[發明專利]一種故障電弧檢測裝置

在審

• 申請號: 202111503908.0
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114019332A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李吉廣;陳存;李佳奕
• 申請（專利權）人: 北京騰銳視訊科技有限公司
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種故障電弧檢測裝置，其特征在于，使用硬件電路、處理器和軟件共同配合，設計完成了故障電弧檢測裝置；設計了一個4維向量空間，定義為M向量空間，定義M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）；信號到來時，通過計算該信號落入各個M空間的基本子空間的概率分布，從而構建出反應該信號在M向量空間上的概率分布特征的M空間的特征向量，將該信號的M空間的特征向量與已知的預先采集的信號基和電弧基的數據庫做比較，從而檢測出故障電弧；具體如下，使用了磁芯的相對磁導率u不同的一組線圈作為信號的檢測線圈，工頻交流電的L線穿過這組線圈的中心；這組線圈共有Nu只，以相對磁導率u的對數值為單位構建數軸，稱為U軸；在U軸上，取Nu個點，這些點從小到大排列，記為u(m)，m是整數變量，0mNu+1，以U軸為其中的一個維度，構建一個多維空間M；每個線圈輸出的信號都經過放大器放大，使用運算放大器實現信號放大功能，每個線圈的匝數、骨架材料的磁導率、信號放大器的增益共同決定了放大器輸出端信號的幅度和整體的增益；以各個線圈所對應著的放大器的輸出信號幅度值范圍內的幅度值的對數值為第二個數軸，稱為A軸；在A軸上，取Na個點，這些點從小到大排列，記為a(n)，n是整數變量，0nNa+1，以A軸為第二個維度，構建這個多維空間M；以各個線圈所對應著的放大器的輸出信號的頻率值范圍內的頻率值的對數值為第三個數軸，稱為F軸；在F軸上，取Nf個點，這些點從小到大排列，記為f(p)，p是整數變量，0pNf+1，以F軸為第三個維度，構建這個多維空間M；以工頻交流電的周期T為坐標的最大值，以一個周期內的時間t為數軸上坐標點構建第四個數軸，稱為T軸；在T軸上，取Nt個點，這些點從小到大排列，記為t(q)，q是整數變量，0qNt+1，以T軸做為第四個維度，構建這個多維空間M；所有這4個維度的數軸上的點都是即可以均勻地選取也可以非均勻地選取，但是要保證在同一套裝置中，一旦選定之后，保持一致，不能變化；目前構建好的多維空間M是四維空間，選擇坐標點{u(m)，a(n)，f(p)，t(q)}和{u(m)，a(n+1)，f(p+1)，t(q+1)}，以這兩個坐標點為對角頂點的三維立方體記為M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）；在一個工頻交流電周期T內的信號S1都會多次落入M空間內，落入整個M空間信號的總次數為NM_S1（M），落入M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的次數為NM_S1（m，n，p，q），則，NM_S1（m，n，p，q）在4個維度相加的總和等于NM_S1（M），信號S1落入M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的概率記為POSB_S1（m，n，p，q），則，POSB_S1（m，n，p，q）=NM_S1（m，n，p，q）/ NM_S1（M）；對于任何一個信號，定義一個信號S1在M空間的特征向量，稱為該信號S1的M空間特征向量，表示為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空間的總數為TT的概率數值組成，它表示的是數列{POSB_S1（1，1，1，1)，POSB_S1（1，1，1，2)，......，POSB_S1（m，n，p，q)，......，POSB_S1（Nu，Na，Nf，Nt)}，每個概率數值稱為向量S1_V的坐標,符號“_V”表示向量，以下相同，向量S1_V是TT維的向量，由這個TT維坐標構成的空間稱為TT空間；信號S1的M空間特征向量位于TT空間之內；TT值等于Nu乘以Na乘以Nf乘以Nt，TT值是M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的總數；定義兩個信號的M空間特征向量的TT空間距離為D(S1_V，S1_V)，它是由這兩個向量在每一個相同的M空間的基本子空間的對應的兩個概率值，即向量的坐標值分別對應相減，然后分別求平方，得到各個向量坐標差值的平方，再然后將所有的向量坐標差值的平方求和，得到所有坐標的差值的平方和，然后再開平方，得到了信號S1和S2的M空間特征向量的TT空間距離D(S1_V，S1_V)；定義一個加權向量C_V { c（m，n，p，q)，//（m (0，Nu]， n (0，Na]， p (0，Nf]， q (0，Nt] ）}，它表示的是數列{c（1，1，1，1)，c（1，1，1，2)，......，c（m，n，p，q)，......，c（Nu，Na，Nf，Nt)}，該向量也是TT維向量；使用C_V對S1_V加權，得到加權向量CS1_V，C_V S1_V=CS1_V，“”表示兩個向量的加權乘，過程如下，使用向量C_V中的每個坐標與S1_V中的每一個對應的坐標分別相乘就得到了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]）） }；它表示的是數列{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)}，“*”表示數值的乘法運算，該向量也是TT維向量，定義這種運算為兩個向量的加權乘，得到的運算結果仍然是一個坐標維數為TT維的向量；

