使用经时间分段的捕获的改进的电弧故障检测的制作方法

本公开涉及一种用于改进电弧故障检测的方法和系统，并且更具体地，涉及一种用于改进分支电路中电弧故障检测和电力线通信(powerlinecommunication，plc)的互操作性的方法和系统。

背景技术：

电力线通信(plc)设备可用于诸如住宅(例如，房屋、公寓、公寓楼等)的建筑物中，以实现跨电力系统基础设施(诸如，(多个)分支电路的电力线或不同分支之间的电力线)的数据通信。plc设备在一定频率范围内进行通信，例如，在某些给定的监管管辖区范围内，从1.8mhz到30mhz，最高可达86mhz(例如，参见homeplugavx和homepluggreenphy)的范围内。plc设备使用的电力线通信协议可以包括例如ieee1901、ieeep1901.2、homepluggp/av/av2/1.0、g.hn或g.hnem。当plc设备与电弧故障断路器(arcfaultcircuitinterrupter，afci)设备一起用于建筑物或其他结构中时，plc信号的存在，尤其是它们的载波信号的高频信号内容，可能会被afci设备无意中解释为电弧故障信号，因此，可能导致afci的有害跳闸。因此，在高频范围内，例如在可能潜在地掩盖任何电弧形成(arcing)信号的大于或等于1mhz的频率范围内，plc信号和其他高频噪声可能会干扰电弧故障检测。

一种检测电力线载波存在的方法是基于电力线载波的高频信号内容的接收信号强度指示器(receivesignalstrengthindicator，rssi)。然而，由于rssi不包含频率信息，rssi方法似乎并不稳健，因此，从信号强度的角度来看，任何电弧故障信号都可能看起来像plc信号，反之亦然。

另一种检测方法包括选择与电力线载波的陷波带之一对应的频率区域(例如，区域、频段等)。陷波带代表plc设备不能启用或使用来进行通信的窄频率区域。然而，这种检测方法只允许小窗口(例如，窄频率区域)用于检测电弧形成信号。此外，这样的频率区域可能被无线电台(例如，业余无线电)使用，或者与可能导致实质性灵敏度问题的网络阻抗(谐振/反谐振)点对应。

技术实现要素：

为了解决这些和其他缺点，提供了一种检测方法和系统(为简洁起见，以下简称为“系统”)，用于从电力线上的高频信号中检测电弧故障信号。总体来说，系统在预定义时间段(例如，半个周期)内对来自电力线的高频信号进行采样，并在该预定义时间段内将采样的高频信号划分成更小时间间隔的信号段。例如，电弧故障检测系统将被监测的高频信号划分成经时间分段(time-segmented)的信号段的序列，其中在预定义时间段内，n可以等于高频信号的信号段的最大数量。系统滤除每个信号段中已知承载电力线通信(plc)的频率区域，并且确定在每个滤波后的信号段中是否存在可能反映电弧故障信号的高频信号内容。以这种方式，可以针对采样的高频信号获得预定义时间段上的高频信号内容分布，其中plc频率区域已经在每个信号段中被滤除。然后，系统可以基于预定义时间段内滤波后的信号段的内容分布来检测电弧故障信号的存在或不存在。例如，如果在预定时间段内具有高频信号内容的滤波后的信号段的数量满足阈值条件，则检测到电弧故障信号。当检测到电弧故障信号时，输电线的电力被中断。

该系统可以监测和评估电力线上的在高频范围内的信号，该范围通常比低频范围噪声少，并且更少遭受来自(多个)负载的噪声注入。该系统还可以区分常见的高频负载噪声和电力线载波，以便促成对电力线上的电弧故障信号的高频监测。

在该系统的一个方面，在第一预定义时间段(例如，基频的半个周期)内，在电力线上监测到高频信号，并且在该预定义时间段内，高频信号被划分成更小时间间隔的多个经时间分段的信号段。对于每个信号段，系统1)将第一滤波器应用于信号段的信号频谱，以产生从信号频谱中滤波的具有与电力线通信相关联的一个或多个频率间隔的第一滤波后信号频谱，2)在信号段的第一滤波后信号频谱中检查高频信号内容，以及3)基于第一滤波后信号频谱中高频信号内容的存在或不存在，将第一二进制值分配给信号段。信号频谱是例如频域中信号的表示。此后，基于第一预定义时间段中的多个信号段的第一二进制值，做出高频信号是否包括电弧故障信号的确定。当检测到电弧故障信号时，电力线上的电力被中断。该系统可以在断路器中实现。

第一滤波器可以是掩模(也称为第一掩模)，例如其可以是用于接受或拒绝另一数据集中的位模式(bitpattern)的位模式。第一掩模可以应用于信号频谱的数据集，例如在频域中，以计算接受或拒绝与电力线通信相关联的频率间隔(或其值)的滤波后信号频谱。掩模的模式可以以矢量形式表示，例如掩模矢量。

在进一步的示例实施例中，当为每个信号段分配第一二进制值时，系统还可以被配置成：确定信号段的第一滤波后信号频谱的能量的相对幅度；将能量的相对幅度与第一频谱能量阈值进行比较，以确定信号段中高频信号内容的存在或不存在；以及基于该比较将第一二进制值分配给信号段。例如，“1”的二进制值可以分配给确定存在高频信号内容的段。

