一种直流电弧故障检测方法及其装置与流程

本发明涉及电弧检测技术领域，尤其是指一种直流电弧故障检测方法及其装置。

背景技术：

电弧是太阳能光伏和其他电流转换应用中可能发生的一种危险情况，有引发火灾的风险。对潜在起弧情况的检测和反应(系统关停)是此类系统必须具备的一项关键安全特性。太阳能逆变器的直流侧极有可能产生电弧。例如，当电缆中有大电流通过时，断开这样的电缆可能引起直流电弧。另外，在太阳能电池发生辐照的同时，光伏阵列会持续供应电流，这使问题进一步复杂化，可能引发连续起弧，导致火灾。因此，光伏逆变器的直流侧非常容易发生危险。虽然逆变器有断开太阳能面板连接的要求，但这只是用于维护，而非正常工作。传统电弧检测主要使用时域电流波形分析法，即对电流信号进行采样，提取时域波形的特征量，然后对提取的特征量进行分析比较，大于设定的阈值则判断为电弧故障，这种方法虽然算法简单，但是当光伏在光照不稳定状态下，很容易产生电弧故障误报。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的问题提供一种直流电弧故障检测方法及其装置，能准确去除直流负载变动时电弧故障误判现象，当电弧产生时，能及时、有效的检测到电弧故障。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种直流电弧故障检测方法，包括以下步骤：

步骤a，系统初始化，初始化adc、初始化spi接口、初始化uart接口、初始化gpio；

步骤b，配置adc转换模块，使能adc转换，通过spi读取1024点电流瞬时值；

步骤c，调用处理器，并计算输出电弧检测特征向量值；

步骤d，获取电弧故障阈值，并与特征向量值比对，如果特征向量值大于阈值则产生电弧故障，否则不产生电弧故障；

步骤e，处理uart通信任务，将电弧故障状态值上传至上层监控设备。

其中，所述步骤c中计算输出电弧检测特征向量值的步骤包括：

步骤c1，通过spi读取的adc数据，将数据存入数组，数组定义为1024点的结构体数组，每个结构体数组中都包含了1个实部变量与1个虚部变量，将adc转换的数据依次存入数组的实部，虚部清零；

步骤c2，通过处理器fft库函数，将1024点的时域信号转换成1024点的频域信号，其中转换后的结果值覆盖到原来的数组中，其中实部存储单元存放余弦波频率分量值，虚部存储单元存放正弦波频率分量值，通过公式求取各频率点的模值；

步骤c3，将1024点频率模值进行递减排列；

步骤c4，通过特征向量值公式计算特征向量值，其中m为常量取值100，fref为参考特征向量，如果特征向量值小于0.05，则判断电弧故障产生。

本发明还提供了一种直流电弧故障检测装置，包括传感器、信号采集电路、adc转换模块以及处理器，所述传感器用于采集直流电流模拟量发送至信号采集电路，所述信号采集电路用于将直流电流模拟量转换成所述adc转换模块能够采集的电压值，所述adc转换模块将采集到的电压值转换为离散数字量发送至处理器，所述处理器根据接收到的数据进行比对产生电弧故障信号，所述传感器与所述信号采集电路电连接，所述信号采集电路与所述adc转换模块电连接，所述adc转换模块与所述处理器通讯连接。

其中，所述处理器为dsp处理器。

其中，所述dsp处理器型号为tms320f28034。

其中，所述传感器为电流ct传感器。

其中，所述信号采集电路包括运算放大器u15a、运算放大器u15b、运算放大器u18b、电阻r60、电阻r61、电阻r62、电阻r63、电阻r64、电阻r65、电容c56、电容c57、电容c58、电容c59、电容c60和电容c61，所述电阻r65的一端与传感器的输出端连接，所述电阻r65的另一端分别与电容c59的一端和电阻r64的一端连接，电阻r64的另一端分别与电容c61的一端和运算放大器u18b的同相输入端连接，所述电容c61的另一端接基准电压，所述电容c59的另一端分别与运算放大器u18b的反相输入端和电阻r62的一端连接；

运算放大器u18b的输出端与电阻r62的一端连接，所述电阻r62的另一端分别与电容c57的一端、电阻r63的一端连接，所述电阻r63的另一端分别与电容c60的一端、运算放大器u15b的同相输入端连接，所述电容c57的另一端分别与运算放大器u15b的反相输入端、电容c58的一端连接，所述电容c60的另一端接基准电压，所述运算放大器u15b的输出端与电容c58的一端连接；

