【技术实现步骤摘要】
一种故障电弧检测装置
[0001]本专利技术涉及工频交流电供电系统的故障电弧检测及其引发的火灾的保护领域。
技术介绍
[0002]据统计故障电弧引起的火灾占全部火灾很大的比例，因此急需一种保护设备来检测故障电弧，并在故障电弧还没有引燃可燃物之前的短暂时间内，将电路断开，从而熄灭故障电弧，进而避免它引起火灾。目前已有的故障电弧检测产品的主要问题是故障电弧检测的准确率比较低，检测的误报率和漏报率比较高，经常发生故障电弧误报和漏报。因此需要设计一种故障电弧检测装置，这种检测装置能尽量多地收集，处理和使用故障电弧的特征信息，更加准确地检测出故障电弧，提高故障电弧检测的准确率，降低故障电弧检测的误报率和漏报率。
技术实现思路
[0003]设计了一种故障电弧检测装置，这种检测装置能尽量多地收集处理和使用故障电弧的特征信息，更加准确地检测出故障电弧，提高故障电弧检测的准确率，降低故障电弧检测的误报率和漏报率。使用硬件电路、处理器和软件共同配合，设计完成了该故障电弧检测装置。
[0004]设计了一个4维向量空间，定义...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种故障电弧检测装置，其特征在于，使用硬件电路、处理器和软件共同配合，设计完成了故障电弧检测装置；设计了一个4维向量空间，定义为M向量空间，定义M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）；信号到来时，通过计算该信号落入各个M空间的基本子空间的概率分布，从而构建出反应该信号在M向量空间上的概率分布特征的M空间的特征向量，将该信号的M空间的特征向量与已知的预先采集的信号基和电弧基的数据库做比较，从而检测出故障电弧；具体如下，使用了磁芯的相对磁导率u不同的一组线圈作为信号的检测线圈，工频交流电的L线穿过这组线圈的中心；这组线圈共有Nu只，以相对磁导率u的对数值为单位构建数轴，称为U轴；在U轴上，取Nu个点，这些点从小到大排列，记为u(m)，m是整数变量，0<m<Nu+1，以U轴为其中的一个维度，构建一个多维空间M；每个线圈输出的信号都经过放大器放大，使用运算放大器实现信号放大功能，每个线圈的匝数、骨架材料的磁导率、信号放大器的增益共同决定了放大器输出端信号的幅度和整体的增益；以各个线圈所对应着的放大器的输出信号幅度值范围内的幅度值的对数值为第二个数轴，称为A轴；在A轴上，取Na个点，这些点从小到大排列，记为a(n)，n是整数变量，0<n<Na+1，以A轴为第二个维度，构建这个多维空间M；以各个线圈所对应着的放大器的输出信号的频率值范围内的频率值的对数值为第三个数轴，称为F轴；在F轴上，取Nf个点，这些点从小到大排列，记为f(p)，p是整数变量，0<p<Nf+1，以F轴为第三个维度，构建这个多维空间M；以工频交流电的周期T为坐标的最大值，以一个周期内的时间t为数轴上坐标点构建第四个数轴，称为T轴；在T轴上，取Nt个点，这些点从小到大排列，记为t(q)，q是整数变量，0<q<Nt+1，以T轴做为第四个维度，构建这个多维空间M；所有这4个维度的数轴上的点都是即可以均匀地选取也可以非均匀地选取，但是要保证在同一套装置中，一旦选定之后，保持一致，不能变化；目前构建好的多维空间M是四维空间，选择坐标点{u(m)，a(n)，f(p)，t(q)}和{u(m)，a(n+1)，f(p+1)，t(q+1)}，以这两个坐标点为对角顶点的三维立方体记为M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）；在一个工频交流电周期T内的信号S1都会多次落入M空间内，落入整个M空间信号的总次数为NM_S1（M），落入M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的次数为NM_S1（m，n，p，q），则，NM_S1（m，n，p，q）在4个维度相加的总和等于NM_S1（M），信号S1落入M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的概率记为POSB_S1（m，n，p，q），则，POSB_S1（m，n，p，q）=NM_S1（m，n，p，q）/ NM_S1（M）；对于任何一个信号，定义一个信号S1在M空间的特征向量，称为该信号S1的M空间特征向量，表示为S1_V{POSB_S1（m，n，p，q)，// （m (0，Nu]， n (0，Na]， p (0，Nf]， q (0，Nt] ） }，它是由遍布于M空间的总数为TT的概率数值组成，它表示的是数列{POSB_S1（1，1，1，1)，POSB_S1（1，1，1，2)，......