uac进行判定的过程中，第二阈值Um的取值是确定不变的。但是，当本发明中的装置与继电保护单元连接使用，并起到保护作用时，本发明的装置可以基于继电保护单元的型号、性能、参数等对第二阈值Um的大小进行改进。

优选地，第二电平控制单元，基于外部编码器的控制，实现第二阈值电压Um的生成，并通过第二阈值电压Um对迟滞比较器进行控制；外部编码器，与外部继电保护单元连接，用于基于外部继电保护单元发出的指令实现第二阈值电压Um参考电平的编码。

可以理解的是，本发明中的第二阈值电压Um的大小是可以调节的。调节的电路单元就是图4中的参考电平控制模块，本文中也称之为第二电平控制单元。具体来说，本发明中继电保护单元可以根据判断单元的判断结果来对第二阈值电压Um的大小进行调整，例如可以发出指令给编码器，而编码器接收到继电保护单元的指令后，可以进行编码，并将编码发送给第二电平控制单元。第二电平控制单元接收到该编码后，生成更加合理的第二阈值电压Um，从而使得迟滞比较器的比较逻辑实现更新。

图5为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的保护和预警判定逻辑示意图。如图5所示，如本文上述内容中提及的一样，本发明中预警信号和控制信号的生成是分别实现的。通过对电力工频基波信号与电信号进行比较，可以生成预警信号。通过对电力工频基波信号与电信号进行比较，可以生成控制信号。

优选地，装置包括多路通道，其中，每路通道用于对一个电弧光辐照强度进行采集，并基于该电弧光辐照强度生成一个预警信号和一个控制信号；装置为每路信号提供一个输入端口和一个预警信号输出端口、一个控制信号输出端口。

图6为本发明一种临界电弧光锁相判断装置的系统布置示意图。如图6所示，本发明中，临界电弧光锁相判断装置可以与相关的其他装置一同被设置在机架上。该机架可以邻近开关柜等需要检测电弧光异常的电网设备设置。

通常，本发明中的临界电弧光锁相判断装置可以为集成化的装置，例如，一台装置上集成有多个通道，每一条通道都可以对一个电弧光信号进行接收、处理和分析，以分别生成针对一个电弧光信号的预警信号和控制信号。

图6作为本发明的一个实施例，其中可以包括10组上文中所述的采集模块、第一比较模块、第二比较模块和控制模块。也就是说，这一装置能够同时对10个不同的电弧光信号进行探测和处理。同时，本发明中的紫外光探头与装置本体分离设置，通过连接线路和装置本体上的多路输入接口实现连接和数据传输。

装置面板上还可以包括电源、通信、传感器是否正常工作的指示灯，以及10路通道状态的状态指示灯。同时，为了方便装置中软件的升级还可以增加以太网接口等设备。

本发明装置可以包括信号输出端口，分别输出每一通道的预警信号和控制信号。同时，电源模块可以采用外接的方式安装在机架上，以实现对装置的供电。另外，图6左侧的模块为用于连接外部继电保护单元或预警单元的端子排。用于对预警信号控制信号以及地线等线路的接口格式进行转换。由于不涉及本发明中的主要发明内容，因此在这里不做具体说明。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种临界电弧光锁相判断方法和装置，能够通过从电弧光信号中提取电力工频基波，基于对电力工频基波信号的幅度进行计算得到预警和控制信号，以实现保护动作。本发明方法思路简洁，装置元件和结构简单，系统复杂度低、硬件成本小，便于安装维护。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；

步骤2，提取所述电信号的电力工频基波，并将所述电信号的电力工频基波的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；

步骤3，将所述电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；

步骤4，基于所述预警信号和所述控制信号执行所述临界电弧光环境下所述开关柜的保护。

2.根据权利要求1中所述的一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于：

所述步骤2中，比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的最大幅值，当所述电力工频基波信号Uac的最大幅值大于等于所述第一阈值Ut时，生成预警信号。

