基于三角波激励源的弧光传感器自检方法及装置、弧光保护设备

摘要

本发明公开了一种基于三角波激励源的弧光传感器自检方法及方法对应的装置，本发明不仅可以基于自检光实现对光敏元件的通断检测，还能够根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，通过线性度来判断光敏元件的老化程度是否达标，从而有效地解决了光敏元件的老化检测的问题；本发明还提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置的电路实现以及弧光保护设备，其通过增加的自检光发光单元和检测光采集处理单元能够用于基于自检光实现对光敏元件的通断检测、根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，而且还可以将其应用于其他更多可能基于自检光实现的自检方式。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，涉及电力系统的弧光保护，具体涉及一种基于三角波激励源的弧光传感器自检方法及装置、弧光保护设备。

背景技术

目前，中低压开关柜母线保护主要是利用变压器后备保护中的过流保护来切除母线短路故障。但该方法存在故障切除时间过长，从而导致设备损伤程度加大的问题。电力系统弧光保护的基本原理是基于弧光和电流双判据使断路器动作以保护母线。该保护在中低压母线发生故障时，能够在电弧光燃烧危害扩大前切除故障，确保人员安全并将故障损失降至最低。但电力系统弧光保护装置普遍存在由于表面锈斑等外界环境因素引起的传感器探头故障问题以及由于传感器光轴偏移或输入光亮变化引起的保护误动问题，这些都降低了弧光保护灵敏性和可靠性。为了避免上述问题的发生，就需要在弧光保护中加入传感器探头的自检功能，使传感器在保持稳定的工作状态的基础上，实现传感器可能发生故障的预报功能并且避免光源变化引起保护误动。

传统弧光传感器的自检采用方波信号作为激励源，改变方波信号的频率以及占空比即可对激励源频率以及光亮强度的控制。该法的激励源只有亮、暗两种状态，且自检电路仅能以测量通道的“通断”状态为依据进行传感器的自检。但是，光敏元件属于易老化的部件，光敏元件的老化会导致发生故障的预报功能并且避免光源变化引起保护误动，因此如何实现弧光传感器的老化检测，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检方法及方法对应的装置，本发明不仅可以基于自检光实现对光敏元件的通断检测，还能够根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，通过线性度来判断光敏元件的老化程度是否达标，从而有效地解决了光敏元件的老化检测的问题；本发明还提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置的电路实现以及弧光保护设备，其通过增加的自检光发光单元和检测光采集处理单元能够为本发明前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法提供基础硬件条件，从而用于基于自检光实现对光敏元件的通断检测、根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，而且还可以将其应用于其他更多可能基于自检光实现的自检方式。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检方法，实施步骤包括：

1)通过三角波激励源生成激励信号驱动光源向目标弧光传感器的光敏元件发出自检光，使自检光以固定频率f闪烁且亮度根据激励信号的幅值连续变化而发生连续变化；

2)判断是否接收到目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号，如果收到检测信号则跳转执行步骤3)；否则判定目标弧光传感器设备故障并退出；

3)获取目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号的幅值变化率，判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者是否一致，如果一致则判定光敏元件的线性度达标；否则，判定光敏元件的线性度不达标。

可选地，步骤3)中还包括将检测信号的幅值和预设阈值进行比较的步骤，且如果检测信号的幅值大于预设阈值，则判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为弧光信号，且目标弧光传感器能够正常接收弧光信号。

可选地，步骤3)中还包括根据检测信号的幅值和频率分辨目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光的步骤，如果光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光，则判定目标弧光传感器能够正常接收自检光或者环境干扰光。

可选地，所述分辨目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光的详细步骤包括：判断检测信号、自检光两者的幅值和频率是否均一致，如果均一致则判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光；否则，判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为环境干扰光。