对于每个信号段，系统还可以被配置成将第二滤波器(例如，第二掩模)应用于信号段的信号频谱，以便产生具有与电力线通信相关联的一个或多个频率间隔的第二滤波后信号频谱，其中第二滤波器是第一滤波器的逆。然后，系统可以在信号段的第二滤波后信号频谱中检查高频信号内容，并且基于信号段的第二滤波后信号频谱中高频信号内容的存在或不存在，将第二二进制值分配给信号段。该系统还可以基于第一时段中的多个信号段的第二二进制值来调整第一频谱能量阈值。调整后的第一频谱能量阈值用于在第一预定义时间段之后的时间段内评估电力线上的高频信号。

当为每个信号段分配第二二进制值时，系统可以被配置成：确定信号段的第二滤波后信号频谱的能量的相对幅度；将第二滤波后信号频谱的能量的相对幅度与第二频谱能量阈值进行比较，以用于确定信号段中高频信号内容的存在或不存在；以及基于该比较将第二二进制值分配给信号段。基于二进制值，可以动态调整系统的电弧故障检测灵敏度，以补偿电力线网络上的plc噪声或其他良性噪声的存在或不存在，例如，通过调整第一频谱能量阈值。

此外，当确定高频信号是否包括电弧故障信号时，系统可以被配置成：基于第一二进制值对高频信号内容在预定义时间段内存在的次数进行计数；将预定义时间段内高频信号内容存在的次数(在每个信号段的第一滤波信号频谱中)与至少第一高频阈值进行比较；以及当满足第一高频阈值的条件时检测电弧故障信号。

第一高频阈值可以与电力线上的负载(例如，负载阈值)相关联，第二高频阈值可以与电力线上的电弧形成(例如，电弧阈值)相关联。当确定高频信号是否包括电弧故障信号时，系统还被配置成当满足第一高频阈值时，将预定义时间段内高频信号内容存在的次数(在每个信号段的第一滤波后信号频谱中)与第二高频阈值进行比较。当第一和第二高频阈值的条件都满足时，系统可以检测电弧故障信号。

此外，该系统可以被配置成根据来自第一预定义时间段的信号段的第一二进制值序列生成二进制字(binaryword)。当不满足第一高频阈值时，系统还可以评估二进制字以检测电弧故障信号的出现。例如，可以将二进制字与一个或多个预定义字模式进行比较，以检测高频信号中电弧故障信号的出现或不出现。预定义字模式可以与电弧故障事件或非电弧故障事件(例如，负载事件)的已知模式对应。

预定义时间段可以是基频(例如，电力线频率为50或60hz)的半个周期。可以使用傅立叶变换或余弦变换为每个信号段生成频域中的信号频谱，并且如果需要，可以在断路器中执行所有的监测、划分、应用、检查、分配和确定操作。

附图说明

各种具体实施方式的描述结合附图来解释。

图1示出了具有电弧故障检测系统的断路器的框图，该电弧故障检测系统用于监测电力线上的高频信号，并且通过将在预定义时间段内监测到的高频信号划分成更小的信号段以及针对高频信号内容评估信号段来检测电弧故障信号。

图2示出了图1的电弧故障检测系统的模拟前端和信号段处理逻辑的组件的框图。

图3示出了诸如图1和图2中的电弧故障检测系统的信号段处理逻辑的组件的功能框图，该信号段处理逻辑执行高频信号的信号段处理。

图4示出了诸如图3中的电弧故障检测系统的掩模功能块的扩展视图。

图5示出了掩模矢量的示例。

图6示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统实施的示例过程的流程图，通过该示例过程，从在电力线上监测到的高频信号中检测电弧故障信号。

图7示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统实施的示例过程的流程图，通过该示例过程，诸如在图6的示例过程中的信号段处理。

图8示出了诸如通过图7的过程，针对在一段时间内(例如，基频的半个周期)监测到的高频信号生成的示例二进制字。

图9示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统实施的示例过程的流程图，该示例过程用于将监测到的高频信号分类为包含电弧故障信号或非电弧故障信号。

图10示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统实施的示例过程的流程图，通过该示例过程，在信号段处理中用于检测电弧故障信号内容的频谱能量阈值根据本公开的示例实施例被调整。

图11示出了在信号段处理中用于检测电弧故障信号内容的频谱能量阈值的滞后曲线。

图12示出了反映基频的半个周期内的示例监测到的具有plc和电弧形成信号的高频信号的示例快照的三个曲线图，其中第一个曲线图示出了原始hf电流与样本/半个周期的关系，第二个曲线图示出了电弧存在于半个周期中的信号段的关系，第三个曲线图示出了plc存在与半个周期中的信号段的关系。

图13示出了反映基频的半个周期内的示例监测到的具有plc但不具有电弧形成信号的高频信号的示例快照的三个曲线图，其中第一个曲线图示出了原始hf电流与样本/半个周期的关系，第二个曲线图示出了电弧存在与半个周期中的信号段的关系，第三个曲线图示出了plc存在与半个周期中的信号段的关系。

