使用来自离散小波变换的精细和近似系数的电弧探测

摘要

提供用于便于在电路中中断电流的装置，并且该装置包括在该电路中为电负载服务的电流传感器(10)(该电流传感器(10)产生代表通过其中的负载电流的输出信号)、与该电流传感器(10)信号通信的探测单元(30)，使得输出信号被该探测单元(30)接收，配置并且设置该探测单元(30)以基于该输出信号输出二次信号，和微控制器(80)，该微控制器(80)接收并且分解二次信号为精细和近似系数，并且当感测负载的电流超过预定阈值并且精细和近似系数联合指示满足生成跳闸信号的阈值条件时生成用于中断电路工作的跳闸信号。

说明书

技术领域

本发明的方面针对电力系统，并且更加具体地针对用于在电力系统中探测电弧的方法和系统。

背景技术

住宅、商业和工业应用中的电力系统通常包括用于从公用电源接收电力的配电盘。接收的电力然后通过配电盘输送到一个或多个电流断续器，例如但不限于断路器、跳闸单元和其他装置。

每个电流断续器将电力配给指定的支路，其中每个支路用该电力供应一个或多个负载。配置电流断续器使得如果在特定支路中的某个电力状态达到预定的设定点则中断到该支路的电力。

例如，一些电流断续器可以由于接地故障而中断电力并且通常称为接地故障电流断续器(GFCI)。当失衡电流在线路导线和中性导线之间流动时接地故障状态产生并且其可能是由电流泄漏或对地的电弧放电故障引起。

其他的电流断续器可以由于电弧放电故障而中断电力并且通常称为电弧故障电流断续器(AFCI)。电弧放电故障通常可定义为串联电弧或并联电弧。例如，当电流横穿单个导线中的间隙时串联电弧可以发生。在另一方面，当电流通过两个导线之间时并联电弧可以发生。不幸的是，因为各种原因两种类型的电弧放电故障可能不会引起常规的电流断续器跳闸。当串联电弧发生时特别如此，因为电流断续器中的电流传感器不能区分串联电弧和正常负载电流。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供用于便于在电路中中断电流的装置，并且该装置包括设置在该电路中为电负载服务的电流传感器、探测单元(其与该电流传感器信号通信使得由电流传感器产生的输出信号被该探测单元接收，配置并且设置该探测单元以基于该输出信号输出二次信号)，和耦合于该探测单元可响应于计算机可执行指令的微控制器，该电流传感器产生代表通过其中的负载电流的输出信号，当计算机可执行指令被该微控制器执行时，其使该微控制器接收并且分解二次信号为精细和近似系数，并且当感测的负载的电流超过预定阈值并且精细和近似系数联合指示满足生成跳闸信号的阈值条件时生成用于中断电路工作的跳闸信号。

根据本发明的另一个方面，提供对电路执行电弧故障电流中断(AFCI)的计算机实现方法，并且该方法包括：在与该电路电连通的电流传感器处感测负载电流，在与该电流传感器信号通信的探测单元处生成反映所感测负载电流的电流的二次信号，在耦合于该探测单元的微控制器处以第一预定频率对二次信号取样，当确定二次信号的取样完成时并且当确定二次信号的零交叉已经取样时，由二次信号的第一分量计算精细系数和由二次信号的第二分量计算近似系数，基于第一系数确定是否确定已经满足阈值标准或基于精细和近似系数确定感测负载电流是否低于预定阈值，并且如果是这样的话则发出跳闸信号以中断该电路的工作。

根据本发明的另一个方面，提供对电路执行电弧故障电流中断(AFCI)的计算机实现方法，并且该方法包括：使用离散小波变换分别分解二次信号的第一和第二部分为精细和近似系数，所述二次信号基于由电流传感器(探测单元与其信号通信)感测的负载电流而在探测单元处生成，其中二次信号的第一部分确定已经零交叉取样，对二次信号的第一和第二窗口计算精细系数的绝对值的总和并且计算近似系数的绝对值以及其总和之比，比较绝对值的总和与第一预定阈值或者如果感测负载的电流低于预先选择的大小，将绝对值的总和与总和之比的乘积与第二预定阈值比较，以及如果比较的结果指示在给定的时间段期间在预定频率下超过第一和第二预定阈值中对应的一个阈值则发出跳闸信号以中断电路的工作。

