CN104422816B - 剩余电流检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于剩余电流检测的方法,包括:获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份;对所述时域数据进行时域到频域的变换,从而得到频域数据;在频域内,对所述频域数据进行滤波,以滤除与激励信号相关的频域数据;对滤波后的频域数据进行分析,以判断是否存在剩余电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种剩余电流检测方法和装置,还涉及一种具有该剩余电流检测装置的剩余电流保护装置。
背景技术
图1示例性地示出了一种典型的剩余电流检测装置。如图1所示,剩余电流检测装置100包括:电感110、激励信号产生电路120、采样电阻130、滤波电路140,以及处理单元150。
在图1中,电感110表示一个电流互感器的绕组,其一端连接到激励信号产生电路120,另一端连接到采样电阻130。该电流互感器包括铁芯和绕组,其作用在于感测供电线路(图中未示出)上是否存在剩余电流或称漏电流。
在图1所示的例子中,采样电阻130为一个与电感110(也就是和电流互感器)串联的电阻,且采样电阻的另一端连接到地(GND)。由此,在图1所示的例子中,采样电阻上流过的电流不仅包括供电线路上可能出现的剩余电流还包括来自激励信号产生电路120的激励信号成份。当然,在实际电路中,采样电阻130也可以替换为更为复杂的采样电路。
滤波电路140获取采样电阻130上的电压信号,该电压信号反应了流过采样电阻130的电流的大小,即电流互感器感测到的电流。滤波电路140进而对所获得的电压信号进行硬件滤波,以滤除由激励信号发生单元120产生的激励信号成份。例如,滤波电路140为一个低通滤波器。滤波后的模拟量送入处理单元150。
处理单元150对于来自滤波电路140的信号进行A/D采样,得到与剩余电流相关的采样数据,并对该采样数据进行分析,以判断出是否存在剩余电流。处理单元150所进行的分析例如包括分析电流的幅值是否超过了一个预定的阈值。如果超出该预定的阈值则该处理单元150发出一个指示信号,以指示存在剩余电流,并从而出发保护机制动作。
在如图1所示的例子中,采用硬件滤除采样信号的激励信号成份。为了实现这种硬件滤波,激励信号产生电路需要设计成使得其激励信号频率远高于通常的剩余电流信号的频率检测范围,例如激励信号的频率通常达到两倍于最高可检测的剩余电流信号的频率。这样,在滤波电路中可以通过一个硬件低通滤波器滤除采样信号中的高频部分(即,激励信号部分)而,留下剩余电流信号部分。最后,再由分析单元150通过软件和算法对滤波后的信号进行分析和判断。
采用图1所示的这种设计需要激励信号频率必须远高于最高的可检测剩余电流信号的频率。这导致剩余电流的频率检测范围受到功率和电路的限制无法达到较高的数值。此外,通常还需要采用多阶低通滤波器来滤除激励信号。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种剩余电流检测方法和装置,其剩余电流的频率检测范围可以达到所需值,而不因激励信号频率的选择而受限制。本发明的另一个目的在于提供一种剩余电流检测装置,其相对于图1所示的方案在硬件成本和空间上具有一定的优势。
为了实现上述目的,本发明提出了一种用于剩余电流检测的方法,包括:获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份;对所述时域数据进行时域到频域的变换,从而得到频域数据;在频域内,对所述频域数据进行滤波,以滤除与激励信号相关的频域数据;对滤波后的频域数据进行分析,以判断是否存在剩余电流。
优选地,所述激励信号的频率靠近所述电流互感器可检测的频谱检测范围且与所述频谱检测范围间隔开,或者所述激励信号的频率与所述频谱检测范围相交叠。
优选地,所述时域到频域的变换步骤采用快速傅里叶变换。更为优选地,所述时域到频域的变换步骤采用基2或基4快速傅里叶变换。可选地,所述快速傅里叶变换算法中针对低频部分和高频部分采用不同的加窗长度。优选地,对于高频部分,快速傅里叶变换算法的加窗长度为小于等于20ms。对于低频部分,快速傅里叶变换算法的加窗长度为大于等于100ms。可选地,所述快速傅里叶变换算法中的窗函数为矩形窗函数、汉宁窗函数或者海明窗函数。
可选地,所述对滤波后的频域数据进行分析的步骤包括例如判断滤波后得到的频域数据所反映的电流幅值的有效值是否大于一个预定的第一阈值,或者判断滤波后得到的频域数据所反映的电流幅值是否超出一个预定的第二阈值。
根据本发明的一个方面,本发明还提出用于实现上述剩余电流检测方法的装置。该装置包括:获取单元,用于获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份;变换单元,对所述时域数据进行时域到频域的变换,得到频域数据;滤波单元,用于在频域内对所述频域数据进行滤波,以滤除与所述激励信号成分相关的部分;分析单元,用于对滤波后的频域数据进行分析,以判断出是否存在剩余电流。