具体实施方式

提供了一种电弧故障检测方法和系统(以下简称“系统”)，其即使在电路的电力线上由电弧故障以外的源生成高频分量(诸如高频范围内的plc和其他普通射频(rf)通信(例如业余无线电))的情况下，也监测和分析电力线上的高频信号，以检测电力线上的电弧故障信号。根据本发明的各方面，该系统被配置成将在预定义时间段(例如，基频的半个周期)内在电力线上监测到的高频信号划分为预定义时间段内的多个更短时间的信号段。然后信号段(例如，有时称为信号段、间隔、码片等)针对在感兴趣的频率范围或区域中高频信号内容的存在而被评估。因为电力线通信和其他常见高频噪声的频谱是已知的或者可以事先确定的，所以在针对高频内容(例如，潜在的电弧故障信号内容)进行信号段的评估之前，可以利用滤波器(例如，掩模)从每个信号段的信号频谱中滤除plc工作频率区域。例如，当检查电弧故障信号内容时，通过忽略信号频谱的良性频率区域(例如，plc载波的间隔或区间)中的载波能量，可以将掩模应用于信号段的频谱，以产生滤波后信号频谱。

此后，系统可以对每个信号段应用二进制分类，以获得预定义时间段内的信号内容分布。例如，每个信号段被分配二进制值，例如0或1，该二进制值根据滤波后信号频谱的能量的相对幅度来识别信号段中感兴趣的高频信号内容的存在或不存在。然后，系统可以基于预定义时间段内信号段的二进制值来检测电力线上电弧故障信号的存在。例如，当二进制值反映在预定义时间段内在大量信号段或特定二进制值模式(例如，特定二进制字)中存在潜在的电弧故障信号内容时，系统可以确定高频信号中电弧故障信号的存在(或不存在)。当检测到电弧故障信号时，可以通过触发断路器的跳闸机构(例如，开关等)来中断电力线上的电力。

因此，本文的系统可以在高频区域(例如，大于1mhz，或在1mhz和100mhz之间)执行电弧故障检测，同时减少可能由plc通信或其他常见高频噪声引起的有害电弧故障检测和跳闸的可能性，其中该高频区域通常比电力线上的更低频率区域包含更少的负载噪声。该系统还可以以高效和经济有效的方式在断路器中实施或者与断路器结合实施。下面将参照图1-图13中的示例描述系统的这些和其他特征的示例。

图1示出了具有电弧故障检测系统的断路器100的框图，该电弧故障检测系统用于监测受保护电路20的ac电力线10(例如，具有50或60hz电力线的基频)上的高频信号。断路器100包括控制器110、用于从高频(highfrequency，hf)电流传感器180接收信号的模拟前端(analogfrontend，afe)120、信号段处理逻辑122、存储器130、通过通信介质与远程设备通信的通信接口140、用户接口150、用于为断路器100的组件供电的电源160、以及用于中断受保护电路20的上游的电力线10上的电力的跳闸机构170。用户界面150可以包括on/off开关152(例如，手柄)、用于测试断路器的按压测试(push-totest，ptt)按钮、以及用于指示断路器的状态(例如，开、关、复位、跳闸等)或其他断路器信息的一个或多个led156或其他指示器。hf电流传感器180可以是用于测量电力线上的高频信号的高频电流传感器，诸如罗戈夫斯基线圈(rogowskicoil)或其他传感器。

在断路器100中，模拟前端120、信号段处理逻辑122、控制器110和存储器130可以一起操作以提供电弧故障检测系统，该系统被配置成检测电力线10上高频范围内的电弧故障信号。模拟前端120被配置成从hf电流传感器180接收和监测期望的(多个)高频区域中的高频信号，并且可以是包括(多个)带通滤波器的射频(radiofrequency，rf)接收器。

信号段处理逻辑122的操作可以在asic或fpga或其他专用信号处理模块中实施。信号段处理逻辑122操作以将在预定义时间段(例如，基频的半个周期)内通过模拟前端120接收的高频信号划分成更小时间间隔的多个经时间分段的信号段，并且检测每个信号段中感兴趣频率区域中的高频信号内容的存在或不存在。

例如，通常，信号段处理逻辑122可以针对每个信号段生成信号频谱，然后对信号频谱实施两个并行的子处理，以在每个信号段中检测两种不同类型的信号内容。如本文所讨论的，信号频谱是期望的域(例如，频域)中的信号的表示。一个子过程，本文称为“arc”子过程，用于检测每个信号段中潜在的电弧故障频率信号分量，以便检测电力线上电弧故障信号的存在或不存在。另一子过程，本文称为“hf”子过程，用于检测每个信号段中的plc频率信号分量(以及其他良性噪声，如果需要的话)，以便根据电力线网络上的噪声水平动态地调整由arc子过程执行的对电弧故障信号分量的检测的灵敏度水平(例如，通过调整频谱能量阈值(tha)。例如，在操作中，信号段处理逻辑122可以经由arc子过程输出arc二进制值，以反映每个信号段的潜在电弧故障信号分量的存在或不存在，并且可以经由hf子过程输出hf二进制值，以反映plc频率信号分量或其他良性噪声的存在或不存在。信号段处理逻辑122还可以在预定义时间段内输出每个子过程的所有二进制值的累加值，例如，arc累加和hf累加。出于解释的目的，术语arc和hf在本文的某些情况下被用作形容词，以描述与相应子过程相关联的过程或数据。信号段处理逻辑122的示例操作(包括其子过程)将在下面参考图3至图8更详细地描述。

控制器110被配置成接收每个信号段的(多个)二进制值、arc和hf子过程的二进制值的累加、或与其相关联的数据，以基于arc二进制值检测被监测的高频信号中电弧故障信号的存在或不存在，并且调整由信号段处理逻辑112的arc子过程应用的信号频谱阈值。控制器110还被配置成启动断路器跳闸操作，其在某些条件下，包括当检测到电弧故障信号的存在时，经由跳闸机构170中断电力线10上的电力。控制器还被配置成控制断路器100的包括经由通信接口140进行通信(例如，以接收或发送命令或状态信息/报告)的其他操作、执行基于用户通过用户接口150输入的动作、诸如经由led156或其他输出设备输出断路器的状态、以及执行断路器的与电弧故障检测和电力中断相关的其他操作。下面参考图9至图11更详细地描述控制器110的示例操作。

