一种自适应交流故障电弧采集电路及其工作方法与流程

本发明涉及用电安全监测及交流故障电弧检测，具体为一种自适应交流故障电弧采集电路及其工作方法。

背景技术：

1、随着社会经济和科技的快速发展，社会用电量快速增加，同时这也导致了电气火灾事故频发，对社会发展和人身安全造成了严重威胁，因此用电安全的监测越来越得到重视。供电电路中存在绝缘层老化、连接稳定性故障以及电气设备持续过载等因素产生电弧，称为故障电弧。若故障电弧长期持续产生，则会使得导线周围温度达到燃点，进而会引燃周围可燃物，故障电弧是电气火灾形成的主要原因之一。目前，对于故障电弧的相关研究处在探索和发展阶段。由于电弧故障很难从时域上进行判断，当负载发生变化时，时域波形的变化也各不相同，有些负载产生的波形与故障电弧发生时的波形类似。故障电弧的检测需要对电弧进行准确采集，在故障电弧发生的频段内尽可能地保留故障电弧的信号特征。

2、对于家用电器，当前基于故障电流的交流故障电弧检测是主流方法，但电流信号受负载影响很大，常用的发热类电器如电饭煲、小太阳、电水壶等，工作电流较大，一般为3-10a不等，但一些电器例如电风扇、电视机等，工作电流一般在0.5a以下，峰值相差许多倍。对于电流信号的准确采集是检测故障电弧的关键。一般线路中的电流信号通过电流传感器转化为微弱信号，信号幅值在几毫伏到几十毫伏之间。由于峰值相差较大，若不对原始信号进行处理，采集出的数据会存在误差，影响后续的分析。另外由于家用电器种类较多，负载特性差别很大，信号谐波和带宽差别也很大，目前一般采用单一固定采样频率采集信号，过高的采样频率对于窄带信号的采集效率低，冗余成分大，不利于信号存储，过低的采样频率对于宽带信号的采集失真大，不利于信号分析。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自适应交流故障电弧采集电路及其工作方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一方面，本发明提出一种自适应交流故障电弧采集电路，包括自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路；所述自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路级联，共同构成交流故障电弧自适应采集电路；

4、所述自适应放大电路包括幅度检波器、线性变换器和可控放大器；所述幅度检波器、线性变换器和可控放大器依次串联；所述自适应放大电路用于检测输入端交流故障电弧信号的负半周包络信号，根据输出故障电弧信号的负的幅度值进行自适应调整放大器的放大倍数，减小输出信号幅度的波动；

5、所述低通滤波器用于过滤上述自适应放大电路的输出信号中的超过预设频率范围的信号，避免自适应采样电路采样后出现频谱混叠的现象；

6、所述自适应采样电路包括带宽检测器、模数变换器和可控采样器；所述带宽检测器、模数变换器和可控采样器依次串联；所述自适应采样电路通过检测和提取交流故障电弧的高次谐波强度，作为故障电弧信号带宽，并根据故障电弧信号带宽选择采样器的采样频率，降低采样失真和数据冗余。

7、作为优选实施方式，所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器；所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器按顺序连接。

8、作为优选实施方式，所述可控采样器包括时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器、采样频率控制端和采样电路；所述时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器和采样电路依次连接；所述采样频率控制端与4选1选择器连接，所述输入端与输出端均与采样电路连接。

9、作为优选实施方式，所述低通滤波器的截止频率为所述自适应采样电路最高采样频率的一半。

10、另一方面，本发明提出一种如本发明实施例任一项所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法，包括以下步骤：

