一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种直流系统的电弧故障在线检测方法及保护装置，综合了功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程以及电弧发生时的功率电路电流交流分量的特征，所选的电弧电流特征量包括时域的峰峰值和标准差以及滤除负载特定频率点噪声后1kHz～100kHz范围内的频率分量功率和，采用马氏距离算法计算实时特征量与功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程中特征量的马氏距离值，与学习过程中设定的阀值比较，检测单次电弧是否发生。本发明技术方案具有通用性强、检测率高、误判率低的特点，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流配电系统。
【专利说明】一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流电力系统中电弧故障的在线检测方法和保护装置，属于电工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]直流电弧故障常发生于飞机、电动汽车、光伏电站等包含直流电源的电气系统。电弧故障是由于电线电缆的绝缘性能老化、绝缘破损及空气潮湿、连接端子松动等原因造成的。直流电弧不存在过零点、不容易灭弧，如不及时保护，可能会出现长时间的燃弧；发生时伴随着火花、明光，可产生1000°c以上的高温，导致电线电缆的绝缘进一步损坏，甚至引起电气火灾。
[0003]直流电弧故障特征与交流电弧故障特征差别很大:交流电弧电流周期性，过零时存在“零休区”；而直流电弧没有周期性，不存在基波的概念，具有很强的随机性和非平稳性。因此交流电弧故障检测的特征判据不适用于直流电弧故障的检测。
[0004]目前直流电弧故障在线检测一般均通过检测线路电流的电弧故障特征量实现。
[0005]常见直流电弧故障特征量可分为时域特征和频域特征。
[0006]常见的直流电弧故障时域特征量有平均值、标准差、峰峰值、变化率等。大量实验研究表明，直流电弧故障发生过程中电弧故障电流的时域特征之一表现为电流的突变，因此在很多技术方案中，按照时域特征量的“突变”判断电弧故障。例如美国专利US2007/0133135中公开了一种通过电流平均值的变化检测串行直流电弧、采用电流峰峰值的大小检测并行直流电弧的技术方案。中国专利CN103384446A中公开了一种基于PCB空心变压器检测电弧电流变化率(di/dt)的装置和方法。
[0007]然而美国俄亥俄州立大学研究发现随着直流系统电压的增加，电弧电流变化明显减小，容易与功率电子装置引起的谐波电流混淆。因此，时域特征判断的方法仅仅适用于特定系统的特定负载，无法通用，仅仅从电弧时域特征判断电弧故障则容易造成漏判和误判。
[0008]直流电弧故障特点频段频域特征量是目前被最广泛采用的判定电弧故障的特征。大量理论和实验研究表明，直流电弧故障发生过程中，电弧电流的特定频段高频分量显著的增加，特定频段的频率下限从数KHz到数十kHz，频率上限从数十kHz到IOOkHz左右。因此应用最简单易行和广泛使用的直流电弧故障检测方法是快速傅里叶分解(FFT)或其他频率特征提取方法。如德州仪器(TI)的专利US20120316804公开了一种应用于光伏高压直流系统的电弧故障判断方法，所选取电弧故障频率特征的频段为40?90KHz，但其仅仅考虑负载正常工作和电弧发生时电流的频域特征差别，未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别。实际上，上述的几种工作过程中线路电流与电弧故障电流具有相似的特征，例如负载加电启动过程和短时过载故障的波形非常类似高压直流系统中的并行电弧故障，容易误判为电弧故障。
[0009]美国专利US8093904B2中公开了一种基于电弧故障频率特征和马氏距离算法的直流电弧故障检测装置，也未考虑未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别，容易发生误判断；另外由于其算法中包含了大量的除法运算，所以运算时间较长，降低了电弧故障检测的速度。
[0010]仅仅从电弧频域特征判定直流电弧故障还存在如下缺点:
[0011](I)由于电弧故障频率特征所在频段恰好也是很多开关电源、电力电子负载的开关频率所在的频段，因此负载性质的不同对电弧判断结果影响较大，易造成误判断；
[0012](2)根据直流系统电源电压等级的不同，电弧故障电流的频率特征所分布的频段有较大的差别；尤其高压直流系统中，相比低压系统更容易形成稳定燃烧的电弧，电弧电流的频率特征量在幅值大大降低，仅从频率特征区别电弧故障容易误判；
[0013](3)直流电弧故障具有很强的随机性，电弧故障电流属于随机和非平稳性信号，快速傅里叶分解(FFT)属于平稳信号的分析方法，仅仅利用FFT的频率分量分析结果去判断电弧故障易造成判定结果的不准确。
【发明内容】
[0014]本发明所要解决的技术问题，是针对前述【背景技术】中的缺陷和不足，发明一种通用的直流系统电弧故障检测方法和保护装置，通过利用统计学的马氏距离方法综合电弧故障电流的时域和频率特征，并排除负载等因素的开关噪声、加电起动过程、开关切换加卸载和负载变化的影响，从而提高检测率、降低误判率。
[0015]为了解决【背景技术】中现有技术方案的问题，本发明采用的具体技术方案如下。
[0016]1、一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤:
[0017](I)阶段1:电弧特征的在线学习阶段
[0018]步骤1:在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量Xa。⑴；
[0019]步骤2:在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量Yac(I)；
[0020]步骤3:在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量ZAC(i)；