存储器130可以存储计算机可执行代码或程序或软件，当由控制器110执行时，其控制断路器100的操作，包括电弧故障检测操作和其他断路器操作，例如电路中断。存储器130还可以存储断路器100或其组件用来执行本文描述的操作的其他数据。其他数据可以包括但不限于阈值、滤波器/掩模、阈值滞后、其他断路器数据以及本文讨论的其他数据。

图2示出了根据本公开示例实施例的图1的电弧故障检测系统的模拟前端120和信号段处理逻辑122的组件的框图。模拟前端120可以包括射频(rf)前端200(例如rf接收器)和带通滤波器202，它们一起执行信号调节并且缩小rf前端200从hf电流传感器180接收的信号的频率范围。

信号段处理逻辑122可以包括模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)210，以将来自模拟前端120的模拟信号转换成数字信号，用于由段处理模块220进行信号段处理。例如，adc210可以具有最大频率范围的奈奎斯特速率的采样率(例如，100mhz的两倍)。例如，在100mhz时，这些信号没有显著衰减，因此，它们可以用hf电流传感器等检测。在采样侧，奈奎斯特采样率可以至少为200mhz，以观察100mhz信号上的内容。100mhz的限制是任意的最大限制。本文的电弧故障检测系统能够以30mhz操作来检测大多数plcav1和绿色phy载波，并以100mhz操作来检测av2.0。

如本文所述，段处理模块220可以被配置成执行信号段处理逻辑122的各种信号处理功能和特征。控制器110接收来自信号段处理逻辑122的输出，例如电力线10上被监测的高频信号的信号段的arc二进制值和/或hf二进制值。

图3示出了根据本公开示例实施例的诸如图1和图2中的电弧故障检测系统的信号段处理逻辑122的组件的功能框图，其获得在预定义时间段(例如，电力传输的基频的半个周期)内监测的高频信号的每个信号段并对其执行信号段处理。

在框302，获得信号段(例如，从图2中的adc210)。在框304，针对每个信号段生成信号频谱。在该示例中，使用快速傅立叶变换(例如，fft模块)处理信号段，快速傅立叶变换模块计算信号段的信号频谱的幅度。在框306，两个独立的掩模，hf掩模和arc掩模，被应用于信号段的信号频谱，以产生相应的滤波后信号频谱，这些频谱将被并行处理。在arc子过程中使用arc掩模来生成信号段的arc滤波后信号频谱(例如，xa)，而不考虑或忽略与电力线通信相关联的频率区域。hf掩模用于hf子过程，以生成具有与电力线通信相关联的频率区域的信号段的hf滤波后信号频谱。

在电弧故障检测子过程(也称为arc子过程)中，arc滤波后信号频谱随后被处理以确定arc滤波后信号频谱的能量的相对幅度。例如，在框320，arc滤波后信号频谱的幅度的平方的和(例如,y2＝∑x²)被计算，并用作信号段的滤波后信号频谱的相对幅度。可替换地，arc滤波后信号频谱可以提供给自动相关器(auto-correlator，acr)以确定幅度的最大峰值，其可以替代地被用作相对幅度。acr可以计算等同于样本平方和的能量，例如，在应用掩模之后计算信号频谱矢量的能量。在框322，将相对幅度与例如tha(见图9)的频谱能量阈值进行比较，以确定在arc滤波后信号频谱中高频信号内容的存在和不存在。在框324，arc滤波后信号频谱被转换成二进制值，以反映其中高频信号内容(例如，在这种情况下，潜在的电弧故障信号分量)的存在或不存在。例如，当相对幅度反映在arc滤波后信号频谱中存在高频信号内容时，arc滤波后信号频谱被分配二进制值“1”，当相对幅度反映在arc滤波后信号频谱中不存在高频信号内容时，arc滤波后信号频谱被分配二进制值“0”，反之亦然。对于在预定义时间段(例如，基频的半个周期)内分配的全部数量(例如，n)的信号段，重复上述框320、322和324。

在框326，二进制值输出的集合被馈送到arc求和模块(例如，∑arc_segs)，其可以将数据转换成控制器110可用的格式，例如足以表示最大的信号段编号(n)(等于50)的字节。arc求和模块可以累加高频信号内容存在或不存在的次数(例如，seg_acc)，并将累加的值和/或由预定义时间段(例如，半周期)内的信号段的二进制值的序列形成的二进制字传递给控制器110。控制器110评估代表二进制值的数据，基于二进制值检测电弧故障信号在预定义时间段内监测的检测高频信号中存在或不存在，并且当检测到电弧故障信号的存在时，经由跳闸机构中断或引起电力线上的电力中断。

