JP5476060B2 - 離散ウエーブレット変換を用いたアーク検出 - Google Patents

Description

本発明の態様は電気系統に関し、特に電気システムにおける並列及び直列アーク検出の方法及びシステムに関する。

住宅、商業及び産業上の用途での電気系統は、通常は施設電源から電力を受けるための分電盤を含む。電力は分電盤から、回路ブレーカ、トリップユニット等を含むがそれらに限定されない１つ又は複数の電流遮断器に送られる。

各回路遮断器は、指定の分岐部へ配電し、各分岐部は１つ又は複数の負荷に電力を供給する。回路遮断器は、特定の分岐部でのある電力条件が所定の設定ポイントに達すると、その分岐部への電力を遮断するように構成される。

例えば、ある種の電流遮断器は地絡による電力を遮断することができ、一般に漏電遮断器（ＧＦＣＩ）として知られている。線路導体と中性導体との間の電流の流れの不均衡が生ずると地絡状態が発生し、それは漏れ電流又はアーク地絡に起因することがある。

別の電流遮断器はアーク故障により電力を遮断することができ、一般にアーク故障電流遮断器（ＡＦＣＩ）として知られている。アーク故障は２つの主な範疇、直列アークと並列アークとに分けて定義される。直列アークは、例えば電流が単一の導体内の空隙を横切って通ると発生することがある。これに対して、並列アークは電流が２つの導体の間を通ると発生することがある。残念なことに、アーク故障によって従来の回路遮断器をトリップさせることができないことがある。それは特に、直列アークが発生した場合に当てはまるが、それは、電流検出装置は直列アークと通常の負荷電流とを区別することができないからである。

CRISTAN et al.; "マルチテーパパワースペクトルの推定及び閾値化（Multitaper Power Spectrum Estimation and Thresholding）:ウエーブレットパケットとウエーブレット（Wavelet Packets Versus Wavelets）"; IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 50, No. 12, December 2002; pgs. 2976-2986 WEN-JUN LI et al.; "ウエーブレットパケットに基づくアーク故障検出（Arc Fault Detection Based on Wavelet Packet）"; Proceedings of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 August 2005; 0-7803-909101/05; 2005 IEEE; pgs. 1783-1788

本発明により、直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う装置が提供され、この装置は電流信号の発生源である負荷を検出するように構成された抵抗素子と、電流信号に基づいて第１の信号を出力するように構成された第１の検出ユニットと、離散ウエーブレット変換を介して少なくとも第１の信号を分解し、それによって離散ウエーブレット係数を求め、トリップ信号発生の閾値条件が満たされていることを離散ウエーブレット係数が示すと、トリップ信号を発生するように構成されたマイクロコントローラとを含む。

本発明の別の態様によれば、直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う方法が提供され、この方法は、負荷電流を検出するステップと、高周波サンプリングが終了し、ゼロ交差がサンプリングされたことが判定されると、検出された高周波負荷電流に基づいて信号をサンプリングするステップと、高周波サンプリングが終了し、ゼロ交差がサンプリングされなかったことが判定されると、ゼロ交差離散ウエーブレット係数を計算するステップと、非ゼロ交差離散ウエーブレット係数を計算するステップと、ゼロ交差及び非ゼロ交差離散ウエーブレット係数に基づいて、閾値基準を満たすことが判定されるとトリップ信号を発するステップとを含む。

本発明の別の態様によれば、直列及び並列アークを検出することにより電流遮断器を動作する方法が提供され、この方法は、負荷電流を検出し、そこから電流信号を発生するステップと、電流信号の低周波を除去し、基本周波数及び異なる負荷条件での低周波除去された電流信号のゼロ交差を判定するステップと、電流信号の中周波及び／又は高周波を除去し、中周波及び／又は高周波除去された電流信号を所定レベルに分解して、離散ウエーブレット係数を求めるステップと、ゼロ交差領域及び所定の非ゼロ交差領域にわたって中周波及び／又は高周波除去された電流信号をサンプリングするステップと、電流信号のゼロ交差及び非ゼロ交差領域でサンプリングされた中周波及び／又はサンプリングされた高周波電流信号の離散ウエーブレット係数の絶対値を計算するステップと、計算された離散ウエーブレット係数の絶対値のそれぞれのエネルギを加算し、加算されたそれぞれのエネルギに基づいてトリップの決定を発するステップとを含む。