[0021]步骤4:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX (i)，PPY (i)，PPZ (i)；
[0022]步骤5:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σ X(i)，σ Y(i), σΖ(?)；
[0023]步骤6:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的IkHz~IOOkHz频率段分量；
[0024]步骤7:确定电力电子负载在IkHz~IOOkHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量;
[0025]步骤8:分别计算步骤7中得到的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和PFX ⑴，PFY ⑴，PFZ ⑴；
[0026]步骤9:步骤l~8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i=l~N，N ≥ 20 ；X(i), Y(i), Z(i)为 3X1 的列向量:
[0027]X(i) = [PPX(?) σ X(i)PFX(i)]T, i=l ~N
[0028]Y(i) = [PPY(i) O Y(i)PFY(i)]T, i=l ~N
[0029]Z (i) = [PPZ (i) σ Z (i) PFZ (i) ]T, i=l ~N
[0030]步骤10:计算样本向量X(i)到样本向量集合X(I)~X(N)的马氏距离D2X⑴；其中:
【权利要求】
1.一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤: (I)阶段1:电弧特征的在线学习阶段 步骤1:在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量XAe(i)； 步骤2:在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量\c (i)； 步骤3:在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量Zac⑴； 步骤4:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i)，PPY(i)，PPZ(i)； 步骤5:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σ X(i)，σ Y(i), o Z(i)； 步骤6:分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的IkHz~IOOkHz频率段分量； 步骤7:确定电力电子负载在IkHz~IOOkHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；步骤8:分别计算步骤7中得到的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和PFX ⑴，PFY ⑴，PFZ ⑴； 步骤9:步骤I~8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i=l~N，N ^ 20 ；X(i),Y(i),Z(i)为 3X1 的列向量:
X(i) = [PPX(i) σ X(i)PFX(i)]T, i=l ~N
Y(i) = [PPY(i) σ Y(i)PFY(i)]T, i=l ~N
Z(i) = [PPZ(i) σ Z(i)PFZ(i)]T, i=l ~N 步骤10:计算样本向量X(i)到样本向量集合X(I)~X(N)的马氏距离D2X⑴;其中:
2.如权利要求1所述的直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于还包括电弧故障检测功能自检步骤，用于在检测系统上电时进行系统自检。
3.一种直流系统电弧故障在线检测装置，用于直流系统电弧故障在线保护装置，所述直流系统电弧故障在线保护装置包括固态开关或机械式断路器(1)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示模块(7)和通讯接口(8)，其特征在于直流系统电弧故障在线检测装置包括: (O电弧特征的离线学习模块，包括: 第一电流交流分量检测模块，用于离线学习阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量Xac (i); 第二电流交流分量检测模块，用于在功率电路正常工作过程中获取电流交流分量Yac ⑴； 第三电流交流分量检测模块，用于在功率电路过载故障过程中获取电流交流分量Zac ⑴; 第一峰峰值计算模块:分别计算第一~第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPX (i)，PPY (i)，PPZ (i)； 第一标准差计算模块:分别计算第一~第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σχα)，σYα)，σZα); 第一 IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块:对第一~第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出各功率电路电流交流分量的IkHz~IOOkHz范围各频率分量幅值； 第一滤除特定频率点噪声模块:根据系统中电源或者电力电子负载在IkHz~IOOkHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第一 IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量； 第一频率分量的功率和计算模块，计算第一滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的各功率电路电流交流分量的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和PFX ⑴，PFY ⑴，PFZ ⑴；第一样本向量集合合成模块，以第一峰峰值计算模块、第一标准差计算模块、第一频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和为元素，对各功率电路电流交流分量分别生成3X1的样本向量，利用多组样本向量合成样本向量集合；