可选地，步骤1)中通过三角波激励源生成的激励信号为PWM信号，激励信号驱动的光源为LED光源。

本发明还提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检方法，其特征在于，包括针对目标弧光传感器的光敏元件进行线性度检测的步骤，具体实施步骤包括：通过三角波激励源生成激励信号驱动光源向目标弧光传感器的光敏元件发出自检光，使自检光以固定频率f闪烁且亮度根据激励信号的幅值连续变化而发生连续变化；获取目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号的幅值变化率；判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者是否一致，如果一致则判定光敏元件的线性度达标，否则判定光敏元件的线性度不达标。

本发明还提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置，包括微处理器，所述微处理器被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者所述微处理器连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本发明还提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置，包括自检光发光单元和检测光采集处理单元，所述自检光发光单元包括相互连接的三角波驱动电路和光源，所述检测光采集处理单元包括依次相连的采样电路、AD转换电路和主控单元，所述采样电路的输入端用于和目标弧光传感器的光敏元件的输出端相连，所述采样电路的输出端依次通过采样电路、AD转换电路和主控单元相连。

可选地，所述光源布置于目标弧光传感器的光敏元件的一侧。

可选地，所述三角波驱动电路包括多谐振荡器和积分电路，且多谐振荡器上连接有占空比调节电路。

可选地，所述主控单元被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者所述主控单元连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本发明还提供一种弧光保护设备，所述弧光保护设备带有弧光传感器，所述弧光保护设备还带有前述基于三角波激励源的弧光传感器自检装置。

和现有技术相比，本发明基于三角波激励源的弧光传感器自检方法及其方法对应的装置具有下述优点：本发明不仅可以基于自检光实现对光敏元件的通断检测，还能够根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，通过线性度来判断光敏元件的老化程度是否达标，从而有效地解决了光敏元件的老化检测的问题。

和现有技术相比，本发明基于三角波激励源的弧光传感器自检装置的电路实现以及弧光保护设备具有下述优点：本发明的自检光发光单元和检测光采集处理单元能够为本发明前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法提供基础硬件条件，从而用于基于自检光实现对光敏元件的通断检测、根据光敏元件输出的检测信号的幅值变化率实现对光敏元件的线性度检测，而且还可以将其应用于其他更多可能基于自检光实现的自检方式。

附图说明

图1为本发明实施例一方法的基本原理图。

图2为本发明实施例一装置的结构原理图。

图3为本发明实施例一中自检光发光单元的电路图。

图4为本发明实施例一中多种信号的电流波形对比示意图。

图5为本发明实施例一中AD转换电路的量化原理示意图。

图例说明：1、自检光发光单元；2、检测光采集处理单元；21、采样电路；22、AD转换电路；23、主控单元。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的实施步骤包括：

1)通过三角波激励源生成激励信号驱动光源向目标弧光传感器的光敏元件发出自检光，使自检光以固定频率f闪烁且亮度根据激励信号的幅值连续变化而发生连续变化；

2)判断是否接收到目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号，如果收到检测信号则跳转执行步骤3)；否则判定目标弧光传感器设备故障并退出；

3)获取目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号的幅值变化率，判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率(即斜率)两者是否一致，如果一致则判定光敏元件的线性度达标；否则，判定光敏元件的线性度不达标；

本实施例中，步骤1)中通过三角波激励源生成的激励信号为PWM信号，激励信号驱动的光源为LED光源，此外也可以生成其他形式的激励信号，以及采用其他类型的光源。

本实施例中，步骤3)中还包括将检测信号的幅值和预设阈值进行比较的步骤，且如果检测信号的幅值大于预设阈值，则判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为弧光信号，且目标弧光传感器能够正常接收弧光信号。本实施例中，预设阈值取值为10000Lux。

本实施例中，步骤3)中还包括根据检测信号的幅值和频率分辨目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光的步骤，如果光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光，则判定目标弧光传感器能够正常接收自检光或者环境干扰光。

