CN109975663B - 直流电弧故障检测方法、装置和*** - Google Patents

直流电弧故障检测方法、装置和*** Download PDF

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Abstract

本发明实施方式公开了直流电弧故障检测方法、装置和***。方法包括：在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。本发明实施方式为起弧阶段和稳定阶段分别设置针对电流高频分量计数的阈值，并基于两个阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障，解决了应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的问题。

Description

直流电弧故障检测方法、装置和***
技术领域
本发明涉及电弧故障(Arc Fault，AF)技术领域，特别是涉及直流电弧故障检测方法、装置和***。
背景技术
电弧故障是导体之间或导体与地之间出现非人类意愿电弧的一种电气故障。按照电弧故障发生时电弧与电路连接关系，可将电弧故障分为串联电弧故障、并联电弧故障、接地电弧故障和复合电弧故障，等等。一旦发生电弧故障，由于电弧电流通常处于热保护区之外，现有的热断路器很难发现这种故障，无法在故障出现早期还未失控时对线路进行保护。因此，亟需一种可靠的电弧故障检测方法对电弧故障进行检测。
目前，现有的直流电弧故障检测产品几乎都存在不必要的跳闸问题。不必要的跳闸会导致许多缺点，如断电和额外的维护。另外，在克服不必要的跳闸时，还需要保证当出现直流电弧故障时能够跳闸。
发明内容
本发明实施方式提出直流电弧故障检测方法、装置和***。
本发明实施方式的技术方案如下：
直流电弧故障检测方法，包括：
在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
可见，本发明实施方式为起弧阶段和稳定阶段分别设置针对电流高频分量计数的独立阈值，并基于这两个独立阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障，解决了应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的问题。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障。
因此，当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，本发明实施方式认定没有发生起弧，并由此判定没有发生直流电弧故障。而且，当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，本发明实施方式认定没有电弧没有进入稳定阶段，并由此判定没有发生直流电弧故障。
在一个实施方式中，该方法还包括：
分析所述第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值。
因此，本发明实施方式基于第一时间段内直流电流信号的分析结果自适应调整第二预定阈值，可以进一步避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，所述分析第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值包括：
确定所述第一时间段内电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值；
当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值。
在一个实施方式中，所述分析第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值包括：
确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
可见，本发明实施方式实现了基于功率谱密度自适应调整第二预定阈值，可以准确区分背景噪声和直流电弧故障，避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，
所述确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值包括：确定所述第一时间段内电流信号的有效值在检测周期之间的差值。
因此，本发明可以利用易于确定的电流信号的有效值表示通常难以确定的功率谱密度，降低了实现难度。
在一个实施方式中，所述分析第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值包括：
确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值；
当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值。
在一个实施方式中，所述分析第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值包括：
确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
可见，本发明实施方式实现了基于频域特征自适应调整第二预定阈值，可以避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
直流电弧故障检测装置，包括：