X(i) = [PPX(i) σ X(i)PFX(i)]T, i=l ~N
Y(i) = [PPY(i) σ Y(i)PFY(i)]T, i=l ~N
Z(i) = [PPZ(i) σ Z(i)PFZ(i)]T, i=l ~N ; 其中i=l~N，N ≤20 ; 第一马氏距离计算模块，分别计算X(i)到样本向量集合X(I)~X(N)的马氏距离D2X⑴，Y⑴到样本向量集合Y(I)~Y(N)的马氏距离D2Y⑴，Z⑴到样本向量集合Z(I)~Z(N)的马氏距离D2Z⑴； 第一马氏距离阀值计算模块，取第一马氏距离计算模块计算得到的最大马氏距离值作为第一马氏距离阀值； 第四电流交流分量检测模块，用于在功率电路模拟电弧产生过程中获取电流交流分量Aac(J)； 第二峰峰值计算模块:计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPA (j)； 第二标准差计算模块:计算第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差oA(j)； 第二 IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块:对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出IkHz~IOOkHz范围各频率分量幅值； 第二滤除特定频率点噪声模块:根据系统中电源或者电力电子负载在IkHz~IOOkHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第二 IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量； 第二频率分量的功率和计算模块，计算第二滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和PFA (j)； 第二样本向量集合合成模块，以第二峰峰值计算模块、第二标准差计算模块、第二频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和为元素，对第四电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量分别生成3X1的样本向量，利用多组样本向量合成对应的样本向量集合；
A(j) = [PPA(j) oA(j)PFA(j)]T，其中 j=l ~M，M≤ 20 ； 第二马氏距离计算模块，计算样本向量A(j)到样本向量集合X(I)~X(N)的马氏距离，样本向量A(j)到样本向量集合Y(I)~Y(N)的马氏距离D2AY(j)，样本向量A(j)到样本向量集合Z(I) -Z(N)的马氏距离D2AZ (j)； 第二马氏距离阀值计算模块，取第二马氏距离计算模块得到三个马氏距离的平均值作为第二马氏距离阀值； 电弧与非电弧的马氏距离阀值D2th计算模块，取； (2)单次电弧在线检测模块，包括； 电流交流分量在线检测模块，用于在线检测阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量BAe(k)； 第三峰峰值计算模块:计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPB (k)； 第三标准差计算模块:计算电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差oB(k)； 第三IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块:对电流交流分量在线检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出功率电路电流交流分量的IkHz~IOOkHz范围各频率分量幅值； 第三滤除特定频率点噪声模块:根据系统中电源或者电力电子负载在IkHz~IOOkHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第三IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量； 第三频率分量的功率和计算模块，计算第三滤除特定频率点噪声模块滤除特定频率点噪声后的功率电路电流交流分量的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和PFB(k)； 在线样本向量生成模块，以第三峰峰值计算模块、第三标准差计算模块、第三频率分量的功率和计算模块计算得到的峰峰值、标准差、滤除特定频率点噪声的IkHz~IOOkHz频率段分量的功率和为元素，生成3X1的在线样本向量B(k) = [PPB(k) oB(k)PFB(k)]T ； 第三马氏距离计算模块，分别计算在线样本向量B (k)到样本向量集合X(I)~X(N)的马氏距离D2BXGO ;在线样本向量B(k)到样本向量集合Y(I)~Y(N)的马氏距离D2BYGO ;在线样本向量B (k)到样本向量集合Z(I) -Z(N)的马氏距离D2BZGO ; 单次电弧检测判断模块，通过马氏距离D2BX(k)、D2BY(k)、D2BZ(k)与马氏距离阀值D2th的比较，判断是否检测出电弧； (3)电弧故障在线检测模块，包括: 循环触发单次在线检测与单次电弧检测结果计数模块，在时间宽度为AT的滑动时间窗口中，使单次电弧在线检测模块重复进行在线检测，并对电弧检出次数进行计数； 电弧故障判定模块，根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件，满足以下任意条件之一则判定电弧故障: (a)在AT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障； (b)在AT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间Tl，则判定发生电弧故障； 电弧故障信号发出模块，根据电弧故障判定模块的判断结果，发出电弧故障信号。
