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专利名称：基于时频综合分析的故障电弧检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配电线路故障电弧保护领域，尤其是涉及一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法及其装置。
背景技术：
住宅内的线路和设备，比如电气布线、插座线路、家用电器内部线路或电源线等， 由于长时间带载运行、过载或受外力影响会造成电线绝缘层出现老化或者发生绝缘破损， 容易导致线路间串并联电弧故障或线路对地短路故障。与短路故障相比，故障电弧发生时电流较�。�以剩余电流保护断路器、熔断器为代表的常规线路保护装置不能对故障电弧做出准确判断。电弧燃烧时会产生局部高温，成为引起电气火灾的主要原因之一，严重威胁人员的生命财产安全。故障电弧断路器(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)是一种最近发展起来的电路保护装置，有故障电弧发生时，它应能迅速切断电路。目前大多数AFCI产品的适用范围较小，主要针对某些特定负载，对于有类似电弧特征的负载没有很好的鉴别能力。交流故障电弧电流波形在时域上存在以下特征1、由于故障电弧类似于阻性负载，电流幅值较正常运行略有减�。�2、在电流过零点附近存在长度随机的“平肩部”;3、电流波形变化率增大，存在大小和时刻都具有随机性的突变；4、波形的对称性遭到破坏。根据以上故障电弧时域特征，目前大多数故障电弧检测方法和保护电路以相邻半周波电流的“平肩部”时间、平均值、最大值、最小值、变化率di/dt的变化量超过阈值作为判定故障电弧的复合判据。该方法所需的判据较多，且容易受电力电子开关电源和负载变动的干扰，误判率较高。另一方面，国内外专家学者提出用离散傅里叶变换、小波变换等方法分析故障电弧的频域特性，虽有较好的效果，但对保护装置的硬件电路要求较高，难以大范围推广使用。

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算复杂度低、 安全性高、成本低的基于时频综合分析的故障电弧检测方法及其装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)上电复位；2)系统初始化；3)参数初始化，参量赋值；4)开启定时中断，启动A/D转换；5)微处理器以时间Tsample作为采样间隔，实时采集信号调理电路和幅值检测电路的输出电压信号；6)根据设定的阈值八_判断输出电压信号乂_是否发生过电流故障，若V_<V。VCT，则电路未发生过电流，继续执行步骤7)；若Vamp > V。VCT，则电路发生过电流，跳转到步骤10)；7)由Vamp设定故障电弧检测子程序中的各阈值Vth，Tmin, Dmin ；8)执行故障电弧检测子程序；9)若未发生故障电�。�跳转到步骤5)；若发生故障电�。�跳转到步骤10)；10)微处理器发出脱扣信号驱动脱扣动作机构断开电路，直到复位按钮按下，电路
重新导通。所述的步骤2)系统初始化包括I/O 口配置、A/D采样方式、采样率配置、系统时钟、 定时器配置。所述的步骤7)中的Vth，Tmin, Dmin的含义如下l)Vth为脉冲阈值，当脉冲小于脉冲阈值Vth时，判定不是由电弧故障引起，忽略这些突变点；2)Tmin为相邻脉冲衰减时间变化量阈值，当被测信号衰减时间变化量小于阈值 Tmin时，判定电流突变信号是由正常负载引起的；3) Dmin为电弧半波数阈值，从第一个幅值超过Vth的脉冲开始循环统计，在设定时间段内，大于阈值Vth且相邻衰减时间变化量大于阈值Tmin的脉冲个数超过阈值Dmin， 则判定发生故障电弧。所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值检测电路输出电压Vamp高低决定，根据线路电流等级选定的阈值，有利于对不同功率大小、不同种类的负载提供故障电弧保护。所述的步骤8)的故障电弧检测子程序步骤如下(1)实时采样经过信号调理电路后的信号Sample_V，将Sample_V与脉冲阈值Vth 相比较，计算Sample_V > Vth的时间长度Ta[i] ；Sample_V < Vth的时间长度Tb[i]；(2)当小于阈值的时间长度Tb[i] >0. k时，初始化故障电弧检测程序，并返回步骤⑴；否则转到步骤⑶；(3)T[i] = Ta[i]+Tb[i]将所有八组时间长度求和 Sum(T