更なる特徴及び利点が、本発明の技術により実現する。本発明の実施形態及び態様を詳細に記載し、特許請求の範囲に記載される発明の一部とする。本発明の利点及び特徴についてより理解するため、本明細書及び図面を参照する。

本発明とみなされる事項を詳細に取り上げ、明細書の最後の特許請求の範囲で明確に記載する。本発明の態様、特徴及び利点は、以下の添付図面と共に詳細な説明により明らかとなる。
マイクロコントローラを使用した複合アーク故障電流遮断器の概略図である。 トリップ信号発信アルゴリズムの流れ図である。 遮断処理アルゴリズムを示す流れ図である。 ゼロ交差計算を示す流れ図である。 ゼロ交差計算を示す流れ図である。 離散ウエーブレット係数計算アルゴリズムを示す流れ図である。

図１を参照すると、直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う装置が提供され、この装置は電流信号の発生源である負荷を検出するように構成されたバイメタルなどの抵抗素子１０を含む。抵抗素子１０は、室温で６ｍオーム（ミリオーム）（１５Ａ）又は３ｍオーム（２０Ａ）の特性抵抗を有する抵抗性材料からなるもので良い。抵抗素子１０は、加算増幅器２０がそれに沿って配置されている信号線に電気的に結合される。従って、電流信号は、後述するマイクロコントローラ８０により出力されるテスト信号９０と共に、抵抗素子１０から加算増幅器２０へと流れる。

本発明の実施形態は、抵抗素子の例としてバイメタルを有するものとして開示されているが、本発明の範囲はそれに限定されるものではなく、例えば真鍮、青銅、銅合金、鋼鉄、ステンレス鋼、インコネル鋼、及び／又は炭素鋼合金など、本明細書に記載の目的に適した他の抵抗素子も含まれることを理解されたい。

信号線は直列アーク検出ユニット３０と、並列アーク検出ユニット４０と、平均二乗平方根電流測定ユニットなどの電流測定ユニット５０と、ｐ−ｐ電流測定ユニットと、ホール効果電流センサ又はその他の適宜のデバイスに結合される。直列アーク検出ユニット３０は、電流信号における直列アークを検出する際に使用するため、第１の信号をマイクロコントローラ８０に出力するように構成され、並列アーク検出ユニット４０は、電流信号における並列アークを検出する際に使用するため、第２の信号をマイクロコントローラ８０に出力するように構成される。電流測定ユニット５０は、例えばＲＭＳ電流測定とアーク検出サンプルタイミングを実施する際に使用するため、第３の信号をマイクロコントローラ８０に出力するように構成される。

本明細書の文脈では、直列及び並列アークとは、電流が通常は非導電性の媒体を流れることによる火花などの発光放電を生ずる、空気などの通常は非導電性の媒体の電気的破壊を意味する。直列アークは、一例として送電線が破壊された場合に負荷電流と直列に発生する。従って、直列アーク電流が負荷電流よりも高いことはあり得ない。逆に、並列アークは回路と接地された素子などの逆の電荷を持つ導体の間に生じ、電流スパイクが高いこと、及び負荷インピーダンスが少ないか全くないことを特徴としている。

直列アーク検出ユニット３０は、３００ｋＨｚのサンプリングレートで動作し、約６ｋＨｚ〜６０Ｈｚの周波数を有する副信号以外の全ての副信号を電流信号から除去する。そのため、直列アーク検出ユニット３０は高域通過フィルタ３１と、任意で、互いに直列の第１低域通過フィルタ３２及び／又は第２の低域通過フィルタ３３を含む。この場合、各々の低域通過フィルタは増幅器を含んでも良い。並列アーク検出ユニット４０は１０ｋＨｚのサンプリングレートで動作し、約１５０〜９００Ｈｚの周波数を有する副信号以外の全ての副信号を電流信号から除去する。そのため、並列アーク検出ユニット４０は低域通過フィルタ４１と、高域通過フィルタ４２とを含む。電流測定ユニット５０は１０ｋＨｚのサンプリングレートで動作し、低域通過フィルタ５１を含む。

