使用離散小波變換的電弧檢測的製作方法

2023-12-07 23:49:56 1

專利名稱：使用離散小波變換的電弧檢測的製作方法
技術領域：
本發明的方面涉及電氣系統，並且尤其涉及用於電氣系統中的並 聯和串聯電弧岸全測的方法和系統。
背景技術：
家用、商用和工業應用中的電氣系統通常包括用於從公用(utility) 電源接收電功率的配電盤。功率通過該配電盤械_路由到一個或多個斷 流器，該斷流器例如但是不限於斷路器、脫扣單元以及其它的器件。
每個斷流器將功率分配到所指定的分支，其中每個分支為一個或 多個負載提供功率。斷流器被配置成如果特定分支中的某些功率條件 達到預定的設置點則中斷到該分支的功率。
例如， 一些斷流器可以因為接地故障而中斷功率，並且通常被稱 為接地故障斷流器(GFCI)。當在線路導體(line conductor)和中性 導體(neutral conductor)之間的電流流動不平衡時會導致接地故障情況， 該電流不平tf可由洩漏電流或電弧4妄地故障引起。
其它斷流器可以因為電弧故障而中斷供電，並且通常被稱為電弧 故障斷流器(AFCI)。電弧故障被定義成兩個主要的類別，串聯電弧 和並聯電弧。串聯電弧可以例如當電流流動經過單個導體中的間隙時 發生。另一方面，並聯電弧可以例如當電流在兩個導體之間通過時發 生。遺憾地是，電弧故障不會引起常規電路斷流器脫扣。當發生串聯 電弧時這尤其正確，因為電流感測設備不能區分串聯電弧和正常負載 電流。

發明內容
根據本發明的 一個方面、提供了 一種執行串聯和並聯電弧故障電 流斷路(AFCI)的裝置，並且該裝置包括電阻元件，其被配置成感 測從其中產生電流信號的負載；第一檢測單元，其被配置成基於該電 流信號輸出第一信號；以及微控制器，其被配置成經由離散小波變換 分解至少所述第一信號從而獲得離散小波係數，以及在所述離散小波
4係數指示滿足了產生脫扣信號的閾值條件時產生脫扣信號。
根據本發明的另 一個方面，提供了 一種執行串聯和並聯電弧故障
電流斷路(AFCI)的方法，並且該方法包括感測負載電流；基於所感測的負載電流以高頻取樣信號；在已完成高頻取樣並且如果確定過零已被取樣時計算過零離散小波係數；在已完成高頻取樣並且如果確定過零還沒有被取樣時計算非過零離散小波係數；以及如果基於過零和非過零離散小波係數確定已滿足闊值標準則發出脫扣信號。
根據本發明的另 一個方面，提供了 一種通過檢測串聯和並聯電弧來操作斷流器的方法，並且該方法包括感測負載電流並從該負載電流產生電流信號；低頻濾波所述電流信號並在不同的負載條件下確定被低頻濾波的電流信號的基頻和過零；中頻和/或高頻濾波所述電流信號並將被中頻和/或高頻濾波的電流信號分解到預定水平以獲得離散小波係數；對跨越過零區域和跨越預定的非過零區域的被中頻和/或高頻濾波的電流信號進行取樣；計算在其過零和非過零處所取樣的中頻電流信號和/或所取樣的高頻電流信號的離散小波係數的絕對值；以及將所計算的離散小波係數的絕對值的各自能量相加並基於相加的各自能
量來發出脫扣決定。
通過本發明的技術可以認識到其它的特徵和優點。本文將詳細描述本發明的其它實施例和方面並且將其作為本發明所要求保護的 一部分。為了更好的理解本發明的優點和特徵，參考描述和附圖。


在說明書的結論部分的權利要求中明確地要求並特別地指出關於本發明的主題。本發明的前述部分和其它方面、特徵和優點將通過下面結合相應附圖的詳細描述而顯而易見，其中
圖1是基於微控制器的組合電弧故障斷流器的示意圖2是脫扣信號發出算法的流程圖3是說明中斷處理算法的流程圖4A和圖4B是說明過零計算的流程圖；以及
圖5是說明離散小波係數計算算法的流程圖。
圖6是說明如何從每個DWT獲得離散小波係數的圖。
具體實施方式