:T[7])；(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，计算相邻脉冲衰减时间变化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否则 i = i+1，转到步骤(1)；(5)判断当前半周波是否存在电�。�如果dT[i] >Tmin，则D[i] = 1 ；如果dT[i]
<Tmin，则 D[i] = 0 ；(6)将所有八个标记量相加Sum (DW]: D [7])，如果Sum (DW]: D [7]) > Dmin，即在 0.5s的时间跨度内有多个周期电路中发生电�。�则判定存在故障电�。�发出脱扣信号；否则i = i+Ι，转到步骤(1)。一种所述的基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，包括电流互感器、电压跟随电路、幅值检测电路、电源�？�、信号调理电路、微处理器、脱扣驱动电路、脱扣动作机构、复位电路、测试电路和LED指示电路，所述的电流互感器分别与电压跟随电路、幅值检测电路连接，所述的电源�？榉直鹩氲缪垢�随电路、信号调理电路、微处理器连接，所述的微处理器分别与幅值检测电路、信号调理电路、脱扣驱动电路、复位电路、测试电路和LED指示电路连接，所述的脱扣驱动电路与脱扣动作机构连接。所述的信号调理电路包括依次连接的整流电路、滤波电路和放大电路。
所述的放大电路通过RC延时电路与微处理器连接，通过RC延时电路将脉冲的强弱转换为衰减时间的长短。所述的整流电路可对小到几毫伏的信号进行整流，从而减少信号失真，保证检测的准确性，在整流电路输出端与地之间并联电阻R25和电容C12，在发生故障电弧时能够积分高频毛刺信号，保留了故障电弧的特征量。所述的滤波电路包括二阶高通滤波器，该二阶高通滤波器的截止频率选为IkHz。与现有技术相比，本发明具有以下优点1)解决了准确检测故障电弧的技术问题，克服了单纯从时域角度误判率较高以及单纯从频域角度成本较高不易推广的缺点。2)借助高频信号记录线路电流的突变点，由在时域上完全映射突变点的脉冲发生时刻和强弱大小变化判断是否存在故障电弧，其效果与基于小波分析的奇异点检测方法很相近，但计算复杂度要低得多。3)能够有效检测各类民用负载情况下的故障电弧，并且当线路中存在非故障好弧或者在有类似故障电弧特征的负载正常运行时不产生误动作。4)基于硬件分立元件的频域处理降低了对微处理器的要求，使成本得以降低，便于普及推广。


图1为本发明的硬件结构示意图；图2为本发明的具体电路图；图3为经过整流和高通滤波后的阻性负载故障电弧信号波形；图4为本发明装置中微处理器程序流程图；图5是图4中故障电弧检测子程序流程图；图6是典型民用负载1500W电水壶故障电弧波形图；图7是典型民用负载1000W调光灯故障电弧波形图；图8是典型民用负载300W个人电脑故障电弧波形图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例如图1，一种所述的基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，包括电流互感器1、电压跟随电路2、幅值检测电路3、电源�？�4、信号调理电路5、微处理器6、脱扣驱动电路7、脱扣动作机构8、复位电路9、测试电路10和LED指示电路11，所述的电流互感器1 分别与电压跟随电路2、幅值检测电路3连接，所述的电源�？�4分别与电压跟随电路2、信号调理电路5、微处理器6连接，所述的微处理器6分别与幅值检测电路3、信号调理电路5、 脱扣驱动电路7、复位电路9、测试电路10和LED指示电路11连接，所述的脱扣驱动电路7 与脱扣动作机构8连接。所述的信号调理电路5包括依次连接的整流电路51、滤波电路52 和放大电路53。具体电路如图2所示，包括向信号调理电路及微处理器提供电源的电源电路，串接在电路零线或火线上的电流互感器TAl，电流互感器TAl 二次侧并联负载电阻R3，输出端连接电压跟随电路提高采样信号驱动能力。电压跟随电路输出端连接幅值检测电路以及带运算放大器的精密整流电路。幅值检测电路将反映线路电流大小的电压信号输入微处理器 U3。经过精密整流电路后的信号输入二阶高通滤波器，滤波后的信号经过放大和RC延时电路输入微处理器采样端口。带有复位电路的微处理器�？榫�过故障电弧判别，输出脱扣信号给脱扣驱动电路控制脱扣电路动作。此外保护装置还包括LED指示电路等。上述电源电路由阻容降压方式构成。Cl的耐压等级至少为电路额定电压等级的2 倍，并联电阻Rl为Cl提供电荷泄放通道。Cl 一端连接交流电线，另一端作为由D1、D2、D3、 D4组成整流桥的输入。整流桥输出端并联平滑电容C2，C2的电压加载于分压电阻R2与稳压管D5、D6上。