实现故障电弧探测功能的智能电能表及其实现方法与流程

本发明涉及故障电弧检测技术，特别是涉及一种可实现故障电弧探测功能的智能电能表及其实现方法。

背景技术：

电弧俗称‘电火花’，又叫‘打火’，本质是一种绝缘体被电压击穿后，由不导电变得导电，且发光发热的自然现象。电弧可分为三类：好弧、类似弧和故障电弧。好弧：日光灯，电弧焊，机械开关的分断等人为制造产生，或正常操作而产生的电弧。类似弧：某些设备的启动或工作导致的电流、电压的畸变，与电弧的电流电压某些特性类似。故障电弧：故障电弧是由于电气线路或设备中绝缘老化破损、电气连接松动、空气潮湿、电压电流急剧升高等原因引起空气击穿所导致的气体游离放电现象。（摘自gb14287.4-2014）故障电弧是引起电气火灾的重要原因之一，同时故障电弧产生的压力、辐射、弧根效应不仅对电气设备容易造成损害，甚至还会造成人身伤亡事故和重大的经济、财产损失。故障电弧分为三类：串联电弧、并联电弧和对地电弧。串联电弧：电弧电流流过被保护终端电路负载的一种故障电弧。并联电弧：电弧电流流过导体之间并与负载并联的一种故障电弧。对地电弧：电弧电流从带电导体流入大地的一种故障电弧。

现有防止故障电弧导致事故的方案主要有断路器、剩余电流探测器、测温式电气火灾探测器和专门的故障电流探测器。1）断路器主要采用电磁原理进行过电流保护，其保护触发原理一般为设备或线路短路导致的短时大电流，触发阈值一般会达到额定电流的5至7倍，或者火线电流和零线电流不等，差额达到一定阈值（一般小于30ma）启动漏电保护，对部分电流较大的并联电弧和对地电弧有一定的保护作用，而对于电弧电流小于触发阈值的并联电弧和串联电弧则起不到保护作用。2）剩余电流探测器类似于漏电保护的断路器，其一般采用互感器来检测火线和零线的剩余电流，检测精度达到1ma，高于漏电保护断路器，但其主要对对地电弧可以起到保护作用。3）测温式电气火灾探测器采用温度传感器对被监测区域温度进行采样，温度高于阈值判断为电气火灾事故，其主要保护已经发生电气火灾后报警或切断电路防止事故进一步扩散，该方式不能直接对故障电弧进行检测和判断。4）故障电弧探测器是专门针对并联电弧、串联电弧以及对地电弧的检测设备，其采用检测电压电流有效值及电流中含有的电弧特有的2khz至200khz高次谐波分量来判断是否有故障电弧产生。该方法基本可以对各类型故障电弧进行保护，但其需要单独安装在入户总开关处，如果本地进行判断，一旦出现误判会导致总开关被切断，家庭断电；如果采用接入火灾或其它保护系统，则系统成本较高，需要独立维护，客户接受度不高。现有的智能电能表也还不具备故障电弧检测功能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表及其实现方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表系统，包括：用户负载，带有故障电弧探测功能的智能电能表，用电管理系统以及用户通讯设备，主要功能流程是用户负载出现接触不良等故障电弧后，本发明的带有故障电弧探测功能的电能表检测到故障电弧发生事件，并通过电能信息采集系统的现场总线主动上报至电力局的用电管理系统，用电管理系统通过自身的客户管理平台将故障告警信息发送至用户通讯设备，用户收到通知后及时对用电情况进行检查并排除故障，故障排出后报警信息解除，用电管理系统消除警报，或者多次提醒仍未排除故障，用电管理系统可通过平台管理系统通过带有故障电弧探测功能的电能表将家庭用电负载切除，进行拉闸操作，以保证用电安全。

基于上述的实现故障电弧探测功能的智能电能表系统，本发明提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表，其包括：处理模块，与处理模块电连接的电能计量模块，故障电弧特征频率检测模块，显示，按键，通讯模块，检测接口，数据存储，与电能计量模块连接的电压采样和电流采样，以及给各个模块供电的电源管理；所述的电流采样模块与故障电弧特征频率检测模块电连接，所述的电源管理包括工作电源和时钟电池。