11、供电线路上原始的交流故障电弧信号由自适应放大电路输入端输入，自适应放大电路中的幅度检波器对信号进行负半周包络检波；

12、幅度检波器输出信号经线性变换器后，将信号电压值调整到可控放大器的增益控制端工作范围内，再输入可控放大器中；

13、可控放大器根据交流故障电弧中的信号强度自适应的调整放大倍数，减小输出信号的波动；

14、使用低通滤波器对可控放大器的输出信号进行低通滤波；

15、带宽检测器接收低通滤波器的输出信号进行带宽检测，剔除基波和预设频率的低次谐波，对剩余高次谐波进行全波整流和直流滤波，经放大后作为带宽检测器的输出电压；

16、由模数变换器将带宽检测器输出电压值变换为数字信号，输入可控采样器的采样频率控制端；

17、可控采样器在采样频率控制端信号控制下选择对应的采样频率，对其输入信号进行采样并输出最终结果。

18、作为优选实施方式，所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器；所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器按顺序连接。

19、作为优选实施方式，所述可控采样器包括时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器、采样频率控制端和采样电路；所述时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器和采样电路依次连接；所述采样频率控制端与4选1选择器连接，所述输入端与输出端均与采样电路连接。

20、作为优选实施方式，所述低通滤波器的截止频率为所述自适应采样电路最高采样频率的一半。

21、另一方面，本发明提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明任一实施例所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法。

22、另一方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明任一实施例所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法。

23、本发明具有如下有益效果：

24、1、本发明在自适应放大电路中，通过幅度检波器检测交流故障电弧信号的负半周包络检波，通过线性变换器调整信号电压值的范围，通过可控放大器自动调整信号的放大倍数，使得输出信号的波动减小，提高了采样精度。

25、2、本发明通过自适应采样电路检测输入信号的高次谐波的强度实现信号带宽的监测，并通过可控采样器根据信号带宽自适应的调整采样频率，减小宽带信号的采集失真，减低窄带信号的数据冗余。

26、3、本发明通过低通滤波器进行低通滤波，防止采样后的信号出现频谱混叠现象。

技术特征：

1.一种自适应交流故障电弧采集电路，其特征在于，包括自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路；所述自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路级联，共同构成交流故障电弧自适应采集电路；

2.根据权利要求1所述的一种自适应交流故障电弧采集电路，其特征在于，所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器；所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器按顺序连接。

3.根据权利要求1所述的一种自适应交流故障电弧采集电路，其特征在于，所述可控采样器包括时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器、采样频率控制端和采样电路；所述时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器和采样电路依次连接；所述采样频率控制端与4选1选择器连接，所述输入端与输出端均与采样电路连接。

4.根据权利要求1所述的一种自适应交流故障电弧采集电路，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率为所述自适应采样电路最高采样频率的一半。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法，其特征在于，所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器；所述带宽检测器包括陷波器、全波整流模块、直流滤波模块和放大器按顺序连接。

7.根据权利要求5所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法，其特征在于，所述可控采样器包括时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器、采样频率控制端和采样电路；所述时钟振荡器、4位二进制计数器、4选1选择器和采样电路依次连接；所述采样频率控制端与4选1选择器连接，所述输入端与输出端均与采样电路连接。

8.根据权利要求5所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率为所述自适应采样电路最高采样频率的一半。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5至8任一权利要求所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求5至8任一权利要求所述的一种自适应交流故障电弧采集电路的工作方法。

技术总结
本发明涉及一种自适应交流故障电弧采集电路及其工作方法，包括自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路；所述自适应放大电路、低通滤波器和自适应采样电路级联，共同构成交流故障电弧自适应采集电路；所述自适应放大电路包括幅度检波器、线性变换器和可控放大器；所述幅度检波器、线性变换器和可控放大器依次串联；所述自适应放大电路用于检测输入端交流故障电弧信号的负半周包络信号，根据输出故障电弧信号的负的幅度值进行自适应调整放大器的放大倍数，减小输出信号幅度的波动；所述低通滤波器用于过滤上述自适应放大电路的输出信号中的超过预设频率范围的信号，避免自适应采样电路采样后出现频谱混叠的现象。

技术研发人员：徐丽红,柯拥勤,陈端云,吴君凯,吴胜,林俊超,许奕平,潘文庆,陈隆
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司莆田供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21