一种适于交直流漏电检测的复杂波形信号处理方法与流程

本发明属于交直流漏电检测领域，主要涉及一种直流漏电和交流漏电的复合检测装置和信号处理方法。

背景技术：

随着经济发展，电力行业发展迅速，各类家用电器的规模也日渐丰富，保证住户的用电安全变的尤为重要。在目前的用电环境中，剩余电流包括低频交流、高频交流、直流信号等，其中交流剩余电流对人身危害极大，50ma/s即产生心室颤抖。随着用电类型的增多，目前的直流电应用广泛，包括直流充电桩、变频电机等，家用的如某些类型的笔记本、微波炉、洗衣机等，直流剩余电流检测的问题同样变的重要。造成直流漏电的原因有很多，比如二次回路绝缘材料不合格，或年久失修、严重老化，设备损伤缺陷，二次回路及设备受潮、进水等原因。目前国内的漏电保护器主要为ac型，ac型漏电只能检测交流漏电，不能检测出直流漏电电流，同时ac型漏电保护器并未覆盖高频漏电电流的检测，因此现有的漏电保护器存在着安全保护上的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于交直流漏电检测的信号处理算法，能够有效检测交直流漏电电流，并且适用于任何材质的磁芯。为达到上述目的，在本发明中采用h桥驱动模块对磁芯进行激励，当h桥输出正负电平时为磁芯施加双向的方波激励，使得磁芯进入饱和区，检测直流和低频交流；当输出低电平时，采用纯感应的方式检测交流。对采样信号进行放大，通过ad转换为数字信号。在信号处理上，将所述采样信号的处理分为直流检测通道、低频电流检测通道以及高频电流检测通道。

(一)当处于直流检测模式时：

步骤1：采用方波进行同步，用于区分磁芯正向激励时的响应信号和负向激励时的响应信号；

步骤2：分别提取方波上升沿和下降沿对应的检测信号中的有效数据；

步骤3：求上升沿和下降沿有效数据的均值；

步骤4：解调，将上升沿与下降沿有效数据均值做差

步骤5：将解调值yi与阈值进行比较对比较结果计数；

步骤6：加窗，对窗口内解调序列进行处理；

步骤7：计算窗口内解调序列对应的直流值；

步骤8：计算窗口内解调序列对应的50hz的交流值；

步骤9：对估计的50hz交流电流和直流电流值进行校正。

(二)处于低频交流检测模式时：

步骤1：ad采样信号通过低通滤波器进行滤波；

步骤2：对ad采样信号进行下采样；

步骤3：将采样的信号电压与软件设定的阈值thr1进行比较并计数，当连续一段时间内的计数超过一定值后，由硬件产生中断信号给cpu。

步骤4：对下采样后的数据进行加窗，分析窗口内的数据序列；

步骤5：对窗口内的数据序列做fft；

步骤6：对fft后获得的各个频点的幅值进行校正，获得真实的各个频点的漏电电流。

(三)处于高频检测通道时：

步骤1：将ad采样信号通过带通滤波器；

步骤2：对采样数据加窗，为复用低频检测通道fft，加窗后保证与低频信号的加窗后的点数一致；

步骤3：对窗口内的数据序列做fft，取频点为20.5～150khz的fft通道进行后续处理；

附图说明

图1是本发明中提出的交直流漏电检测算法框图。

图2是本发明中的交直流检测h桥驱动电路方案。

图3是本发明中采用激励方波进行同步的示意图。

图4是本发明中有无直流漏电时的信号差异图。

图5是本发明中直流检测通道中分别提取上升沿和下降沿有效数据的示意图。

图6是本发明中估计的直流漏电值与真实的直流漏电值之间的关系图。

具体实施方式

下面结合图2的h桥驱动检测电路方案和图1的交直流检测算法框图对本发明所提出的交直流漏电检测方案和信号处理方法进行说明。

如图2中所示，其中线圈n1表示激励和检测复用的线圈绕组，n2表示漏电电流的绕组，在电阻rs上采集电流信号。在直流检测时，通过h桥对磁芯施加双向的方波激励，通过磁芯双向进入饱和区来测量直流和低频交流。当在交流检测模式时，h桥输出低电平，此时通过纯感应的形式测量交流漏电信号。将采样电阻rs上采集到的信号进行放大，然后通过ad将采样信号转为数字信号，通过处理直流检测和交流检测的结果，得到整体的剩余电流值。

