一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，包括：预设包含正常与故障样本的全部电器全特征数据库；初始化相关参数；采集用户入户处总电流和端电压并进行降噪处理；捕捉总电流信号稳态时窗，计算CRC特征，结合故障电弧特征样本，实时检测故障电弧；若存在故障电弧，利用电流模式匹配实现负荷分解得到负荷构成；若时窗稳态特征发生变化及负荷构成已知，计算ZCP特征，根据用户负荷构成和CRC和ZCP特征列出运行中电器的全特征样本矩阵；以全特征矩阵最优分解的最佳匹配结果作为电弧电流分解结果得到故障电器，实现故障支路定位，进而切除故障。本发明专利技术可根据用户总口电流实现故障电弧监测，并辨识出故障支路，消除电弧故障引发的火灾隐患。

【技术实现步骤摘要】
一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法及系统
本专利技术涉及电力系统故障电弧监测领域，具体涉及一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法。
技术介绍
电气火灾在所有火灾类型中排名第一，根据《中国火灾统计年鉴》，近年来我国电气火灾约占火灾总数的30％，且呈逐年上升趋势，而电弧故障是电气火灾的主要原因。低压配电线路由于接线端子松动、线路长期过载、绝缘老化等原因而导致的等离子体放电的现象即为电弧故障，且往往伴随着电极局部高温溅射而产生火灾隐患。因此，研究电弧电流、电压信号的故障特征具有重要意义，可为电弧故障保护装置的设计提供理论指导，从而保证用电的安全可靠。电弧故障可分为并联电弧故障和串联电弧故。不同位置的并联电弧故障的电流波形具有较强的共性，一般大于负载电流。串联电弧故障的电流波形受其下游电器负载的影响，幅值一般小于负载电流。传统的保护装置如熔断器、断路器等在过电流时触发，可以有效地检测和保护并联电弧故障，但不能检测串联电弧故障。不同电器在发生串联电弧故障时，电弧电流波形具有以下特点：波形中含有谐波成分；由于电压降的存在，电流幅值低于正常负荷电流；电流上升率高于正常电流；它在过零点前熄灭，过零点后重新点燃，形成“平肩”，即零休时段；它是随机的，通常是间歇性的，中间有正常的电流波形。非侵入式负荷监测(Non-intrusiveLoadMonitoring,NILM)是20世纪80年代由MIT的Hart提出的。它只需在客户入口处安装一个传感器，对总电流和终端电压进行采集和分析，就可以监测到家中每台电器的耗电量和运行状态，从而了解家庭中每台电器的详细耗电情况。目前，针对串联故障电弧的检测方法主要有以下三方面：一是基于电弧光、热、电磁辐射等的电弧故障检测；二是基于电弧数学模型；三是基于电弧电压电流波形。现有大量故障电弧检测方法和判据研究，多集中在高采样率的电弧电流和电压信号的时、频域特征。然而受限于线路实际安装场景和设备采样频率，单个负载端电压波形难以获取且对采样频率要求较高的算法难以推广应用。由于故障电弧检测与非侵入式负荷监测所在量测点的位置天然重合，而串联电弧故障时的电流波形是叠加在负载电流之上，本专利技术的初衷是融合这两个领域的研究成果，以期发现更有效的串联电弧故障检测和识别方法,并通过研究相对于不同电器运行时的电弧特征差异，定位电弧故障所在的支路，以便更加快速及时地排除故障电弧的火灾和安全隐患。
技术实现思路
考虑到现有技术存在的不足，为进一步促进故障电弧检测在实际低压用户的推广应用，实现用户火灾预警和线路隐患定位消除，本专利技术结合有监督的非侵入式负荷监测技术，提出了一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测系统和方法，旨在解决低压用户故障电弧检测问题。此专利技术可以根据用户总口电流实现故障电弧监测，并辨识出电弧故障所在的电路分支，即故障发生在哪个电器所在的哪条支路上，可以及时消除电弧故障引发的火灾和安全隐患。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，包括以下步骤：步骤1：预设包含全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库的全部电器全特征样本数据库；同时初始化预先设置的相关参数，包括初始时窗的稳态特征、初始用户负荷构成；步骤2：采集用户入户处的采集用户入户处的用户总电流和端电压，同时采用小波包阈值去噪方法对采集的电流数据进行预处理；步骤3：针对用户总电流信号，捕捉稳态时窗，进行特征计算，包括电流变化率与有效值比值(CRC)，根据电流变化率与有效值比值(CRC)特征，并结合所述的故障电弧特征数据库，实时检测故障电弧；步骤4：判断故障电弧是否存在，如果存在故障电弧，则执行步骤5，否则执行步骤6；步骤5：判断当前时窗的稳态特征是否发生变化，如果存在变化，则返回步骤2，否则执行步骤8；步骤6：利用电流模式匹配方法实现用户负荷分解得到用户负荷构成，所述用户负荷构成是指低压配电系统内各电器开关的各种工作状态；步骤7：记录当前时窗的用户负荷构成与此刻的稳态特征，返回