需要说明的是，步骤3)中各个检测判断的步骤可以根据需要调整其前后顺序，图1中所示的实际顺序仅仅是本实施例中优选采用的顺序示例。

本实施例中，步骤4)中判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者是否一致时具体是指判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者的误差是否小于预设阈值，本实施例中该预设阈值具体取值为±20％，如果三角波上升或下降斜率作归一化处理后等于1，则检测信号的幅值变化率在激励信号的幅值变化率的0.8～1.2以内则说明传感器线性度满足要求。毫无疑问，当预设阈值取值为0的情况下，即为严格判断判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者是否相同。区别于目前常用的采用方波作为激励源的自检方法，本实施例采用三角波作为激励源，不断可以测量自检光源的频率，还可以测量光源幅值变化的线性度。从而同时判断弧光传感器测量回路的通断和采样的精度。设检测信号的光强数据存储在光强数组A[N]中，某时刻光强的线性度用幅值的微分值dA/dt表示，则可以表示为：

上式中，dA/dt表示K时刻的检测信号的幅值变化率，A[K]为K时刻采样值，A[K-M]为K时刻前M个采样间隔的采样值，T_s为采样周期。

本实施例中，分辨目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光或者环境干扰光的详细步骤包括：判断检测信号、自检光两者的幅值和频率是否均一致，如果均一致则判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为自检光；否则，判定目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号为环境干扰光。

弧光传感器一般安装在密闭黑暗的开关内，其环境光强接近0Lux。室内自然光强一般在1000Lux左右，假设三角波上升斜率为1，最亮峰值光强为4000Lux，对三角波连续采样，采用梯形积分计算平均光强，其平均光强应该为2000Lux。此门槛值既远低于故障弧光信号，又远大于正常的环境光。考虑测量误差，将1600Lux～2400Lux作为自检光的幅值范围。

设检测信号的光强数据存储在光强数组A[N]中，可根据下式计算出检测信号的幅值；

上式中，A_M表示检测信号的幅值，A[k]表示光强数组A[N]中的第k个取值，N为光强数组A[N]中的光强数据数量。检测信号的幅值A_M满足1600Lux≤A_M≤2400Lux，则检测信号的幅值和自检光的幅值一致；本实施例中，三角波的固定频率f设置为50Hz，当检测信号的频率f₁满足49.5Hz≤f₁≤50.5Hz时认为检测信号的频率和自检光的频率一致。

本实施例提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置，包括微处理器，微处理器被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者微处理器连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

作为本发明基于三角波激励源的弧光传感器自检装置的电路实现，如图2所示，该弧光传感器自检装置包括自检光发光单元1和检测光采集处理单元2，自检光发光单元1包括相互连接的三角波驱动电路和光源，检测光采集处理单元2包括依次相连的采样电路21、AD转换电路22和主控单元23，采样电路21的输入端和目标弧光传感器的光敏元件的输出端相连，采样电路21的输出端用于依次通过采样电路21、AD转换电路22和主控单元23相连。本实施例中，检测光采集处理单元2既作为自检光发光单元1的作为自检光信号采集和处理机构，同时还作为弧光传感器所在弧光保护设备的保护机构，这样能够提高集成度和降低成本，毫无疑问检测光采集处理单元2也可以采用独立于弧光保护设备的保护机构的独立部件。