4.如权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于还包括电弧故障检测功能自检模块，用于在检测系统上电时进行系统自检。
5.如权利要求3所述直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于第一~第四电流交流分量检测模块及电流交流分量在线检测模块采用同一模块，第一~第三峰峰值计算模块采用同一模块；第一~第三标准差计算模块采用同一模块，第一~第三频率分量的功率和计算模块采用同一模块，第——第三IkHz~IOOkHz频率分量的计算模块采用同一模块，第一~第三滤除特定频率点噪声模块采用同一模块，第一~第三马氏距离计算模块采用同一模块。
6.如权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于直流系统电弧故障在线保护装置还包括双向限幅电路(13)，单刀双掷模拟开关(12)和电弧故障信号模拟产生电路(14)，功率电路电流交流分量检测电路(2 )连于双向限幅电路(13 )，双向限幅电路的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端Pl ;电弧故障信号模拟产生电路(14)由噪声产生电路(10)和IkHz~1OOkHz带通滤波电路(11)组成，噪声产生电路(10)的输出连于IkHz~1OOkHz带通滤波电路(11), IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11)的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P2，单刀双掷模拟开关(12)的输出连于调理电路(5)；第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示模块(7)和通讯接口(8);功率电路电流交流分量检测电路(3)由电流互感器CT和电阻Rl组成；功率电路电流交流分量检测电路(2)连于双向限幅电路(13)，双向限幅电路输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端Pl ;电弧故障信号模拟产生电路(14)由噪声产生电路(10)和IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11)组成，噪声产生电路(10)的输出连于IkHz~1OOkHz带通滤波电路(11)，IkHz~1OOkHz带通滤波电路(11)输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P2，单刀双掷模拟开关(12)输出连于调理电路(4)，微处理器(6)的第一 I/O 口连于单刀双掷模拟开关(12)的控制端。
7.如权利要求6所述的直流系统电弧故障在线检测装置，其特征在于噪声产生电路(10)由电阻R2、R3、R4、电容C1、C2和PNP三极管Tl、运算放大器Ul组成，模拟电路供电电源经电阻R2连于电容Cl和PNP三极管Tl发射极，电容Cl另一端接地，PNP三极管Tl基极经电阻R3接地，并经交流耦合电容C2连于电阻R4的一端和运算放大器Ul的正极性端，PNP三极管Tl集电极悬空，电阻R4另一端接地，Ul负极性端连于Ul输出端，Ul输出端作为噪声产生电路(10)的输出连于IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11 )，IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11)采用典型二阶有源带通滤波器。
8.一种直流系统电弧故障在线保护装置，其特征在于，所述直流系统电弧故障在线保护装置含有权利要求3所述的直流系统电弧故障在线检测装置。
9.如权利要求8所述的直流系统电弧故障在线保护装置，其特征在于还包括固态开关或机械式断路器(I)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、双向限幅电路(13)、单刀双掷模拟开关(12)、电弧故障信号模拟产生电路(14)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示(7)和通讯接口(8);功率电路电流交流分量检测电路(2)连于双向限幅电路(13)，双向限幅电路的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端Pl ;电弧故障信号模拟产生电路(14)由噪声产生电路(10)和IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11)组成，噪声产生电路(10)的输出连于IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11 )，IkHz~IOOkHz带通滤波电路(11)的输出连于单刀双掷模拟开关(12)的一个输入端P2，单刀双掷模拟开关(12)的输出连于调理电路(4)，调理电路(4)的输出连于模数转换器(5)，模数转换器(5)的输出连于微处理器(6)的功率电路交流分量输入端；微处理器(6)的第一 I/O 口连于单刀双掷模拟开关(12)的控制端；直流系统电弧故障在线保护装置的开关命令CMD接第一与门(3)的一个输入端和微处理器(6)的第二 I/O 口 ；微处理器(6)的第四I/O 口连于故障状态指不模块(7)和第一与门(3)的另一个输入端。
【文档编号】G01R31/00GK103913663SQ201410161240
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】王莉, 阮立刚 申请人:南京航空航天大学