第一检测模块，其在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
第二检测模块，其当所述第一检测模块在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
故障判断模块，其当所述第二检测模块在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
可见，本发明实施方式为起弧阶段和稳定阶段分别设置针对电流高频分量计数的独立阈值，并基于这两个独立阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障，解决了应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的问题。
在一个实施方式中，
所述故障判断模块，其当第一检测模块在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
其当第二检测模块在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障。
因此，当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，本发明实施方式认定没有发生起弧，并由此判定没有发生直流电弧故障。而且，当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，本发明实施方式认定没有电弧没有进入稳定阶段，并由此判定没有发生直流电弧故障。
在一个实施方式中，还包括：
阈值调整模块，其分析所述第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值。
因此，本发明实施方式基于第一时间段内直流电流信号的分析结果自适应调整第二预定阈值，可以进一步避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，
所述阈值调整模块，其确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值。
在一个实施方式中，
所述阈值调整模块，其确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
可见，本发明实施方式实现了基于功率谱密度自适应调整第二预定阈值，可以准确区分背景噪声和直流电弧故障，避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，
所述阈值调整模块，其确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值。
在一个实施方式中，所述阈值调整模块，其确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
可见，本发明实施方式实现了基于频域特征自适应调整第二预定阈值，可以避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
直流电弧故障检测***，包括：
电流传感器，其检测直流电流信号；
模拟前端处理装置，其从所述直流电流信号中提取电流高频分量；
模数转换装置，其将所述电流高频分量转换为数字格式；
直流电弧故障检测装置，其在第一时间段内检测所述数字格式的电流高频分量，当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量，当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
本发明实施方式为起弧阶段和稳定阶段分别设置针对电流高频分量计数的独立阈值，并基于这两个独立阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障，解决了应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的问题。
在一个实施方式中，
所述直流电弧故障检测装置，还用于分析所述第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值；
其中所述分析第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值包括：确定所述第一时间段内电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时增加所述第二预定阈值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时降低所述第二预定阈值；或，确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时增加所述第二预定阈值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时降低所述第二预定阈值。
因此，本发明实施方式还实现了基于频域特征和功率谱特征自适应调整第二预定阈值，可以准确区分背景噪声和直流电弧故障，避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的直流电弧故障检测方法的步骤。
附图说明
图1为电弧的分阶段示意图。
图2为电弧在不同阶段的高频分量示意图。
图3为根据本发明实施方式的直流电弧故障检测方法的流程图。
图4为背景噪声及其功率谱密度(power spectral density，PSD)和均方根(RootMeam Square，RMS)值的示意图。
图5为电弧信号及其PSD和RMS值的示意图。