，POSB_S1（m，n，p，q)，......，POSB_S1（Nu，Na，Nf，Nt)}，每个概率数值称为向量S1_V的坐标,符号“_V”表示向量，以下相同，向量S1_V是TT维的向量，由这个TT维坐标构成的空间称为TT空间；信号S1的M空间特征向量位于TT空间之内；TT值等于Nu乘以Na乘以Nf乘以Nt，TT值是M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的总数；定义两个信号的M空间特征向量的TT空间距离为D(S1_V，S1_V)，它是由这两个向量在每一个相同的M空间的基本子空间的对应的两个概率值，即向量的坐标值分别对应相减，然后分别求平方，得到各个向量坐标差值的平方，再然后将所有的向量坐标差值的平方求和，得到所有坐标的差值的平方和，然后再开平方，得到了信号S1和S2的M空间特征向量的TT空间距离D(S1_V，S1_V)；定义一个加权向量C_V { c（m，n，p，q)，//（m (0，Nu]， n (0，Na]， p (0，Nf]， q (0，Nt] ）}，它表示的是数列{c（1，1，1，1)，c（1，1，1，2)，......，c（m，n，p，q)，......，c（Nu，Na，Nf，Nt)}，该向量也是
TT维向量；使用C_V对S1_V加权，得到加权向量CS1_V，C_V&S1_V=CS1_V，“&”表示两个向量的加权乘，过程如下，使用向量C_V中的每个坐标与S1_V中的每一个对应的坐标分别相乘就得到了CS1_V{c（m，n，p，q)*POSB_S1（m，n，p，q)，//（m(0，Nu]，n(0，Na]，p(0，Nf]，q(0，Nt]））}；它表示的是数列{c（1，1，1，1)*POSB_S1（1，1，1，1)，c（1，1，1，2)*POSB_S1（1，1，1，2)，......，c（m，n，p，q)*POSB_S1（m，n，p，q)，......，c（Nu，Na，Nf，Nt)*POSB_S1（Nu，Na，Nf，Nt)}，“*”表示数值的乘法运算，该向量也是TT维向量，定义这种运算为两个向量的加权乘，得到的运算结果仍然是一个坐标维数为TT维的向量；判断故障电弧是否发生的关键参数是判断反应该信号落入这个M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的概率分布的M空间特征向量S1_V到信号基STS_V（n）和电弧基STA_V（m）的TT空间距离；采集收到的信号S1的M空间特征向量S1_V，事先建立标准正常信号样本的M空间特征向量STS_V（n）和标准故障电弧信号样本的M空间特征向量STA_V（m）的数据库，n和m表示M空间标准特征向量数据库中的不同的数据的序号，分别计算向量S1_V到STS_V（n）和STA_V（m）的TT空间距离D(S1_V，STS_V（n）)和D(S1_V，STA_V（m）)，预先设定向量的TT空间距离的判则Dth（sts）和Dth(sta)，比较D(S1_V，STS_V（n）)和Dth（sts）及，D(S1_V，STA_V（m）)和Dth(sta)的关系，从而检测故障电弧信号；为了完成上述的故障电弧的检测，必须事先采集标准正常信号样本和标准故障电弧信号样本在各个M空间的基本子空间的概率分布，事先建立标准信号样本的M空间特征向量STS_V（n）和标准故障电弧信号样本的M空间特征向量STA_V（m）的数据库，分别称为信号基和电弧基，它们位于TT空间；为了将复杂的工作简化，分两步建立信号基和电弧基；第一步，选取日常生活中常见的标准的10种用电器，如下，功率电阻、LED灯、卤素灯、空压机、开关电源、空调、电钻、电冰箱、电视机、洗衣机，建立一个基础信号基和基础电弧基；第二步，在这标准的10种用电器之外额外增加不同的用电器，建立信号基和电弧基；建立基础信号基和基础电弧基所选取的10种标准的用电器，记为apl（h），0<h<11，h为整数，建立第一个数轴，记为APL轴，以apl（h）作为数轴上的10个点，以apl（1）为起始点，对单一的用电器进行采样，只需采样这10种情况；对于同一种类的用电器，有不同的额定功率和额定电流，设计的故障电弧检测装置的最小的工作电流的对数值是li（1），选取I个不同的用电器的额定电流值作为采样值，以li（1）为数轴的起点，以li（I）为数轴上坐标的最大值，建立第二个数轴，记为LI轴，该轴上的点记为li（i），0<i<I+1；由APL和LI共同构成一个平面，记为，APL