參照圖1,提供了用於執行串聯和並聯電弧故障斷流器(AFCI)的裝置，並且該裝置包括電阻元件10 (例如雙金屬)，其被配置成感測負載，從該負載產生電流信號。電阻元件IO可以用電阻材料形成，該電阻材料具有室溫下6mOhm(亳歐姆)(在15A處)或3mOhm (在20A處)的特性電阻。該電阻元件10電耦合到信號線，沿著該信號線布置有加法放大器。因此電流信號連同微控制器80輸出的測試信號90一起從電阻元件10流向加法放大器20,這將在下面進行描述。
但是應該理解本發明的範圍不限於此，並且還包括適用於本文公開的目的的其他電阻元件，例如黃銅、青銅、銅合金、鋼、不鏽鋼、因科內爾鋼(inconel steel)和/或碳鋼合金。
信號線耦合到串聯電弧檢測單元30、並聯電弧檢測單元40和電流測量單元50,例如均方根電流測量單元、p-p電流測量單元、霍爾效應電流傳感器或任何其他合適的設備。串聯電弧檢測單元30被配置成將第一信號輸出到微控制器80,以用於檢測電流信號中的串聯電弧，而並聯電弧檢測單元40被配置成將第二信號輸出到微控制器80,以用於檢測電流信號中的並聯電弧。電流測量單元50被配置成第三信號輸出到微控制器80,以用於執行例如RMS電流測量和電弧檢測取樣定時。
在本文中，串聯和並聯電弧指的是通常非導電的媒體(例如空氣)的電擊穿，其產生發光的放電(例如電火花)，這是由流過通常非導電的媒體的電流導致的。串聯電弧與負載電流串聯發生，例如發生在電流傳輸線被破壞的地方。照這樣，串聯電弧電流不能高於負載電流。相反地，並聯電弧在電性相反的導體之間發生，例如電路和接地元件，並且其特徵是高電流尖鋒以及少許或沒有負載阻抗。
串聯電弧檢測單元30以300kHz的取樣頻率運行，並且從電流信號濾波除具有大約6kHz - 60Hz頻率的那些子信號以外的所有子信號。為此，串聯電弧檢測單元30包括高通濾波器31，以及可選的彼此串聯的第一和/或第二低通濾波器32和33。在這裡，每個低通濾波器可以包括放大器。並聯電弧檢測單元40以10kHz的取樣頻率運行，並且從電流信號濾波除具有大約150- 900Hz頻率的那些子信號以外的所有子信號。為此，並聯電弧檢測單元40包括低通濾波器41和高通濾波
6器42。電流測量單元50以10kHz的取樣頻率運行，並且包括低通濾波器51。
微控制器80被配置成分解如從串聯電弧檢測單元30和並聯電弧檢測單元40接收的第一和第二信號中的至少一個。經由離散小波變換DWT來完成對例如母小波的分解，該母小波從外部計算獲得並且至少部分從包含在如從電流測量單元50接收的第三信號中的信息獲得。分解的結果是計算離散小波係數，它們自身由微控制器80在脫扣信號ST的發出中使用。即微控制器被配置成在離散小波係數指示產生脫扣信
號ST的一個或多個閾值條件已滿足時產生脫扣信號ST。在這裡，閾值
條件指的是指示或者並聯電弧或者串聯電弧發生的信號測量。
根據本發明的實施例，每個DWT都是在其存在周期上積分到零的有限長度的短波。從圖6中所示的每個DWT獲得離散小波係數
其中x[n]-輸入信號，g[n]-根據(from)母小波的高通數字濾波器，並且h[nh來自母小波的低通數字濾波器。
與其他分析工具(例如傅立葉變換(FT )和快速傅立葉變換(FFT )相比，使用DWT來獲得離散小波係數在電流信號分析方面提供了一些優點。例如，DWT提供母小波和電流信號之間的相關性的測量。此外，DWT可以通知特定頻率在何時出現，還通過允許在過零時刻對特定頻率/模式(pattern)的搜索來較簡單地計算並允許對熄滅/再打火事件的檢測。
因此，當微控制器80將DWT應用於串聯電弧檢測或並聯電弧檢測時，微控制器80可以通過以下來運行識別可以與發弧(arcing)相關聯的模式或符號；選擇預定的母小波，其與該模式或符號密切相關；選擇分析發弧的頻率範圍，其提供最優化的信噪比；選擇波形的一部分作為集中區域；以及選擇所需的窗口大小，其對應於所選擇的波形部分。