图6为根据本发明实施方式在电弧起弧阶段的窗口计数方法流程图。
图7为根据本发明实施方式在电弧稳定阶段的窗口计数方法流程图。
图8为根据本发明实施方式采用双重阈值的直流电弧故障检测方法流程图。
图9为根据本发明实施方式逆变器启动阶段的背景噪声示意图，其中阈值无自适应调整。
图10为根据本发明实施方式逆变器启动阶段的背景噪声示意图，其中阈值有自适应调整。
图11为根据本发明实施方式逆变器混合有背景噪声的电弧信号的示意图，其中阈值有自适应调整。
图12为根据本发明实施方式直流电弧故障检测装置的结构图。
图13为根据本发明实施方式直流电弧故障检测***的结构图。
其中，附图标记如下：
Figure BDA0001530847400000051
Figure BDA0001530847400000061
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
申请人对电弧进行研究分析，发现电弧的持续过程包含两个阶段，分别为起弧阶段和稳定阶段。起弧阶段为不稳定阶段。在起弧阶段中，通过正常不导电介质(如空气)的电流产生等离子体。如果可以持续放电，则电弧从起弧阶段转变到稳定阶段。
图1为电弧的分阶段示意图。在图1中，横轴为时间，纵轴为电流值。可见，在起弧阶段11，电流值波动幅度较大，并不稳定。在进入稳定阶段12之后，电流值变得相对稳定。
图2为电弧在不同阶段的高频分量示意图。在图2中，横轴为频率，纵轴为电流值。图2的上部区域为起弧阶段11，图2的下部区域为稳定阶段12。从图2所示频谱可以看出，起弧阶段11的电流值明显高于稳定阶段12的电流值。
当检测到电弧故障后，通常需要执行跳闸操作以保护电气设备。申请人发现：如果仅根据电弧的一个阶段而设置用于检测电弧故障的阈值，则可能导致应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸(即误跳闸)的技术问题。比如，如果设置了较高的电弧故障检测阈值，则可能在出现直流电弧故障时拒绝跳闸；如果设置了较低的电弧故障检测阈值，则可能在没有发生直流电弧故障时误跳闸。
为解决应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的问题，本申请为起弧阶段和稳定阶段分别设置针对电流高频分量计数的阈值，并基于两个阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障。
图3为根据本发明实施方式的直流电弧故障检测方法的流程图。
如图3所示，该方法包括：
步骤301：在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量。
步骤302：当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在第一时间段后的第二时间段内检测直流电流信号的电流高频分量。
步骤303：当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
其中，第一时间段对应于电弧的起弧阶段，第二时间段对应于电弧的稳定阶段。而且，在第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据与在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据可以为共同的判断依据，或不同的判断依据。
优选的，在第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据高于在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据。比如，假定在第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据为10毫安(mA)，即当第一时间段内的电流分量高于10mA时认定为电流高频分量。而且，在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据小于第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据，即小于10毫安(mA)，比如第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据为8mA，即当第二时间段内的电流分量高于8mA时认定为电流高频分量。
在本发明实施方式中，当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，并不简单认定已经检测到直流电弧故障，而是进一步在第二时间段内检测直流电流信号的电流高频分量，并当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，才判定直流电弧故障。
可见，本发明实施方式采用双重阈值的直流电弧故障检测机制，由于这两个阈值分别适用于具有不同高频分量的两个电弧阶段，因此有助于避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，该方法还包括：当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障。
在这里，当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，可以认定没有发生起弧，因此判定没有发生直流电弧故障。
在一个实施方式中，该方法还包括：当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障。