D5、D6两端分别并联滤波电容C3、C4，为信号调理电路提供电源。D6的输出还作为三端稳压芯片U2的输入，U2的输出与地之间连接滤波电容C5，输出与输入之间连接二极管D7。上述电压跟随电路由运算放大器U1A、并联于UlA输出端与负向输入端的电阻R5、 一端连接UlA正向输入端的电阻R4构成。R4的另一端连接电流互感器二次侧输出端。上述精密整流电路适用于处理幅值较小的信号，可对小到几毫伏的信号进行整流，保证检测的准确性。它由2个运算放大器U1B、U1C，2个二极管D8、D9、7个电阻R6、R7、 R8、R9、R10、R11、R12构成。D8的负端连接UlB的负向输入端、正端连接UlB的输出端，D9 的负端连接UlB的输出端、正端连接RlO的一端。电压跟随电路的输出信号连接到R6和R9 的连接点。在精密整流电路输出端与地之间并联电阻R25和电容C12。上述二阶高通滤波电路由串接电容C6、C7和接地电阻R13、R14构成。运算放大器 UlD与并接于其反相输入端与输出端的电阻R16、串接于其反相输入端与地之间的R15 —起构成同相比例放大电路。放大电路输出端连接二极管DlO的正端，DlO的负端连接由电阻 R17和电容C8构成的延时电路，起到脉冲信号缓降的作用。二极管Dll使输入微处理器的信号电压幅值在允许范围内。以上三部分电路共同组成滤波、放大、RC延时电路，与精密整流电路共同构成本发明保护装置的信号调理电路。上述的微处理器�？榇�有由电阻R18、电容C9和按钮开关S2构成复位电路。微处理器U3内部自带高速AD转换功能，实时采集经过调理的故障电弧电流信号以及幅值检测信号，由预先编制的故障电弧检测程序判别是否发生故障电弧，向脱扣驱动电路发出脱扣信号。上述LED指示电路分为两组，分别由电阻R23和发光二极管D16以及电阻RM和发光二极管D17组成，分别指示故障电弧发生以及保护装置工作情况。上述脱扣驱动电路由电阻R21、R22、光耦U4、三极管Ql组成。R21—端连接微处理器的脱扣信号发出端，另一端连接光耦U4的输入端。R22 —端连接U4的输出端，另一端连接Ql的基极。二极管D14、D15反接于继电器二个控制端，能够有效保护三极管Ql免受继电器开闭时大电流的影响。按钮开关Sl和电容Cll构成测试电路，可定期验证脱扣驱动电路及脱扣动作电路有效性。上述幅值检测电路由电阻R19、R20，电容C10，二极管D12、D13构成。D12正端与电压跟随电路输出端相连，防止电流反相。二极管D13使输入微处理器的信号电压幅值在允许范围内。
图3是经过精密整流和高通滤波后的阻性负载故障电弧信号波形。电流互感器采集的电流信号经过精密整流、高通滤波、幅值放大等处理步骤后，信号在滤除基波的同时很好地保留了突变信息，并将不同大小的突变以不同高低的脉冲形式表现。高低不同的脉冲经过RC延时电路后，其衰减时间差异明显，基于这一特征，记录高于阈值Vth的时间长度 Ta
:Ta[7]和低于阈值Vth的时间长度lH0]:Tb[7]作为故障电弧判断的判据。图4是本发明装置中微处理器程序流程图。如图4所示，微处理器的工作流程如下1)上电复位；2)系统初始化；3)参数初始化，参量赋值；4)开启定时中断，启动A/D转换；5)微处理器以时间Tsample作为采样间隔，实时采集信号调理电路和幅值检测电路的输出电压信号；6)根据设定的阈值V。VCT判断输出电压信号Vamp是否发生过电流故障，若Vamp < V。VCT，则电路未发生过电流，继续执行步骤7)；若Vamp > V。VCT，则电路发生过电流，跳转到步骤10)；7)由Vamp设定故障电弧检测子程序中的各阈值Vth，Tmin, Dmin ；8)执行故障电弧检测子程序；9)若未发生故障电�。�跳转到步骤5)；若发生故障电�。�跳转到步骤10)；10)微处理器发出脱扣信号驱动脱扣动作机构断开电路，直到复位按钮按下，电路
重新导通。所述的步骤幻系统初始化包括I/O 口配置、A/D采样方式、采样率配置、系统时钟、 定时器配置。所述的步骤7)中的Vth，Tmin, Dmin的含义如下l)Vth为脉冲阈值，当脉冲小于脉冲阈值Vth时，判定不是由电弧故障引起，忽略这些突变点；2)Tmin为相邻脉冲衰减时间变化量阈值，当被测信号衰减时间变化量小于阈值 Tmin时，判定电流突变信号是由正常负载引起的；3) Dmin为电弧半波数阈值，从第一个幅值超过Vth的脉冲开始循环统计，在设定时间段内，大于阈值Vth且相邻衰减时间变化量大于阈值Tmin的脉冲个数超过阈值Dmin， 则判定发生故障电弧。所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值检测电路输出电压Vamp高低决定，根据线路电流等级选定的阈值，有利于对不同功率大小、不同种类的负载提供故障电弧保护。如图5所示，所述的步骤8)的故障电弧检测子程序步骤如下(1)实时采样经过信号调理电路后的信号Sample_V，将Sample_V与脉冲阈值Vth 相比较，计算Sample_V > Vth的时间长度Ta[i] ；Sample_V < Vth的时间长度Tb[i]；(2)当小于阈值的时间长度Tb[i] >0. k时，初始化故障电弧检测程序，并返回步骤⑴；否则转到步骤⑶；(3)T[i] = Ta [i]+Tb [i]，将所有八组时间长度求和 Sum (Τ W]: T [7])；