通过本发明的技术认识到附加特征和优势。本发明的其他实施例和方面在本文中详细描述并且看作要求权利的本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优势和特征，参照说明和附图。

附图说明

认作本发明的主旨在作为说明书的总结的权利要求中具体地指出并且清楚地要求权利。本发明前述的和其他的方面、特征和优势从下列与附图结合来看的详细说明是清楚的，其中

图1是基于微控制器的联合电弧故障电流断续器的示意图；

图2是基于在电路(图1的电弧故障电流断续器耦合于该电路)中的感测负载电流的信号的图表；

图3是跳闸信号发出算法的流程图；

图4是图示中断处理算法的流程图；

图5是根据本发明的实施例图示离散小波系数计算算法的流程图；

图6是根据本发明的另一个实施例图示离散小波系数计算算法的流程图。

具体实施方式

参照图1，提供用于通过执行电弧故障电流中断(AFCI)便于在电路中中断电流的装置，并且该装置包括例如双金属、霍耳效应传感器、MEMs、CT等电流传感器10，其配置成感测负载(电流信号从该负载生成)。该电流传感器10可由室温下具有6mOhms(毫欧)(在15A)或3mOhms(在20A)特性电阻的电阻材料构成。电流传感器10电耦合于信号线，沿该信号线设置包括低通滤波器的加法放大器20。因此，电流信号从电流传感器10流出并且与可由微控制器80输出的测试信号90一起流到加法放大器20。

尽管本发明的实施例公开具有双金属作为示例电流传感器10，将认识到本发明的范围不被这样限制并且还涵盖其他适合本文公开的目的的电阻元件，例如黄铜、青铜、铜合金、钢、不锈钢、铬镍铁合金钢和/或碳钢合金。

该信号线耦合于第一电弧探测单元30(例如串联电弧探测单元30等)、电流测量单元50(例如均方根电流测量单元、p-p电流测量单元、霍耳效应电流传感器或任何其他适合的器件等)和可选地第二电弧探测单元40(例如并联电弧探测单元40等)。配置第一电弧探测单元30以向微控制器80输出二次信号用于探测感测负载电流中的电弧放电状态(例如，串联电弧)。类似地配置第二电弧探测单元40以向微控制器80输出另外的二次信号用于探测感测负载电流中的电弧放电状态(例如，并联电弧)。配置电流测量单元50以探测感测负载电流中的电流并且向微控制器80输出再另一个二次信号，其基于探测的电流，用于执行例如电流依赖偏置计算、RMS电流测量和电弧探测取样定时等。

在本上下文中，串联和并联电弧指例如空气等正常不导电介质的电击穿，其产生由流过正常不导电介质的电流引起的例如火花等的发光放电。在例如电流输送线断裂的情况下，串联电弧与负载电流串联发生。如此，串联电弧电流可以不高于负载电流。相反地，并联电弧在带相反电荷的导体(例如电路和接地元件等)之间发生，并且可能特征在于高电流尖峰和几乎没有或没有负载阻抗。

第一电弧探测单元30以300kHz的取样率工作并且从电流信号中过滤除那些具有大约1kHz-250kHz的频率的信号以外的所有信号。为此，第一电弧探测单元30包括与加法放大器20的低通滤波器联合工作的高通滤波器31。其中，采用第二电弧探测单元40，该第二电弧探测单元40以10kHz的取样率工作并且从电流信号中过滤除那些具有大约150kHz-900kHz的频率的子信号以外的所有信号。为此，第二电弧探测单元40包括低通滤波器41和高通滤波器42。电流测量单元50以10kHz的取样率工作并且包括低通滤波器51。

配置微控制器80以至少分解从第一电弧探测单元30接收的二次信号。该分解通过例如母小波等的离散小波变换DWT完成，该离散小波变换从外部计算和至少部分地从包含在从电流测量单元50接收的信号内的信息获得。

分解的结果是进一步过滤从第一电弧探测单元30接收的二次信号为第一和第二频率分量，其中在本发明的实施例中第一频率高于第二频率。即，二次信号分解为包括具有大约75-250kHz的频率的其那些部分的第一或高频分量(由此获得第一系数(下文中称为“精细系数”))，和包括具有大约1-75kHz的频率的其那些部分的第二或低频分量(由此获得第一和第二组第二系数(下文中称为“近似系数”))。