作为优选，所的故障电弧特征频率检测模块包括电流信号放大电路、多通道带通滤波器和信号处理电路，所述的电流放大电路包括：电阻r1，r2，r3，r4和运放u1；所述的多通道带通滤波器为针对故障电弧选择的至少2路带通滤波器，将不同频点的高频谐波分量进行处理；所述的信号处理电路采用高速开关对带通滤波后的高次谐波信号整形为数字脉冲信号，输入处理模块的cpu数字io口。

作为优选，所述的电能计量模块为rn8209g型号专业计量芯片，该芯片是一款用于测量功率和能量的adc+dsp的混合信号集成电路芯片。

作为优选，所述的电流采样采用集成磁保持继电器的锰铜分流器进行采样，同时带有主回路拉合闸功能。

作为优选，所述的处理模块选用的是stm32f103。

作为优选，所述的多通道带通滤波器采用有源带通滤波器作为基础滤波器，采用4路双通道模拟开关选择器mpc509芯片作为不同频率点滤波器的切换元件，由处理模块控制切换对应的频点。

作为优选，所述的高速开关为sn5545。

基于上述的实现故障电弧探测功能的智能电能表，本发明提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表实现方法，包括如下步骤：

s1：多通道带通滤波器采样到指定频点的高频谐波；

s2：判断高频谐波是否满足设定频点的要求，若高频谐波满足设定频点的要求，则从计量芯片中读取当前电压、电流和相角数据，若高频谐波不满足设定频点的要求，则退出故障电弧检测；

s3：从计量芯片中读取当前电压、电流和相角数据后，判断高频谐波是否达到持续时间t的要求，若高频谐波达到持续时间t的要求，则判断当前负载特性是否为故障电弧类型，若高频谐波未达到持续时间t的要求，则退出故障电弧检测；

s4：判断当前负载特性是否为故障电弧类型，若当前负载特性为故障电弧类型，则产生故障电弧事件，并通讯上报故障事件数据，若当前负载特性不为故障电弧类型，则退出故障电弧检测；

s5：通讯上报故障事件数据后，判断是否连续n次出现故障事件，若连续n次出现故障事件，则执行拉闸断电保护，若未连续n次出现故障事件，则清除本次故障事件累加次数，并重新判断是否连续多次出现故障事件；

所述的持续时间t≥1秒，优选为2s至10s；所述的连续出现故障事件的次数n≥2次，优选为3次至5次。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：1）电能表是家庭用电必须的设备，实现故障电弧探测功能，防止电气火灾的发生，不需要新增故障电弧探测设备，也不需要重新布线及施工安装，节省了安装布线成本。2）利用现有的电能信息采集系统及用电管理平台即可实现故障信息的主动上报和与用电客户的互动，从而以最低的成本实现预防电气火灾的发生。3）基于强大的arm处理器平台，能更加准确地对被检测用电回路的故障电弧模式进行模式识别和智能判断；4）采用专业电能计量芯片和采样元件，能对故障发生波形更加准确的检测；5）可扩展的多通道带通滤波器设计，能对故障电弧发生时产生的不同高次谐波进行检测，从而更加准确地判断出各种模式下的故障电弧的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明实现故障电弧探测功能的智能电能表系统框图；

图2是本发明实现故障电弧探测功能的智能电能表内部功能框图；

图3是本发明电压采样电路图；

图4是本发明锰铜分流器结构示意图；

图5是本发明锰铜分流器原理示意图；

图6是本发明电能计量模块功能框图；

图7是本发明故障电弧特征频率检测模块电路图；

图8是本发明数据存储电路图；

图9是本发明工作电源电路图；

图10是本发明故障电弧检测主流程图；

图11是本发明故障电弧电流波形示意图；

图12是本发明故障电弧电流频域特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明针对故障电弧发生时带有高频谐波分量的波性特征，设计了故障电弧特征频率检测模块电路，对故障电弧发生时产生的高次谐波进行检测，再根据电压、电流和频率的采样对故障电弧的负载特性进行辨识，判断故障电弧的发生；产生故障电弧事件，并通过主动上报方式上传至电力局的用电管理系统，可通过公众号、电力局短信平台等方推送至用户，实现电气火灾的预警和防范。

