电弧电流波形信号的还原方法及系统与流程

1.本公开涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种电弧电流波形信号的还原方法及电弧电流波形信号的还原系统。


背景技术：

2.随着电气技术的不断发展，各种类型的电气设备也随之出现，并在人们的生产和生活中起到了不可或缺的作用。如果发生电气设备故障，则可能会引发电气火灾，进而会对人们的生命和财产安全产生不利影响。其中，电气设备故障可以包括短路故障、过载故障、漏电故障和电弧故障。
3.针对短路故障、过载故障和漏电故障，分别可以通过断路器、熔断器和漏电保护器进行检测。由于上述设备较难以检测电弧故障，因此，针对电弧故障的检测技术的研究是防控电气火灾的关键。
4.在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：电弧电流波形信号的质量不高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开实施例提供了一种电弧电流波形信号的还原方法及电弧电流波形信号的还原系统。
6.本公开实施例的一个方面提供了一种电弧电流波形信号的还原方法，包括：对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号；以及，利用功率放大器处理上述初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
7.根据本公开的实施例，上述对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，包括：对上述电弧波形数据进行预处理，得到处理后的电弧波形数据；以及，利用波形发生模块处理上述处理后的电弧波形数据，得到上述初始电弧波形信号。
8.根据本公开的实施例，上述波形发生模块包括波形发生卡或波形发生器。
9.根据本公开的实施例，上述功率放大器包括交流恒流源。
10.根据本公开的实施例，上述交流恒流源包括电压电流转换模块和推挽放大模块；
11.上述利用功率放大器处理上述初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号，包括：利用上述电压电流转换模块处理上述初始电弧波形信号，得到初始电弧电流波形信号；以及，利用上述推挽放大模块处理上述初始电弧电流波形信号，得到上述目标电弧电流波形信号。
12.根据本公开的实施例，上述电压电流转换模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、调节电阻、第一电容和第二电容；上述调节电阻包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；上述第一运算放大器的同相输入端分别与上述第一电阻的第一端和上述第二电阻的第一端连接，上述第一运算放大器的反向输入端与上述第三电阻的第一端、上述第四电阻的第一端和上述第一电容的第一端连接，上述第一运算放大器的输出端
分别与上述第二运算放大器的同相输入端和上述第五电阻的第一端连接；上述第二运算放大器的反向输入端分别上述第二运算放大器的输出端和上述第一电容的第二端连接，上述第二运算放大器的输出端还分别与上述第四电阻的第二端和上述第一电容的第二端连接；上述第一电阻的第二端接地；上述第二电阻的第二端分别与上述第五电阻的第二端和上述第二电容的第一端连接；上述初始电弧波形信号通过上述第三电阻的第二端输入上述第一运算放大器的反向输入端；以及，上述目标电弧电流波形信号通过上述第二电容的第二端输入上述推挽放大模块。
13.本公开实施例的另一个方面提供了一种电弧电流波形信号的还原系统，包括：上位机，上述上位机被配置用于对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号；以及，功率放大器，上述功率放大器与上述上位机通信连接，上述功率放大器被配置用于处理上述初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
14.根据本公开的实施例，上述功率放大器包括交流恒流源。
15.根据本公开的实施例，上述交流恒流源，包括：电压电流转换模块，上述电压电流转换模块被配置用于处理上述初始电弧波形信号，得到初始电弧电流波形信号；以及，推挽放大模块，上述推挽放大模块的输入端与上述电压电流转换模块的输入端连接，上述推挽放大模块被配置用于利用上述推挽放大模块处理上述初始电弧电流波形信号，得到上述目标电弧电流波形信号。
16.根据本公开的实施例，上述电压电流转换模块，包括：第一运算放大器，上述第一运算放大器的同相输入端分别与第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接，上述第一运算放大器的反向输入端与第三电阻的第一端、第四电阻的第一端和第一电容的第一端连接，上述第一运算放大器的输出端分别与第二运算放大器的同相输入端和第五电阻的第一端连接；上述第二运算放大器，上述第二运算放大器的反向输入端分别上述第二运算放大器的输出端和上述第一电容的第二端连接，上述第二运算放大器的输出端还分别与上述第四电阻的第二端和上述第一电容的第二端连接；上述第一电阻，上述第一电阻的第二端接地；上述第二电阻，上述第二电阻的第二端分别与上述第五电阻的第二端和上述第二电容的第一端连接；上述第三电阻，上述初始电弧波形信号通过上述第三电阻的第二端输入上述第一运算放大器的反向输入端；以及，上述第二电容，上述目标电弧电流波形信号通过上述第二电容的第二端输入上述推挽放大模块。