本实施例中，光源布置于目标弧光传感器的光敏元件的一侧，能够确保光源和目标弧光传感器的光敏元件之间的自检光幅值无衰减。

本实施例中，三角波驱动电路包括多谐振荡器和积分电路，且多谐振荡器上连接有占空比调节电路。本实施例中，三角波驱动电路为三角波驱动的PWM发生电路，光源为LED灯。

如图3所示，多谐振荡器采用555定时器实现，其3号引脚作为输出端输出电压Vo并串接有第二电容C₂，其6、7号引脚用于调节多谐振荡器的控制电压，进而实现占空比调节。555定时器的4、8号引脚分别与电源Vcc相连，1号引脚接地，4号引脚还通过第一电容C₁接地，2号引脚与电源Vc相连并通过第三电容C₃接地。占空比调节电路为第一电阻、滑动变阻器、第二电阻串联构成的电阻分压调节电路，该电阻分压调节电路串联在电源Vcc与电源Vc之间，第一电阻、滑动变阻器的调节端子可视为将滑动变阻器分为两个子电阻，一个子电阻和第一电阻串联形成第一等效电阻R₁、另一个子电阻和第二电阻串联形成第一等效电阻R₂，第一等效电阻R₁、第一等效电阻R₂两者的比例实现了555定时器的6、7号引脚电压分配比例。如图3所示，积分电路由电压放大器、电阻R3、电阻R4和第四电容C₄组成，电压Vo通过电阻R3输入电压放大器的负极输入端，电压放大器的正极输入端接地，电压放大器的负极输入端通过第四电容C₄和电压放大器的输出端相连，电压放大器的输出端输出电压V₂，输出电压V₂即为通过三角波激励源生成的激励信号(PWM信号)，用于驱动光源发光。

三角波驱动电路利用555定时器构成多谐振荡器产生占空比可调的方波，产生方波后，运用运算放大器构成的积分电路将占空比可调的方波转换成占空比可调的三角波。参见图3，由于二极管D₂的引导作用，针对电阻分压调节电路接地侧的第三电容C₃的充电时间常数为τ₁＝R₁C₃，放电时间常数τ₂＝R₂C₃，其中R₁为第一等效电阻R₁的电阻值，C₃为第三电容C₃的电阻值；由此可得第三电容C₃的充电时间T₁＝0.7R₁C₃，放电时间为T₂＝0.7R₂C₃。因此，555定时器产生的方波的固定频率f为：

上式中，C₃为第三电容C₃的电阻值，R₁为第一等效电阻R₁的电阻值，R₂为第一等效电阻R₂的电阻值。

555定时器产生的方波的占空比q为：

上式中，T为周期，T₁为第三电容C₃的充电时间，T₂为第三电容C₃的放电时间为，C₃为第三电容C₃的电阻值，R₁为第一等效电阻R₁的电阻值，R₂为第一等效电阻R₂的电阻值。因此只要改变电位滑动端的位置即可改变占空比，当改变多谐振荡电路中的滑动变阻器的滑片位置时，三角波的占空比将发生变化。

对于LED灯而言，要实现对LED的亮度调节最简单的方法就是调节流过其正向电流I_d的大小。一般来说，LED器件的发光强度都是随正向电流的增加而增加。目前广泛使用的LED调光技术都是基于PWM来调节LED亮度的。PWM(Pulse>max为流过LED的最大电流，I_d＝I_max·q为流过LED的正向电流(工作电流)。此时，多谐振荡器输出的方波、驱动电路输出的三角波、LED通过的电流即PWM波形以及LED的平均工作电流，依次如图4中的(a)、(b)、(c)和(d)所示。图4中，t为正向脉冲持续时间；T为一个工作周期；h为三角波峰值。

AD转换电路22进行的AD转换是把模拟电压或电流转换成与之成正比的数字量的过程。AD转换一般包括采样，保持，量化，编码这四个过程。有些AD转换器不需要保持电路，量化和编码通常在转换过程中完成。采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。为了不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍。采样电路21的线性度越好，采样所得波形对原模拟信号的还原度越高，反之。因此本实施例采用的三角波即可对采样元件的线性度进行检验。量化即把模拟信号按量化单位做取整处理。由零到最大值的模拟输入范围被划分为n个值，称为量化阶梯。而相邻量化阶梯之间的中点值称为比较电平。信号的采样和量化均由ADC实现。量化过程如图5所示，其中t表示为时间，f(t)分别为量化前的模拟数值和量化后的模拟数值。编码即把量化后的模拟数值用二进制码或其他的编码来表示以减少数据量。