如图3进一步示出的，在预定义时间段内对每个信号段的hf滤波后信号频谱(例如，xp)执行并行操作，以确定电力线网络上的噪声水平，其用来基于噪声水平调整arc子过程的检测灵敏度(例如，调整阈值tha)。例如，在框310，hf滤波后信号频谱的幅度的平方之和(例如，y＝∑x²)被计算，并用作滤波后信号频谱能量的相对幅度。可替换地，hf滤波后信号频谱可以提供给自动相关器(acr)，以确定幅度的最大峰值，其可以替代地用作相对幅度。在框312，将相对幅度与频谱能量阈值(例如，thh)进行比较，以确定hf滤波后信号频谱中高频信号内容的存在或不存在。在框314，hf滤波后信号频谱被转换成二进制值，以反映其中高频信号内容(例如，在这种情况下，plc载波)的存在或不存在。例如，当相对幅度反映hf滤波后信号频谱中高频信号内容的存在时，hf滤波后信号频谱可以被分配二进制值“1”，当相对幅度反映hf滤波后信号频谱中高频信号内容的不存在时，hf滤波后信号频谱可以被分配二进制值“0”，反之亦然。对于在预定义时间段(例如，基频的半个周期)内分配的全部数量(例如，n)的信号段，重复上述框310、312和314。

在框316，二进制值输出的集合被馈送到hf求和模块(例如，∑hf_segs)，其可以将数据转换成控制器110可用的格式，例如足以表示最大信号段编号(n)(例如50)的字节。hf求和模块可以累加高频信号内容存在或不存在的次数(例如，hf_acc)，并将累加的值和/或由预定义时间段内的信号段的二进制值的序列形成的二进制字传递给控制器110。控制器110评估代表二进制值的数据(例如，二进制字和/或hf_acc)，以确定电力线网络上plc或其他良性噪声的存在或不存在，并且可以相应地调整频谱能量阈值(例如，tha)，其在arc子过程中用于评估arc滤波后信号频谱。

当预定义时间段是例如基频的半个周期时，信号段计数n可以选择为50(例如，对于50hz，并且n＝50对应于200μs的信号段集合)。每个信号段的数量和时间间隔可以被配置成检测和区分最小的plc信号突发。例如，如果这些plc信号突发中的一个在两个信号段采集之间被分成两半，则至少一个信号段将可能能够检测高频分量，如果在两个信号段的时间间隔内高频信号中存在高频分量的话。可以基于采样率、存储器和fft模块等能够处理的点数来确定数量n。例如，如果使用1024点fft，则最多可以有2048个样本。此外，对于50msps的采样率和8.33ms的半周期时段，则n＝203(例如，50msps->每个样本20ns，20ns/s*2048＝41μs/段，因此n＝8.33ms/41μs～203段)。n＝50的示例只是说明性的。

在plc的功率谱密度通常是已知(例如，对于某个地区，例如北美，归一化功率为-50dbm/hz)的情况下，用于检查hf子过程中的hf能量和其他已知的rf噪声的频谱能量阈值thh可以在理论上确定。在确定阈值thh时可以考虑其他因素，例如agc(automaticgaincontrol，自动增益控制)、bpf(bandpassfilter，带通滤波器)、adcenob(effectivenumberofbit，有效位数)、采样率、信号变换模块(例如，fft模块)用来计算该阈值的区间或间隔的数量等。用于检查电弧能量的频谱能量阈值tha可以通过实验凭经验确定，并且也可以被调整以考虑来自电弧故障检测系统及其组件的噪声和电力线网络上的噪声。

图4示出了根据本公开示例实施例的诸如图3中的电弧故障检测系统的掩模功能框306的扩展视图。如图4所示，在框306，对于预定义时间段内的每个信号段，掩模模块接收信号频谱(例如，a)的数据，例如使用傅立叶变换或余弦变换生成的数据。掩模模块接收hf掩模(例如，b)，并将hf掩模应用于信号频谱，以产生信号段的hf滤波后信号频谱，并被称为掩模(hf)。掩模b的示例如图5所示。hf掩模用于生成信号段的具有与电力线通信相关联的频率区域的滤波后信号频谱。掩模模块还应用作为hf掩模(例如，b)的逆的arc掩模(例如，b)来产生信号段的arc滤波后信号频谱，并被称为掩模(arc)。arc掩模用于在不考虑与电力线通信相关联的频率区域的情况下生成信号段的滤波后信号频谱。

图6示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统的一个或多个信号处理组件实施的示例过程600的流程图，通过示例过程600，从电力线上监测到的高频信号中检测电弧故障信号。如下所述，在过程600中，电弧故障检测系统将监测到的高频信号划分成多个经时间分段的信号段，并且评估每个信号段，以便检测电力线上的电弧故障信号。数量n可以等于预定义时间段内高频信号的信号段的最大数量。

当被监测电力线上的电源接通时，过程600开始。在步骤602，电弧故障检测系统等待过零(zero-crossing，zx)中断。在步骤604，电弧故障检测系统将计数器(例如，step_count)设置为1。在步骤606，电弧故障检测系统获取信号段，该信号段是预定义时间段(例如，基频的半个周期)内在电力线上监测到的高频信号的更小间隔。

在框608，电弧故障检测系统处理信号段。例如，如本文所述，通过以下步骤来处理每个信号段：生成信号频谱、应用掩模以产生滤波后信号频谱、确定滤波后信号频谱的能量的相对幅度、将该相对幅度与频谱能量阈值进行比较、以及基于该比较分配二进制值来反映信号段中感兴趣的高频信号内容的存在或不存在。信号段处理可以被实施，以检测信号段中潜在的电弧故障信号内容和/或plc信号内容的存在。在框620，电弧故障检测系统可以基于触发事件或其他条件(例如，hf子过程)来调整arc子过程的频谱能量阈值，如本文所述的。

