一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种直流系统的电弧故障在线检测方法及保护装置，综合了功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程以及电弧发生时的功率电路电流交流分量的特征，所选的电弧电流特征量包括时域的峰峰值和标准差以及滤除负载特定频率点噪声后1kHz~100kHz范围内的频率分量功率和，采用马氏距离算法计算实时特征量与功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程中特征量的马氏距离值，与学习过程中设定的阀值比较，检测单次电弧是否发生。本发明专利技术技术方案具有通用性强、检测率高、误判率低的特点，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流配电系统。

DC system arc fault on-line detection method and protection device

Arc fault detection method and protection device of the invention discloses a DC power system, integrated circuit power characteristics of starting process, work process and power circuit and overload fault arc occurs when the power circuit current, arc current characteristics including the selected frequency component and the power range of 1kHz~100kHz the difference between peak and standard time and filtering the load noise of certain frequency points, the Mahalanobis distance features using Mahalanobis distance algorithm to calculate the real-time characteristics and power circuit power starting process, work process and power load in the process of passing fault values, comparing the set threshold and the learning process, the detection of single arc whether. The technical scheme of the invention has the advantages of strong versatility, high detection rate, low false positive characteristics, can be widely used in electric vehicles, aircraft, ship low voltage and high voltage power system, PV system and civil HVDC power distribution system.

【技术实现步骤摘要】
一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置
本专利技术涉及一种直流电力系统中电弧故障的在线检测方法和保护装置，属于电工