所述电容c58的另一端与所述电阻r61的一端连接，所述电阻r61的另一端分别与电阻r60的一端、电容c56的一端和运算放大器u15a的反相输入端连接，所述运算放大器u15a的同相输入端与基准电压连接，所述电阻r60的另一端、电容c56的另一端和运算放大器u15a的输出端与所述adc转换模块的输入端连接。

本发明的有益效果：

本发明能准确去除直流负载变动时电弧故障误判现象，当电弧产生时，能及时、有效的检测到电弧故障。

附图说明

图1为本发明的一种直流电弧故障检测方法的流程图。

图2为本发明的计算输出电弧检测特征向量值的流程图。

图3为本发明的一种直流电弧故障检测装置的结构示意图。

图4为本发明的有电弧故障和无电弧故障的频域特性示意图。

图5为本发明的信号采集电路的电路图。

在图1至图5中的附图标记包括：

1—传感器2—信号采集电路3—adc转换模块4—处理器。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例1

一种直流电弧故障检测方法，包括以下步骤：

步骤a，系统初始化，初始化adc、初始化spi接口、初始化uart接口、初始化gpio；

步骤b，配置adc转换模块，使能adc转换，通过spi读取1024点电流瞬时值；

步骤c，调用处理器，并计算输出电弧检测特征向量值；

步骤d，获取电弧故障阈值，并与特征向量值比对，如果特征向量值大于阈值则产生电弧故障，否则不产生电弧故障；

步骤e，处理uart通信任务，将电弧故障状态值上传至上层监控设备。

其中，所述步骤c中计算输出电弧检测特征向量值的步骤包括：

步骤c1，通过spi读取的adc数据，将数据存入数组，数组定义为1024点的结构体数组，每个结构体数组中都包含了1个实部变量与1个虚部变量，将adc转换的数据依次存入数组的实部，虚部清零；

步骤c2，通过处理器fft库函数，将1024点的时域信号转换成1024点的频域信号，其中转换后的结果值覆盖到原来的数组中，其中实部存储单元存放余弦波频率分量值，虚部存储单元存放正弦波频率分量值，通过公式求取各频率点的模值；

步骤c3，将1024点频率模值进行递减排列；

步骤c4，通过特征向量值公式计算特征向量值，其中m为常量取值100，fref为参考特征向量，如果特征向量值小于0.05，则判断电弧故障产生。

实施例2

一种直流电弧故障检测装置，如图1至图3所示，包括传感器1、信号采集电路2、adc转换模块3以及处理器4，所述传感器1用于采集直流电流模拟量发送至信号采集电路2，所述信号采集电路2用于将直流电流模拟量转换成所述adc转换模块3能够采集的电压值，所述adc转换模块3将采集到的电压值转换为离散数字量发送至处理器4，所述处理器4根据接收到的数据进行比对产生电弧故障信号，所述传感器1与所述信号采集电路2电连接，所述信号采集电路2与所述adc转换模块3电连接，所述adc转换模块3与所述处理器4通讯连接。

具体地，一次回路电流信号经过传感器1采集直流电流模拟量，通过信号采集电路2将电流进行缩小到adc转换模块3满量程电压范围内，经过200k采样速率将模拟量转换为离散数字量，再通过spi通信将离散数字量传输到处理器4中，所述处理器4将数据进行存储、快速傅立叶变换、电弧阈值比对，最终产生电弧故障信号，并将故障信号通过sci通信传输至外部监控器；本发明能准确去除直流负载变动时电弧故障误判现象，当电弧产生时，能及时、有效的检测到电弧故障。

本实施例所述的一种直流电弧故障检测装置，所述处理器4为dsp处理器4，所述dsp处理器4型号为tms320f28034。其中，spi通信采用三线同步通信方式，tms320f28034的dsp处理器4每间隔10毫秒执行一次spi读取任务，每次读取1024个电流值，然后将电流值存储在处理器4的ram中，为后续的傅立叶变换提供基础数据。

具体地，根据图2可知，只需要获取到直流电流0～100khz的各频率分量的值，就可判断是否发生电弧故障。首先需要将spi读取的1024个电流数据进行复数处理，定义一个1024单元的二维数组，将1024个电流数据依次存入复数的实部，虚部清零。