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LI，在这个平面上，共有10乘I个点；按照这10乘I个点的位置，采集信号落入M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的次数NM（m，n，p，q），然后按照前述公式，计算出信号落入SPM（m，n，p，q）的概率POSB（m，n，p，q），从而得到M空间特征向量APL_V（h，i），它是TT维的向量；下一步是找到APL_V（h，i）对于不同的h和i的值之间是否有冗余，计算向量APL（h，i）和APL_V（hx，ix）之间的TT空间距离D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)，其中h不等于hx，i不等于ix；定义一个TT空间距离Dth（apl）门限，当D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)<Dth（apl），认为该数据是冗余的，这时只能选择其中的一个用电器的数据作为基础信号基和基础电弧基，将另一个用电器从这10种标准用电器中移出；另选一种用电器进入这10种标准的用电器之中，重复上述的计算过程，直到找到10种用电器，任意2种用电器之间的TT空间距离D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)>Dth（apl）恒成立为止，其中h不等于hx，i不等于ix；在只有信号没有故障电弧的情况下，重复多次上述的测量，将得到的数据进行平均，这样得
到了10个M空间特征向量BSTS_V（n），n(0，10]，它们就是基础信号基；使用选定的这10种标准用电器，接入故障电弧发生器，在产生故障电弧，并且将故障电弧与标准的信号进行叠加的基础上，重复多次上述的测量，将得到的数据进行平均，然后得到了10个M空间特征向量BSTA_V（n），n(0，10]，它们就是基础电弧基；这些基础信号基和基础电弧基是整个基础信号基和基础电弧基的一部分子集，称它们为基本基础信号基和基本基础电弧基；Dth（apl）值的获取方式如下，将D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)，h不等于hx，i不等于ix，对于所有的h(0，10]i(0，I]进行算术平均，然后选择该算术平均值的一个比例，例如5%，作为Dth（apl）初始值，然后根据装置的运行情况，调整该比例，从而期望获得最优的值；以Dth（apl）为基础，选取一个适当的比例RT2，用Dth（apl）乘以RT2得到Dth（apl2），Dth（apl2）为以后使用的一个门限值；将这选好的10种标准用电器进行两两组合，同一种标准用电器也两部组合，共有100乘I种情况，将每一种两两组合后叠加在一起的信号视为一种信号，检测计算这样的每种组合信号的M空间特征向量STS_V（n）；计算任意2种组合信号之间的TT空间距离D（APL_V（h，i），当D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)<Dth（apl2）时，其中h不等于hx，i不等于ix，认为该数据是冗余的，放弃其中的一个M空间特征向量STS_V（n），直到D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)>Dth（apl2），其中h不等于hx，i不等于ix，恒成立为止，将去除冗余的M空间特征向量STS_V（n）加入基础信号基；在上述两两组合的信号中加入电弧信号，检测计算得到M空间特征向量STA_V（m），使用上述的去除冗余的办法，将去除冗余后的M空间特征向量STA_V（m）加入基础信号基； 