在这里，当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，可以认定没有电弧没有进入稳定阶段，因此判定没有发生直流电弧故障。
申请人还发现，如果基于第一时间段内直流电流信号的分析结果自适应调整第二预定阈值，可以进一步避免应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸。
在一个实施方式中，该方法还包括步骤304：分析第一时间段内直流电流信号，基于第一时间段内直流电流信号的分析结果调整第二预定阈值。其中，可以在步骤303之后具体实施步骤304，也可以在步骤302与步骤303之间具体实施步骤304。
下面对如何基于第一时间段内直流电流信号的分析结果而调整第二预定阈值进行具体说明。
电流信号的高频背景噪声是不必要跳闸的主要原因。其特点是当没有电弧故障时，背景噪声的功率谱密度(power spectral density,PSD)在每个周期几乎相同。基于随机信号分析和处理理论，PSD是每单位频率的能量。PSD是随机变量(E[x2(t)]和RMS值的平方)的均方值的量度，其中E[x2(t)]是由PSD-f曲线界定的面积。
情形1：对于平均值为零的平稳随机过程：
根据帕斯瓦尔(Parseval)定理，平方可积函数的平方的积分等于其快速傅立叶变换(FFT)系数X(w)的平方和。这表明在时域计算的信号能量等于在频域中计算的信号能量。而且，根据PSD的定义，RMS的平方值可以代表PSD。
情形2：对于非零均值的平稳随机过程：
基于维纳-钦钦(Wiener-Khinchin)定理，PSD可以通过自相关函数的傅里叶变换给出。
Figure BDA0001530847400000081
如果τ等于0，则自相关函数等于信号能量，
Figure BDA0001530847400000082
其中Rx(0)是自相关函数的最大值。
那么，
Figure BDA0001530847400000083
因此RMS的平方值表示PSD-f的积分。
总之，对于一个平稳的随机过程，RMS值可以代表PSD。作为平稳随机过程的背景噪声的PSD可以用电流信号的RMS值表示。
图4为背景噪声及其RMS值的示意图，其中RMS值即为电流有效值。在图4中，最上面的坐标系的横轴为时间，纵轴为背景噪声；中间坐标系的横轴为时间，纵轴为PSD；最下面的坐标系的横轴为时间，纵轴为RMS值。每个检测周期的检测窗口为5ms。由图4可见，在每个检测窗口内PSD都几乎相同，而且电流的RMS值几乎相同。也就是说，在没有电弧故障的情况下(即只有背景噪声时)，连续两个检测窗口的电流RMS值的差值接近于零。
图5为电弧信号及其PSD和RMS值的示意图。在图5中，最上面的坐标系的横轴为时间，纵轴为电弧信号；中间坐标系的横轴为时间，纵轴为PSD；最下面的坐标系的横轴为时间，纵轴为RMS值。每个检测周期的检测窗口为5ms。由图5可见，当发生电弧故障时，每个检测窗口的PSD均不同，而且时域的RMS值也不相同。也就是说，在发生电弧故障的情况下(即不只有背景噪声时)，连续两个检测窗口的电流RMS值之差不为零。
基于上述分析，电流的RMS值可以作为边界条件来自适应地调整步骤303中的第二预定阈值。
如果连续的检测窗口之间的RMS值的差值为零或接近于零，这反映了电弧故障的可能性较小，因此可以增加第二预定阈值以避免不必要的跳闸。如果连续的检测窗口之间的RMS值的差异很大，说明电弧故障的可能性很大，那么应该减小第二预定阈值以避免应当跳闸时拒绝跳闸。
另外，频域分析结果也可作为调整第二预定阈值的边界条件。如果起弧阶段的频域特性并不明显，这反映了电弧故障的可能性较小，则应增加第二预定阈值以避免不必要的跳闸。如果起弧阶段的频域特性非常明显，表明电弧故障的可能性很大，那么应该减小第二预定阈值以避免应当跳闸时拒绝跳闸。
因此，在一个实施方式中，分析第一时间段内直流电流信号，基于第一时间段内直流电流信号的分析结果调整第二预定阈值包括：确定第一时间段内电流信号的PSD在检测周期之间的差值；当差值低于预定的差值阈值时，增加第二预定阈值。
优选的，确定第一时间段内电流信号的RMS值在检测周期之间的差值；当差值低于预定的差值阈值时，增加第二预定阈值。
优选的，确定第一时间段内电流信号的RMS值在检测周期之间的差值，当差值高于等于预定的差值阈值时，降低第二预定阈值。
其中，上述针对RMS值的预定差值阈值可以实施为零。本领域技术人员可以意识到，上述针对RMS值的预定差值阈值还可以实施为其它经验值，本发明实施方式对此并无限定。
以上以RMS值表示PSD为实例对本发明实施方式进行详细描述，本领域技术人员可以意识到，这种表示方式仅是本发明实施方式的具体实例，本发明实施方式对此并无限定。
在一个实施方式中，分析第一时间段内直流电流信号，基于第一时间段内直流电流信号的分析结果调整第二预定阈值包括：确定第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值；当差值低于预定的差值阈值时，增加第二预定阈值；当差值高于等于预定的差值阈值时，降低第二预定阈值。
类似地，上述针对频域特征的预定差值阈值可以实施为零。本领域技术人员可以意识到，上述针对频域特征的预定差值阈值还可以实施为其它经验值，本发明实施方式对此并无限定。
在本发明实施方式中，可以直接调整第二预定阈值的具体数值，也可以通过调整第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据来间接调整第二预定阈值。
下面对通过调整是否为电流高频分量的判断依据而实现的直流电弧检测方法进行详细描述。
