專利名稱：用于檢測電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電氣系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明涉及用于檢測交流(AC) 電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
住宅、商業(yè)和工業(yè)應用中的電氣系統(tǒng)通常包括用于接收來自公用電 源的電能的配電盤。電能通過配電盤送往一個或多個斷流器，例如但不 限于斷路器、跳閘裝置等。
每個斷流器將電能分配給指定支路，其中每個支路給一個或多個負 載提供電能。斷流器配置為在支路中的某些電能情況達到預定設定點時 中斷提供給該特定支路的電能。
例如， 一些斷流器會由于接地故障中斷電能，它們通常稱作接地故
障斷流器(GFCI)。當失調電流在線路導體和中性導體之間流動時發(fā)生 接地故障情況，其可能起因于向地面漏泄電流或發(fā)生閃絡故障(arcing fault)。
其它斷流器會由于閃絡故障中斷電能，它們通常稱作電弧故障斷流 器(AFCI)。閃絡故障通常定義為兩種主要類型，串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧。 例如在電流橫穿單個導體中的間隙時會產(chǎn)生串聯(lián)電弧。例如在電流經(jīng)過 兩個導體之間時會產(chǎn)生并聯(lián)電弧。
令人遺憾的是，閃絡故障可能不會導致傳統(tǒng)的電路斷流器跳閘。這 在處理串聯(lián)電弧時尤為實際。串聯(lián)電弧可能造成住宅和商業(yè)建筑內的火 災。這種可能性由于住宅老化而增加。
因此，本發(fā)明已經(jīng)確定對檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法存 在長期的需要，該方法克服、減輕和/或緩解現(xiàn)有系統(tǒng)中的一個或多個上 述和其它有害影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法。該方法是以 圖形識別為基礎的方法，包括使來自于電氣系統(tǒng)中的導體的原始電流信 號通過一個或多個濾波器以提供濾過信號；從濾過信號中提取一個或多 個特征；和將所述特征分類以確定是否出現(xiàn)串聯(lián)電弧。本發(fā)明還提供了用于檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法，其包 括將自于電氣系統(tǒng)中的導體的原始電流信號輸入到一個或多個濾波器中 以提供濾過信號；從濾過信號中提取多個特征；和使所述特征與表示串 聯(lián)電弧的已知特征進行比較。通過下面的詳細說明、附圖和所附權利要求，本發(fā)明的普通技術人 員將認識和理解本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的用于檢測串聯(lián)電弧的方法的示例性實施例的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)特征提取步驟的示例性實施例的圖解說明；圖3 - 5是在特征提取步驟的第一示例性實施例中比較所用提取數(shù)據(jù) 的一個或多個周期的圖表；圖6 - 8圖解說明了在特征提取步驟的第二示例性實施例中比較所用 提取數(shù)據(jù)的多個周期的圖表；和圖9圖解說明了根據(jù)本發(fā)明的用于檢測串聯(lián)電弧的系統(tǒng)。
具體實施方式