3.根据权利要求2中所述的一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于：

所述第一阈值U1基于所述电信号的最大幅值生成；

当所述电信号的最大幅值为Ut时，所述第一阈值为Ralert*Ut；

其中，Ralert为预先设定的预警常量。

4.根据权利要求1中所述的一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于：

所述步骤3中，比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，当所述电力工频基波信号Uac的幅值大于等于所述第二阈值Um时，生成控制信号。

5.根据权利要求4中所述的一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于：

所述步骤3中，所述控制信号的生成方式为：

当所述电力工频基波信号Uac的幅值大于等于所述第二阈值Um时，输出比较信号为高电平；

当所述电力工频基波信号Uac的幅值小于所述第二阈值Um时，输出比较信号为低电平；

当所述比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

6.根据权利要求4中所述的一种临界电弧光锁相判断方法，其特征在于：

若当前时刻，所述比较信号的占空比小于门限占比Rp时，延迟Δt后对所述比较信号的占空比与所述门限占比Rp进行再次比较，直到所述比较信号的占空比大于门限占比Rp时，生成控制信号。

7.一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述装置包括采集模块、第一比较模块、第二比较模块和控制模块；其中，

所述采集模块，用于实时监测并采集开关柜内部的电弧光辐照强度，并将采集获得的光辐照强度转换为电信号；

所述第一比较模块，用于提取所述电信号的电力工频基波，并将所述电信号的幅值与第一阈值进行比较，以及基于比较结果生成预警信号；

所述第二比较模块，用于将所述电信号的电力工频基波的幅值与第二阈值进行比较，以及基于比较结果和保护时间门限生成控制信号；

所述控制模块，用于基于所述预警信号和所述控制信号执行所述临界电弧光环境下所述开关柜的保护。

8.根据权利要求7中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述采集模块包括紫外光探头和电流电压转换器；其中，

所述紫外光探头为紫外雪崩光电二极管，设置于所述开关柜内，用于采集所述开关柜内的光辐射强度，其输出端与所述电流电压转换器的输入端连接；

所述电流电压转换器，将所述紫外光探头采集的所述光辐射强度电流信号转换为电压信号，其输出端与所述第一比较模块连接。

9.根据权利要求8中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述第一比较模块包括锁相放大器和预警单元；其中，

所述锁相放大器，输入端与所述电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与预警单元连接，用于从所述电信号中提取电力工频基波信号Uac并将其输入至所述预警单元中；

所述预警单元，输入端与所述电流电压转换器的第一输出端连接，输出端与外部上位机系统连接，用于比较第一阈值Ut和电力工频基波信号Uac的幅值并向所述上位机系统中发送预警信号。

10.根据权利要求9中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述第一比较模块中还包括第一电平控制单元；

所述第一电平控制单元用于获取电力工频，并基于所述电力工频生成所述锁相放大器的采样频率。

11.根据权利要求10中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述锁相放大器的采样频率区间为50Hz至60Hz。

12.根据权利要求9中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述第二比较模块包括迟滞比较器和判断单元；其中，

所述迟滞比较器，输入端与所述锁相放大器的输出端连接，输出端与所述判断单元连接，用于比较第二阈值Um和电力工频基波信号Uac的幅值，并将比较信号发送至所述判断单元；

所述判断单元，输入端与所述迟滞比较器的输出端连接，输出端与外部继电保护单元连接，用于判断比较信号的占空比并生成和发送控制信号至外部继电保护单元。

13.根据权利要求12中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述第二比较模块还包括第二电平控制单元；其中，

所述第二电平控制单元用于对所述迟滞比较器的第二阈值Um的取值进行控制。

14.根据权利要求13中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述第二电平控制单元，基于外部编码器的控制，实现所述第二阈值电压Um的生成，并通过所述第二阈值电压Um对所述迟滞比较器进行控制；

所述外部编码器，与所述外部继电保护单元连接，用于基于外部继电保护单元发出的指令实现所述第二阈值电压Um参考电平的编码。

15.根据权利要求14中所述的一种临界电弧光锁相判断装置，其特征在于：

所述装置包括多路通道，其中，每路通道用于对一个电弧光辐照强度进行采集，并基于该电弧光辐照强度生成一个预警信号和一个控制信号；

所述装置为每路信号提供一个输入端口和一个预警信号输出端口、一个控制信号输出端口。

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