图6为根据本发明实施方式在电弧起弧阶段的窗口计数方法流程图。其中，多个5ms的单独窗口对电流信号执行处理。对于频率分辨率为200Hz的快速傅立叶变化(FastFourier Transformation，FFT)，在每个5ms窗口中，从30KHz到100KHz有350个频点。每个窗口的高频特性可以由计数值表示，其中按照从第1个频点到第350个频点的顺序依次判断：如果任一频点(In)的幅度超过第一预定幅度阈值(比如，该第一预定幅度阈值实施为无电弧故障时从30KHz到100KHz频率点振幅的平均值)，则计数加10，否则计数减2；然后，得到各个窗口的总计数值。
如图6所示，该方法包括：
步骤601：计数开始。
步骤602：判断频点幅度是否大于第一预定幅度阈值，如果是则执行步骤603及其后续步骤，否则执行步骤604及其后续步骤。
步骤603：计数加10，并执行步骤605。
步骤604：计数减2，并执行步骤605。
步骤605：判断频点编号是否到达350，如果是，则执行步骤606，否则返回执行步骤602。
步骤606：计数结束。
经过上述流程之后，最终计数值可以量化表示该窗口的电流高频分量的数目。
可以基于第一预定幅度阈值、第一预定阈值和图6所示流程确定是否发生起弧阶段。比如，设定第一时间段包含5个连续窗口。基于图6所示流程可以确定每个连续窗口的电流高频分量的数目。预先设定计数数目大于1750的窗口为1个起弧窗口，且设置第一预定阈值为3，即当这5个连续窗口中有大于3个起弧窗口时认定发生起弧阶段。
图7为根据本发明实施方式在电弧稳定阶段的窗口计数方法流程图。其中，多个5ms的单独窗口对电流信号执行处理。对于频率分辨率为200Hz的FFT，在每5ms窗口中，从30KHz到100KHz有350个频点。每个窗口的高频特性可以由计数值表示，其中按照从第1个频点到第350个频点的顺序依次判断：如果任一频点(In)的幅度超过第二预定幅度阈值，则计数加10，否则计数减2；然后，得到各个窗口的总计数值。当第二预定幅度阈值为不可调整的固定值时，第二预定幅度阈值优选低于第一预定幅度阈值。当第二预定幅度阈值为可以调整的变化值时，第二预定幅度阈值的初始值优选低于第一预定幅度阈值。
如图7所示，该方法包括：
步骤701：计数开始。
步骤702：判断频点幅度是否大于第二预定幅度阈值，如果是则执行步骤703及其后续步骤，否则执行步骤704及其后续步骤。
步骤703：计数加10，并执行步骤705。
步骤704：计数减2，并执行步骤705。
步骤705：判断频点编号是否到达350，如果是，则执行步骤706，否则返回执行步骤702。
步骤706：计数结束。
经过上述流程之后，得到的最终计数值可以量化表示该窗口的电流高频分量的数目。
可以基于第二预定幅度阈值、第二预定阈值和图7所示流程确定是否发生稳定阶段。比如，设定第二时间段包含20个连续窗口。基于图7所示流程可以确定每个连续窗口的电流高频分量的数目。预先设定计数数目大于1750的窗口为1个稳定窗口，且设置第二预定阈值为15，即当这20个连续窗口中有大于15个起弧窗口时认定发生稳定阶段。
图8为根据本发明实施方式采用双重阈值的直流电弧故障检测方法流程图。在图8中，连续的5个窗口为起弧检测阶段。而且，设置如果在起弧检测阶段中有超过3个窗口的计数超过预定个数(例如1750)，则检测到起弧阶段，并开始检测电弧稳定阶段。在稳定检测阶段，可以根据RMS值差异调整判断是否调整第二预定阈值(其中保持电流高频分量的判断依据不变)。或者，可以根据RMS值差异调整判断是否调整电流高频分量的判断依据(其中保持第二预定阈值不变)。比如，假定电弧稳定阶段中的电流高频分量的判断依据不变，在连续的20个窗口中，如果超过15个窗口的计数超过预定个数(例如1750)，则检测到电弧故障。图8还描述了作为调整第二阈值的边界条件的RMS值的差值的计算过程。
如图8所示，该方法包括：
步骤800：开始。
步骤801：启动电弧起弧阶段计时。
步骤802：FFT窗口开始检测。
步骤803：基于第一预定幅度阈值(比如，10mA)对FFT窗口的所有频点执行计数，其中大于第一预定幅度阈值的频点计数加10，不大于第一预定幅度阈值的频点计数减2。
步骤804：判断该FFT窗口的计数值是否大于预定个数(比如，1750)，如果是执行步骤805及其后续步骤，否则执行步骤806及其后续步骤。
步骤805：起弧窗口计数数目(A)加一。
步骤806：判断预定的五个窗口是否都被计数，如果是，则执行步骤807及其后续步骤，否则返回执行步骤802及其后续步骤。
步骤807：电弧起弧阶段计时终止。
步骤808：判断起弧窗口计数数目是否大于预先设定的第一预定阈值(比如，3)。如果是，则执行步骤809及其后续步骤，否则执行返回执行步骤801及其后续步骤。
步骤809：计算电弧起弧阶段计时期间的电流信号的PSD在检测周期之间的差值，当差值低于预定的差值阈值(比如，零)时，增加第二预定阈值，当差值高于等于预定的差值阈值(比如，零)时，降低第二预定阈值；或，计算电弧起弧阶段计时期间的电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当差值低于预定的差值阈值(比如，零)时，增加第二预定阈值，当差值高于等于预定的差值阈值(比如，零)时，降低第二预定阈值。
步骤810：启动电弧稳定阶段计时。
步骤811：FFT窗口开始检测。
步骤812：基于第二预定幅度阈值(比如，8mA)对FFT窗口的所有频点执行计数，其中大于第二预定幅度阈值的频点计数加10，不大于第二预定幅度阈值的频点计数减2。
步骤813：判断该FFT窗口的计数值是否大于预定个数(比如，1750)，如果是执行步骤814及其后续步骤，否则执行步骤815及其后续步骤
步骤814：稳定窗口数目(B)加一。
步骤815：判断预定的二十个窗口是否都被计数，如果是，则执行步骤816及其后续步骤，否则返回执行步骤811及其后续步骤。