技术介绍
直流电弧故障常发生于飞机、电动汽车、光伏电站等包含直流电源的电气系统。电弧故障是由于电线电缆的绝缘性能老化、绝缘破损及空气潮湿、连接端子松动等原因造成的。直流电弧不存在过零点、不容易灭弧，如不及时保护，可能会出现长时间的燃弧；发生时伴随着火花、明光，可产生1000℃以上的高温，导致电线电缆的绝缘进一步损坏，甚至引起电气火灾。直流电弧故障特征与交流电弧故障特征差别很大：交流电弧电流周期性，过零时存在“零休区”；而直流电弧没有周期性，不存在基波的概念，具有很强的随机性和非平稳性。因此交流电弧故障检测的特征判据不适用于直流电弧故障的检测。目前直流电弧故障在线检测一般均通过检测线路电流的电弧故障特征量实现。常见直流电弧故障特征量可分为时域特征和频域特征。常见的直流电弧故障时域特征量有平均值、标准差、峰峰值、变化率等。大量实验研究表明，直流电弧故障发生过程中电弧故障电流的时域特征之一表现为电流的突变，因此在很多技术方案中，按照时域特征量的“突变”判断电弧故障。例如美国专利US2007/0133135中公开了一种通过电流平均值的变化检测串行直流电弧、采用电流峰峰值的大小检测并行直流电弧的技术方案。中国专利CN103384446A中公开了一种基于PCB空心变压器检测电弧电流变化率(di/dt)的装置和方法。然而美国俄亥俄州立大学研究发现随着直流系统电压的增加，电弧电流变化明显减小，容易与功率电子装置引起的谐波电流混淆。因此，时域特征判断的方法仅仅适用于特定系统的特定负载，无法通用，仅仅从电弧时域特征判断电弧故障则容易造成漏判和误判。直流电弧故障特点频段频域特征量是目前被最广泛采用的判定电弧故障的特征。大量理论和实验研究表明，直流电弧故障发生过程中，电弧电流的特定频段高频分量显著的增加，特定频段的频率下限从数KHz到数十kHz，频率上限从数十kHz到100kHz左右。因此应用最简单易行和广泛使用的直流电弧故障检测方法是快速傅里叶分解(FFT)或其他频率特征提取方法。如德州仪器(TI)的专利US20120316804公开了一种应用于光伏高压直流系统的电弧故障判断方法，所选取电弧故障频率特征的频段为40～90KHz，但其仅仅考虑负载正常工作和电弧发生时电流的频域特征差别，未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别。实际上，上述的几种工作过程中线路电流与电弧故障电流具有相似的特征，例如负载加电启动过程和短时过载故障的波形非常类似高压直流系统中的并行电弧故障，容易误判为电弧故障。美国专利US8093904B2中公开了一种基于电弧故障频率特征和马氏距离算法的直流电弧故障检测装置，也未考虑负载加电启动、开关切换加卸载、负载大小和类型变化等过程与电弧故障的特征差别，容易发生误判断；另外由于其算法中包含了大量的除法运算，所以运算时间较长，降低了电弧故障检测的速度。仅仅从电弧频域特征判定直流电弧故障还存在如下缺点：(1)由于电弧故障频率特征所在频段恰好也是很多开关电源、电力电子负载的开关频率所在的频段，因此负载性质的不同对电弧判断结果影响较大，易造成误判断；(2)根据直流系统电源电压等级的不同，电弧故障电流的频率特征所分布的频段有较大的差别；尤其高压直流系统中，相比低压系统更容易形成稳定燃烧的电弧，电弧电流的频率特征量在幅值大大降低，仅从频率特征区别电弧故障容易误判；(3)直流电弧故障具有很强的随机性，电弧故障电流属于随机和非平稳性信号，快速傅里叶分解(FFT)属于平稳信号的分析方法，仅仅利用FFT的频率分量分析结果去判断电弧故障易造成判定结果的不准确。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，是针对前述
技术介绍
中的缺陷和不足，专利技术一种通用的直流系统电弧故障检测方法和保护装置，通过利用统计学的马氏距离方法综合电弧故障电流的时域和频率特征，并排除负载等因素的开关噪声、加电起动过程、开关切换加卸载和负载变化的影响，从而提高检测率、降低误判率。为了解决
技术介绍
中现有技术方案的问题，本专利技术采用的具体技术方案如下。1、一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：(1)阶段1：电弧特征的在线学习阶段步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量XAC(i)；步骤2：在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量YAC(i)；步骤3：在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量ZAC(i)；步骤4：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；步骤5：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；步骤6：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤7：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；步骤8：分别计算步骤7中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；步骤9：步骤1～8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i＝1～N，N≥20；X(i)，Y(i)，Z(i)为3×1的列向量:X(i)＝[PPX(i)σX(i)PFX(i)]T，i＝1～NY(i)＝[PPY(i)σY(i)PFY(i)]T，i＝1～NZ(i)＝[PPZ(i)σZ(i)PFZ(i)]T，i＝1～N步骤10：计算样本向量X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D2X(i)；其中：为样本向量集合X(1)～X(N)的平均值CX为样本向量集合X(1)～X(N)的协方差矩阵，步骤11：计算样本向量Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D2Y(i)，其中：为样本向量集合Y(1)～Y(N)的平均值CY为样本向量集合Y(1)～Y(N)的协方差矩阵步骤12：计算样本向量Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D2Z(i)，其中：为样本向量集合Z(1)～Z(N)的平均值CZ为样本向量集合Z(1)～Z(N)的协方差矩阵步骤13：计算D2X(i)，D2Y(i)和D2Z(i)的最大值D2Normal，其中i＝1～N；D2Normal＝max{D2X(i)D2Y(i)D2Z(i)}|i＝1～N步骤14：在功率电路实际模拟电弧产生，检测电流交流分量AAC(j)；步骤15：计算步骤14中电流交流分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：(1)阶段1：电弧特征的在线学习阶段步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量X

