專利名稱：使用離散小波變換的電弧檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的方面涉及電氣系統(tǒng)，并且尤其涉及用于電氣系統(tǒng)中的并 聯(lián)和串聯(lián)電弧岸全測的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
家用、商用和工業(yè)應(yīng)用中的電氣系統(tǒng)通常包括用于從公用(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于斷路器、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(fù)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(dá)到預(yù)定的設(shè)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，并且通常被稱 為接地故障斷流器(GFCI)。當(dāng)在線路導(dǎo)體(line conductor)和中性 導(dǎo)體(neutral conductor)之間的電流流動不平衡時會導(dǎo)致接地故障情況， 該電流不平tf可由泄漏電流或電弧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，并且通常被稱為電弧 故障斷流器(AFCI)。電弧故障被定義成兩個主要的類別，串聯(lián)電弧 和并聯(lián)電弧。串聯(lián)電弧可以例如當(dāng)電流流動經(jīng)過單個導(dǎo)體中的間隙時 發(fā)生。另一方面，并聯(lián)電弧可以例如當(dāng)電流在兩個導(dǎo)體之間通過時發(fā) 生。遺憾地是，電弧故障不會引起常規(guī)電路斷流器脫扣。當(dāng)發(fā)生串聯(lián) 電弧時這尤其正確，因為電流感測設(shè)備不能區(qū)分串聯(lián)電弧和正常負(fù)載 電流。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的 一個方面、提供了 一種執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障電 流斷路(AFCI)的裝置，并且該裝置包括電阻元件，其被配置成感 測從其中產(chǎn)生電流信號的負(fù)載；第一檢測單元，其被配置成基于該電 流信號輸出第一信號；以及微控制器，其被配置成經(jīng)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系數(shù)，以及在所述離散小波
4系數(shù)指示滿足了產(chǎn)生脫扣信號的閾值條件時產(chǎn)生脫扣信號。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障
電流斷路(AFCI)的方法，并且該方法包括感測負(fù)載電流；基于所感測的負(fù)載電流以高頻取樣信號；在已完成高頻取樣并且如果確定過零已被取樣時計算過零離散小波系數(shù)；在已完成高頻取樣并且如果確定過零還沒有被取樣時計算非過零離散小波系數(shù)；以及如果基于過零和非過零離散小波系數(shù)確定已滿足闊值標(biāo)準(zhǔn)則發(fā)出脫扣信號。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種通過檢測串聯(lián)和并聯(lián)電弧來操作斷流器的方法，并且該方法包括感測負(fù)載電流并從該負(fù)載電流產(chǎn)生電流信號；低頻濾波所述電流信號并在不同的負(fù)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并將被中頻和/或高頻濾波的電流信號分解到預(yù)定水平以獲得離散小波系數(shù)；對跨越過零區(qū)域和跨越預(yù)定的非過零區(qū)域的被中頻和/或高頻濾波的電流信號進(jìn)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系數(shù)的絕對值；以及將所計算的離散小波系數(shù)的絕對值的各自能量相加并基于相加的各自能
量來發(fā)出脫扣決定。
通過本發(fā)明的技術(shù)可以認(rèn)識到其它的特征和優(yōu)點。本文將詳細(xì)描述本發(fā)明的其它實施例和方面并且將其作為本發(fā)明所要求保護(hù)的 一部分。為了更好的理解本發(fā)明的優(yōu)點和特征，參考描述和附圖。


在說明書的結(jié)論部分的權(quán)利要求中明確地要求并特別地指出關(guān)于本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述部分和其它方面、特征和優(yōu)點將通過下面結(jié)合相應(yīng)附圖的詳細(xì)描述而顯而易見，其中
圖1是基于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(fā)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是說明離散小波系數(shù)計算算法的流程圖。
圖6是說明如何從每個DWT獲得離散小波系數(shù)的圖。
具體實施方式
參照圖1,提供了用于執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障斷流器(AFCI)的裝置，并且該裝置包括電阻元件10 (例如雙金屬)，其被配置成感測負(fù)載，從該負(fù)載產(chǎn)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(jìn)行描述。