步骤816：电弧稳定阶段计时终止。
步骤817：判断稳定窗口数目的是否大于被调整的第二预定阈值，其中该第二预定阈值在步骤809中从初始值开始被调整，如果是，则执行步骤818及其后续步骤，否则执行返回执行步骤801及其后续步骤。
步骤818：确认检测到直流电弧故障。
在图8所示流程中，基于电弧起弧阶段计时期间的电流信号的PSD在检测周期之间的差值或频域特征在检测周期之间的差值直接调整第二预定阈值的具体数值。可选的，还可以不直接调整第二预定阈值，而是通过调整电弧稳定阶段内判断是否为电流高频分量的判断依据来间接调整第二预定阈值。
比如，当电弧起弧阶段计时期间的电流信号的PSD在检测周期之间的差值或频域特征在检测周期之间的差值较小时，不直接增加第二预定阈值，而是增加第二预定幅度阈值(比如，从8mA调整到10mA)以降低稳定窗口数目，从而获得与直接增加第二预定阈值同样的效果。
再比如，当电弧起弧阶段计时期间的电流信号的PSD在检测周期之间的差值或频域特征在检测周期之间的差值较大时，不直接降低第二预定阈值，而是降低第二预定幅度阈值(比如，从8mA调整到6mA)以增加稳定窗口数目，从而获得与直接降低第二预定阈值同样的效果。
图9为根据本发明实施方式逆变器启动阶段的背景噪声示意图，其中阈值无自适应调整。
在图9中，最上面的坐标系的横轴为时间，纵轴为高频背景噪声；中间坐标系的横轴为时间，纵轴为高频分量计数值；最下面的坐标系的横轴为时间，纵轴为电弧故障标识，其中标识为0表示没有检测到电弧故障，标识为1表示检测到电弧故障。如图9所示，逆变器的高频背景噪声采用双阈值进行处理，无需阈值自适应调整。在第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据(th1)是10mA。在连续的5个窗口中，有超过3个窗口的计数超过1750。然后，启动电弧稳定检测阶段，在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据(th2)为0.8*th1。由于高频背景和第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据的低水平，计数急剧增加。在连续的20个窗口中显示了超过15个窗口，其数量超过了1750个。然后，由高频噪声引起不希望的跳闸。
图10为根据本发明实施方式逆变器启动阶段的背景噪声示意图，其中阈值有自适应调整。
在图10中，最上面的坐标系的横轴为时间，纵轴为高频背景噪声；按照从上到下顺序第二位的坐标系的横轴为时间，纵轴为高频分量计数值；按照从上到下顺序第三位的坐标系的横轴为时间，纵轴为RMS值的差值；最下面的坐标系的横轴为时间，纵轴为电弧故障标识，其中标识为0表示没有检测到电弧故障，标识为1表示检测到电弧故障。如图10所示，逆变器的相同高频噪声采用双重阈值自适应调整方式进行处理。由于第一时间段内RMS值的差接近零，在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据(th2)增加到1.1*th1，即增加了第二预定幅度阈值，也就是相当于增加了第二预定阈值。因此，即使高频噪声导致错误的检测起弧，也不会有进一步的错误判定，即在连续的20个窗口中，不会有超过15个窗口的计数超过1750个。因此不会由不必要的高频噪声导致跳闸。
图11为根据本发明实施方式逆变器混合有背景噪声的电弧信号的示意图，其中阈值有自适应调整。在图11中，最上面的坐标系的横轴为时间，纵轴为高频背景噪声；按照从上到下顺序第二位的坐标系的横轴为时间，纵轴为高频分量计数值；按照从上到下顺序第三位的坐标系的横轴为时间，纵轴为RMS值的差值；最下面的坐标系的横轴为时间，纵轴为电弧故障标识，其中标识为0表示没有检测到电弧故障，标识为1表示检测到电弧故障。如图11所示，采用二个阈值处理与电弧信号和逆变器背景噪声混合的高频信号，其中阈值自适应调整。在第一时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据(th1)是10mA。当电弧故障出现时，RMS值的差异较大，在第二时间段内判断是否为电流高频分量的判断依据(th2)调整为0.8*th1，即降低了第二预定幅度阈值，相当于降低了第二预定阈值。在起弧阶段，连续的5个窗口中，有3个以上的窗口计数超过1750个。在稳定弧段，连续的20个窗口中有15个以上的窗口计数超过1750。然后，可以检测到电弧故障，并基于电弧故障正确执行跳闸操作。因此，真正的电弧故障出现时不会拒绝跳闸。
基于上述描述，本发明还提出了直流电弧故障检测装置。
图12为根据本发明实施方式直流电弧故障检测装置的结构图。
如图12所示，直流电弧故障检测装置1200包括：
第一检测模块1201，其在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
第二检测模块1202，其当第一检测模块1201在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在第一时间段后的第二时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
故障判断模块1203，其当第二检测模块1202在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
在一个实施方式中：故障判断模块1203，其当第一检测模块1201在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
其当第二检测模块1202在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障。