然后进行每3种用电器的组合，重复上述的计算过程，可以选择进行到5种用电器进行组合为止，检测计算M空间特征向量STS_V（n）和STA_V（m），进行去除冗余处理，将去除冗余后得到的数据加入基础信号基和基础电弧基，这时认为已经建立了完备的基础信号基和基础电弧基了；信号基和电弧基的建立基于基础信号基和基础电弧基，找来各种用电器，使用基本基础信号基和基本基础电弧基的建立过程，在对正常信号和故障电弧进行数据采样，获得该用电器在LI轴上i个点的M空间特征向量，然后分别求它们到这基本基础信号基和基本基础电弧基的TT空间距离；设定一个距离的判别门限，低于这个距离的判别门限的，不采用，高于这个距离判别门限的，将得到的该用电器的M空间特征向量加入信号基和电弧基；然后将该用电器与以前获得信号基的用电器分别进行两、三、四、五种组合，同样根据M空间特征向量到信号基和电弧基的TT空间距离来判断是否加入信号基和电弧基；随着不断地积累，这个信号基和电弧基将会越来越完备，这个信号基和电弧基记为STS_V（n）和STA_V（m),n(0，Ns]，m(0，Ma]，Ns和Ma分别为信号基和电弧基数据库中的数据总数量；设计预先判断加权向量CY_V和精准判断加权向量CJ_V，CY_V和CJ_V均为Nu乘以Na乘以Nf乘以Nt维数的向量，即TT维向量；设置CY_V的目的是尽量减少计算量，减轻处理器的运算负担，代价是降低了检测的精准度；设置CJ_V的目的是尽量提高检测的精准度，代价是处理器的运算量比较大；这两个向量的设置可以通过对不同的信号S1落入M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）的概率POSB_S1（m，n，p，q）进行加权，来突出和调整不同的M空间的基本子空间SPM（m，n，p，q）对于故障电弧检测的影响程度；如果对应于该子空间的权向量的坐标值为0，那么该M空间的基本子空间对故障电弧的检测完全没有影响，这时候，加权向量起到M空
间的基本子空间过滤作用；为了降低运算量，加权向量CY_V的坐标值尽量取更多的0；使用加权向量的故障电弧的检测过程如下，当有信号S1进入装置的时候，装置检测计算生成S1的M空间特征向量S1_V；STS_V（n）和 STA_V（m），n (0，Ns]， m (0，Ma]，是装置的信号基和电弧基，首先使用CY_V对S1_V，STS_V（n）和STA_V（m）进行向量的加权乘，即，CY_V &S1_V，CY_V &STS_V（n），CY_V &STA_V（m），然后计算向量的TT空间距离D（CY_V &S1_V，CY_V &STS_V（n）），D（CY_V &S1_V，CY_V &STA_V（m），得到的数值分别称为信号S1与该装置的第n个信号基和第m个电弧基的使用CY_V加权的TT空间距离；信号基和电弧基的cy加权判断门限分别是Dth（cy
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sts）和Dth（cy
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sta）；将D（CY_V &STS_V（nx），CY_V &STS_V（n）)，n (0，Ns]，n不等于nx，D（CY_V &STA_V（mx），CY_V &STA_V（m）)， m (0，Ma]，m不等于mx，对于所有的n和m 进行算术平均，然后选择该算术平均值的一个比例，例如5%，作为Dth（cy
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sts）和Dth（cy
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sta）初始值，然后根据装置的运行情况，调整该比例，从而期望获得最优的值；当至少存在一个nx，nx (0，Ns]，使得D（CY_V &S1_V，CY_V &STS_V（nx））< Dth（cy
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sts），且对于所有的m，m (0，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李吉广，陈存，李佳奕，
申请(专利权)人：北京腾锐视讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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