參見附圖，特別是圖1和2，顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于檢測串聯(lián)電弧 的方法，其通常以參考數(shù)字10表示。方法10利用圖形識別方法，從經(jīng)過 斷流器的檢測電流中提取多個特征，并且確定哪個特征或特征子集可用 于檢測串聯(lián)電弧事件。在一些實施例中，方法10可以確定被測串聯(lián)電弧 事件的原因(例如，壓縮機電弧(compressor arc))。因此，方法10提供了有助于使表示正常和有害情況的電流信號圖形 與表示串聯(lián)電弧情況的電流信號圖形加以識別和區(qū)分的工具。因此，方 法10使用數(shù)據(jù)驅動方法檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧。方法10包括使用數(shù)據(jù)庫12 。數(shù)據(jù)庫12包括例如但不限于由交流電氣 系統(tǒng)中的多種情況測量的大量原始信號(yl)。在示例性實施例中，原 始信號(yl)以已知方式通過斷流器的雙金屬進行測量。因此，原始信 號(yl)包括與雙金屬串聯(lián)的導體上的線路電流。數(shù)據(jù)庫12包括來自于串并聯(lián)電弧負載14、有害負載16和正常負載18 的情況的原始信號(yl),其中有害負載16包括來自于表示突入信號的一個或多個情況的原始信號(yl)。方法10將來自于數(shù)據(jù)庫12的原始信號(yl)輸入到特征提取步驟20 中。特征提取步驟20，如圖2所示，使原始信號(yl)流通或調整經(jīng)過一 個或多個濾波器22 (只顯示了一個)以提供濾過信號y2。在圖示實施例 中，濾波器22顯示為高通濾波器。當如，本發(fā)明考慮特征提取步驟20使 原始信號(yl)調整通過其它濾波器，例如但不限于高通濾波器、低通 濾波器、帶通濾波器及其任意組合以產(chǎn)生希望的濾過信號y2。在一些實 施例中，特征提取步驟20可以包括一個或多個信號處理算法，以例如濾 出界外值信號和/或異常信號。一旦過濾，特征提取步驟20使用濾過信號y2計算濾過信號的一個或 多個特征。在圖示實施例中，特征提取步驟20顯示為由濾過信號yH十算 三個統(tǒng)計特征(y3， y4， y5 )。這里，特征y3顯示為濾過信號y2的平均 值，特征y4是濾過信號的標準偏差，特征y5是y卩和y3之差。為清楚起見，特征提取步驟2O顯示為只由濾過信號y2確定三個統(tǒng)計 特征。然而，本發(fā)明考慮，特征提取步驟20計算任何已知的特征，這些特征包括但不限于完整周期的平均值，完整周期的標準偏差，周期內信 號窗口 (其中，窗口寬度可以變化)的最大標準偏差，周期內信號窗口的最小標準偏差，最大和最小標準偏差之比，周期內每個樣本的絕對和， 周期內每個相鄰窗口的標準偏差(或變化)的關系，RMS值，用于例如但 不限于兩個相鄰樣本之間的最大差，兩個相鄰樣本之間的最小差，最大 差與最小差之比，信號差范圍(例如，最大差減去最小差)，相鄰點之 間的差之和的特征的相鄰點之差，上述第一差信號中的相鄰點之間的 差，例如但不限于兩個相鄰樣本之間的最大差，兩個相鄰樣本之間的最 小差，最大差與最小差之比，差信號范圍(例如，最大差減去最小差)， 相鄰點之間的差之和，信號y2中的獨立波峰數(shù)目的特征，等等。當在此 使用時，術語"信號窗口"是指波形信號的完整周期分成多個具有相同或 不同長度的窗口。
這樣，特征提取步驟20測量數(shù)據(jù)庫12中的電弧負載14、有害負載16 和正常負載18的情況的信號/波形并使其特征化。本發(fā)明已經(jīng)確定，當已經(jīng)提取不同的特征時，這些特征可以通過使 特征化波形特征劃分為串聯(lián)電弧、并聯(lián)電弧、正常情況或有害情況而進 行判斷。方法10包括分類器設計步驟24，其使波形特征分類。分類器設計步驟24可以是任何分類系統(tǒng)，例如但不限于決策樹 (DT)、神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)、隨機林(RF)、支持向量機(SVM)、及其任 意組合等等。為清楚起見，分類器設計步驟24的第一示例性實施例在此參照圖3到 8描述為決策樹。圖3顯示了比較原始信號、濾過信號、和表示壓縮機的電弧情況14的 相應提取特征(yl， y2， y3， y4， y5 )的一個或多個周期的圖表。圖4 顯示了比較表示壓縮機的有害(即，突入)情況16的數(shù)據(jù)(yl， y2， y3, y4， y5)的一個或多個周期的圖表，而圖5顯示了比較表示壓縮機的正常 情況18的數(shù)據(jù)(yl， y2, y3， y4, y5 )的一個或多個周期的圖表。