当发生直流漏电时，采样电阻上检测到的信号变化如图3所示，其中虚线表示发生100ma直流漏电的信号波形，实线表示的是无漏电信号的波形，可见，漏电时信号发生了上下的偏移。当检测低频漏电电流时，交流信号可以看作由不同时间片段的直流信号拼接而成。

根据上述现象和原理，本发明提出的直流漏电检测通道的处理方法流程如下：

步骤1：使用激励方波进行信号同步。如图4中所示，利用激励方波的上升沿和下降沿时刻，用于区分磁芯正向激励时的响应信号和负向激励时的响应信号。横轴表示ad采样后的数据序号，纵轴表示电阻r上的电压值。

步骤2：如图5中所示，分别提取方波上升沿和下降沿对应的检测信号中的有效数据，其中变化缓慢的平坦区域为有效数据区域，其中图中横轴表示ad采样后数据的序号，纵轴表示电压幅值。

步骤3：求上升沿和下降沿有效数据的均值。

假设上一步中提取的上升沿对应的有效序列为xp＝[xp0,xp1,xp2,...,xp(n1-1)]，

下降沿提取出来的对应的有效序列为xn＝[xn0,xn1,xn2,...,xn(n2-1)]，

对上升沿和下降沿提取的有效序列分别求均值，有

经过上述操作，每一个激励方波周期输出两个均值，分别为上升沿有效数据均值和下降沿有效数据均值

步骤4：解调，上升沿和下降沿的均值做差：

其中和为步骤3中输出的上升沿有效数据均值和下降沿有效数据均值；

步骤5：将解调值与阈值比较并计数，将yi与提前设定的阈值进行比较，

当yi连续超过阈值一定数量后，认为产生突加大电流，直接从当前位置开始加窗，然后对窗口内数据进行分析或者直接脱扣动作。

步骤5：对输出序列y加窗：

上述的解调点为每一个方波周期对应的电流值，对解调出来的序列进行加窗，假设窗口时间长度为ts，假设方波频率为f，则20ms的窗口内的数据数量为

步骤6：估算窗口内的直流值：

假设窗口内的解调点的序列为y＝[y0,y1,...,yl-1]，l为窗口内的数据长度。通过对窗口内的解调序列求均值得到直流量。

当检测绕组线圈匝数为n1且采样电阻值为r时，直流电流初始估计值

步骤7：计算直流检测模式时的50hz的交流值：

为了应对突加大电流的情况，直流检测中只针对50hz频点计算幅值，然后对初步估计进行校正。

步骤8：交直流估计值校正：

对前两步的交直流估计值进行线性校正以获得真实的直流漏电电流和

50hz漏电电流。图6中所示为估计的与真实电流值之间为线性关系，因此可以通过线性校正的方式得到真实的直流漏电的电流值。

(二)当切换到低频交流通道检测时，该通道的处理流程如下：

步骤1：ad采样的信号首先经过低通滤波器，滤除高频部分，同时作为下采样的抗混叠滤波；

步骤2：在该实施例中，采用ad采样速率为1msps，对ad采样信号进行下采样；

步骤3：针对当前处于交流检测模式时，出现突加大直流或突加大交流的情况，将采样的信号电压与软件设定的阈值thr1进行比较，当超过该阈值时进行计数，当连续一段时间内的计数超过一定值后，由硬件产生中断信号给cpu，由软件控制检测模式的切换或直接进行脱扣动作。

步骤4：加窗，添加20ms的窗，可以选用汉明窗、汉宁窗或者矩形窗等；

步骤5：对窗口内的数据做fft分析，对fft各通道的结果取绝对值，然后将提取的各个通道绝对值除以n，其中n为fft点数，得到各个频点上的漏电信号的幅值。

对所提取的通道而言：

其中k∈{0，1,2，...,n-1}。

步骤6：对50hz的信号进行校正，然后整体校正，得到各个频点的信号幅值。

(三)当切换到高频检测通道时，该通道的检测流程如下：

步骤1：采样信号首先通过带通滤波器；

步骤2：加窗。为了复用低频fft，窗口长度为2ms，保证窗口内的数据点数是一致的。

步骤3：对窗口内的数据做fft分析，并对fft结果取绝对值，得到各频点的漏电信号幅度信息；

对所提取的通道而言：

其中n为窗口内的数据点数，k∈{0，1,2，...,n-1}。

(四)对上述各检测模式计算得到的直流漏电值和交流漏电值进行判断，当各个频点超过一定阈值或总体的有效值超过一定阈值后，即可判断为产生了漏电故障。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。