根据本发明的一个方面,本发明还提出一种剩余电流保护装置,包括:电流互感器,用于感测出包含供电线路上的剩余电流信息的电流值;激励单元,用于向所述电流互感器提供激励信号;采样单元,用于对流过所述电流互感器的电流值进行A/D采样,以得到时域数据;如上所述的用于剩余电流检测的装置,其耦合到所述采样单元,并输出能够表明是否存在剩余电流的指示信号。
本发明提出的上述方法和装置采用了频谱分析方法。相比于硬件滤波器的方法,谱分析方法不要求激励信号频率远高于剩余电流的频率检测范围。实际上,激励信号的频率可以根据实际需要选择合理数值,由此使得激励信号发生电路结构简单且易于实现,功耗和成本较低。其次,谱分析方法直接读取采样电阻上的电压信号并对其进行A/D采样,且通过软件算法滤波,由此不再需要硬件滤波器电路,这进一步节省了硬件成本和空间。此外,由于谱分析方法可扩展性强,通过算法可以对电流信号的有效值,频率乃至类型进行分析和判断。由此,采用本发明的方法和装置可以增强剩余电流检测功能。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释,并不限定本发明的范围。其中,
图1示出现有剩余电流检测装置的结构框图;
图2示出根据本发明一个实施例的剩余电流检测装置的结构框图;
图3示出根据本发明一个实施例的剩余电流检测方法的流程图;
图4示出根据本发明一个实施例的用于检测是否存在剩余电流的处理单元的结构框图。
附图标记列表
110 电感; 120 激励信号发生电路;
130 采样电阻 140 滤波电路
150 处理器 260 A/D采样单元;
250 处理单元 410 获取单元
420 变换单元 430 频谱滤波单元
440 分析单元
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明一个实施例的剩余电流检测装置200。与图1不同,图2所示的装置200中,不再包含硬件的滤波电路140,取而代之的是由处理单元250实现的频谱滤波。具体而言,如图2所示,A/D采样电路(模拟/数字采样电路)260对采样电阻130上的电压进行采样,并将采样到的电压信号转换成数字信号,形成时域数据,送入处理单元250。在处理单元250内对该时域数据进行处理。可选地,如果处理单元250本身具有一个A/D端口,处理单元250也可以直接耦合到采样电阻130的上端。根据实际需要,采样电阻130也可以由其他更为复杂的采样电路所取代。或者,A/D采样电路260也可以由任何适合的模数转换器件来实现。
图3示例性地示出了根据本发明一个实施例的由处理单元250执行的检测方法。具体地,如图3所示,步骤从S310开始。在步骤S310中,处理单元250从A/D采样单元260获取与流过电流互感器的电流相应的时域数据。在步骤S320中,处理单元250对所获得的时域数据进行时域到频域的变换,得到频域数据。优选地,处理单元250可以采用快速傅里叶变换完成步骤S320的时-频变换。时-频变换步骤S320的快速傅里叶变换可以采用多种不同快速傅里叶变换方法。例如,变换步骤320可以采用基2或基4快速傅里叶变换。这样可以减少快速傅里叶变换的运算量。优选地,快速傅里叶变换算法中还可以根据实际需要有选择地确定其加窗长度。例如,针对低频部分和高频部分可以采用不同的加窗长度。比如,低频部分的加窗长度小于高频部分的加窗长度。例如,对于高频部分,快速傅里叶变换算法的加窗长度为小于等于20ms。对于低频部分,快速傅里叶变换算法的加窗长度为大于等于100ms。此外,可选地,所述快速傅里叶变换算法中的窗函数可以为矩形窗函数、汉宁窗函数和海明窗函数中的任意一种。
在完成时-频变换之后,在步骤S330中,在频域内,处理单元250完成对频域数据的滤波,以滤除激励信号的频谱成份,而留下与剩余电流相关的频谱成份。本领域技术人员可以理解,步骤S330中的滤波方法可以为任何现有的频谱滤波方法。
在步骤S340中,处理单元250针对滤波后得到的频谱数据进行分析,以判断出是否存在剩余电流。例如,处理单元250可以根据滤波后得到频域数据得到电流幅值的有效值,并判断该有效值是否大于一个预定的第一阈值,如果大于,则表明出现了剩余电流。或者,处理单元250可以根据滤波后得到频域数据得到电流数据的幅值,并判断该幅值是否超出一个预定的第二阈值,如果超出,则表明出现了剩余电流。如果在步骤S340中判断出存在剩余电流,则处理单元250发出一个指示信号,用于表明存在剩余电流。该指示信号将用于促使保护机制动作,以断开相关的供电连接。由于步骤S340的分析操作是针对频谱数据进行的,因而其频谱分析方法具有很强的扩展性。例如,步骤S340中,处理单元还可以对频谱数据所反映的电流信号的频率进行分析,甚至还可以据此分析出剩余电流信号的类型。
图4示出根据本发明一个实施例的用于检测是否存在剩余电流的处理单元400的结构框图。这里,处理单元400可以是由处理器、存储器等构成的计算装置,在该装置上可以运行用于实现如图3所示方法的软件。或者,处理单元400还可以是能够实现如图3所示各步骤功能的硬件单元,例如可编程逻辑阵列、DSP、嵌入式***等等。图4仅仅示例性地示出该处理单元400的结构,根据实际情况,图4所示出的处理单元400所包括的各个单元也可以彼此合并,或者进一步按照其功能拆分,这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