但是應(yīng)該理解本發(fā)明的范圍不限于此，并且還包括適用于本文公開的目的的其他電阻元件，例如黃銅、青銅、銅合金、鋼、不銹鋼、因科內(nèi)爾鋼(inconel steel)和/或碳鋼合金。
信號線耦合到串聯(lián)電弧檢測單元30、并聯(lián)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(yīng)電流傳感器或任何其他合適的設(shè)備。串聯(lián)電弧檢測單元30被配置成將第一信號輸出到微控制器80,以用于檢測電流信號中的串聯(lián)電弧，而并聯(lián)電弧檢測單元40被配置成將第二信號輸出到微控制器80,以用于檢測電流信號中的并聯(lián)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,以用于執(zhí)行例如RMS電流測量和電弧檢測取樣定時。
在本文中，串聯(lián)和并聯(lián)電弧指的是通常非導(dǎo)電的媒體(例如空氣)的電擊穿，其產(chǎn)生發(fā)光的放電(例如電火花)，這是由流過通常非導(dǎo)電的媒體的電流導(dǎo)致的。串聯(lián)電弧與負(fù)載電流串聯(lián)發(fā)生，例如發(fā)生在電流傳輸線被破壞的地方。照這樣，串聯(lián)電弧電流不能高于負(fù)載電流。相反地，并聯(lián)電弧在電性相反的導(dǎo)體之間發(fā)生，例如電路和接地元件，并且其特征是高電流尖鋒以及少許或沒有負(fù)載阻抗。
串聯(lián)電弧檢測單元30以300kHz的取樣頻率運行，并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(lián)電弧檢測單元30包括高通濾波器31，以及可選的彼此串聯(lián)的第一和/或第二低通濾波器32和33。在這里，每個低通濾波器可以包括放大器。并聯(lián)電弧檢測單元40以10kHz的取樣頻率運行，并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，并聯(lián)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，并且包括低通濾波器51。
微控制器80被配置成分解如從串聯(lián)電弧檢測單元30和并聯(lián)電弧檢測單元40接收的第一和第二信號中的至少一個。經(jīng)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并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(jié)果是計算離散小波系數(shù)，它們自身由微控制器80在脫扣信號ST的發(fā)出中使用。即微控制器被配置成在離散小波系數(shù)指示產(chǎn)生脫扣信
號ST的一個或多個閾值條件已滿足時產(chǎn)生脫扣信號ST。在這里，閾值
條件指的是指示或者并聯(lián)電弧或者串聯(lián)電弧發(fā)生的信號測量。
根據(jù)本發(fā)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獲得離散小波系數(shù)
其中x[n]-輸入信號，g[n]-根據(jù)(from)母小波的高通數(shù)字濾波器，并且h[nh來自母小波的低通數(shù)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來獲得離散小波系數(shù)在電流信號分析方面提供了一些優(yōu)點。例如，DWT提供母小波和電流信號之間的相關(guān)性的測量。此外，DWT可以通知特定頻率在何時出現(xiàn)，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并允許對熄滅/再打火事件的檢測。
因此，當(dāng)微控制器80將DWT應(yīng)用于串聯(lián)電弧檢測或并聯(lián)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(fā)弧(arcing)相關(guān)聯(lián)的模式或符號；選擇預(yù)定的母小波，其與該模式或符號密切相關(guān)；選擇分析發(fā)弧的頻率范圍，其提供最優(yōu)化的信噪比；選擇波形的一部分作為集中區(qū)域；以及選擇所需的窗口大小，其對應(yīng)于所選擇的波形部分。
考慮到這些，可以認(rèn)識到"Daubechies 10"或"dblO"母小波非常適合用于電弧檢測，該處頻率范圍被設(shè)置為93kHz或更大、取樣頻率被設(shè)置為300kHz并且沒有使用抗混疊濾波器。因為已經(jīng)認(rèn)識到發(fā)弧的指示器位于電流信號的過零點處，該過零點確定何時取樣被觸發(fā)。因此，對于300kHz的取樣頻率，窗口大小被設(shè)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，并且輸出該測量到微控制器80。然后微控制器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(guān)按鈕(push) 70,其包括串聯(lián)電弧測試配置71和并聯(lián)電弧測試配置72。測試開關(guān)按鈕70耦合到微控制器80并允許操作員根據(jù)局部和非局部調(diào)整來在安裝時測試該裝置。
現(xiàn)在參考圖2-5',描述了用于執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障斷流器(AFCI)的方法。如圖2所示， 一旦隨后將連續(xù)運行的算法被初始化(操作IOO)(期間發(fā)生負(fù)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(lián)電弧檢測單元30的執(zhí)行(performance)的中頻取樣以及涉及并聯(lián)電弧檢測單元40的執(zhí)行的高頻取樣。