考慮到這些，可以認識到"Daubechies 10"或"dblO"母小波非常適合用於電弧檢測，該處頻率範圍被設置為93kHz或更大、取樣頻率被設置為300kHz並且沒有使用抗混疊濾波器。因為已經認識到發弧的指示器位於電流信號的過零點處，該過零點確定何時取樣被觸發。因此，對於300kHz的取樣頻率，窗口大小被設置為25.3度，以使得電弧的再打火事件或熄滅事件的至少 一個將在該窗口中捕獲。
7仍參考圖1,該裝置還可以包括耦合到微控制器80的周圍溫度傳感器60。該周圍溫度傳感器60測量至少電阻元件10的周圍溫度，並且輸出該測量到微控制器80。然後微控制器80確定是否補償上面提到的計算中電阻元件10的任何溫度變化。
此外，該裝置還可以包括測試開關按鈕(push) 70,其包括串聯電弧測試配置71和並聯電弧測試配置72。測試開關按鈕70耦合到微控制器80並允許操作員根據局部和非局部調整來在安裝時測試該裝置。
現在參考圖2-5',描述了用於執行串聯和並聯電弧故障斷流器(AFCI)的方法。如圖2所示， 一旦隨後將連續運行的算法被初始化(操作IOO)(期間發生負載電流的感測)，就得到是否已完成高頻取樣的確定(操作200)。此處，高頻取樣實際上指的是涉及串聯電弧檢測單元30的執行(performance)的中頻取樣以及涉及並聯電弧檢測單元40的執行的高頻取樣。
此外，根據圖3的中斷處理算法來發生高頻和/或中頻取樣。該算法從接收由未控制器80產生的低頻中斷信號開始(操作201)。此時，確定是否RMS長度已被取樣(操作202),並且如果已被取樣，則計算RMS(操作203 )。 一旦計算出RMS，它就被用於確定在有發弧條件的情況下該裝置需要多快來脫扣。如果RMS沒有被取樣，則計算過零(操作204 )。
操作204的過零計算可以根據圖4A和圖4B的流程圖來進行。如所示，過零計算指的是情況(Case) 0-11,每個情況(Case)都描述了與電流信號的先前值有關的一個如果-則-否則(if-then-else)方案，其中負閾值(NEGTHRESH) = -15、正閾值(POSTHRESH) =15、負零(NEGZERO ) = - 3且正零(POSZERO ) = 3 。
一旦計算出過零，就要確定是否已登記了正過零(操作205 )。如果還沒有登記正過零，則設置用於過零取樣的以及非過零取樣的負過零的延遲，並且中頻和/或高頻取樣被觸發(操作206)。然而，如果已經登記了正過零，則正過零的延遲被設置用於過零取樣和非過零取樣，中頻和/或高頻取樣被觸發(操作207)。
返回圖2,如果確定中頻和/或高頻取樣未完成，則以低頻取樣電流信號(操作300)，並且如果低頻取樣已完成，則計算已經被低頻濾波的信號的移動平均數(操作500)。如果中頻和/或高頻取樣已完成並且如果確定過零已被取樣，則根據至少該移動平均數來計算過零離散小波係數(操作410)。相反地，如果中頻和/或高頻取樣已完成並且如果確定過零已被取樣，則根據至
少該移動平均數來計算非過零離散小波係數(操作420)。
此處，參考圖5,在操作410和420中使用離散小波算法。如所示，所取樣的信號最初被定義為具有Outerlndex(其指的是被巻積的信號的指數)、SumCD(其指的是詳細的係數的總和的絕對值)以及Innerlndex(其指的是使用的濾波器的指數)的信號，它們每個都被設置為零。
首先，確定Outerlndex是否小於被巻積的信號的長度。如果Outerlndex不小於被巻積的信號的長度，則SumCD的值返回到零。相反地，如果Outerlndex小於被巻積的信號的長度，則CD的值(它們是單獨的詳細係數)被設置為零，並且Jumplndex的值被設置為被 巻積的信號乘以2的值。.