在一个实施方式中：还包括：
阈值调整模块1204，其分析第一时间段内直流电流信号，基于第一时间段内直流电流信号的分析结果调整第二预定阈值。
在一个实施方式中：阈值调整模块1204，其确定第一时间段内直流电流信号的PSD在检测周期之间的差值，当差值低于预定的差值阈值时，增加第二预定阈值。
在一个实施方式中：阈值调整模块1204，其确定第一时间段内直流电流信号的PSD在检测周期之间的差值，当差值高于等于预定的差值阈值时，降低第二预定阈值。
在一个实施方式中：阈值调整模块1204，其确定第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当差值低于预定的差值阈值时，增加第二预定阈值。
在一个实施方式中：阈值调整模块1204，其确定第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当差值高于等于预定的差值阈值时，降低第二预定阈值。
基于上述分析，本发明实施方式还提出了一种直流电弧故障检测***。
图13为根据本发明实施方式直流电弧故障检测***的结构图。
如图13所示，直流电弧故障检测***1300，包括：
电流传感器1301，其检测直流电流信号50；
模拟前端处理装置1302，其从直流电流信号50中提取电流高频分量；
模数转换装置1303，其将电流高频分量转换为数字格式；
直流电弧故障检测装置1304，其在第一时间段内检测数字格式的电流高频分量，当在第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在第一时间段后的第二时间段内检测直流电流信号的电流高频分量，当在第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障。
优选的，模拟前端处理装置1302从直流电流信号50中提取30-100KHz带宽的电流高频分量。
在一个实施方式中，直流电弧故障检测装置1304，还用于分析第一时间段内直流电流信号，基于第一时间段内直流电流信号的分析结果调整第二预定阈值。
具体的，如直流电弧故障检测装置1304框图的上半部分所示：在FFT单元1305中，基于FFT算法确定第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值。然后，在阈值调整单元1307中，当差值低于预定的差值阈值时增加第二预定阈值，当差值高于等于预定的差值阈值时降低第二预定阈值。或者，如直流电弧故障检测装置1304框图的下半部分所示：在RMS计算单元1306中，确定第一时间段内电流信号的PSD在检测周期之间的差值。然后，在阈值调整单元1307中，当差值低于预定的差值阈值时增加第二预定阈值，当差值高于等于预定的差值阈值时降低第二预定阈值。
综上所述，本发明实施方式基于两个阈值的判定结果来综合确定是否检测到电弧故障，解决了应当跳闸时拒绝跳闸或不应当跳闸时不必要跳闸的技术问题。而且，与现有的频域方法相比，本发明实施方式只需要执行软件计算，而不需要额外的硬件，还降低了硬件成本。
需要说明的是，上述各流程和各结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。各模块的划分仅仅是为了便于描述采用的功能上的划分，实际实现时，一个模块可以分由多个模块实现，多个模块的功能也可以由同一个模块实现，这些模块可以位于同一个设备中，也可以位于不同的设备中。
各实施方式中的硬件模块可以以机械方式或电子方式实现。例如，一个硬件模块可以包括专门设计的永久性电路或逻辑器件(如专用处理器，如FPGA或ASIC)用于完成特定的操作。硬件模块也可以包括由软件临时配置的可编程逻辑器件或电路(如包括通用处理器或其它可编程处理器)用于执行特定操作。至于具体采用机械方式，或是采用专用的永久性电路，或是采用临时配置的电路(如由软件进行配置)来实现硬件模块，可以根据成本和时间上的考虑来决定。
本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如本申请所述方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的***或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施方式的功能的软件程序代码，且使该***或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。此外，还可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作***等来完成部分或者全部的实际操作。还可以将从存储介质读出的程序代码写到***计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施方式中任一实施方式的功能。
用于提供程序代码的存储介质实施方式包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流电弧故障检测方法，其特征在于，包括：
在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障，
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于所述第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于所述第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障，