判斷故障電弧是否發生的關鍵參數是判斷反應該信號落入這個M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的概率分布的M空間特征向量S1_V到信號基STS_V（n）和電弧基STA_V（m）的TT空間距離；采集收到的信號S1的M空間特征向量S1_V，事先建立標準正常信號樣本的M空間特征向量STS_V（n）和標準故障電弧信號樣本的M空間特征向量STA_V（m）的數據庫，n和m表示M空間標準特征向量數據庫中的不同的數據的序號，分別計算向量S1_V到STS_V（n）和STA_V（m）的TT空間距離D(S1_V，STS_V（n）) 和D(S1_V，STA_V（m）) ，預先設定向量的TT空間距離的判則Dth（sts）和Dth(sta)，比較D(S1_V，STS_V（n）) 和 Dth（sts）及，D(S1_V，STA_V（m）) 和 Dth(sta)的關系，從而檢測故障電弧信號；

為了完成上述的故障電弧的檢測，必須事先采集標準正常信號樣本和標準故障電弧信號樣本在各個M空間的基本子空間的概率分布，事先建立標準信號樣本的M空間特征向量STS_V（n）和標準故障電弧信號樣本的M空間特征向量STA_V（m）的數據庫，分別稱為信號基和電弧基，它們位于TT空間；為了將復雜的工作簡化，分兩步建立信號基和電弧基；第一步，選取日常生活中常見的標準的10種用電器，如下，功率電阻、LED燈、鹵素燈、空壓機、開關電源、空調、電鉆、電冰箱、電視機、洗衣機，建立一個基礎信號基和基礎電弧基；第二步，在這標準的10種用電器之外額外增加不同的用電器，建立信號基和電弧基；

建立基礎信號基和基礎電弧基所選取的10種標準的用電器，記為apl（h）， 0h11，h為整數，建立第一個數軸，記為APL軸，以apl（h）作為數軸上的10個點，以apl（1）為起始點，對單一的用電器進行采樣，只需采樣這10種情況；對于同一種類的用電器，有不同的額定功率和額定電流，設計的故障電弧檢測裝置的最小的工作電流的對數值是li（1），選取I個不同的用電器的額定電流值作為采樣值，以li（1）為數軸的起點，以li（I）為數軸上坐標的最大值，建立第二個數軸，記為LI軸，該軸上的點記為li（i），0iI+1；由APL和LI共同構成一個平面，記為，APL-LI，在這個平面上，共有10乘I個點；按照這10乘I個點的位置，采集信號落入M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的次數NM（m，n，p，q），然后按照前述公式，計算出信號落入SPM（m，n，p，q）的概率POSB（m，n，p，q），從而得到M空間特征向量APL_V（h，i），它是TT維的向量；下一步是找到APL_V（h，i）對于不同的h和i的值之間是否有冗余，計算向量APL（h，i）和APL_V（hx，ix）之間的TT空間距離D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）) ，其中h不等于hx，i不等于ix；定義一個TT空間距離Dth（apl）門限，當D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）) Dth（apl），認為該數據是冗余的，這時只能選擇其中的一個用電器的數據作為基礎信號基和基礎電弧基，將另一個用電器從這10種標準用電器中移出；另選一種用電器進入這10種標準的用電器之中，重復上述的計算過程，直到找到10種用電器，任意2種用電器之間的TT空間距離D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）) Dth（apl） 恒成立為止，其中h不等于hx，i不等于ix；在只有信號沒有故障電弧的情況下，重復多次上述的測量，將得到的數據進行平均，這樣得到了10個M空間特征向量BSTS_V（n），n (0，10]，它們就是基礎信號基；使用選定的這10種標準用電器，接入故障電弧發生器，在產生故障電弧，并且將故障電弧與標準的信號進行疊加的基礎上，重復多次上述的測量，將得到的數據進行平均，然后得到了10個M空間特征向量BSTA_V（n），n (0，10]，它們就是基礎電弧基；這些基礎信號基和基礎電弧基是整個基礎信號基和基礎電弧基的一部分子集，稱它們為基本基礎信號基和基本基礎電弧基；Dth（apl）值的獲取方式如下，將D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）)，h不等于hx，i不等于ix，對于所有的h(0，10] i (0，I]進行算術平均，然后選擇該算術平均值的一個比例，例如5%，作為Dth（apl）初始值，然后根據裝置的運行情況，調整該比例，從而期望獲得最優的值；以Dth（apl）為基礎，選取一個適當的比例RT2，用Dth（apl）乘以RT2得到Dth（apl2），Dth（apl2）為以后使用的一個門限值；