然後，確定Innerlndex是否小於濾波器的長度。如果Innerlndex小於濾波器的長度，CD的值被設置為CD的值加上該信號的值。此處，該信號值是I皿erlndex的值乘以濾波器的值再加上Jumplndex的值。重複這一過程直到確定I皿erlndex不小於濾波器的長度。此時，CD的值被設置為CD的絕對值，並且SumCD的值被設置為SumCD的絕對值加上CD的值。
最後，參考圖2，基於過零和非過零離散小波係數來確定是否所有的閾值標準都滿足(操作600)。隨後，如果確定所有的閾值標準都滿足則發出脫扣信號(操作700)。此處，脫扣信號的發出包括將離散小波係數的各自能量的總和與閾值條件進行比較，並且確定各自能量的總和是否超過脫扣信號發出的閾值條件。
根據本發明的另 一個方面，提供了 一種通過檢測串聯和並聯電弧來操作斷流器的方法。該方法包括感測負載電流，並從該負載電流產生電流信號；低頻濾波所述電流信號並在不同的負載條件下確定被低頻濾波的電流信號的基頻和過零；中頻和/或高頻濾波所述電流信號並將被中頻和/或高頻濾波的電流信號分解到預定水平以獲得離散小波係數；對跨越過零區域和跨越預定的非過零區域的被中頻和/或高頻濾波的電流信號進行取樣；計算在其過零和非過零處所取樣的中頻電流信號和/或所取樣的高頻電流信號的離散小波係數的絕對值；以及將所計算的離散小波係數的絕對值的各自能量相加並基於所相加的各自能量來發出脫扣決定。
此處，分解操作包括使用從被低頻濾波的電流信號獲得的離散小波轉換來分解被中頻和/或高頻濾波的電流信號。此外，發出脫扣決定包括將相加的離散小波係數的各自能量與閾值條件進行比較，並且確定相加的各自能量是否超過脫扣信號發出的閾值條件。
根據本發明的其他方面，提供了用於基於先前的電流過零來確定高頻取樣窗口的位置的方法，以及將輸入信號的向下取樣和/或子取樣結合到巻積中以降低巻積計算中乘法和加法運算的次數的方法。此處，
參考圖5 ，該方法包括如上所述的離散小波算法的操作。
儘管已經參考示例性實施例描述了本公開，但是本領域技術人員應該理解在不偏離本公開的範圍的情況下可以進行各種變化並且可以用等同物來代替其中的元件。此外，在不偏離本公開的實質範圍的情況下，可以進行許多改變來使特定的情況或材料適應於本公開的教導。因此，意圖是本公開不限於作為計劃用於執行本公開的最佳方式而公開的特定示例性實施例，而是本公開將包括落入所附權利要求範圍之內的所有實施例。
附圖標記
電阻元件 10
加法放大器 20
測試信號 90
微控制器 80
第一/串聯電弧檢測單元 30
高通濾波器 31
第一/第二低通濾波器 32/33
第二/並聯電弧檢測單元 40
低通濾波器 41
高通濾波器 42
電流測量單元 50
低通濾波器 51脫扣信號St
溫度傳感器60
測試開關70
串聯電弧測試配置71
並聯電弧測試配置72
算法的初始化操作100
高頻取樣確定操作200
接收低頻中斷信號操作201
RMS確定操作202
RMS計算操作203
過零計算操作204
正過零確定操作205
觸發高頻取樣操作206， 207
低頻取樣操作300
計算移動平均數操作500
計算過零係數操作410
計算非過零係數操作420
閾值標準滿足確定操作600
發出脫扣信號操作700
1權利要求
1、一種用於執行串聯和並聯電弧故障電流斷路(AFCI)的裝置，該裝置包括電阻元件(10)，其被配置成感測從其中產生電流信號的負載；第一檢測單元(30)，其被配置成基於所述電流信號輸出第一信號；以及微控制器(80)，其被配置成經由離散小波變換分解至少所述第一信號從而獲得離散小波係數，以及在所述離散小波係數指示滿足產生脫扣信號的閾值條件時產生脫扣信號。