分析所述第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值(304)，
确定所述第一时间段内电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值；
当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
2.根据权利要求1所述的直流电弧故障检测方法，其特征在于，
所述确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值包括：确定所述第一时间段内电流信号的有效值在检测周期之间的差值。
3.一种直流电弧故障检测方法，其特征在于，包括：
在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障，
当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于所述第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于所述第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障，
分析所述第一时间段内直流电流信号，基于所述第一时间段内直流电流信号的分析结果调整所述第二预定阈值(304)，确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值；
当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
4.一种直流电弧故障检测装置(1200)，其特征在于，包括：
第一检测模块(1201)，其在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
第二检测模块(1202)，其当所述第一检测模块(1201)在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
故障判断模块(1203)，其当所述第二检测模块(1202)在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障，
所述故障判断模块(1203)，其当所述第一检测模块(1201)在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
其当所述第二检测模块(1202)在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障，
阈值调整模块(1204)，其确定所述第一时间段内直流电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
5.一种直流电弧故障检测装置(1200)，其特征在于，
第一检测模块(1201)，其在第一时间段内检测直流电流信号的电流高频分量；
第二检测模块(1202)，其当所述第一检测模块(1201)在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量；
故障判断模块(1203)，其当所述第二检测模块(1202)在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障，
所述故障判断模块(1203)，其当所述第一检测模块(1201)在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第一预定阈值时，判定没有直流电弧故障；或
其当所述第二检测模块(1202)在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目小于等于第二预定阈值时，判定没有直流电弧故障，
阈值调整模块(1204)，其确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时，增加所述第二预定阈值；
当所述差值高于等于预定的差值阈值时，降低所述第二预定阈值。
6.一种直流电弧故障检测***(1300)，其特征在于，包括：
电流传感器(1301)，其检测直流电流信号；
模拟前端处理装置(1302)，其从所述直流电流信号中提取电流高频分量；
模数转换装置(1303)，其将所述电流高频分量转换为数字格式；
直流电弧故障检测装置(1304)，其在第一时间段内检测所述数字格式的电流高频分量，当在所述第一时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第一预定阈值时，在所述第一时间段后的第二时间段内检测所述直流电流信号的电流高频分量，当在所述第二时间段内检测到的电流高频分量的数目大于第二预定阈值时，判定直流电弧故障，
所述直流电弧故障检测装置(1304)，其确定所述第一时间段内电流信号的功率谱密度在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时增加所述第二预定阈值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时降低所述第二预定阈值；或，确定所述第一时间段内直流电流信号的频域特征在检测周期之间的差值，当所述差值低于预定的差值阈值时增加所述第二预定阈值，当所述差值高于等于预定的差值阈值时降低所述第二预定阈值。
7.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的直流电弧故障检测方法的步骤。
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