(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，计算相邻脉冲衰减时间变化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否则 i = i+1，转到步骤(1)；(5)判断当前半周波是否存在电弧，如果dT[i] > Tmin，则D[i] = 1 ；如果dT[i] < Tmin，则 D[i] = 0 ；(6)将所有八个标记量相加Sum (DW]: D [7])，如果Sum (DW]: D [7]) > Dmin，即在 0.5s的时间跨度内有多个周期电路中发生电�。�则判定存在故障电弧，发出脱扣信号；否则i = i+Ι，转到步骤(1)。注i的取值为0 7，当i = 8时，将i的值设为0。程序使用循环存储的方式储存剛D [7]，Ta
Ta [7]，Tb
Tb [7]，T
T [7]，能够有效节省内存。Vth, Tmin, Dmin为根据电路电流等级选定的阈值，具有自适应调节特性的阈值选定有利于对不同功率大小、不同种类的负载提供故障电弧保护。图6是1500W电水壶故障电弧波形图，通道1为负载电流波形；通道2为经过精密整流和高通滤波的脉冲信号，作为微处理器故障电弧检测程序的判据；通道3为微处理器脱扣信号输出，高电平对应脱扣，继电器动作；通道4为电弧两端电压波形。如图所示，在正常运行时负载电流波形为正弦波，经过调理电路的作用，通道2显示为零电平的直线；在发生故障电弧时负载电流波形存在“平肩部”和突变，在通道2中存在反映“平肩部”大小和突变程度的脉冲信号。微处理器实时采集通道2中的信号，在发生第八个半周波电弧时，微处理器发出脱扣信号驱动断路机构动作。图7是1000W调光灯故障电弧波形图，图8是300W个人电脑故障电弧波形图。调光灯和个人电脑是典型的电力电子开关电源，在正常运行时负载电流波形就存在周期性的 “平肩部”和突变。如图7所示，正常运行时在通道2中存在脉冲信号。通过故障电弧检测程序中相邻脉冲衰减时间变化量阈值能够有效区分故障电弧和有着类似故障电弧特征的正常运行负载，从而避免误动作。当电路中发生八个半周波故障电弧后，微处理器才发出脱扣信号，这点可由图7得到验证。本发明不局限于以上具体实施方式
，只要采用了本发明提出的基于时频综合分析的故障电弧检测方法，无论采用何种信号调理电路或者脱扣驱动电路或者脱扣动作机构或者微处理器等其它同等替换，都落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)上电复位；2)系统初始化；3)参数初始化，参量赋值；4)开启定时中断，启动A/D转换；5)微处理器以时间Tsample作为采样间隔，实时采集信号调理电路和幅值检测电路的输出电压信号；6)根据设定的阈值V。VCT判断输出电压信号Vamp是否发生过电流故障，若Vamp< Vover,则电路未发生过电流，继续执行步骤7)；若Vamp >V。VCT，则电路发生过电流，跳转到步骤10)；7)由Vamp设定故障电弧检测子程序中的各阈值Vth，Tmin,Dmin ；8)执行故障电弧检测子程序；9)若未发生故障电�。�跳转到步骤5)；若发生故障电�。�跳转到步骤10)；10)微处理器发出脱扣信号驱动脱扣动作机构断开电路，直到复位按钮按下，电路重新导通。
2.根据权利要求1所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于， 所述的步骤2)系统初始化包括I/O 口配置、A/D采样方式、采样率配置、系统时钟、定时器配置。
3.根据权利要求1所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于， 所述的步骤7)中的Vth，Tmin, Dmin的含义如下1)Vth为脉冲阈值，当脉冲小于脉冲阈值Vth时，判定不是由电弧故障引起，忽略这些突变点；2)Tmin为相邻脉冲衰减时间变化量阈值，当被测信号衰减时间变化量小于阈值Tmin 时，判定电流突变信号是由正常负载引起的；3)Dmin为电弧半波数阈值，从第一个幅值超过Vth的脉冲开始循环统计，在设定时间段内，大于阈值Vth且相邻衰减时间变化量大于阈值Tmin的脉冲个数超过阈值Dmin，则判定发生故障电弧。