本發(fā)明確定了決策樹分析應用于數(shù)據(jù)(yl， y2， y3， y4， y5 )，某 些特征可用于檢測壓縮機的電弧情況。例如，可以看出，用于圖3中電弧 情況14的濾過平均值統(tǒng)計特征(y5)的圖表在發(fā)生串聯(lián)電弧時提供了電 流信號的獨特猝發(fā)圖形，其中在用于圖4和5中的正常和有害情況16， 18 的濾過平均值統(tǒng)計特征(y5)中沒有該圖形。在一些實施例中，決策樹可應用于超過一個的數(shù)據(jù)周期。通過觀察 超過一個周期，分類器設計步驟24在一些情況下可以決定在只觀察一個 周期時不可能的特定特征。例如，多個周期可用于消除周期性或一次性 事件以進一步區(qū)分有害信號和電弧。當分類器設計步驟24將一個或多個特定特征分類為例如串聯(lián)電弧情 況的指示時，方法10包括圖1所示的測試步驟26。這里，特定識別特征 (yl, y2， y3, y4, y5 )可以對比數(shù)據(jù)庫12中的串聯(lián)電弧14的其它情況 進行測試，從而決定識別特征的表現(xiàn)是否為可接受的，即，該特征是否 為希望情況的有效指示。如果一個或多個特定識別特征(yl， y2， y3, y4， y5)在數(shù)據(jù)庫12中的數(shù)據(jù)基礎上進行工作時正確指示希望情況的話，則方法10完成，并 且該特征可用作具有希望特性的希望情況的檢測器。然而，如果特定識 別特征(yl， y2, y3， y4, y5 )在數(shù)據(jù)庫12的原始信號的基礎上工作時 沒有正確指示希望的情況，則方法10返回以觀察波形的其它特征。因此，方法10提供了數(shù)據(jù)驅動方法，其允許從作為特定情況指示的 波形中提取和選擇特征，所述特定情況例如但不限于串聯(lián)電弧情況、并 聯(lián)電弧情況、正常情況、有害情況及其任意組合。此外，本發(fā)明考慮， 方法10同樣用作例如但不限于接地故障等的波形的其它情況的檢測器。有利地，方法10配置為產(chǎn)生許多不同的特征，其用于使串聯(lián)電弧信 號的圖形與正常情況信號和具有各種有害負載的信號的圖形進行區(qū)分?，F(xiàn)在參見圖6 - 8，顯示了分類器設計步驟24的第二示例性實施例。 在這個實施例中，分類器設計步驟24集中于來自特征提取步驟2 0的波形 特征的信號峰值標記(y6)。同樣地，與分類器設計步驟"的第二實施 例一起使用的特征提取步驟2 0可以通過計算任何已知峰值域特征來計算 信號峰值標記(y6),這些已知的峰值域特征包括但不限于峰值振幅最 小值，峰值振幅最大值，最小與最大振幅之差，峰值振幅平均值，振幅 的標準偏差，峰值振幅峰度，峰值振幅傾斜度，峰值振幅均方根UMS)， 峰值振幅的振幅因數(shù)，每單位時間的波峰數(shù)等等。另外，與分類器設計 步驟2 4的第二實施例 一起使用的特征提取步驟2 0可以通過計算任何已知 的峰形統(tǒng)計來計算信號峰值標記(y6)，所述已知的峰形統(tǒng)計例如但不 限于二階形狀矩，三階形狀矩，四階形狀矩，從最大峰值到波峰矩心的 時間距離，等等。圖6顯示了比較來自于數(shù)據(jù)庫12的表示壓縮機的串聯(lián)電弧情況n的 數(shù)據(jù)(yl， y2， y6)的一個或多個周期的圖表。圖7顯示了比較表示壓縮 機的有害(即，突入)情況16的數(shù)據(jù)(yl， y2， y6 )的一個或多個周期 的圖表，而圖8顯示了比較表示壓縮機的正常情況18的數(shù)據(jù)(yl， y2， y6 ) 的一個或多個周期的圖表。如圖6所示，峰值特征y6的圖表顯示了電流信號在發(fā)生串聯(lián)電弧時的 獨特猝發(fā)圖形，其中在用于圖7和圖8的正常和有害情況16， 18的相同的 峰值特征(y6)中不存在該圖形。因此，分類器設計步驟24可以識別這 種峰值標記特征以檢測串聯(lián)電弧。在所有實施例中，方法1 O可用于提取任何數(shù)量的表征對應于不同情 況(即，串聯(lián)電弧，并聯(lián)電弧，有害負載，正常負載等)的判別特征以 將串聯(lián)電弧與交流電氣系統(tǒng)的正常操作精確、可靠地區(qū)分。
