CN114397494A - 剩余电流故障检测方法与*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种剩余电流故障检测方法，包括：获取母线单极电流信号；将母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；对小波分析信号进行变化率分析，提取得到小波分析信号的周期变化量；根据周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果；其中，预设小波参数与预设阈值通过剩余电流仿真分析得到。此方案简化了现有剩余电流保护器需要从母线两端获取信号的硬件设计，极大缩小了传统直流剩余电流保护器测量硬件体积，而且对母线单极信号应用信号处理手段实现检测的方式提高了剩余电流故障检测的准确率。

Description

剩余电流故障检测方法与***

技术领域

本申请涉及触电保护技术领域，特别是涉及一种剩余电流故障检测方法与***。

背景技术

随着经济与科技水平的提高，电力行业的飞速发展极大的方便了人们的生活。但随着用电量与用电设备强度显著增加，火灾事故和人身触电事故也时常发生。究其原因，一方面可能是设备的超负荷运行产生大量的热量，在发生短路时造成火灾；另一方面是设备在运行时的线路损坏，绝缘外皮脱落造成电气设备或线路上存在漏电，导致***内存在的剩余电流。因此，通过检测线路中剩余电流的变化来判断是否发生触电或其他接地漏电事故十分必要。

目前，为了应对此类事故，现有方法是采用漏电保护器检测线路中的漏电电流，及时断开有威胁的漏电线路从而保护电力***线路、设备和人身的安全。但现有剩余电流保护器大多针对交流***，无法有效保护直流***中的剩余电流故障。且随着用电量与用电设备强度显著增加，直流***中电流等级增大，剩余电流检测的准确率也逐渐降低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够准确判断是否发生剩余电流故障的剩余电流故障检测方法与***。

一种剩余电流故障检测方法，所述方法包括：

获取母线单极电流信号；

将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；

对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量；

根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果；

其中，所述预设小波参数与所述预设阈值通过剩余电流仿真分析得到。

在其中一个实施例中，所述预设小波参数与所述预设阈值通过剩余电流仿真分析得到的过程包括：

获取包括仿真剩余电流的母线单极电流信号；其中，所述仿真剩余电流在不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下仿真得到；

根据所述包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果；

根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率；

选择所述剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

在其中一个实施例中，所述预设小波参数包括预设小波基、预设分解层数以及预设频段，所述将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号，包括：

将所述母线单极电流信号进行滤波处理，得到滤波后的母线单极电流信号；

将所述滤波后的母线单极电流信号采用所述预设小波基与所述预设分解层数进行小波变换，并根据所述预设频段提取得到分解后的低频段小波系数；

对所述低频段小波系数进行特征构建，得到小波分析信号。

在其中一个实施例中，所述获取母线单极电流信号，包括：

按采样频率与时间窗，采样得到所述母线单极电流信号。

在其中一个实施例中，所述周期变化量包括第一周期变化量与第二周期变化量，所述对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量，包括：

获取当前时间窗对应的所述小波分析信号的幅值变化量与最大幅值；

将所述幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量；将所述最大幅值与上一时间窗对应的所述小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量。

在其中一个实施例中，所述预设阈值包括预设脉冲阈值与预设衰减阈值，所述根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果，包括：

在所述当前周期的第一周期变化量小于所述预设脉冲阈值时，所述剩余电流故障结果为无故障；

在所述当前周期的第一周期变化量大于所述预设脉冲阈值时，根据当前周期之后的第二周期变化量与所述预设衰减阈值得到剩余电流故障结果。

在其中一个实施例中，所述根据当前周期之后的第二周期变化量与所述预设衰减阈值得到剩余电流故障结果，包括：

在当前周期之后连续预设个数周期的第二周期变化量均小于所述预设衰减阈值时，所述剩余电流故障结果为有故障；否则，所述剩余电流故障结果为无故障。

在其中一个实施例中，提供一种剩余电流故障检测***，所述***包括电流采集装置以及上位机，所述电流采集装置连接所述母线的正极/负极，所述电流采集装置还连接所述上位机；

所述电流采集装置用于获取母线单极电流信号；

所述上位机用于将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；还用于对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量；还用于根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果。

在其中一个实施例中，上述剩余电流故障检测***还包括剩余电流仿真装置，所述剩余电流仿真装置连接所述电流采集装置；

所述剩余电流仿真装置用于仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流；

所述电流采集装置还用于获取包括所述仿真剩余电流的母线单极电流信号；

所述上位机还用于根据所述包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果；根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率；选择所述剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

在其中一个实施例中，所述剩余电流仿真装置包括直流电源模块、可变电阻R1、可变电阻R2、电阻R+、电阻R-、计时导通模块与电流检测模块，所述可变电阻R1连接所述直流电源模块的正负输出端之间，所述电阻R+的一端连接所述直流电源模块的正输出端，所述电阻R-的一端连接所述直流电源模块的负输出端，所述可变电阻R2与所述计时导通模块串联后一端连接所述电阻R+的另一端，另一端连接所述电阻R-的另一端，所述电流检测模块连接所述可变电阻R2与所述计时导通模块串联后的两端；