此外，根據(jù)圖3的中斷處理算法來發(fā)生高頻和/或中頻取樣。該算法從接收由未控制器80產(chǎn)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),并且如果已被取樣，則計算RMS(操作203 )。 一旦計算出RMS，它就被用于確定在有發(fā)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(jù)圖4A和圖4B的流程圖來進(jìn)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(guān)的一個如果-則-否則(if-then-else)方案，其中負(fù)閾值(NEGTHRESH) = -15、正閾值(POSTHRESH) =15、負(fù)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(shè)置用于過零取樣的以及非過零取樣的負(fù)過零的延遲，并且中頻和/或高頻取樣被觸發(fā)(操作206)。然而，如果已經(jīng)登記了正過零，則正過零的延遲被設(shè)置用于過零取樣和非過零取樣，中頻和/或高頻取樣被觸發(fā)(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)，并且如果低頻取樣已完成，則計算已經(jīng)被低頻濾波的信號的移動平均數(shù)(操作500)。如果中頻和/或高頻取樣已完成并且如果確定過零已被取樣，則根據(jù)至少該移動平均數(shù)來計算過零離散小波系數(shù)(操作410)。相反地，如果中頻和/或高頻取樣已完成并且如果確定過零已被取樣，則根據(jù)至
少該移動平均數(shù)來計算非過零離散小波系數(shù)(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(shù))、SumCD(其指的是詳細(xì)的系數(shù)的總和的絕對值)以及Innerlndex(其指的是使用的濾波器的指數(shù))的信號，它們每個都被設(shè)置為零。
首先，確定Outerlndex是否小于被巻積的信號的長度。如果Outerlndex不小于被巻積的信號的長度，則SumCD的值返回到零。相反地，如果Outerlndex小于被巻積的信號的長度，則CD的值(它們是單獨的詳細(xì)系數(shù))被設(shè)置為零，并且Jumplndex的值被設(shè)置為被 巻積的信號乘以2的值。.
然后，確定Innerlndex是否小于濾波器的長度。如果Innerlndex小于濾波器的長度，CD的值被設(shè)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。重復(fù)這一過程直到確定I皿erlndex不小于濾波器的長度。此時，CD的值被設(shè)置為CD的絕對值，并且SumCD的值被設(shè)置為SumCD的絕對值加上CD的值。
最后，參考圖2，基于過零和非過零離散小波系數(shù)來確定是否所有的閾值標(biāo)準(zhǔn)都滿足(操作600)。隨后，如果確定所有的閾值標(biāo)準(zhǔn)都滿足則發(fā)出脫扣信號(操作700)。此處，脫扣信號的發(fā)出包括將離散小波系數(shù)的各自能量的總和與閾值條件進(jìn)行比較，并且確定各自能量的總和是否超過脫扣信號發(fā)出的閾值條件。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，提供了 一種通過檢測串聯(lián)和并聯(lián)電弧來操作斷流器的方法。該方法包括感測負(fù)載電流，并從該負(fù)載電流產(chǎn)生電流信號；低頻濾波所述電流信號并在不同的負(fù)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并將被中頻和/或高頻濾波的電流信號分解到預(yù)定水平以獲得離散小波系數(shù)；對跨越過零區(qū)域和跨越預(yù)定的非過零區(qū)域的被中頻和/或高頻濾波的電流信號進(jìn)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系數(shù)的絕對值；以及將所計算的離散小波系數(shù)的絕對值的各自能量相加并基于所相加的各自能量來發(fā)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(zhuǎn)換來分解被中頻和/或高頻濾波的電流信號。此外，發(fā)出脫扣決定包括將相加的離散小波系數(shù)的各自能量與閾值條件進(jìn)行比較，并且確定相加的各自能量是否超過脫扣信號發(fā)出的閾值條件。
根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供了用于基于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(jié)合到巻積中以降低巻積計算中乘法和加法運算的次數(shù)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。
盡管已經(jīng)參考示例性實施例描述了本公開，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解在不偏離本公開的范圍的情況下可以進(jìn)行各種變化并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(zhì)范圍的情況下，可以進(jìn)行許多改變來使特定的情況或材料適應(yīng)于本公開的教導(dǎo)。因此，意圖是本公開不限于作為計劃用于執(zhí)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(quán)利要求范圍之內(nèi)的所有實施例。