实现故障电弧探测功能的智能电能表系统框图如图1所示，包括用户负载21，带有故障电弧探测功能的智能电能表22，用电管理系统23以及用户通讯设备24，主要功能流程是用户负载21出现接触不良等故障电弧后，本发明的带有故障电弧探测功能的电能表22检测到故障电弧发生事件，并通过电能信息采集系统的现场总线主动上报至电力局的用电管理系统23，用电管理系统23通过自身的客户管理平台将故障告警信息发送至用户通讯设备24，用户收到通知后及时对用电情况进行检查并排除故障，故障排出后报警信息解除，用电管理系统23消除警报，或者多次提醒仍未排除故障，用电管理系统23可通过平台管理系统通过带有故障电弧探测功能的电能表22将家庭用电负载切除，进行拉闸操作，以保证用电安全。

基于上述的实现故障电弧探测功能的智能电能表系统，本发明提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表，其内部功能框图如下图2所示，包括：处理模块6，与处理模块6电连接的电能计量模块3，故障电弧特征频率检测模块4，显示模块10，按键模11，通讯模块8，检测接口9，数据存储7，与电能计量模块3连接的电压采样模块1和电流采样模块2，以及给各个模块供电的电源模块5；所述的电流采样模块2与故障电弧特征频率检测模块4电连接，所述的电源管理14包括工作电源12和时钟电池13。所述的电源模块5包括工作电源12、时钟电池13和电源管理单元14。

如图3所述，电压采样模块1采用电阻分压方式对电网电压进行实时采样，分压电阻精度1%，温漂<50ppm。

如图4所示，电流采样模块2采用集成磁保持继电器15的锰铜分流器16进行采样，同时可实现拉合闸控制功能，锰铜分流器16电流采样方式与电流互感器相比有频率响应平坦，带宽高的特点，适合宽带宽多频率采样的应用；锰铜分流器16是根据电流通过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成，其原理如图5所示，当被测电流i流过分流电阻rshunt时，在电阻两端产生一个电压，在分流电阻稳定的情况下，该电压与被测电流成比例关系。

电能计量模块3负责电压电流采样后的功率和电能计算，本方案的电能计量模块3选用的是锐能微公司的rn8209g型号专业计量芯片，该芯片是一款用于测量功率和能量的adc+dsp的混合信号集成电路芯片，其功能框图如图6所示。

如图7所述，所的故障电弧特征频率检测模块4包括电流信号放大电路、多通道带通滤波器和信号处理电路，所述的电流放大电路包括：电阻r1，r2，r3，r4和运放u1；所述的多通道带通滤波器为针对故障电弧选择的2路或多路带通滤波器（本设计为4路带通滤波器设计，可根据现场检测情况扩展为8路），将不同频点的高频谐波分量进行处理，再由信号处理电路整形后以脉冲群的方式送入处理模块6进行程序处理和故障电弧的模式识别及判断；本方案的多通道带通滤波器采用有源带通滤波器作为基础滤波器，采用4路双通道模拟开关选择器mpc509芯片作为不同频率点滤波器的切换元件，由处理模块控制切换对应的频点。信号处理电路采用sn5545高速开关对带通滤波后的高次谐波信号整形为数字脉冲信号，输入处理模块的cpu数字io口。

处理模块6是由32位arm芯片及外围电路构成，负责整个电路的处理任务；本方案的处理模块6的mcu选用st公司32位arm处理器stm32f103，基于arm＠cortextm-m3内核、哈怫总线结构；dma控制器、单周期乘法指令、硬件除法指令；90dmips运行速度，72mhz主频运行的cpu；6k字节的sram，32k字节的flash；2个16通道12位模数转换器，1μs的转换时间；高速通讯口：usb、usatr、can、spi、i2c；带唤醒功能的低功耗模式、内部rc震荡器、内置复位电路；超低功耗，待机模式下典型的耗电值2μa；具有运算速度快，低功耗等特点。