當判定檢測串聯(lián)電弧的特征時，這些特征可在例如但不限于電弧故障電路斷流器(AFCI)的系統(tǒng)中使用以產(chǎn)生跳閘信號，使得電路在電弧 故障對連接于系統(tǒng)中的其它電器造成更進一步破壞之前及時斷開。例 如，AFCI可以假定為連續(xù)地比較交流電氣系統(tǒng)中的電流信號與由方法IO 預先確定的特征，以表現(xiàn)出串聯(lián)電弧故障并使用該比較的結果使AFCI跳 閘和保護電路及連接在系統(tǒng)中的其它電器。因此，這種激活的AFCI裝置 可以配置為只在串聯(lián)電弧發(fā)生時跳閘?，F(xiàn)在參見圖9，顯示了用于檢測串聯(lián)電弧故障的系統(tǒng)30的示例性實施 例。系統(tǒng)30包括信號源32、濾波器34和微處理器36。信號源32可以是任何希望的原始電流波形信號(yl)源。在一個實 施例中，信號源32可以是如上所述的數(shù)據(jù)庫12。在另一個實施例中，信 號源32是斷流器的雙金屬。系統(tǒng)30使來自信號源32的原始信號(yl)通過濾波器34。濾波器34 配置為調整原始信號(yl)并給微處理器36提供濾過信號(y2)。濾波 器34可以是濾波電路，駐留在微處理器36上的濾波算法，及其任意組合。 例如，濾波器34可以是高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、信號處 理算法、及其任意組合。系統(tǒng)30將來自濾波器34的濾過信號(y2)提供給微處理器36。微處 理器36配置為由濾過信號(y2)產(chǎn)生一個或多個特征(y3， y4， y5， y6 )。 另外，微處理器36配置為使特征(y3， y4, y5， y6 )與表示原始電流波 形信號(yl)的特定情況的一個或多個已知特征進行比較。例如，微處 理器36可以使特征(y3， y4， y5， y6 )與駐留在微處理器上的一個或多 個預定特征進行比較，其中所述一個或多個預定特征可以表示例如正常 情況，有害情況，串聯(lián)電弧情況，并聯(lián)電弧情況，接地故障及其任意組合的情況。這樣，系統(tǒng)30配置為使表示正常和有害情況的原始電流波形信號 (yl )與表示例如串聯(lián)或并聯(lián)電弧情況的特定故障情況的原始電流波形 信號(yl)進行識別和區(qū)分。另外，系統(tǒng)30配置為確定特殊故障情況(例 如，壓縮機串聯(lián)電弧)的成因。在一個實施例中，系統(tǒng)30常駐在電弧故障電路斷流器(AFCI)上。 這里，微處理器36可以在系統(tǒng)檢測到一個或多個故障情況時給電弧故障 電路斷流器提供跳閘信號38。
還應當注意，術語"第一"、"第二"、"第三"、"上"、"下"等在此用 于修飾不同的元件。這些修飾語不意味著被修飾元件具有空間、時間或 層次順序，特別指出的除外。盡管已經(jīng)參考一個或多個示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，但是 本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發(fā)明范圍情況下，可以進行各 種變化并且元件可以被等效物所代替。另外，在不脫離本發(fā)明實質范圍 的情況下，根據(jù)本發(fā)明的教導可以進行許多改進以適應特殊的情況或材 料。因此，本發(fā)明不局限于作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式公開的特定實施 例，相反，本發(fā)明應包括落入所附權利要求范圍之內的全部實施例。部件列表用于檢測串聯(lián)電弧的方法 10數(shù)據(jù)庫12原始信號yi電弧負載14有害負載16正常負載18特征提取步驟20一個或多個濾波器22濾過信號y2統(tǒng)計特征y3， y4，分類器設計步驟24測試步驟26信號峰值標記y6系統(tǒng)30信號源32濾波器34微處理器36跳閘信號38