將這選好的10種標準用電器進行兩兩組合，同一種標準用電器也兩部組合，共有100乘I種情況，將每一種兩兩組合后疊加在一起的信號視為一種信號，檢測計算這樣的每種組合信號的M空間特征向量STS_V（n）；計算任意2種組合信號之間的TT空間距離D（APL_V（h，i），當D（APL_V（h，i），APL_V（hx，ix）) Dth（apl2）時，其中h不等于hx，i不等于ix，認為該數據是冗余的，放棄其中的一個M空間特征向量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，恒成立為止，將去除冗余的M空間特征向量STS_V（n）加入基礎信號基；在上述兩兩組合的信號中加入電弧信號，檢測計算得到M空間特征向量STA_V（m），使用上述的去除冗余的辦法，將去除冗余后的M空間特征向量STA_V（m） 加入基礎信號基；

然后進行每3種用電器的組合，重復上述的計算過程，可以選擇進行到5種用電器進行組合為止，檢測計算M空間特征向量STS_V（n）和 STA_V（m），進行去除冗余處理，將去除冗余后得到的數據加入基礎信號基和基礎電弧基，這時認為已經建立了完備的基礎信號基和基礎電弧基了；

信號基和電弧基的建立基于基礎信號基和基礎電弧基，找來各種用電器，使用基本基礎信號基和基本基礎電弧基的建立過程，在對正常信號和故障電弧進行數據采樣，獲得該用電器在LI軸上i個點的M空間特征向量，然后分別求它們到這基本基礎信號基和基本基礎電弧基的TT空間距離；設定一個距離的判別門限，低于這個距離的判別門限的，不采用，高于這個距離判別門限的，將得到的該用電器的M空間特征向量加入信號基和電弧基；然后將該用電器與以前獲得信號基的用電器分別進行兩、三、四、五種組合，同樣根據M空間特征向量到信號基和電弧基的TT空間距離來判斷是否加入信號基和電弧基；隨著不斷地積累，這個信號基和電弧基將會越來越完備，這個信號基和電弧基記為STS_V（n）和 STA_V（m),n(0，Ns]，m (0，Ma]，Ns和Ma分別為信號基和電弧基數據庫中的數據總數量；

設計預先判斷加權向量CY_V和精準判斷加權向量CJ_V，CY_V和CJ_V均為Nu乘以Na乘以Nf乘以Nt維數的向量，即TT維向量；設置CY_V的目的是盡量減少計算量，減輕處理器的運算負擔，代價是降低了檢測的精準度；設置CJ_V的目的是盡量提高檢測的精準度，代價是處理器的運算量比較大；這兩個向量的設置可以通過對不同的信號S1落入M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）的概率POSB_S1（m，n，p，q）進行加權，來突出和調整不同的M空間的基本子空間SPM（m，n，p，q）對于故障電弧檢測的影響程度；如果對應于該子空間的權向量的坐標值為0，那么該M空間的基本子空間對故障電弧的檢測完全沒有影響，這時候，加權向量起到M空間的基本子空間過濾作用；為了降低運算量，加權向量CY_V的坐標值盡量取更多的0；使用加權向量的故障電弧的檢測過程如下，當有信號S1進入裝置的時候，裝置檢測計算生成S1的M空間特征向量S1_V；STS_V（n）和 STA_V（m），n (0，Ns]， m (0，Ma]，是裝置的信號基和電弧基，首先使用CY_V對S1_V，STS_V（n）和STA_V（m）進行向量的加權乘，即，CY_V S1_V，CY_VSTS_V（n），CY_V STA_V（m），然后計算向量的TT空間距離D（CY_V S1_V，CY_V STS_V（n）），D（CY_V S1_V，CY_V STA_V（m），得到的數值分別稱為信號S1與該裝置的第n個信號基和第m個電弧基的使用CY_V加權的TT空間距離；信號基和電弧基的cy加權判斷門限分別是Dth（cy-sts）和Dth（cy-sta）；

將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，對于所有的n和m 進行算術平均，然后選擇該算術平均值的一個比例，例如5%，作為Dth（cy-sts）和Dth（cy-sta）初始值，然后根據裝置的運行情況，調整該比例，從而期望獲得最優的值；

當至少存在一個nx，nx (0，Ns]，使得D（CY_V S1_V，CY_V STS_V（nx）） Dth（cy-sts），且對于所有的m，m (0，Ma]，D（CY_V S1_V，CY_V STA_V（m）） Dth（cy-sta）恒成立，則判斷S1是正常的信號，裝置通過管腳輸出正常信號指示；