在框610，在信号段被处理之后，电弧故障检测系统递增计数器(例如，step_count)。在框612，电弧故障检测系统将计数器与最大数量n进行比较。如果计数器小于n，则过程600返回到框606，并在预定义时间段内获取下一个信号段，并相对于该下一个信号段执行框608、610和612。否则，如果计数器等于n，则电弧故障检测系统基于在预定义时间段内从被监测的高频信号的信号段累加的信息来确定电弧形成分类，例如，在监测到的高频信号中电弧故障信号存在或不存在。在框616，所确定的分类被提供给断路器(例如100)内的电弧故障检测软件，当检测到电弧故障信号时，该软件启动跳闸操作(例如，trip)来中断电力线(例如，10)上的电力。

图7示出了由诸如图1中的电弧故障检测系统的一个或多个信号处理组件实施的示例过程700的流程图，通过示例过程700，诸如图6的示例过程中的信号段处理(例如，508)被执行。过程700是在预定义时间段内对每个信号段执行的arc子过程和hf子过程的示例实施方式。

过程700开始于步骤702，在步骤702中，电弧故障检测系统检查在预定义时间段内计数器(例如，step_count)是否等于1。如果计数器等于1，则先前时间段的(多个)先前累加值720、738(例如，hf_acc和seg_acc)被重置为零。否则，过程700进行到步骤706，在步骤706中，电弧故障检测系统针对要被处理的信号段生成信号频谱。可以使用傅立叶变换或余弦变换或任何合适的信号变换来计算信号频谱，以确定rf信号段的频谱。在这个示例中，一旦针对信号段生成了信号频谱，例如，“a”，就可以实施两个并行的子过程。例如，hf子过程用于检测plc频率信号分量和其他感兴趣的高频分量(例如，步骤710、712、714、716、718和720)，arc子过程用于检测潜在的电弧频率信号分量(例如，步骤730、732、734、736、738和740)。

关于hf检测的hf子过程，在步骤710和712，电弧故障检测系统检索hf掩模(例如，b)，并将hf掩模应用于信号频谱a以产生滤波后信号频谱。hf掩模的示例如图5所示。在步骤714，hf滤波后信号频谱的幅度的平方的和(例如，y1＝∑xh²)被计算，并用作滤波后信号频谱的相对幅度。可替换地，可以将hf滤波后信号频谱提供给acr，以确定幅度的最大峰值，其可以替代地用作相对幅度。在步骤716，将相对幅度与频谱能量阈值(例如，thh)进行比较，以确定hf滤波后信号频谱中高频信号内容的存在或不存在。hf滤波后信号频谱然后被转换成二进制值，以反映其中高频信号内容的存在或不存在。例如，当相对幅度反映hf滤波后信号频谱中高频信号内容的存在时，hf滤波后信号频谱可以被分配二进制值“1”，当相对幅度反映hf滤波后信号频谱中高频信号内容的不存在时，hf滤波后信号频谱可以被分配二进制值“0”，反之亦然。在步骤718和720，电弧故障检测系统可以生成反映每个信号段的二进制值的序列的二进制字(例如，bin_wd1)，并且还可以在预定义时间段内累加高频信号内容存在或不存在的次数(例如，hf_acc)。然后，二进制字和累加值可用于调整频谱能量阈值(例如，tha)，以在未来的arc子处理中使用。

关于用于电弧故障检测的arc子过程，在步骤730和732，电弧故障检测系统检索arc掩模(例如，作为掩模b的逆的b)，并将arc掩模应用于信号频谱a以产生滤波后信号频谱。在步骤734，arc滤波后信号频谱的幅度的平方的和(例如，y2＝∑xa²)被计算，并用作滤波后信号频谱的相对幅度。可替换地，可以向acr提供arc滤波后信号频谱，以确定幅度的最大峰值，其可以替代地用作相对幅度。在步骤736，将相对幅度与频谱能量阈值(例如，tha)进行比较，以确定在arc滤波后信号频谱中是否存在高频信号内容，例如潜在的电弧故障信号内容。然后，arc滤波后信号频谱被转换成二进制值，以反映其中高频信号内容的存在或不存在，例如，当相对幅度反映arc滤波后信号频谱中高频信号内容的存在时，二进制值为“1”，当相对幅度反映arc滤波后信号频谱中高频信号内容的不存在时，二进制值为“0”，反之亦然。在步骤738和740，电弧故障检测系统可以生成反映每个信号段的二进制值的序列的二进制字(例如，bin_wd2)，并且还可以在预定义时间段内累加高频信号内容存在或不存在的次数(例如，seg_acc)。然后，二进制字和累加值可用于检测在预定义时间段内监测到的高频信号中电弧故障信号的存在或不存在。

图8示出了根据本公开示例实施例的针对高频信号生成的二进制字800的示例格式，该高频信号在预定义时间段内被监测到，例如通过图7的过程。在这个示例中，n表示在预定义时间段内监测到的高频信号的信号段的数量。如图8所示，二进制字800是电力线上监测到的高频信号的经n-划分(n-partitioned)的信号段的二进制值序列。如本文所述，二进制字800中的二进制值可以表示针对n个信号段的感兴趣的高频信号内容(例如，plc或电弧故障信号分量)的存在或不存在。