マイクロコントローラ８０は直列アーク検出ユニット３０及び並列アーク検出ユニット４０から受信された第１及び第２の信号のうちの少なくとも１つを分解するように構成される。分解は、外部での計算、及び電流測定ユニット５０から受信された第３の信号内に含まれる情報から少なくとも部分的に得られたマザーウエーブレットなどの離散ウエーブレット変換ＤＷＴを介して達成される。分解の結果、離散ウエーブレット係数の計算がなされ、それ自体はトリップ信号Ｓ_Ｔの発信の際にマイクロコントローラ８０によって利用される。すなわち、マイクロコントローラ８０は、トリップ信号Ｓ_Ｔの１つ又は複数の閾値条件が満たされていることを離散ウエーブレット係数が示すと、トリップ信号Ｓ_Ｔを発生するように構成される。ここで閾値条件とは、並列又は直列アークが発生したことを示す信号測定のことを意味する。

本発明の実施形態によれば、各ＤＷＴは存在期間にわたってゼロに積分される有限長の短波である。離散ウエーブレット係数は各ＤＷＴから以下のように求められる。

Level 1 DWT coefficients：レベル１ ＤＷＴ係数
Level 2 DWT coefficients：レベル２ ＤＷＴ係数
Level 3 DWT coefficients：レベル３ ＤＷＴ係数
ただし、ｘ［ｎ］は入力信号、ｇ［ｎ］はマザーウエーブレットからの高域通過ディジタルフィルタ、ｈ［ｎ］はマザーウエーブレットからの低域ディジタルフィルタである。

離散ウエーブレット係数を求めるためにＤＷＴを使用することで、フーリエ変換（ＦＴ）や高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などの他の分析ツールと比較して幾つかの利点が得られる。例えば、ＤＷＴはマザーウエーブレットと電流信号とを相関させる手段をもたらす。また、ＤＷＴは特定の周波数が何回発生するかに関する情報を伝えることができ、計算が簡単であり、ゼロ交差の瞬間での特定の周波数／パターンの検索をも可能にすることで、並列及び直列アークの特性である消弧／再点弧の検出を可能にする。

従って、マイクロコントローラ８０が直列アークの検出又は並列アークの検出動作のいずれかにＤＷＴを適用すると、マイクロコントローラ８０は、アークと関連する可能性があるパターン又はシグネチャを識別し、そのパターン又はシグネチャに密接に相関する所定のマザーウエーブレットを選択し、最適な信号ノイズ比をもたらすアークを分析するための周波数範囲を選択し、焦点領域として波形の部分を選択し、選択された波形部分に対応する必要なウインドウのサイズを選択することにより動作することができる。

このことを考慮すると、周波数範囲が９３ｋＨｚ以上で、サンプリング周波数が３００ｋＨｚに設定され、アンチエイリアシングフィルタが適用されない場合のアーク検出に「ドビッシー１０」又は「ｄｂ１０」マザーウエーブレットが極めて適していることが判明している。アークの表示器は電流信号のゼロ交差点に位置していることも判明しているので、ゼロ交差点はサンプリングがトリガされる時点を判定する。従って、アークの再点弧又は消弧のいずれかがウインドウ内で把握されるように、３００ｋＨｚのサンプリング周波数におけるウインドウサイズは２５．３°に設定される。

依然として図１を参照すると、装置はさらに、マイクロコントローラ８０に結合された周囲温度センサ６０を含んでも良い。周囲温度センサ６０は、少なくとも抵抗素子１０の周囲温度を測定し、マイクロコントローラ８０に測定値を出力する。マイクロコントローラ８０は次いで、上記の計算の際に抵抗素子１０の何らかの温度変化を補償すべきか否かを判定する。