當至少存在一個mx，mx (0，Ma]，使得D（CY_V S1_V，CY_V STA_V（mx）） Dth（cy-sta），且對于所有的n，n (0，Ns]，D（CY_V S1_V，CY_V STS_V（n）） Dth（cy-sts）恒成立，則判斷S1是故障電弧的信號，將相鄰多個M空間的故障電弧的檢測結果做判斷，采用少數服從多數的原則，如果檢測為故障電弧的結果占多數，則裝置通過管腳輸出高電平故障電弧指示信號，控制脫扣機構脫扣或者控制報警機構報警；

當至少存在一個nx，nx (0，Ns]，使得D（CY_V S1_V，CY_V STS_V（nx）） Dth（cy-sts），且同時至少存在一個mx，mx (0，Ma]，使得D（（CY_V S1_V，CY_V STA_V（mx）） Dth（cy-sta），或者，對于所有的n，n (0，Ns]，D（CY_V S1_V，CY_V STS_V（n）） Dth（cy-sts）恒成立，且同時對于所有的m，m (0，Ma]，D（CY_V S1_V，CY_V STA_V（m）） Dth（cy-sta）恒成立，這時認為使用CY_V向量的加權精度不夠，再使用CJ_V向量對信號S1的M空間特征向量S1_V進行加權計算，這種情況也可能是Dth（cy-sts）和Dth（cy-sta）設置不合理，重新進行調整；

使用CJ_V向量，計算加權距離D（CJ_VS1_V，CJ_V STS_V（n））和D（CJ_V S1_V，CJ_V STA_V（n）），然后與CJ_V加權信號基和CJ_V加權電弧基的判斷門限Dth（cj-sts）和Dth（cj-sta）進行類似的比較判斷；

當至少存在一個nx，nx (0，Ns]，使得D（CJ_V S1_V，CJ_V STS_V（nx）） Dth（cy-sts），且對于所有的m，m (0，Ma]，D（CJ_V S1_V，CJ_V STA_V（m）） Dth（cy-sta）恒成立，則判斷S1是正常的信號，裝置通過管腳輸出正常信號指示；

當至少存在一個mx，mx (0，Ma]，使得D（CJ_V S1_V，CJ_V STA_V（mx）） Dth（cj-sta），且對于所有的n，n (0，Ns]，D（CJ_V S1_V，CJ_V STS_V（n）） Dth（cj-sts）恒成立，則判斷S1是故障電弧信號，將相鄰多個M空間的故障電弧的檢測結果做判斷，采用少數服從多數的原則，如果檢測為故障電弧的結果占多數，則裝置通過管腳輸出高電平故障電弧指示信號，控制脫扣機構脫扣或者控制報警機構報警；

當至少存在一個nx，nx (0，Ns]，使得D（CJ_V S1_V，CJ_V STS_V（nx）） Dth（cj-sts），且同時至少存在一個mx，mx (0，Ma]，使得D（CJ_V S1_V，CJ_V STA_V（mx）） Dth（cj-sta），或者，對于所有的n，n (0，Ns]，D（CJ_V S1_V，CJ_V STS_V（n）） Dth（cj-sts）恒成立，且同時對于所有的m，m (0，Ma]，D（CJ_V S1_V，CJ_V STA_V（m）） Dth（cj-sta）恒成立，則裝置的信號基和電弧基的構成不合理，或者是判斷門限Dth（cj-sts）和Dth（cj-sta）的設計不合理，重新構造該裝置的信號基和電弧基或者判斷門限Dth（cj-sts）和Dth（cj-sta）；

將D（CJ_V STS_V（nx），CJ_V STS_V（n）)，n (0，Ns]，n不等于nx，對于所有的n 進行算術平均，將D（CJ_V STA_V（mx），CJ_VSTA_V（m）)， m (0，Ma]，m不等于mx，對于所有的m 進行算術平均，然后分別選擇這兩個算術平均值的一個比例，例如5%，作為Dth（cj-sts）和Dth（cj-sta）初始值，以后可以根據裝置的運行情況，調整該比例，從而期望獲得最優的值；

將相鄰多個M空間的故障電弧的檢測結果做判斷，采用少數服從多數的原則，即，如果檢測到的故障電弧的次數大于總的M空間的數目的一半M/2，就判定為存在故障電弧；例如相鄰的9個M空間，如果有5次檢測到了故障電弧，因為5次大于總數的一半4.5次，因此判定為有故障電弧；

采取硬件電路、性能強大的處理器和軟件共同相互配合，完成這個裝置。