2、 根椐權利要求1所述的裝置，還包括第二檢測單元(40),其 布置成與所述第一檢測單元(30)並聯並且配置成基於所述電流信號 輸出第二信號。
3、 根據權利要求1所述的裝置，還包括電流測量單元(50)，其 被布置成與所述第一檢測單元(30)並聯並且配置成基於所述電流信 號輸出測量信號，以使得產生脫扣信號的閣值條件是電流測量的函數。
4、 根據權利要求2所述的裝置，還包括電流測量單元(50)，其 被布置成與所述第一和第二檢測單元(30) 、 (40)並聯並且配置成 基於所述電流信號輸出測量信號，以使得產生脫扣信號的閾值條件是 電流測量的函數。
5、 根據權利要求1所述的裝置，還包括加法放大器(20),其可 操作地布置在所述電阻元件(10)和所述第一檢測單元(30)之間， 其中所述微控制器(80)耦合到所述加法放大器(20)。
6、 根據權利要求1所述的裝置，還包括耦合到所述微控制器(80) 的周圍溫度傳感器(60)，通過所述周圍溫度傳感器(60)所述微控 制器80確定是否補償電阻元件(10)的溫度變化。
7、 根據權利要求1所迷的裝置，其中所述第一檢測單元(30)以 300kHz的取樣頻率運行，並且從電流信號濾波除具有大約6kHz - 60Hz 頻率的那些子信號以外的所有子信號。
8、 根據權利要求3所述的裝置，其中所述電流測量單元(50)以 10kHz的取樣頻率運行。
9、 一種執行串聯和並聯電弧故障電流斷路(AFCI)的方法，該方 法包括感測負載電流；基於所感測的負載電流以高頻取樣信號(操作200);在已完成高頻取樣並且如果確定過零已被取樣時，計算過零離散 小波係數(操作410);在已完成高頻取樣並且如果確定過零還沒有被取樣時，計算非過 零離散小波係數(操作420);以及如果基於過零和非過零離散小波係數確定已滿足閾值標準則發出 脫扣信號(操作600)、(操作700)。
10、提供了 一種通過檢測串聯和並聯電弧來操作斷流器的方法， 該方法包括感測負載電流並從該負栽電流產生電流信號；低頻濾波所述電流信號並在不同的負載條件下確定被低頻濾波的 電流信號的基頻和過零(操作300);中頻和/或高頻濾波所述電流信號並將被中頻和/或高頻濾波的電 流信號分解到預定水平以獲得離散小波係數(操作200);對跨越過零區域和跨越預定的非過零區域的被中頻和/或高頻濾波 的電流信號進行取樣(操作204);計算在其過零和非過零處所取樣的中頻電流信號和/或所取樣的高 頻電流信號的離散小波係數的絕對值(操作410、 420);以及將所計算的離散小波係數的絕對值的各自能量相加並基於所相加 的各自能量來發出脫扣決定(操作600、 700)。
全文摘要
使用離散小波變換的電弧檢測。一種用於執行串聯和並聯電弧故障電流斷路(AFCI)的裝置。該裝置包括電阻元件(10)，其被配置成感測從其中產生電流信號的負載；第一檢測單元(30)，其被配置成基於所述電流信號輸出第一信號；以及微控制器(80)，其被配置成經由離散小波變換分解至少所述第一信號從而獲得離散小波係數，以及在所述離散小波係數指示滿足產生脫扣信號的閾值條件時產生脫扣信號。
文檔編號G01R15/20GK101673930SQ20091016013
公開日2010年3月17日 申請日期2009年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者J·K·霍克, K·V·格裡戈裡延, S·J·霍爾, S·錢加利 申請人:通用電氣公司