这里，参照图2，注意分解二次信号为低频分量信号，产生其更加明显的“肩”部。如此，相对容易捕获特征在于电弧放电状态的高对低信号内容。这在作为二次信号的“电弧消灭”状态的反映的第一窗口和作为二次信号的“肩”部的反映的第二窗口中描绘。这里，第一和第二窗口的尺寸和位置通过最佳化计算得出。另外注意因为信号内容趋向随电流增加而移动，二次信号的第二频率分量的有用性随感测负载的电流增加而减小。

如下文参照图4和5论述的，一旦获得精细和近似系数，微控制器80计算精细系数绝对值的总和(SumCD)、该总和的电流依赖偏置(SumCD_offset)(其取决于由电流测量单元50探测的感测负载的电流)，和第一和第二近似系数绝对值总和之比(Ratio)。第一近似系数绝对值总和由第一组近似系数(从图2的第一窗口获得)计算，并且第二近似系数绝对值总和由第二组近似系数(从图2的第二窗口获得)计算。

如在图1中示出的，当SumCD减去SumCD_offset再与Ratio的乘积(Product)指示，在给定时间段期间预定数次数，满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件时，微控制器80生成跳闸信号S_T。这里，示范性的阈值条件可指信号测量，其指示在感测负载中的电弧放电状态发生。

详细地，在感测的负载的电流低于15安培的情况下并且如果Product具有大于300的值，则指示跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件被满足。这里，SumCD由高频分量信号计算，SumCD_offset由RMS电流乘以20计算并且Ratio由低频分量信号计算。如果SumCD小于SumCD减去SumCD_offset，则Product计算为具有零值并且确定不满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件。然而，如果SumCD大于SumCD减去SumCD_offset，则Product计算为等于SumCD减去SumCD_offset再与Ratio的乘积并且如果Product具有大于300的值则确定满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件。

在电流大于15安培的情况下，如上文提及，因为信号内容趋向随电流增加而移动，低频分量的有用性减小，那么仅使用SumCD值确定是否满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件。即，对于15和22.5安培之间的电流，如果SumCD具有大于300的值则满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件。类似地，对于超过22.5安培的电流，如果SumCD具有大于400的值则满足跳闸信号S_T生成的一个或多个阈值条件。

根据电流调节，在下列表1中给出必需的跳闸时间：

表1

为了满足这些跳闸时间，要求在分配的跳闸时间中至少40％的循环满足上文论述的条件。例如，在5安培时，在1秒中发生60个线循环并且60乘以0.4等于24个线循环。因此，当60中的24或更多个线循环满足跳闸条件时，微控制器80将生成跳闸信号S_T。

尽管公开了其中给定的电流负载(在其处采用第一或第一和第二系数)大小是15安培的本发明的实施例，要理解其他的大小可用作给定的电流负载。

根据本发明的实施例，每个DWT是在它存在期间积分为零的有限长度的短波。离散小波精细和近似系数由每个DWT获得如下：

其中x[n]＝输入信号，g[n]＝来自母小波的高通数字滤波器，和h[n]＝来自母小波的低通数字滤波器。

使用DWT获得离散小波精细和近似系数与例如傅里叶变换(FT)和快速傅里叶变换(FFT)等其他分析工具相比在电流信号分析中提供若干优势。例如，DWT提供母小波和电流信号之间的相关性的测量。另外，DWT可以告知关于特定频率发生的哪个时间更容易计算并且通过还允许在零交叉时刻搜索特定的频率/模式而允许探测消灭/再触发事件(其是并联和串联电弧所独有的特征)。

因此，当微控制器80应用DWT到电弧探测工作时，微控制器80可按如下工作：识别可以与电弧放电关联的样式或标记、选择与该样式或标记相对紧密相关的预定母小波、选择提供优化信噪比的频率范围以分析电弧放电、选择一部分波形作为焦点区域以及选择对应于选择的波形部分所要求的窗口尺寸。