4.根据权利要求3所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于， 所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值检测电路输出电压Vamp高低决定，根据线路电流等级选定的阈值，有利于对不同功率大小、不同种类的负载提供故障电弧保护。
5.根据权利要求3所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法，其特征在于， 所述的步骤8)的故障电弧检测子程序步骤如下(1)实时采样经过信号调理电路后的信号Sample_V，将Sample_V与脉冲阈值Vth相比较，计算Sample_V > Vth的时间长度Ta[i] ；Sample_V < Vth的时间长度Tb[i]；(2)当小于阈值的时间长度Tb[i]>0』s时，初始化故障电弧检测程序，并返回步骤 (1)；否则转到步骤⑶；(3)T[i]=Ta[i]+Tb[i]，将所有八组时间长度求和 Sum(TW]:T[7])；(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，计算相邻脉冲衰减时间变化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否则 i = i+1，转到步骤(1)；(5)判断当前半周波是否存在电�。�如果dT[i]> Tmin, PJ D [i] = 1;如果dT[i]< Tmin，则 D[i] = 0 ；(6)将所有八个标记量相加Sum(D
:D[7])，如果Sum(D
:D[7]) > Dmin,即在0. 5s 的时间跨度内有多个周期电路中发生电�。�则判定存在故障电�。�发出脱扣信号；否则i = i+Ι，转到步骤(1)。
6.一种如权利要求1所述的基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，包括电流互感器、电压跟随电路、幅值检测电路、电源�？�、信号调理电路、微处理器、 脱扣驱动电路、脱扣动作机构、复位电路、测试电路和LED指示电路，所述的电流互感器分别与电压跟随电路、幅值检测电路连接，所述的电源�？榉直鹩氲缪垢�随电路、信号调理电路、微处理器连接，所述的微处理器分别与幅值检测电路、信号调理电路、脱扣驱动电路、复位电路、测试电路和LED指示电路连接，所述的脱扣驱动电路与脱扣动作机构连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，所述的信号调理电路包括依次连接的整流电路、滤波电路和放大电路。
8.根据权利要求7所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，所述的放大电路通过RC延时电路与微处理器连接，通过RC延时电路将脉冲的强弱转换为衰减时间的长短。
9.根据权利要求7所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，所述的整流电路可对小到几毫伏的信号进行整流，从而减少信号失真，保证检测的准确性，在整流电路输出端与地之间并联电阻R25和电容C12，在发生故障电弧时能够积分高频毛刺信号，保留了故障电弧的特征量。
10.根据权利要求7所述的一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法的装置，其特征在于，所述的滤波电路包括二阶高通滤波器，该二阶高通滤波器的截止频率选为1kHz。
全文摘要
本发明涉及一种基于时频综合分析的故障电弧检测方法及其装置，其中方法包括1)上电复位；2)系统初始化；3)参数初始化，参量赋值；4)开启定时中断，启动A/D转换；5)微处理器以时间Tsample作为采样间隔，实时采集信号调理电路和幅值检测电路的输出电压信号等步骤；其中装置包括电流互感器、电压跟随电路、幅值检测电路、电源�？�、信号调理电路、微处理器、脱扣驱动电路、脱扣动作机构、复位电路、测试电路和LED指示电路。与现有技术相比，本发明具有计算复杂度低、安全性高、成本低等优点。
文档编号G01R31/08GK102375107SQ20111028083
公开日2012年3月14日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者张士文, 张峰, 曹潘亮, 陈洪亮, 顾昊英 申请人:上海交通大学