附圖標(biāo)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(lián)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/并聯(lián)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(guān)70
串聯(lián)電弧測試配置71
并聯(lián)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(fā)高頻取樣操作206， 207
低頻取樣操作300
計算移動平均數(shù)操作500
計算過零系數(shù)操作410
計算非過零系數(shù)操作420
閾值標(biāo)準(zhǔn)滿足確定操作600
發(fā)出脫扣信號操作700
1權(quán)利要求
1、一種用于執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)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(chǎn)生電流信號的負(fù)載；第一檢測單元(30)，其被配置成基于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(jīng)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系數(shù)，以及在所述離散小波系數(shù)指示滿足產(chǎn)生脫扣信號的閾值條件時產(chǎn)生脫扣信號。
2、 根椐權(quán)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)并聯(lián)并且配置成基于所述電流信號 輸出第二信號。
3、 根據(jù)權(quán)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)并聯(lián)并且配置成基于所述電流信 號輸出測量信號，以使得產(chǎn)生脫扣信號的閣值條件是電流測量的函數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)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)并聯(lián)并且配置成 基于所述電流信號輸出測量信號，以使得產(chǎn)生脫扣信號的閾值條件是 電流測量的函數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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，并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(jù)權(quán)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(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障電流斷路(AFCI)的方法，該方 法包括感測負(fù)載電流；基于所感測的負(fù)載電流以高頻取樣信號(操作200);在已完成高頻取樣并且如果確定過零已被取樣時，計算過零離散 小波系數(shù)(操作410);在已完成高頻取樣并且如果確定過零還沒有被取樣時，計算非過 零離散小波系數(shù)(操作420);以及如果基于過零和非過零離散小波系數(shù)確定已滿足閾值標(biāo)準(zhǔn)則發(fā)出 脫扣信號(操作600)、(操作700)。
10、提供了 一種通過檢測串聯(lián)和并聯(lián)電弧來操作斷流器的方法， 該方法包括感測負(fù)載電流并從該負(fù)栽電流產(chǎn)生電流信號；低頻濾波所述電流信號并在不同的負(fù)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并將被中頻和/或高頻濾波的電 流信號分解到預(yù)定水平以獲得離散小波系數(shù)(操作200);對跨越過零區(qū)域和跨越預(yù)定的非過零區(qū)域的被中頻和/或高頻濾波 的電流信號進(jìn)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系數(shù)的絕對值(操作410、 420);以及將所計算的離散小波系數(shù)的絕對值的各自能量相加并基于所相加 的各自能量來發(fā)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。一種用于執(zhí)行串聯(lián)和并聯(lián)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(chǎn)生電流信號的負(fù)載；第一檢測單元(30)，其被配置成基于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(jīng)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系數(shù)，以及在所述離散小波系數(shù)指示滿足產(chǎn)生脫扣信號的閾值條件時產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者J·K·霍克, K·V·格里戈里延, S·J·霍爾, S·錢加利 申請人:通用電氣公司