通过spi通信得到的数字信号，作为fft变换的数据来源，1024个采样点，经过fft之后，可以得到1024个点的fft结果。

通过fft离散变换，可获取数据的各频率分量，频率分量将覆盖原来实部存储单元与虚部存储单元，实部存储单元存放余弦波的各频率分量值，虚部存储单元存放正弦波的各频率分量值，则在单个频率点上的振幅为公式通过公式可获取到0hz～100khz的频谱，然后对频谱进行形态滤波，提取出频谱轮廓图。最后对得到的频谱轮廓进行峰值检测，并按峰值由大到小的顺序对其对应的的频率点进行排序，取前m个频率点得到的向量即为特征向量。特征向量结构如下：

f＝[f1,f2,f3,..fm]；

上式中，f1对应形态滤波后最大幅值点对应频率，其他频率点按峰值点幅值大小依次排序。为了减小误动率，对提取的特征向量进行相关性分析，当连续若干周期提取的特征向量复合下式的相关性判据，即判断有电弧故障发生

式中：fref为参考特征向量；m为常量，一般可选取为0～1023的整数。

本发明的电弧检测装置，其以tms320f28034作为硬件平台，使用专用高速adc转换芯片对直流电流进行高速离散量化，并将量化数据进行快速傅立叶变换以获取直流电流的频域特性，再结合电弧的频域特性进行分析比对，最终快速、有效的查找电弧故障。本发明相对传统时域分析法的检测装置，电弧故障检测的准确性、稳定性得到极大提升。

本实施例所述的一种直流电弧故障检测装置，所述传感器1为电流ct传感器1。其中，所述adc转换模块3采用型号为sm73201的adc芯片，sm73201的adc芯片速率最高能达到250ksps，本实施例中使用200ksps采样速率，根据傅立叶变换特性可提取到0hz～100khz频率分量，sm73201使用16位adc转换，数字转换精度可达到1/65535。

本发明通过过spi驱动adc转换模块3，采集直流电流瞬时值，采样速率为200k，采样个数为1024个，并将数据存储在ram中。

其次，将1024个电流瞬时值通过复数形式存储，实部存储电流瞬时值，虚部清0，调用dspfft库函数，处理时域上的电流瞬时值，输出频域上的频率分量值，频率分量将覆盖原来实部与虚部，其中余弦波的频率分量值存储在实部，正弦波的频率分量值存储在虚部，可获取到1024点余弦波频谱与1024点正弦波频谱。将正弦波与余弦波合并，各频率点的振幅为实部与虚部的模值。再通过各频率点的振幅求取特征向量值，用特征向量值与电弧故障阈值进行不对并产生电弧故障状态。

最后，处理串口通信任务，将电弧故障状态上传至外部监控器。

本实施例所述的一种直流电弧故障检测装置，所述信号采集电路2包括运算放大器u15a、运算放大器u15b、运算放大器u18b、电阻r60、电阻r61、电阻r62、电阻r63、电阻r64、电阻r65、电容c56、电容c57、电容c58、电容c59、电容c60和电容c61，所述电阻r65的一端与传感器1的输出端连接，所述电阻r65的另一端分别与电容c59的一端和电阻r64的一端连接，电阻r64的另一端分别与电容c61的一端和运算放大器u18b的同相输入端连接，所述电容c61的另一端接基准电压，所述电容c59的另一端分别与运算放大器u18b的反相输入端和电阻r62的一端连接；

运算放大器u18b的输出端与电阻r62的一端连接，所述电阻r62的另一端分别与电容c57的一端、电阻r63的一端连接，所述电阻r63的另一端分别与电容c60的一端、运算放大器u15b的同相输入端连接，所述电容c57的另一端分别与运算放大器u15b的反相输入端、电容c58的一端连接，所述电容c60的另一端接基准电压，所述运算放大器u15b的输出端与电容c58的一端连接；

所述电容c58的另一端与所述电阻r61的一端连接，所述电阻r61的另一端分别与电阻r60的一端、电容c56的一端和运算放大器u15a的反相输入端连接，所述运算放大器u15a的同相输入端与基准电压连接，所述电阻r60的另一端、电容c56的另一端和运算放大器u15a的输出端与所述adc转换模块3的输入端连接。

具体地，上述设置的信号采集电路2是将电流ct传感器1转换后的电压信号转换成adc转换模块3能够采集的电压值，其中电路经过高通滤波、信号缩小等处理，并传输到adc转换模块3的输入端。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。