【技术特征摘要】
1.一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：(1)阶段1：电弧特征的在线学习阶段步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量XAC(i)；步骤2：在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量YAC(i)；步骤3：在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量ZAC(i)；步骤4：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；步骤5：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；步骤6：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤7：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；步骤8：分别计算步骤7中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；步骤9：步骤1～8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i＝1～N，N≥20；X(i)，Y(i)，Z(i)为3×1的列向量:X(i)＝[PPX(i)σX(i)PFX(i)]T，i＝1～NY(i)＝[PPY(i)σY(i)PFY(i)]T，i＝1～NZ(i)＝[PPZ(i)σZ(i)PFZ(i)]T，i＝1～N步骤10：计算样本向量X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D2X(i)；其中：为样本向量集合X(1)～X(N)的平均值CX为样本向量集合X(1)～X(N)的协方差矩阵，步骤11：计算样本向量Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D2Y(i)，其中：为样本向量集合Y(1)～Y(N)的平均值CY为样本向量集合Y(1)～Y(N)的协方差矩阵步骤12：计算样本向量Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D2Z(i)，其中：为样本向量集合Z(1)～Z(N)的平均值CZ为样本向量集合Z(1)～Z(N)的协方差矩阵步骤13：计算D2X(i)，D2Y(i)和D2Z(i)的最大值D2Normal，其中i＝1～N；D2Normal＝max{D2X(i)D2Y(i)D2Z(i)}|i＝1～N步骤14：在功率电路实际模拟电弧产生，检测电流交流分量AAC(j)；步骤15：计算步骤14中电流交流分量的峰峰值PPA(j)；步骤16：计算步骤14中电流交流分量的标准差σA(j)；步骤17：计算步骤14中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤18：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤17的计算结果中滤除所述开关频率点及其谐波噪声点的频率分量；步骤19：计算步骤18中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；步骤20：步骤14～19重复M次，采集样本向量集合A(j)，其中j＝1～M，M≥20；A(j)为3×1的列向量:A(j)＝[PPA(j)σA(j)PFA(j)]T；步骤21：计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D2AX(j)；其中：步骤22：计算样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D2AY(j)，其中：步骤23：计算样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D2AZ(j)，其中：步骤24：计算D2AX(j)，D2AY(j)和D2AZ(j)的平均值D2Fault，其中j＝1～M；步骤25：确定区分电弧与非电弧的马氏距离阀值D2TH，取D2Normal<D2TH<D2Fault；(2)阶段2：在线单次检测电弧阶段第k次在线检测电弧的步骤为：步骤26：在线检测电流交流分量BAC(k)；步骤27：计算步骤26中电流交流分量的峰峰值PPB(k)；步骤28：计算步骤26中电流交流分量的标准差σB(k)；步骤29：计算步骤26中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤30：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤29的计算结果中滤除所述开关频率点和谐波噪声点的频率分量；步骤31：计算步骤30中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；步骤32：根据样本向量B(k)＝[PPB(k)σB(k)PFB(k)]T,B(k)为3×1的列向量；步骤33：计算样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D2BX(k)；其中：步骤34：计算样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D2BY(k)，其中：步骤35：计算样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D2BZ(k)，其中：步骤36：判断D2BX(k)、D2BY(k)、D2BZ(k)是否大于马氏距离阀值D2TH，若其中任意一个大于马氏距离阀值D2TH，则第k次判定结果为检测出电弧发生；若D2BX(k)、D2BY(k)、D2BZ(k)均小于等于马氏距离阀值D2TH，则第k次判定结果为未检测出电弧发生；(3)阶段3：电弧故障判定和保护阶段步骤37：在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，重复步骤26～36，并对电弧检出次数进行计数，对累积电弧时间进行计算；步骤38：根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件；满足以下任意条件之一则判定电弧故障：(a)在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；(b)在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；步骤39：根据电弧故障的判定结果发出电弧故障信号。2.如权利要求1所述的直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于还包括电弧故障检测功能自检步骤，用于在检测系统上电时进行系统自检。3.一种直流系统电弧故障在线检测装置，用于直流系统电弧故障在线保护装置，所述直流系统电弧故障在线保护装置包括固态开关或机械式断路器(1)、功率电路电流交流分量检测电路(2)、第一与门(3)、调理电路(4)、模数转换器(5)、微处理器(6)、电弧故障状态指示模块(7)和通讯接口(8)，其特征在于直流系统电弧故障在线检测装置包括：(1)电弧特征的离线学习模块，包括：第一电流交流分量检测模块，用于离线学习阶段在功率电路加电起动、加卸载过程中获取电流交流分量XAC(i)；第二电流交流分量检测模块，用于在功率电路正常工作过程中获取电流交流分量YAC(i)；第三电流交流分量检测模块，用于在功率电路过载故障过程中获取电流交流分量ZAC(i)；第一峰峰值计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；第一标准差计算模块：分别计算第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块：对第一～第三电流交流分量检测模块获取的功率电路电流交流分量进行分析，求出各功率电路电流交流分量的1kHz～100kHz范围各频率分量幅值；第一滤除特定频率点噪声模块：根据系统中电源或者电力电子负载在1kHz～100kHz范围内开关频率点及其谐波噪声频率点，从第一1kHz～100kHz频率分量的计算模块的分析结果中滤除电源或者电力电子负载开关频率点和谐波噪声点的频率分量；第一频率分量的功率和计算模块，计算第一滤除特定频率点噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，阮立刚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32