考虑到这一点，已经看出在频率范围设置在93kHz或更多，取样频率设置在300kHz并且没有应用图形保真滤波器的情况下，“Daubechies10”或“db10”母小波非常适合于电弧探测。因为还看出电弧放电的指示符位于电流信号的零交叉点，该零交叉点确定何时触发取样。因此，300kHz的取样频率的窗口尺寸设置为25.3度使得电弧的再触发或消灭事件中的至少一个将被捕捉在窗口内。

仍然参照图1，该装置可进一步包括耦合于微控制器80的环境温度传感器60。该环境温度传感器60测量至少电流传感器10的环境温度并且输出该测量到微控制器80。微控制器80然后确定在上文提及的计算中是否补偿电流传感器10的任何温度变化。

另外，该装置可进一步包括按键式测试开关70，其包括串联电弧测试配置71和并联电弧测试配置72。按键式测试开关70耦合于微控制器80并且允许操作者在安装时根据局部和非局部调节测试该装置。

该微控制器80可进一步配置成在信号分解之前将死区引入信号。这里，任何在该死区中取样的二次信号被置于零位，并且一旦信号在死区的外面，根据二次信号具有负值或正值而减去或加上死区值。因此，配置死区以降低微控制器80对模拟到数字(A/D)比特抖动的灵敏度。

该装置进一步包括探测电路100，其配置成探测二次信号的零交叉事件并且命令微控制器80随后如上文描述的来分解二次信号。在该条件下，探测电路100耦合于在其一侧的中性电源并且在另一侧耦合于微控制器80的输入。

现在参照图3-6，将描述执行电弧故障电路中断(AFCI)的方法。如在图3中示出的，当初始化算法(操作100)(其然后连续地运行，在这期间负载电流的感测在电流传感器10处发生)时，确定关于二次信号(其基于感测负载电流由与电流传感器10信号通信的探测单元生成)的高频取样完成或未完成(操作200)。

操作200中二次信号的高频取样根据图4的中断处理算法发生。如示出的，中断处理算法开始于在微控制器80处接收低频中断信号(操作201)，其基于由电流测量单元50输出的二次信号。在这点，确定二次信号的RMS长度是否已经取样(操作202)，并且如果RMS长度已经取样，计算RMS的值(操作203)。一旦计算了RMS的值，该值用于确定在出现电弧放电状态时该装置跳闸需要多快。如果RMS长度尚没有被取样，接收来自探测电路100的输入(操作204)，由此确定正零交叉是否已经发生(操作205)。

如果正零交叉还未发生，控制返回到操作204。然而，如果正零交叉已经发生，则设置零交叉取样的正零交叉的延迟(操作207)。在这点，触发操作200的高频取样。

返回参照图3，如果确定二次信号的高频取样未完成，以低频对二次信号取样(操作300)，并且如果确定低频取样完成，计算低频取样信号的移动平均数(操作500)。

如果二次信号的高频取样完成并且如果根据探测电路100的输出确定零交叉已经取样，则独立于移动平均数计算零交叉离散小波精细和近似系数(分别是操作410和411)。相反地，如果二次信号的高频取样完成并且如果确定零交叉还没有取样，则控制返回到操作200。

这里，参照图5，在操作410中采用图示的离散小波算法。如示出的，取样信号初始定义为具有OuterIndex(其指卷积信号的指数)、SumCD(其是精细系数的总和的绝对值)和InnerIndex(其是使用的滤波器的指数)的信号，其中每个设置成零。

首先，确定OuterIndex是否小于卷积信号的长度。如果OuterIndex不小于卷积信号的长度，则SumCD值归零。相反地，如果OuterIndex小于卷积信号的长度，则这些CD(其是个体精细系数)值设置成零并且JumpIndex值设置成卷积信号的值乘以二。

然后，确定InnerIndex是否小于滤波器的长度。如果InnerIndex小于滤波器的长度，则这些CD值设置成这些CD值加上信号值。这里，信号值是JumpIndex值加上InnerIndex值乘以滤波器的值。重复这个过程直到确定InnerIndex不小于滤波器的长度。在这点，这些CD值设置成这些CD的绝对值并且SumCD值设置成SumCD的绝对值加上这些CD值。