当所述计时导通模块导通时，调节所述可变电阻R1与所述可变电阻R2的阻值，仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流。

上述剩余电流故障检测方法与***，通过获取单极的母线电流信号，进行小波变换分析后，提取其小波分析信号的周期变化量，再与预设阈值进行比较判断是否有剩余电流故障发生，简化了现有剩余电流保护器需要从母线两端获取信号的硬件设计，极大缩小了传统直流剩余电流保护器测量硬件体积，而且对母线单极信号应用信号处理手段实现检测的方式提高了剩余电流检测的准确率。

附图说明

图1为一个实施例中剩余电流故障检测方法的流程示意图；

图2为母线电压为200V、空载时发生80mA的剩余电流故障的电流波形图；

图3为母线电压为200V、母线电流为5A时发生80mA的剩余电流故障的电流波形图；

图4为母线电压为200V、母线电流为10A时发生300mA的剩余电流故障的电流波形图；

图5为母线电压为200V与400V、剩余电流为300mA时，剩余电流随母线电流0-10A变化的变化趋势图；

图6为另一个实施例中剩余电流故障检测方法的流程示意图；

图7为母线电压为200V、母线电流为5A时发生80mA的剩余电流故障的母线单极电流信号的小波分析信号图；

图8为母线电压为400V、母线电流为5A时发生80mA的剩余电流故障的母线单极电流信号的小波分析信号图；

图9为母线电压为400V、母线电流为10A时发生80mA的剩余电流故障的母线单极电流信号的小波分析信号图；

图10为另一个实施例中剩余电流故障检测方法的流程示意图；

图11为另一个实施例中剩余电流故障检测方法的流程示意图；

图12为另一个实施例中剩余电流故障检测方法的流程示意图；

图13为一个实施例中剩余电流仿真装置的结构示意图；

图14为母线电压为200V、母线电流为10A时加入80mA的仿真剩余电流的电流波形图；

图15为母线电压为200V、母线电流为10A时加入300mA的仿真剩余电流的电流波形图；

图16为母线电压为400V、母线电流为10A时加入300mA的仿真剩余电流的电流波形图；

图17为母线电压为400V、母线电流为20A时加入80mA的仿真剩余电流的电流波形图；

图18为母线电压为400V、母线电流为20A时加入300mA的仿真剩余电流的电流波形图；

图19为母线电压为200V、剩余电流为300mA时，剩余电流随母线电流0-20A变化的变化趋势图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

目前，现有针对直流剩余电流检测方法和保护器，主要采用直流电桥、霍尔传感器及磁调制传感器等多个硬件分别连接母线的正负双极，通过计算正级与负极母线电流相位抵消后的电流值来得到剩余电流，再通过判断剩余电流的变化得到故障或事故情况。此方法不仅对硬件的要求较高，且随着用电量与用电设备强度显著增加，直流***中母线电流等级增大时，剩余电流的微弱幅值相对母线电流差值也越大，检测的准确率逐渐降低。

针对此类情况，本申请提出一种基于母线电流信号分析视角的剩余电流故障检测方法与***，但在母线电流等级较大的直流***中，直流母线电流的显著变化程度弱化，对直流剩余电流有效检测造成了巨大的阻碍。由此，本申请同步有效明确了直流剩余电流随着直流***电压、电流变化趋势条件下的演变规律，指导多种直流***电量影响条件下的直流剩余电流保护。

在一个实施例中，如图1所示，提供一种剩余电流故障检测方法，包括：

步骤102：获取母线单极电流信号。

具体地，母线单极电流信号为仅连接母线正极或负极获取的电流信号，可以理解，母线单极电流信号可以为母线正极电流信号，也可以为母线负极电流信号。在一个实施例中，步骤102获取母线单极电流信号，包括按采样频率与时间窗，采样得到母线单极电流信号。具体地，采样频率f与时间窗T的取值并不固定，可根据实际母线电流信号情况设定，例如，以下均以采样频率f为1MHz、时间窗T为8ms为例进行解释说明。在一个实施例中，采样频率f与时间窗T也可以是通过剩余电流仿真分析得到。

其中，通过模拟直流***中发生的真实剩余电流故障电流，可得通过测量分析母线电流对剩余电流故障加以辨识的方法可行。如图2所示，在母线电压为200V，空载时发生80mA的剩余电流故障时，故障发生时母线电流有着显著的变化，变化后的直流剩余电流平均值为84.7148mA。