權利要求
1.一種用于檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法(10)，包括使來自于電氣系統(tǒng)中的導體的原始電流信號(y1)經(jīng)過一個或多個濾波器(y2)以提供濾過信號(y2)；從所述濾過信號(y2)提取一個或多個特征(y3，y4，y5)；和將所述一個或多個特征(y3，y4，y5)分類為串聯(lián)電弧的已知狀態(tài)。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個特征包括選自所 述濾過信號的平均值，所述濾過信號的標準偏差，平均濾過信號，完整 周期的平均值，完整周期的標準偏差，周期內信號窗口的最大標準偏差， 周期內信號窗口的最小標準偏差，最大與最小標準偏差之比，周期內每 個樣本的絕對和，用于周期內每個相鄰窗口的標準偏差的關系，均方根 值，兩個相鄰樣本之間的最大差，兩個相鄰樣本之間的最小差，最大差 與最小差之比，差信號范圍，相鄰點之間的差和，及其任意組合的特征。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個特征包括選自最 小峰值振幅，最大峰值振幅，最小與最大振幅之差，峰值振幅的平均值， 振幅的標準偏差，峰值振幅的峰度，峰值振幅的傾斜度，峰值振幅的均 方根(RMS)，峰值振幅的振幅因數(shù)，每單位時間的波峰數(shù)目，及其任意 組合的峰值特征(y6)。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個特征包括選自峰 形的二階矩，峰形的三階矩，峰形的四階矩，最大峰值到波峰矩心的時 間距離，及其任意組合的峰值特征(y6)。
5. 如權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個濾波器選自高通 濾波器，低通濾波器，帶通濾波器，信號處理算法，及其任意組合。
6. 如權利要求l所述的方法，還包括測量經(jīng)過與所述導體串聯(lián)的雙金 屬的所述原始信號。
7. 如權利要求l所述的方法，還包括將所述原始信號從原始信號數(shù)據(jù) 庫(12)輸入給所述一個或多個濾波器。
8. 如權利要求1所述的方法，還包括使用一個或多個不同的分類器對 特征進行分類，所述一個或多個分類器選自決策樹，神經(jīng)網(wǎng)絡，支持向 量機，隨機林，及其任意組合。
9. 一種用于檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法(10)，包括 將來自電氣系統(tǒng)中的導體的原始電流信號(yl)輸入到一個或多個 濾波器(22)中以提供濾過信號(y2);從所述濾過信號(y2)提取多個特征(y3， y4， y5 );和 使所述多個特征(y3， y4， y5 )與表示串聯(lián)電弧的已知特征進行比較。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述已知特征包括所述多個特 征的形狀標記，所述多個特征的峰值特征標記(y6)，及其任意組合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種檢測交流電氣系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧的方法(10)。該方法是以圖形識別為基礎的方法，包括使來自于電氣系統(tǒng)中的導體的原始電流信號(y1)經(jīng)過一個或多個濾波器(22)以提供濾過信號(y2)；從所述濾過信號(y2)提取一個或多個特征(y3，y4，y5)；和使所述特征分類為表示串聯(lián)電弧的已知狀態(tài)。
文檔編號G01R31/00GK101210948SQ200710160839
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2006年12月27日
發(fā)明者H·小馬森, K·尤恩西, 嚴衛(wèi)中, 周穎能, 曉 胡 申請人:通用電氣公司