参照图6，在操作411中采用图示的根据另一个实施例的离散小波算法。如示出的，首先确定取样信号的长度是否等于预定长度减去45。如果是，OuterIndex值(指卷积信号的指数)、SumCA(是近似系数的总和的绝对值)和FirstWindowSum和SecondWindowSum(是第一组和第二组近似系数绝对值总和的各个值)设置成零。

在这点，确定OuterIndex值是否小于预定信号长度减去45。如果不是，则设置比值等于FirstWindowSum除以SecondWindowSum。如果OuterIndex值小于预定信号长度减去45，则CA值设置成零并且JumpIndex值设置成OuterIndex值乘以二。

然后确定InnerIndex值是否小于近似滤波器(Approximate Filter)的长度。如果是，则CA值设置成CA值加上信号值乘以近似滤波器值，其中信号值乘以JumpIndex和InnerIndex的总和，并且其中近似滤波器值乘以InnerIndex值。如果InnerIndex值不小于近似滤波器的长度，则确定OuterIndex值是否小于第一窗口的末端值。

如果OuterIndex值小于第一窗口的末端值，则FirstWindowSum值设置成加上CA绝对值的FirstWindowSum值，并且再次确定OuterIndex值是否小于预定信号长度减去45。如果OuterIndex值不小于第一窗口的末端值，则确定OuterIndex值是否小于第二窗口的末端值。这里，如果OuterIndex值不小于第二窗口的末端值，则再次确定OuterIndex值是否小于预定信号长度减去45。如果OuterIndex值小于第二窗口的末端值，则SecondWindowSum值设置成SecondWindowSum值加上CA绝对值，并且再次确定OuterIndex值是否小于预定信号长度减去45。

返回参照图3，一旦计算了精细和近似系数，如上文论述的，则确定是否已经满足所有阈值标准(操作600)。如果还未满足所有阈值标准，控制返回到操作200。然而，如果已经满足所有阈值标准，发出跳闸信号S_T(操作700)。

本发明的实施例可以采用计算机实现过程和用于实施这些过程的装置的形式体现。本发明还可以采用具有计算机程序代码的计算机程序产品的形式体现，该计算机程序代码包含指令，其体现在例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、USB(通用串行总线)驱动器等的有形介质或例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或可擦编程只读存储器(EPROM)等的任何其他计算机可读存储介质中，例如其中当计算机程序代码载入计算机并且被计算机执行时计算机成为实施本发明的装置。本发明还可以采用计算机程序代码的形式体现，例如，不管是存储在存储介质中、载入计算机和/或被计算机执行或穿过某个传输介质(例如，穿过电线或电缆、通过光纤或通过电磁辐射等)传输，其中当计算机程序代码载入计算机并且被计算机执行时计算机成为实施本发明的装置。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段配置微处理器以创建特定的逻辑电路。可执行指令的技术效果是接收二次信号并将其分解为第一和第二系数，并且当感测负载的电流低于预定阈值并且第一和第二系数联合指示满足生成跳闸信号的阈值条件时或当感测负载的电流超过预定阈值并且第一系数单独指示满足阈值条件时，生成用于中断电路工作的跳闸信号。

尽管已经参照示范性实施例描述了本公开，本领域内那些技术人员将理解可做出各种改变并且可用等价物代替其元件而不偏离本公开的范围。另外，可做出许多改动以使特定的情况或材料适应本公开的教导而不偏离其基本范围。因此，意图是本公开不限于公开的设想用于实施本公开的最佳模式的特定示范性实施例，但本公开将包括所有应落入附上的权利要求的范围内的实施例。

部件列表

  10  电流传感器  80  微控制器  20  加法放大器  100  探测电路  30  第一电弧探测单元  操作100  算法初始化  31  高通滤波器  操作200  确定取样是否完成  40  第二电弧探测单元  操作201  中断处理算法开始  41  低通滤波器  操作202  确定RMS长度是否取样  42  高通滤波器  操作203  计算RMS值  50  电流测量单元  操作204  接收来自探测电路100的输入  51  低通滤波器  操作207  设置零交叉取样的延迟  S_T  跳闸信号  操作300  对二次信号取样  60  环境温度传感器  操作410&411  计算精细和近似系数  70  测试开关  操作500  计算移动平均数  71  串联电弧测试配置  操作600  确定是否满足阈值标准  72  并联电弧测试配置  操作700  发出跳闸信号S_T  90  测试信号