本实施例中，利用555定时器和积分电路组成三角波驱动电路(三角波驱动的PWM发生电路)，该三角波驱动电路发出的三角波频率固定，并满足LED灯的PWM驱动方式，即其驱动LED发出的自检光闪烁频率固定，并且灯光亮度可调制到明显低于正常弧光，从而抵消外界干扰光等因素造成的保护误动。考虑到三角波幅值的连续变化，该三角波驱动电路令LED发出的自检光还具有亮度连续变化的特性，从而使其具备检测采集元件的线性度的能力。光敏元件接收所有的光信号，采样电路21将光敏元件捕捉到的光信号储存并放大并将其传递给转换元件转化为电信号，AD转换电路22将转换后的电信号送到主控单元23，并由主控单元23对该信号做出判断，自检完成。未发生弧光故障时，光敏元件可以探测到自检光和其它干扰光信号。采样元件把信号放大储存后由转换元件将光信号转化为电信号，再将其传递给主控单元进行判断。若信号频率、幅值变化与自检光一致，则为自检光；若信号频率与自检光不一致，则为日常光或自然光等干扰光；若信号幅值变化与自检光不一致，则采集元件的线性度较差，可以选择更换采集元件。这三种情况均说明弧光传感器探头正常工作，弧光保护不动作。发生弧光短路时，光敏元件接收自检光与弧光。此时电弧光的强度明显高于自检光，主控单元由此对电信号做出判断，即发生弧光短路，弧光保护系统立即动作。若主控单元接收不到任何电信号，则可判断为探头损坏，光敏元件无法接收光信号，或是测控电路内部断线故障。此时操作人员应及时检修，或更换故障元件。

本实施例中，主控单元23被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者主控单元23连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本实施例还提供一种弧光保护设备，该弧光保护设备带有弧光传感器，该弧光保护设备还带有前述基于三角波激励源的弧光传感器自检装置。

综上所述，本实施例采用三角波作为激励信号源，由于三角波的幅值连续变化，主控单元不但可以测量三角波的频率，还可以通过AD采样测量三角波电压上升或下降的斜率来判断感光采集回路的线性度，从而既可以判断弧光采集回路的“通断”，还可以校验弧光测量回路的“线性度”，通过三角波的频率以及三角波的幅值设置可以让自检光源区别于正常弧光信号，避免造成的保护误动，基于三角波为激励源的弧光传感器自检具有频率和光强双判据，在判断测量通道“通断”状态的基础上，增加了对采样电路“线性度”的检验，使得对光敏元件的自检功能更加全面。

实施例二：

本实施例为实施例一的子集，与实施例一的系统性解决方案不同，本实施例的技术方案仅仅为实施例一基于三角波激励源的弧光传感器自检方法中针对目标弧光传感器的光敏元件进行线性度检测的步骤。

本实施例针对目标弧光传感器的光敏元件进行线性度检测的具体实施步骤包括：通过三角波激励源生成激励信号驱动光源向目标弧光传感器的光敏元件发出自检光，使自检光以固定频率f闪烁且亮度根据激励信号的幅值连续变化而发生连续变化；获取目标弧光传感器的光敏元件输出的检测信号的幅值变化率；判断激励信号的幅值变化率、检测信号的幅值变化率两者是否一致，如果一致则判定光敏元件的线性度达标，否则判定光敏元件的线性度不达标。本实施例中，通过三角波激励源生成的激励信号为PWM信号，激励信号驱动的光源为LED光源，此外也可以根据需要生成其他形式的激励信号以及采用其他类型的光源。

本实施例的装置则和实施例一相同，同样包括下述方案：

本实施例提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置，包括微处理器，微处理器被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者微处理器连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

本实施例提供一种基于三角波激励源的弧光传感器自检装置，包括自检光发光单元1和检测光采集处理单元2，自检光发光单元1包括相互连接的三角波驱动电路和光源，且光源布置于目标弧光传感器的光敏元件的一侧，检测光采集处理单元2包括依次相连的采样电路21、AD转换电路22和主控单元23，采样电路21的输入端和目标弧光传感器的光敏元件的输出端相连，采样电路21的输出端依次通过采样电路21、AD转换电路22和主控单元23相连。本实施例中，三角波驱动电路包括多谐振荡器和积分电路，且多谐振荡器上连接有占空比调节电路。本实施例中，主控单元23被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的步骤；或者主控单元23连接的存储介质中存储有被编程以执行前述基于三角波激励源的弧光传感器自检方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。