数据存储7模块负责存储电能及参数信息；存储电路主要由eeprom构成，存储空间256kb，接口为i2c总线，数据存储电路图如图8所示。

通讯模块8通讯模块采用rs485、远红外和窄带载波三种通讯接口，载波通讯采用可插拔通讯模块方式接入，兼容无线等其它通讯模块接入，负责rs485、远红外以及窄带电力载波等方式的通讯功能实现。

检测接口9实现电能误差数据的检测信号及其它秒信号或时段偷窃信号的输出功能。

显示模块10和按键模块11是设备的人机交互接口，负责显示参数数据及翻屏等输入输出功能；显示模块10采用段码式lcd液晶显示，8位数据显示，小数点位可配置，可显示电压、电流、功率等瞬时量，当前电量和历史电量，日期时间等；按键模块11采用微触开关，主要有翻屏按键、编程按键以及开盖检测按键三种按键。

工作电源12为整个设备提供12v、5v、3.3v等需要的各种模拟或数字电源；工作电源12采用工频变压器作为主电源，三路输出，一路提供电能计量模块工作电源，一路提供处理模块及其它电路工作电源，另外一路提供rs485隔离电源。工作电源电路图如图9所示。

时钟电池13为掉电后的备用电池，提供实时时钟以及掉电显示等的电源；时钟电池13采用er14250锂离子电池，容量为1.2ah，可提供设备在掉电状态下时钟电池和显示功能，掉电小于25μa，可在掉电状态下维持时钟路工作5年以上，上电状态15年以上。

电源管理单元14模块负责电源管理电路负责220v交流电的上下电检测和主备用电源的切换。

基于上述的实现故障电弧探测功能的智能电能表，本实施例提供了一种实现故障电弧探测功能的智能电能表的实现方法，如图10所示，包括如下步骤：

s1：多通道带通滤波器采样到指定频点(f1，f2，……fn)的高频谐波，所述指定频点的数目与多通道带通滤波器的路数一致，本实施例中采用的是4路带通滤波器，因此，指定频点为f1，f2，f3，f4，如：取f1=5k，f2=10k，f3=20k，f4=20k；

s2：判断高频谐波是否满足设定频点（f1，f2，f3，f4）的要求，若高频谐波满足设定频点的要求，则从计量芯片中读取当前电压、电流和相角数据，若高频谐波不满足设定频点的要求，则退出故障电弧检测；

s3：从计量芯片中读取当前电压、电流和相角数据后，判断高频谐波是否达到持续时间t的要求（t≥1秒，如：t=2秒），若高频谐波达到持续时间t的要求，则判断当前负载特性是否为故障电弧类型，若高频谐波未达到持续时间t的要求，则退出故障电弧检测；

s4：判断当前负载特性是否为故障电弧类型，若当前负载特性为故障电弧类型，则产生故障电弧事件，并通讯上报故障事件数据，若当前负载特性不为故障电弧类型，则退出故障电弧检测；

s5：通讯上报故障事件数据后，判断是否连续n次出现故障事件（n≥2次，如：n=3次），若连续n次出现故障事件，则执行拉闸断电保护，若未连续n次出现故障事件，则清除本次故障事件累加次数，并重新判断是否连续多次出现故障事件。

几种故障电弧特性及判别方式：（1）并联电弧：故障电弧特征频率检测模块检测到高频谐波含量；电流比正常电流突变增大；（2）串联电弧：故障电弧特征频率检测模块检测到高频谐波含量；电流比正常电流没有突变或变化不大；（3）对地电弧：故障电弧特征频率检测模块检测到高频谐波含量；零线电流与火线电流差值不等，差值超过阈值；其故障电弧电流波形示意图如图11所示，其故障电弧电流频域特性示意图如图12所示。

本发明由电压、电流采样通道对用户负载电路进行实时采样，并由专业计量模块进行电量、电费计量，同时将采样通道数据共享进行故障电弧的电压电流检测，增加了故障电弧特征频率检测模块4，并通过软件算法进行电弧故障判断，可对并联故障电弧、串联故障电弧及对地故障电弧进行可靠检测，并且在不增加较大硬件成本，不改动原有家庭布线基础上，可利用电能表集抄系统进行故障电弧事件主动上报至电力局用电信息管理系统23，实现了低成本高效率的故障电弧检测及预警功能。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。