それに加え、装置はさらに直列アークテスト構造と並列アークテスト構造７２とを含むテストスイッチ７０への押しボタンを含んでも良い。テストスイッチ７０への押しボタンはマイクロコントローラ８０に結合され、これによりオペレータは、地域的及び非地域的な規則に基づいて設置後の装置をテストすることが可能になる。

ここで図２〜５を参照して、直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う方法を説明する。図２に示すように、アルゴリズムが初期設定され（動作１００）、これが継続的に実行されて、その期間中に負荷の検出がなされると、高周波サンプリングが完了したか否かの判定がなされる（動作２００）。ここで高周波サンプリングは実際には、直列アーク検出ユニット３０の性能に関する中周波サンプリング、及び並列アーク検出ユニット４０の性能に関する高周波サンプリングを意味する。

さらに、高周波及び／又は中周波サンプリングは、図３の遮断処理アルゴリズムに基づいて行われる。このアルゴリズムは、マイクロコントローラ８０によって発生する低周波遮断信号の受信から開始する（動作２０１）。この時点で、ＲＭＳ長がサンプリングされたか否かが判定され（動作２０２）、サンプリングされている場合は、ＲＭＳが計算される（動作２０３）。ＲＭＳの計算が終わると、ＲＭＳは、アーク状態が存在する場合に装置が如何に迅速にトリップするべきかを判定するために使用される。ＲＭＳがまだサンプリングされていない場合は、ゼロ交差が計算される（動作２０４）。

動作２０４のゼロ交差計算は、図４Ａ及び図４Ｂの流れ図に従って行うことができる。図示のとおり、ゼロ交差計算とは、電流信号の以前の値に関するｉｆ−ｔｈｅｎ−ｅｌｓｅシナリオを各々が記載するケース０〜１１を意味し、ただしＮＥＧＴＨＲＥＳＨ＝−１．５、ＰＯＳＴＨＲＥＳＨ＝１５、ＮＥＧＺＥＲＯ＝−３、及びＰＯＳＺＥＲＯ＝３である。

ゼロ交差の計算がなされると、正のゼロ交差が登録されたか否かが判定される（動作２０５）。正のゼロ交差がまだ登録されていない場合は、ゼロ交差サンプリング及び非ゼロ交差サンプリングで使用される負のゼロ交差用の遅延が設定され、中周波及び／又は高周波サンプリングがトリガされる（動作２０６）。しかし、正のゼロ交差が登録されている場合は、ゼロ交差サンプリング及び非ゼロ交差サンプリングで使用するための正のゼロ交差用の遅延が設定され、中周波及び／又は高周波サンプリングがトリガされる（動作２０７）。

図２に戻りこれを参照すると、中周波及び／又は高周波サンプリングが完了していないことが判定されると、低周波で電流信号がサンプリングされ（動作３００）、低周波サンプリングが完了している場合は、低周波除去された信号のローリング平均値が計算される（動作５００）。

中周波及び／又は高周波サンプリングが完了しており、ゼロ交差がサンプリングされたことが判定されると、少なくともローリング平均値からゼロ交差の離散ウエーブレット係数が計算される（動作４１０）。逆に、中周波及び／又は高周波サンプリングが完了しており、ゼロ交差がまだサンプリングされていないことが判定されると、少なくともローリング平均値から非ゼロ交差の離散ウエーブレット係数が計算される（動作４２０）。

ここで、図５を参照すると、動作４１０及び４２０で離散ウエーブレットアルゴリズムが用いられる。図示のように、サンプリングされた信号は先ず、それぞれがゼロに設定された畳込み信号用の指数を意味するＯｕｔｅｒｉｎｄｅｘ、詳細な係数の合計の絶対値であるＳｕｍＣＤ、及び使用中のフィルタの指数であるＩｎｎｅｒＩｎｄｅｘを有する信号として定義される。

最初に、ＯｕｔｅｒＩｎｄｅｘが畳込み信号の長さ未満であるか否かが判定される。ＯｕｔｅｒＩｎｄｅｘが畳込み信号の長さ未満ではない場合は、ＳｕｍＣＤの値はゼロに戻る。逆に、ＯｕｔｅｒＩｎｄｅｘが畳込み信号の長さ未満である場合は、個々の詳細な係数であるＣＤの値がゼロに設定され、ＪｕｍｐＩｎｄｅｘの値が畳込み信号値の２倍の値に設定される。