17.根据本公开的实施例，由于对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，并利用功率放大器处理初始电弧波形信号，能够得到质量较高的目标电弧电流波形信号。
附图说明
18.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
19.图1示意性示出了根据本公开实施例的电弧电流波形信号的还原方法的流程图；
20.图2示意性示出了根据本公开实施例的电压电流转换模块的电路图；
21.图3示意性示出了根据本公开实施例的电压电流转换模块的电路图；以及
22.图4示意性示出了根据本公开实施例的电弧电流波形信号的还原系统的框图。
具体实施方式
23.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
24.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
25.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
26.在使用种似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用种似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
27.为了有效减少故障电弧引起的电气火灾，提高用电安全，保障人民的生命财产安全，开展串联交流电弧故障的检测技术的研究具有重大意义。
28.在实现本公开构思的过程中，发现由于针对串联交流电弧故障的检测技术的研究缺乏稳定可靠的数学模型，因此，针对电弧故障的检测技术的研究，利用的是实验检测的方式。由于可能需要进行大量繁琐的实验，且实验的重复性较差，因此，影响了研究工作的开展。为了向电弧故障的检测技术提供方便，以提高检测效率，发现需要较高质量的电弧电流波形信号。
29.由于针对通过实验采集得到的电弧电流波形信号来说，其较难以以实际波形信号的形式在电子设备上实现较长时间的存储，而如果将电弧电流波形信号转换为电弧波形数据，则较容易实现在电子设备上的较长时间的存储，因此，电弧电流波形信号是以电弧波形数据的形式存在的。由此，针对电弧电流波形信号的还原，需要将电弧波形数据转换为电弧电流波形信号。并进一步发现由于信号发生器提供的是电压信号，因此，电弧波形数据是与电压信号对应的波形数据。而电弧故障的检测实验需要的是电弧电流波形信号，由此，需要进行电压电流转换。并且，由于电压电流转换会可能会受到输出性能的影响，最大输出电流较小，较难以满足实验需求，因此，还需要对通过电压电流转换后的信号进行放大。
30.基于上述内容，本公开实施例提供了一种电弧电流波形信号的还原方案。即，可以对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，并利用功率放大器对初始电弧波形信号进行处理，得到目标电弧电流波。
31.图1示意性示出了根据本公开实施例的电弧电流波形信号的还原方法的流程图。
32.如图1所示，电弧电流波形信号的还原方法可以包括操作s110～s120。
33.在操作s110，对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号。
34.在操作s120，利用功率放大器处理初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
35.根据本公开的实施例，电弧波形数据的数据格式可以根据实际业务需求进行设置，在此不作限定。例如，电弧波形数据的数据格式可以为csv(comma
‑
separated values，逗号分隔值)。电弧波形数据可以是与电压信号对应的波形数据。
36.根据本公开的实施例，功率放大器可以用于实现电压电流转换和电流信号放大。功率放大器可以包括交流恒流源或其他形式的功率放大器。
37.根据本公开的实施例，可以对电弧波形数据进行数模转换，得到初始电弧波形信号，初始电弧波形信号可以理解为是初始电弧电压波形信号。在获得初始电弧波形信号之后，可以利用功率放大器对初始电弧波形信号进行电压电流转换和电流信号放大，得到目标电弧电流波形信号。
38.根据本公开的实施例，由于对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，并利用功率放大器处理初始电弧波形信号，能够得到质量较高的目标电弧电流波形信号。
39.根据本公开的实施例，对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，可以包括如下操作。
40.对电弧波形数据进行预处理，得到处理后的电弧波形数据。利用波形发生模块处理处理后的电弧波形数据，得到初始电弧波形信号。
41.根据本公开的实施例，可以利用上位机对电弧波形数据进行预处理，上位机上可以设置有labview程序，即，可以利用用于处理电弧波形数据的labview程序对电弧波形数据进行预处理。在确定labview程序中驱动配置完成的情况下，利用labview程序对电弧波形数据进行预处理，使得处理后的电弧波形数据符合波形发生模块的要求。利用labview程序控制波形发生模块对处理后的电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号。初始电弧波形信号可以理解为弱电弧信号。