步骤2；步骤8：判断当前时窗的负荷构成是否已知，若已知则执行步骤9，否则返回步骤2；步骤9：根据步骤6获得的用户负荷构成计算电流零休时间(ZCP)特征，根据电流变化率与有效值比值(CRC)和电流零休时间(ZCP)特征列出处于运行状态的电器的全特征样本矩阵；根据所述的运行电器的全特征样本数据库，得到对应运行电器总电流；比较不同电器故障组合总电流与此时用户真实总电流波形的相似度，其中最佳匹配结果即为电弧电流分解结果；步骤10：根据电弧电流分解结果，得到发生电弧故障的电器；步骤11：根据发生电弧故障的电器，回溯故障所在的电路分支，实现电弧故障所在支路定位；步骤12：发出故障告警及故障支路信息，触发相关断路器动作切除电弧故障所在支路，返回步骤2或是结束检测。进一步讲，本专利技术所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其中：对于步骤1，预设的全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库和运行电器的全特征样本数据库，所述电器是指低压用户常见电器，包括电热水壶、电热水器、空调、电磁炉、白炽灯、电吹风。对于步骤3，实现捕捉稳态时窗采用的规则是通过时间序列连续14个半波功率极差小于指定阈值规则。对于步骤4，判断故障电弧是否存在的方法是：按GB-14287.4-1014标准，如果存在连续14个半波均存在电流变化率与有效值比值(CRC)超过10倍该指标的均方根值，则判断此时存在电弧故障。对于步骤7，所述的稳态特征包括当前时窗的用户负荷的总平均功率、总电流有效值、总电流基波有效值。对于步骤9，比较不同电器故障组合总电流与此时用户真实总电流波形的相似度的方法是：采用时间序列间欧氏距离来比较全特征样本矩阵分解得到的不同电器故障组合总电流与真实总电流之间的相似度计算。同时，本专利技术中还提供了实现上述低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法的系统，该系统包括参数预设模块、电气信息采集与预处理模块、稳态时窗电弧特征提取及故障判断模块、非侵入式正常电流分解模块、当前时窗负荷构成及稳态特征记录与判断模块、电器成分已知电弧电流分解与支路定位模块、全部电器全特征样本数据库模块、数据信息存储模块、数据传输与信息通信模块、对外交互功能模块；所述参数预设模块，预设包含全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库的全部电器全特征样本数据库，初始化不同功能模块中需要预先设置的相关参数；所述电气信息采集与预处理模块，用于根据系统设置，采集监测点处的电压和总电流信号，对采集到的电压、电流信号进行降噪的数据预处理；所述稳态时窗电弧特征提取及故障判断模块，针对用户总电流，捕捉稳态时窗，进行特征计算，包括电流变化率与有效值比值和电流零休时间，并根据电流变化率与有效值比值，结合所述的故障电弧特征数据库模块，实时判断故障电弧存在与否；所述非侵入式正常电流分解模块，用于分析采集负荷总电流和端电压，提取负荷特性，根据全部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：预设包含全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库的全部电器全特征样本数据库；同时初始化预先设置的相关参数，包括初始时窗的稳态特征、初始用户负荷构成；/n步骤2：采集用户入户处的采集用户入户处的用户总电流和端电压，同时采用小波包阈值去噪方法对采集的电流数据进行预处理；/n步骤3：针对用户总电流信号，捕捉稳态时窗，进行特征计算，包括电流变化率与有效值比值(CRC)，根据电流变化率与有效值比值(CRC)特征，并结合所述的故障电弧特征数据库，实时检测故障电弧；/n步骤4：判断故障电弧是否存在，如果存在故障电弧，则执行步骤5，否则执行步骤6；/n步骤5：判断当前时窗的稳态特征是否发生变化，如果存在变化，则返回步骤2，否则执行步骤8；/n步骤6：利用电流模式匹配方法实现用户负荷分解得到用户负荷构成，所述用户负荷构成是指低压配电系统内各电器开关的各种工作状态；/n步骤7：记录当前时窗的用户负荷构成与此刻的稳态特征，返回步骤2；/n步骤8：判断当前时窗的负荷构成是否已知，若已知则执行步骤9，否则返回步骤2；/n步骤9：根据步骤6获得的用户负荷构成，计算电流零休时间(ZCP)特征，根据电流变化率与有效值比值(CRC)和电流零休时间(ZCP)特征列出处于运行状态的电器的全特征样本矩阵；根据所述的运行电器的全特征样本数据库，得到对应运行电器总电流；比较不同电器故障组合总电流与此时用户真实总电流波形的相似度，其中最佳匹配结果即为电弧电流分解结果；/n步骤10：根据电弧电流分解结果，得到发生电弧故障的电器；/n步骤11：根据发生电弧故障的电器，回溯故障所在的电路分支，实现电弧故障所在支路定位；/n步骤12：发出故障告警及故障支路信息，触发相关断路器动作切除电弧故障所在支路，返回步骤2或是结束检测。/n...