次いで、ＩｎｎｅｒＩｎｄｅｘがフィルタ長未満であるか否かが判定される。ＩｎｎｅｒＩｎｄｅｘがフィルタ長未満である場合は、ＣＤの値は信号値にＣＤの値を加算した値に設定される。ここで信号値とは、フィルタ値で乗算したＩｎｎｅｒＩｎｄｅｘの値にＪｕｍｐＩｎｄｅｘを加算した値である。この工程は、ＩｎｎｅｒＩｎｄｅｘがフィルタ長未満ではないと判定されるまで繰り返される。この時点で、ＣＤの値はＣＤの絶対値に設定され、ＳｕｍＣＤの値は、ＣＤの値に加算されたＳｕｍＣＤの絶対値に設定される。

最後に、図２を参照すると、ゼロ交差及び非ゼロ交差の全ての離散ウエーブレット係数に基づいて、閾値基準が満たされたか否かが判定される（動作６００）。引き続き、全ての閾値基準が満たされたことが判定されると、トリップ信号が発信される（動作７００）。ここで、トリップ信号の発信には、離散ウエーブレット係数の加算されたそれぞれのエネルギを閾値条件と比較し、加算されたそれぞれのエネルギがトリップ信号の発信向けの閾値条件を超えるか否かを判定するステップが含まれる。

本発明の別の態様によれば、直列及び並列アークを検出することによって電流遮断器を動作する方法が提供される。この方法には、負荷電流を検出し、そこから電流信号を発生するステップと、電流信号の低周波を除去し、基本周波数及び異なる負荷条件での低周波除去された電流信号のゼロ交差を判定するステップと、電流信号の中周波及び／又は高周波を除去し、中周波及び／又は高周波除去された電流信号を所定レベルに分解して、離散ウエーブレット係数を求めるステップと、ゼロ交差領域及び所定の非ゼロ交差領域にわたって中周波及び／又は高周波除去された電流信号をサンプリングするステップと、電流信号のゼロ交差及び非ゼロ交差領域でサンプリングされた中周波及び／又は高周波電流信号の離散ウエーブレット係数の絶対値を計算するステップと、計算された離散ウエーブレット係数の絶対値のそれぞれのエネルギを加算し、加算されたそれぞれのエネルギに基づいてトリップの決定を発するステップとを含む。

ここで、分解動作は、低周波除去された電流信号から得られた離散ウエーブレット変換を利用して中周波及び／又は高周波除去された電流信号を分解するステップを含む。さらに、トリップ決定の発信動作は、離散ウエーブレット係数の加算されたそれぞれのエネルギを閾値条件と比較し、加算されたそれぞれのエネルギがトリップ信号の発信向けの閾値条件を超えるか否かを判定するステップを含む。

本発明の付加的な態様によれば、従来の電流ゼロ交差に基づいて高周波サンプリングウインドウの位置を判定する方法、及び入力信号のダウンサンプリング及び／又はサブサンプリングを畳込み内に組込んで、畳込み計算における乗算と加算の演算の数を減らす方法が提供される。ここで、図５を参照すると、この方法は上記の離散ウエーブレットアルゴリズムの動作を含む。

例示的実施形態を参照して本発明を記載してきたが、様々な変更が可能であり、本発明の範囲を逸脱することなく構成要素が等価物に置き換えられることは、当業者には理解されよう。また、本発明の本質から逸脱することなく、特定の状況や物質を本発明の教示に適応させるように補正を行うことができる。従って、本発明は、開示内容を実施するために考えられた最良の形態として記載された特定の例示的実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載の範囲内にある全ての実施形態を含む。