42.根据本公开的实施例，波形发生模块可以包括波形发生卡或波形发生器。
43.根据本公开的实施例，波形发生卡和波形发生器的型号可以根据实际业务需求进行配置，在此不作限定。例如，波形发生卡的型号可以为m4i.6631
‑
x8。
44.根据本公开的实施例，波形发生卡的体积较小，适合与上位机结合的电弧故障研究实验。
45.根据本公开的实施例，功率放大器可以包括交流恒流源。
46.根据本公开的实施例，交流恒流源包括电压电流转换模块和推挽放大模块。
47.利用功率放大器处理初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号，可以包括如下操作。
48.利用电压电流转换模块处理初始电弧波形信号，得到初始电弧电流波形信号。利用推挽放大模块处理初始电弧电流波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
49.根据本公开的实施例，电压电流转换模块可以为基于改进型howland电流泵的转换电路。
50.根据本公开的实施例，利用包括电压电流转换模块与推挽放大模块的交流恒流源，以完成初始电弧波形信号作为电压输入，得到同比例放大的目标电弧电流波形信号的
过程。
51.图2示意性示出了根据本公开实施例的电压电流转换模块的电路图。
52.如图2所示，电压电流转换模块200可以包括第一运算放大器201、第二运算放大器202、调节电阻、第一电容203和第二电容204。调节电阻可以包括第一电阻205、第二电阻206、第三电阻207、第四电阻208和第五电阻209。
53.第一运算放大器201的同相输入端分别与第一电阻205的第一端和第二电阻206的第一端连接，第一运算放大器201的反向输入端与第三电阻207的第一端、第四电阻208的第一端和第一电容203的第一端连接，第一运算放大器201的输出端分别与第二运算放大器202的同相输入端和第五电阻209的第一端连接。
54.第二运算放大器202的反向输入端分别第二运算放大器202的输出端和第一电容203的第二端连接，第二运算放大器202的输出端还分别与第四电阻208的第二端和第一电容203的第二端连接。
55.第一电阻205的第二端接地。第二电阻206的第二端分别与第五电阻209的第二端和第二电容204的第一端连接。初始电弧波形信号通过第三电阻207的第二端输入第一运算放大器201的反向输入端。目标电弧电流波形信号通过第二电容204的第二端输入推挽放大模块。
56.根据本公开的实施例，第一运算放大器201和第二运算放大器202的型号可以根据实际业务需求进行配置，在此不作限定。例如，第一运算放大器201和第二运算放大器202的型号为opa725。
57.根据本公开的实施例，调节电阻可以用于进行增益调节。调节电阻包括的第一电阻205、第二电阻206、第三电阻207、第四电阻208和第五电阻209的阻值可以相同或不同。例如，第一电阻205、第三电阻207和第四电阻208的阻值可以相同，第二电阻206和第五电阻209的阻值可以相同。
58.根据本公开的实施例，第一电容203可以用于防止在两条反馈回路中出现较大容性负载的情况下，产生振荡。第二电容204可以用于滤波。
59.根据本公开的实施例，第一运算放大器201和第二运算放大器202工作在线性区间。可以利用根据如下公式(1)～(8)实现处理初始电弧波形信号，得到初始电弧电流波形信号。
[0060][0061][0062]
v
1+
＝v1‑
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
其中，r1表示第一电阻205的阻值，r2表示第二电阻206的阻值，r3表示第三电阻207的阻值，r4表示第四电阻208的阻值，u0表示初始电弧波形信号。v
out
输出电压。v
1+
表示第一运算放大器201的同相端电压。v1‑
表示第一运算放大器201的反向端电压。v1表示第一运算放大器201的输出电压。r1＝r3＝r4＝2r2＝2r5，r5表示第五电阻209的阻值。
[0064]
根据公式(1)～(3)，可以得到公式(4)。
[0065][0066]
根据节点kcl方程，可以得到公式(5)。
[0067][0068]
其中，i
out
表示初始电弧电流波形信号。
[0069]
将公式(5)带入公式(4)可得公式(6)。
[0070][0071]
由于r1＝r3＝r4＝2r2＝2r5，因此，可以得到公式(7)。
[0072]
r1r4＝r3(r4+r5)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0073]
根据公式(7)，可以将公式(5)表示为公式(8)。
[0074][0075]
根据本公开的实施例，在第一运算放大器的负反馈电路中加入了第二运算放大器，进而构成了电压电流转换模块，减少了第一运算放大器的负反馈回路的电流损耗，提高了电路输出阻抗。
[0076]
图3示意性示出了根据本公开实施例的电压电流转换模块的电路图。
[0077]
如图3所示，推挽放大模块300可以包括第一电源301、第二电源302、第一二极管303、第二二极管304、第一三极管305、第二三极管306、第三三极管307、第六电阻308、第七电阻309和第八电阻310。
[0078]
第一电源301的第一端接地，第一电源301的第二端分别与第六电阻308的第一端和第一三极管305的第一端连接。
[0079]
第一二极管303的第一端分别与第六电阻308的第二端和第一三极管305的第二端连接。