图4所示的剩余电流检测装置400包括获取单元410、变换单元420、频谱滤波单元430以及分析单元440。其中,获取单元410,用于获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份。变换单元420,对所述时域数据进行时域到频域的变换,得到频域数据。频谱滤波单元430,用于在频域内对所述频域数据进行滤波,以滤除与所述激励信号成份相关的频域数据。分析单元440,用于对滤波后的频域数据进行分析,以判断出是否存在剩余电流。如果经过判断,发现存在剩余电流,则分析单元440发出一个指示信号,以出发保护机制动作,切断相关的供电连接。
本发明提出的上述方法和装置采用了频谱分析方法。相比于硬件滤波器的方法,谱分析方法不要求激励信号频率远高于剩余电流的频率检测范围。实际上,激励信号的频率可以根据实际需要选择合理数值,由此使得激励信号发生电路结构简单且易于实现,功耗和成本较低。其次,谱分析方法直接读取采样电阻上的电压信号并对其进行A/D采样,且通过软件算法滤波,由此不再需要硬件滤波器电路,这进一步节省了硬件成本和空间。此外,由于谱分析方法可扩展性强,通过算法可以对电流信号的有效值,频率乃至类型进行分析和判断。由此,采用本发明的方法和装置可以增强剩余电流检测功能。
应当理解,虽然本说明书是按照各个实施例描述的,但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合,均应属于本发明保护的范围。
Claims (14)
1.一种用于剩余电流检测的方法,包括:
获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份,所述激励信号的频率靠近所述剩余电流的频谱检测范围且与所述剩余电流的频谱检测范围间隔开,或者所述激励信号的频率与所述剩余电流的频谱检测范围相交叠;
对所述时域数据进行时域到频域的变换,从而得到频域数据;
在频域内,对所述频域数据进行滤波,以滤除与所述激励信号成份相关的频域数据;
对滤波后的频域数据进行分析,以判断是否存在剩余电流。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述时域到频域的变换步骤采用快速傅里叶变换。
3.如权利要求2所述的方法,其中,所述时域到频域的变换步骤采用基2或基4快速傅里叶变换。
4.如权利要求2或3所述的方法,其中,所述快速傅里叶变换算法中针对低频部分和高频部分采用不同的加窗长度。
5.如权利要求4所述的方法,其中,对于高频部分,加窗长度为小于等于20ms。
6.如权利要求4所述的方法,其中,对于低频部分,加窗长度为大于等于100ms。
7.如权利要求4所述的方法,其中,所述快速傅里叶变换算法中的窗函数为矩形窗函数、汉宁窗函数或者海明窗函数。
8.如权利要求1所述的方法,其中,所述对滤波后的频域数据进行分析的步骤包括:
如果滤波后的频域数据所反映的电流幅值的有效值大于一个预定的第一阈值,则表明存在剩余电流,或者
如果滤波后的频域数据所反映的电流幅值超出一个预定的第二阈值,则表明存在剩余电流。
9.一种用于剩余电流检测的装置,包括:
获取单元(410),用于获取与流经电流互感器的电流相关的时域数据,其中所述电流互感器用于感测供电线路上的剩余电流,且所述时域数据包含用于激励所述电流互感器的激励信号成份;
变换单元(420),对所述时域数据进行时域到频域的变换,以得到频域数据;
频谱滤波单元(430),用于在频域内对所述频域数据进行滤波,以滤除与所述激励信号成份相关的频域数据;
分析单元(440),用于对滤波后的频域数据进行分析,以判断出是否存在剩余电流;
其中,所述激励信号频率靠近所述剩余电流的频谱检测范围且与所述剩余电流的频谱检测范围间隔开,或者所述激励信号的频率与所述剩余电流的频谱检测范围相交叠。
10.如权利要求9所述的装置,其中,所述变换单元(420)对所述时域数据进行快速傅里叶变换。
11.如权利要求10所述的装置,其中,所述快速傅里叶变换算法中针对低频部分和高频部分采用不同的加窗长度。
12.如权利要求11所述的装置,其中,所述快速傅里叶变换算法中的窗函数为矩形窗函数、汉宁窗函数或者海明窗函数。
13.如权利要求9所述的装置,其中,
所述分析单元在判断出滤波后的频域数据所反映的电流幅值的有效值大于一个预定的第一阈值时,输出指示信号,以指示存在剩余电流;或者
所述分析单元在判断出滤波后的频域数据所反映的电流幅值超出一个预定的第二阈值时,输出指示信号,以指示存在剩余电流。
14.一种剩余电流保护装置,包括:
电流互感器(110),用于感测出包含供电线路上的剩余电流信息的电流值;
采样单元(260),用于对来自所述电流互感器的电流值进行A/D采样,以得到时域数据;
如权利要求9-13中任意一个所述的用于剩余电流检测的装置,其耦合到所述采样单元,并输出能够表明是否存在剩余电流的指示信号。
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