图9示出了根据本公开示例实施例的由诸如图1中的电弧故障检测系统的一个或多个处理组件实施的用于将高频信号分类为包含电弧故障信号或非电弧故障信号的示例过程900的流程图。在过程900中，负载阈值(例如，load_th)和电弧阈值(例如，arc_th)用于确定与负载或电弧故障信号相关联的良性信号的存在。

在步骤902，电弧故障检测系统将电弧二进制累加(例如，来自arc子过程的seg_acc，其中在信号段中检测到高频信号内容(例如，图7的步骤738))与负载阈值进行比较。如果电弧二进制累加大于负载阈值，则在步骤904，电弧故障检测系统将电弧二进制累加与电弧阈值进行比较。如果电弧二进制累加大于或等于电弧阈值，则在步骤910，电弧故障检测系统检测电弧故障信号的存在。否则，如果电弧二进制累加小于电弧阈值，则电弧故障检测系统在步骤920检测到电弧故障信号的不存在。

如果电弧二进制累加小于或等于负载阈值，则在步骤906，电弧故障检测系统将反映高频信号的信号段中高频信号内容的存在或不存在的二进制字(例如，bin_wd2)(例如，图7的步骤740)与一个或多个预定义二进制字或事件掩模(例如，反映调光器事件的dim_mask)进行比较。预定义二进制字或事件掩模表示反映已知电弧故障事件或非电弧故障事件的模式。在该示例中，如果二进制字bin_wd2与代表非电弧故障事件的预定义二进制字和/或掩模不匹配，则电弧故障检测系统在步骤910检测到电弧故障信号的存在。否则，如果二进制字bin_wd2与代表非电弧故障事件的预定义二进制字和/或掩模匹配，则电弧故障检测系统在步骤920检测到电弧故障信号的不存在。

上述过程900只是作为示例提供的。在步骤806，在预定义二进制子或掩模中反映的、表示电弧故障事件的存在或不存在的各种预定义二进制模式也可以被评估，以确定电弧故障事件的出现与否。预定义二进制模式可以根据经验数据确定，并且电弧故障检测系统可以被更新，以诸如在可以与电弧故障检测系统通信的远程管理设备(例如，图1的断路器)中添加、修改或移除预定义模式。

如在过程900中反映的，可能存在电力线上的负载无意中导致在信号段中检测到潜在(有害)电弧故障信号的情况，例如由于调光器的操作。例如，对于一些调光器，当它们在半周期期间打开时，快速开关接通可能表现为具有窄高频范围(例如，mhz)内的频率响应的脉冲。结果，该操作可以在信号频谱中观察到，并且可以被分类为潜在的电弧故障信号分量(例如，用二进制值“1”分类)。因此，可以相应地配置负载和电弧阈值以及预定义模式(例如，预定义二进制字和/或掩模)，以避免由于非电弧故障事件而导致的无意电弧故障检测。例如，代表非电弧故障事件的调光器掩模(dim_mask)可以包含潜在的调光器位置或一些独特的负载切换。因此，这些已知的加载事件可以由预定义模式来表示，例如，在二进制字的某些位置中的某些二进制值的位置。在一个示例实施例中，负载和电弧阈值可以例如大于2，以考虑信号段中的高频信号内容是由于已知负载事件(例如调光器事件)造成的可能性。

图10示出了根据本公开示例实施例的由诸如图1中的电弧故障检测系统的一个或多个处理组件实施的示例性过程1000的流程图，通过示例性过程1000，在诸如arc子过程的信号段处理中用于检测电弧故障信号内容的频谱能量阈值(例如，tha)被调整。电弧故障检测系统计算多个半周期(例如，三个或四个半周期)的移动平均，并且对照滞后阈值来检查阈值tha的调整，该阈值tha将在下一个半周期中用来确定电弧形成字(arcingword)的二进制分类。下面更详细地描述过程1000。

例如，在步骤1002，电弧故障检测系统计算在多个预定义时间段(例如，3或4个半周期)内在信号段的hf滤波后信号频谱中检测到高频信号内容的累加次数(例如，hf_acc720)的移动平均。在步骤1002，如果计算的移动平均大于在arc子过程中使用的频谱能量阈值，例如tha，则电弧故障检测系统根据阈值滞后曲线(例如在11中的阈值滞后曲线)将频谱能量阈值tha更新为等于阈值加噪声水平(th+噪声水平)。调整后的阈值tha可用于由arc子过程执行的未来二进制分类中，例如在下一个预定义时间段中。

如果计算的移动平均不大于频谱能量阈值tha，则电弧故障检测系统将计算的移动平均与hf检测子过程中使用的频谱能量阈值thh进行比较。如果计算的移动平均不小于频谱能量阈值thh，则在步骤1012不对频谱能量阈值tha进行调整。否则，如果计算的移动平均小于频谱能量阈值thh，则在步骤1006，电弧故障检测系统根据阈值滞后曲线1100(例如图11中的阈值滞后曲线)，将频谱能量阈值tha更新为等于阈值减去噪声水平(th-噪声水平)。调整后的阈值tha可用于由arc子过程执行的未来二进制分类中，例如在下一个预定义时间段中。