[0080]
第七电阻309的第一端分别与第一三极管305的第三端和第二三极管306的第一端连接，第七电阻309的第二端接地。
[0081]
第二二极管304的第一端与第一二极管303的第二端连接。第二二极管304的第二端分别与第二三极管306的第二端和第三三极管307的第一端连接。
[0082]
第三三极管307的第二端与第八电阻310的第一端连接，第二三极管306的第三端为输入端。
[0083]
第二电源302的第一端分别与第二三极管306的第三端和第八电阻310的第二端连接。第二电源302的第二端接地。
[0084]
根据本公开的实施例，第一电源301和第二电源302可以用于形成双电源互补对称电路。第一三极管305和第二三极管306可以为bjt(bipolar junction transistor，双极结型晶体管)或mosfet(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor，金氧半场
效晶体管)，两者可以以推挽方式存在于推挽放大模块300中。第一三极管305和第二三极管306分别负责正半周和负半周波形的放大任务。第一三极管305和第二三极管306具有传导损耗较低和效率较高的特点。第一三极管305和第二三极管306可以是参数相同和方向相反的三极管。第一三极管305和第二三极管306的型号可以根据实际业务需求进行配置，在此不作限定。例如，第一三极管305的型号可以为mpsa92。第二三极管306的型号为mpsa42。
[0085]
根据本公开的实施例，第一二极管303和第二二极管304可以用于建立一定的直流偏置，偏置电压大于第一三极管305和第二三极管306的死区电压，以克服交越失真。在此情况下，第一三极管305和第二三极管306可以均工作于甲乙类状态。甲乙类状态是指三极管的静态工作点设置在截至区和饱和区之间，靠近截止点的放大电路。推挽放大模块300中的放大电路中的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。甲乙类状态能够解决乙类放大器的交越失真问题，效率比甲类放大器高。
[0086]
根据本公开的实施例，在输入初始电弧电流信号i
out
的情况下，第一二极管303和第二二极管304的电阻较小，可以视为短路，从而确保第一三极管305和第二三极管306的基极的输入信号的幅度基本相等。
[0087]
根据本公开的实施例，利用包括电压电流转换模块和推挽放大模块的交流恒流源处理初始电弧波形信号，便可以得到符合电弧检测实验要求的目标电弧电流波形信号。
[0088]
图4示意性示出了根据本公开实施例的电弧电流波形信号的还原系统的框图。
[0089]
如图4所示，电弧电流波形信号的还原系统400可以包括上位机410和功率放大器420。
[0090]
上位机410，上位机410被配置用于对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号。
[0091]
功率放大器420，功率放大器420与上位机通信连接，功率放大器被配置用于处理初始电弧波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
[0092]
根据本公开的实施例，由于对电弧波形数据进行处理，得到初始电弧波形信号，并利用功率放大器处理初始电弧波形信号，能够得到质量较高的目标电弧电流波形信号。
[0093]
根据本公开的实施例，功率放大器420可以包括交流恒流源。
[0094]
根据本公开的实施例，交流恒流源可以包括电压电流转换模块200和推挽放大模块300。
[0095]
电压电流转换模块，电压电流转换模块被配置用于处理初始电弧波形信号，得到初始电弧电流波形信号。
[0096]
推挽放大模块，推挽放大模块的输入端与电压电流转换模块的输入端连接，推挽放大模块被配置用于利用推挽放大模块处理初始电弧电流波形信号，得到目标电弧电流波形信号。
[0097]
根据本公开的实施例，如图2所示，电压电流转换模块200可以包括第一运算放大器201、第二运算放大器202、调节电阻、第一电容203和第二电容204。调节电阻包括第一电阻205、第二电阻206、第三电阻207、第四电阻208和第五电阻209。
[0098]
第一运算放大器201第一运算放大器201的同相输入端分别与第一电阻205的第一端和第二电阻206的第一端连接，第一运算放大器201的反向输入端与第三电阻207的第一端、第四电阻208的第一端和第一电容203的第一端连接，第一运算放大器201的输出端分别
与第二运算放大器202的同相输入端和第五电阻209的第一端连接。
[0099]
第二运算放大器202第二运算放大器202的反向输入端分别第二运算放大器202的输出端和第一电容203的第二端连接，第二运算放大器202的输出端还分别与第四电阻208的第二端和第一电容203的第二端连接。
[0100]
第一电阻205第一电阻205的第二端接地。
[0101]
第二电阻206第二电阻206的第二端分别与第五电阻209的第二端和第二电容204的第一端连接。
[0102]
第三电阻207初始电弧波形信号通过第三电阻207的第二端输入第一运算放大器201的反向输入端。
[0103]
第二电容204目标电弧电流波形信号通过第二电容204的第二端输入推挽放大模块300。
[0104]
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。