【技术特征摘要】
1.一种低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：预设包含全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库的全部电器全特征样本数据库；同时初始化预先设置的相关参数，包括初始时窗的稳态特征、初始用户负荷构成；
步骤2：采集用户入户处的采集用户入户处的用户总电流和端电压，同时采用小波包阈值去噪方法对采集的电流数据进行预处理；
步骤3：针对用户总电流信号，捕捉稳态时窗，进行特征计算，包括电流变化率与有效值比值(CRC)，根据电流变化率与有效值比值(CRC)特征，并结合所述的故障电弧特征数据库，实时检测故障电弧；
步骤4：判断故障电弧是否存在，如果存在故障电弧，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：判断当前时窗的稳态特征是否发生变化，如果存在变化，则返回步骤2，否则执行步骤8；
步骤6：利用电流模式匹配方法实现用户负荷分解得到用户负荷构成，所述用户负荷构成是指低压配电系统内各电器开关的各种工作状态；
步骤7：记录当前时窗的用户负荷构成与此刻的稳态特征，返回步骤2；
步骤8：判断当前时窗的负荷构成是否已知，若已知则执行步骤9，否则返回步骤2；
步骤9：根据步骤6获得的用户负荷构成，计算电流零休时间(ZCP)特征，根据电流变化率与有效值比值(CRC)和电流零休时间(ZCP)特征列出处于运行状态的电器的全特征样本矩阵；根据所述的运行电器的全特征样本数据库，得到对应运行电器总电流；比较不同电器故障组合总电流与此时用户真实总电流波形的相似度，其中最佳匹配结果即为电弧电流分解结果；
步骤10：根据电弧电流分解结果，得到发生电弧故障的电器；
步骤11：根据发生电弧故障的电器，回溯故障所在的电路分支，实现电弧故障所在支路定位；
步骤12：发出故障告警及故障支路信息，触发相关断路器动作切除电弧故障所在支路，返回步骤2或是结束检测。


2.根据权利要求1所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，对于步骤1，预设的全部电器的正常特征样本数据库、故障电弧特征数据库和运行电器的全特征样本数据库，所述电器是指低压用户常见电器，包括电热水壶、电热水器、空调、电磁炉、白炽灯、电吹风。


3.根据权利要求1所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，对于步骤3，实现捕捉稳态时窗采用的规则是通过时间序列连续14个半波功率极差小于指定阈值规则。


4.根据权利要求1所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，对于步骤4，判断故障电弧是否存在的方法是：按GB-14287.4-1014标准，如果存在连续14个半波均存在电流变化率与有效值比值(CRC)超过10倍该指标的均方根值，则判断此时存在电弧故障。


5.根据权利要求1所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，对于步骤7，所述的稳态特征包括当前时窗的用户负荷的总平均功率、总电流有效值、总电流基波有效值。


6.根据权利要求1所述的低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法，其特征在于，对于步骤9，比较不同电器故障组合总电流与此时用户真实总电流波形的相似度的方法是：采用时间序列间欧氏距离来比较全特征样本矩阵分解得到的不同电器故障组合总电流与真实总电流之间的相似度计算。


7.实现低压用户非侵入式电弧故障精准检测方法的系统，其特征在于，该系统包括参数预设模块、电气信息采集与预处理模块、稳态时窗电弧特征提取及故障判断模块、非侵入式正常电流分解模块、当前时窗负荷构成及稳态特征记录与判断模块、电器成分已知电弧电流分解与支路定位模块、全部电器全特征样本数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾文鹏，林建利，刘博，余贻鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12