如过程1000中所反映的，阈值tha可以是动态阈值，其可以被动态调整以根据电力线系统上的噪声来增加或降低检测高频分量(其潜在地对应于电弧故障信号)的存在的灵敏度。例如，hf_acc计数的移动平均(例如，移动平均可以是基频的4个半周期到8个半周期)可以指示半周期时段对于来自电力线载波的高频信号内容有多忙。如果hf_acc计数的移动平均非常高(例如，高于hf_tha)，则网络中存在大量高频能量，因此，频谱能量阈值tha增加某个噪声水平，以使电弧故障能量检测不敏感。噪声水平的量可以根据经验确定。否则，如果hf_acc计数的移动平均非常低(例如，低于hf_thh)，这意味着电力线载波非常低或者没有电力线载波，则通过将频谱能量阈值tha降低某个噪声水平而在检测系统中增加电弧故障能量检测的灵敏度。可以根据预定义阈值滞后曲线1100(如图11所示的)来执行增加或减少噪声水平。

图12示出了三个曲线图1200、1210和1220，它们反映了基于实验数据的、具有plc和电弧形成信号的半个周期内被监测到的高频信号的示例快照。在这个示例中，被监测的高频信号的预定义时间段是基频的半个周期，并且高频信号被划分成n个信号段。如图12所示，第一曲线图1200示出了监测到的信号的原始高频(hf)电流与样本/半周期的关系，第二曲线图1210示出了电弧存在(例如，潜在的电弧高频信号内容的存在)与半个周期中的信号段的关系，第三曲线图1220示出了plc存在(例如，plc高频信号内容的存在)与半个周期中的信号段的关系。在这个示例中，存在10个实例在信号段中检测到潜在的电弧高频信号内容，如曲线图1210所示，并且存在9个实例在信号段中检测到潜在的plc高频信号内容，如曲线图1220所示。在这个示例中，电弧故障检测系统将检测到电弧故障信号的存在，因此，对于监测到的半周期存在电弧故障事件。

图13示出了三个曲线图1300、1310和1320，它们反映了基于实验数据的、在半个周期内监测到的高频信号的示例快照。在这个示例中，监测到的高频信号的预定义时间段是基频的半个周期，并且高频信号被划分成n个信号段。如图13所示，第一曲线图1300示出了监测到的信号的原始高频(hf)电流与样本/半个周期的关系，第二曲线图1310示出了电弧存在(例如，潜在的电弧高频信号内容的存在)与半个周期中的信号段的关系，第三曲线图1320示出了plc存在(例如，plc高频信号内容的存在)与半个周期中的信号段的关系。在这个示例中，存在0个实例在信号段中检测到潜在的电弧高频信号内容，如曲线图1310所示，存在25个实例在信号段中检测到潜在的plc高频信号内容，如曲线图1320所示。在这个示例中，电弧故障检测系统将检测到电弧故障信号的不存在，因此，对于监测到的半周期没有电弧故障。

还应该理解，本文公开和教导的示例性实施例易于进行许多和各种修改和替代形式。因此，单数术语的使用，例如但不限于“一”等，并不旨在限制项目的数量。此外，本文使用的各种组件、功能、阈值、掩模和其他元素的命名约定被提供作为示例，并且可以被给予不同的名称或标签。

应当理解，结合所公开的实施方式的各方面的实际的、真实的商业应用的开发将需要许多实施方式特定的决定来实现开发者对于商业实施例的最终目标。此类实施方式特定的决定可以包括并且可能不限于，符合系统相关、业务相关、政府相关和其他限制，这些可能因具体实施方式、地点和时间而异。虽然开发者的努力在绝对意义上可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员来说，这种努力仍然是常规的任务。

使用本文提供的描述，通过使用标准编程和/或工程技术来产生编程软件、固件、硬件或其任意组合，具体实施方式可以被实施为机器、过程或制造品。

具有计算机可读程序代码的任何最终的(多个)程序可以体现在一个或多个计算机可用介质上，诸如常驻存储设备、智能卡或其他可移动存储设备或传输设备，从而制造根据实施方式的计算机程序产品或制品。因此，本文使用的术语“制品”和“计算机程序产品”旨在涵盖永久或临时存在于任何计算机可用介质或传输这种程序的任何传输介质中的计算机程序。

本文描述的(多个)处理器或(多个)控制器可以是处理系统，其可以包括一个或多个处理器，诸如cpu、gpu、控制器、fpga(现场可编程门阵列)、asic(专用集成电路)或其他专用电路或其他处理单元，其控制本文描述的设备或系统的操作。存储器/存储设备可以包括但不限于，磁盘、固态驱动器、光盘、可移动存储设备(诸如智能卡、sim、wim)、半导体存储器(诸如ram、rom、proms)等。传输介质或网络包括但不限于经由无线通信(例如，射频(rf)通信、蓝牙、wi-fi、li-fi等)的传输、因特网、内联网、基于电话/调制解调器的网络通信、硬连线/电缆通信网络、卫星通信以及其他固定或移动网络系统/通信链路。

此外，检测特征和功能可以在断路器中实施，或者跨独立的(多个)组件或(多个)模块实施，这些组件或模块可以与断路器或其他电力中断设备通信和交互，以促成在检测到电弧故障时中断电路的电力线上的电力(例如，电流或电压)。例如，如本文所述，信号段处理可以在同一处理器或独立的处理器(例如，独立的asic或fpga)中实施。

此外，可以使用傅里叶变换(例如，离散傅里叶变换)、余弦变换(例如，离散余弦变换)或其他合适的数学变换来生成高频信号或其段的信号频谱。预定义时间段可以是基频的半个周期、基频的全周期或任意数量的半个周期。

虽然已经图示和描述了本公开的特定实施方式和应用，但是应当理解，本公开不限于本文公开的精确构造和组成，并且在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的情况下，各种修改、改变和变化可以从前述描述中显而易见。