１０ 抵抗素子
２０ 加算増幅器
９０ テスト信号
８０ マイクロコントローラ
３０ 第１の直列アーク検出ユニット
３１ 高域通過フィルタ
３２／３３ 第１／第２の低域通過フィルタ
４０ 第２の並列アーク検出ユニット
４１ 低域通過フィルタ
４２ 高域通過フィルタ
５０ 電流測定ユニット
５１ 低域フィルタ
Ｓ_Ｔ トリップ信号
６０ 温度センサ
７０ テストスイッチ
７１ 直列アークテスト構造
７２ 並列アークテスト構造
動作１００ アルゴリズムの初期設定
動作２００ 高周波サンプリングの判定
動作２０１ 低周波遮断信号の受信
動作２０２ ＲＭＳの判定
動作２０３ ＲＭＳの計算
動作２０４ ゼロ交差の計算
動作２０５ 正のゼロ交差の判定
動作２０６、２０７ 高周波サンプリングのトリガ
動作３００ 低周波でのサンプリング
動作５００ ローリング平均値の計算
動作４１０ ゼロ交差係数の計算
動作４２０ 非ゼロ交差係数の計算
動作６００ 閾値基準が満たされたかの判定
動作７００ トリップ信号の発信

Claims (10)

1. 直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う装置であって、
   負荷電流を検出し、該負荷電流を示す出力信号を生成するように構成された電流検出装置（１０、２０）と、
   前記出力信号に基づいて第１の信号を出力するように構成された第１の検出ユニット（３０）と、
   離散ウエーブレット変換を介して少なくとも第１の信号を分解し、それによって直列及び並列アークを特定する複数の離散ウエーブレット係数を求め、トリップ信号発生の閾値条件が満たされていることを前記複数の離散ウエーブレット係数が示すと、トリップ信号を発生するように構成されたマイクロコントローラ（８０）とを備える装置。
2. 前記第１の検出ユニット（３０）と並列に配置され、前記出力信号に基づいて第２の信号を出力するように構成された第２の検出ユニット（４０）をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の検出ユニット（３０）と並列に配置され、トリップ信号発生の閾値条件が電流測定の関数であるように、前記出力信号に基づく測定信号を出力するように構成された電流測定ユニット（５０）をさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記分解は、低周波除去された電流信号から得られた離散ウエーブレット変換を利用して中周波及び／又は高周波除去された電流信号を分解することを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記抵抗素子（１０）と前記第１の検出ユニット（３０）との間に作動可能に配置された加算増幅器（２０）をさらに備え、前記マイクロコントローラ（８０）は前記加算増幅器（２０）に結合される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記マイクロコントローラ（８０）に結合される周囲温度センサ（６０）をさらに備え、これによって前記マイクロコントローラ（８０）は前記抵抗素子（１０）の温度変化を補償するか否かを判定する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記第１の検出ユニット（３０）は３００ｋＨｚのサンプリングレートで動作し、約６ｋＨｚ〜６０Ｈｚの周波数を有する副信号以外の全ての副信号を出力信号から除去する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記電流測定ユニット（５０）は１０ｋＨｚのサンプリングレートで動作する、請求項３に記載の装置。
9. 直列及び並列アーク故障電流遮断（ＡＦＣＩ）を行う装置であって、
   電流信号の発生源である負荷を検出するように構成された抵抗素子（１０）と、
   前記電流信号に基づいて直列アーク検出信号を出力するように構成された直列アーク検出ユニット（３０）と、
   前記直列アーク検出ユニット（３０）と並列に配置され、前記電流信号に基づいて並列アーク検出信号を出力するように構成された並列アーク検出ユニット（４０）と、
   離散ウエーブレット変換を介して前記直列アーク検出信号と前記並列アーク検出信号とを分解し、それによって複数の離散ウエーブレット係数を求め、トリップ信号発生の閾値条件が満たされていることを前記複数の離散ウエーブレット係数が示すと、トリップ信号を発生するように構成されたマイクロコントローラ（８０）とを備える装置。
10. 前記直列アーク検出ユニット（３０）及び、前記並列アーク検出ユニット（４０）と並列に配置され、トリップ信号発生の閾値条件が電流測定の関数であるように、前記電流信号に基づく測定信号を出力するように構成された電流測定ユニット（５０）をさらに備える、請求項９に記載の装置。
    

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