但通过加大负载后，如图3所示，当母线电流上升至5A，接入的剩余电流支路保持不变(平均值为79.7468mA)，从测得直流***中发生真实的剩余电流故障电流可以看出，母线电流在剩余电流故障发生前后未出现显著改变，给直流剩余电流准确检测增大了难度。也就是说，当母线电流变大时，单纯依赖母线电流变化不能有效检出线路中出现的直流剩余电流故障。另外，通过增大剩余电流至300mA左右(平均值为299.082mA)，对应图3中的母线电流为5A时，将呈现一定程度的变化。但如图4所示，在进一步增大***母线电流至10A后，测得直流***中发生真实的剩余电流故障电流可以看出，母线电流在剩余电流故障发生前后的变化会有所减小。

因此，根据对实际直流供电***中多种母线电流、电压等级条件下的剩余电流规律研究发现，如图5所示，保持200V母线电压、300mA剩余电流条件不变，改变母线电流从0～10A变化，虚线所示的剩余电流呈现下降趋势，这也是由于母线电流变大时的线路分压较大，相应的降低了直流剩余电流幅值。然后再提升母线电压至400V，实线所示的剩余电流亦保持呈现下降趋势，但电压增大时会增大剩余电流的幅值。针对此类情况，本方案考虑采用小波变换方法对母线电流进行分析，对其中的剩余电流故障加以辨识。

步骤104：将母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号。

其中，小波变换是一种时间-尺度分析方法，非常适合处理非平稳信号，能够改变时间窗和频率窗的大小，从时间和频率域上多分辨对信号进行分析。具体地，针对母线单极电流信号f(t)按下式求解剩余电流信号的小波变换结果：

其中，WT(a,τ)为小波变换结果，Ψ(t)为小波基，a代表尺度参数，τ表示平移参数，尺度a控制小波的伸缩，平移量τ控制小波的平移。

具体地，首先将获取的母线单极电流信号进行滤波处理，得到滤波后的母线单极电流信号，再将滤波后的母线单极电流信号采用预设小波基与预设分解层数进行小波变换，并根据频段提取得到分解后的低频段小波系数。最后针对低频段小波系数进行特征构建，得到小波分析信号。

步骤106：对小波分析信号进行变化率分析，提取得到小波分析信号的周期变化量。

其中，周期变化量包括第一周期变化量与第二周期变化量。具体地，取当前时间窗对应的小波分析信号的幅值变化量与最大幅值。再将幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量；将最大幅值与上一时间窗对应的小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量。

步骤108：根据周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果。

其中，预设阈值包括预设脉冲阈值与预设衰减阈值。具体地，在当前周期的第一周期变化量小于预设脉冲阈值时，剩余电流故障结果为无故障。在当前周期的第一周期变化量大于预设脉冲阈值时，根据当前周期之后的第二周期变化量与预设衰减阈值得到剩余电流故障结果。

其中，预设小波参数与预设阈值通过剩余电流仿真分析得到。具体地，仿真分析过程包括，首先采用剩余电流仿真模型生成不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的母线单极电流信号，根据包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果。再根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率。最后选择剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

上述剩余电流故障检测方法与***，通过获取单极的母线电流信号，进行小波变换分析后，提取其小波分析信号的周期变化量，再与预设阈值进行比较判断是否有剩余电流故障发生，简化了现有剩余电流保护器需要从母线两端获取信号的硬件设计，极大缩小了传统直流剩余电流保护器测量硬件体积，而且对母线单极信号应用信号处理手段实现检测的方式提高了剩余电流检测的准确率。

在一个实施例中，如图6所示，预设小波参数与预设阈值通过剩余电流仿真分析得到的过程包括：

步骤202：获取包括仿真剩余电流的母线单极电流信号。

其中，仿真剩余电流在不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下仿真得到。具体地，母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级可以根据实际情况设定，例如，母线电压可以在0-1000V范围内变化，母线电流可以在0-20A范围内变化，剩余电流可以在0-300MA范围内变化。另外，仿真剩余电流仿真得到的方式并不固定，可以是由剩余电流仿真模型生成，也可以是本领域技术人员认可的其他方式。通过多种电压电流等级的组合，从物理仿真层面保障了检测方法所用剩余电流故障特征的有效性，扩大了检测方法在多种***电压等级、电流等级、剩余电流等级形式下的有效应用范围。

步骤204：根据包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果。

其中，小波参数包括小波基、分解层数以及频段等实现小波变换过程必要的参数。其中，小波基可以为包括样条小波、Daubechies小波以及ReverseBior小波等15种常见的小波基。分解层数用于对目标信号的频率范围进行一定的划分，可以为1-10的整数。

其中，阈值包括脉冲阈值与衰减阈值。其中，脉冲阈值用于判断小波分析结果是否存在脉冲，若存在脉冲，则认为可能发生了直流剩余电流故障。衰减阈值用于判断小波分析结果在出现脉冲后，是否出现连续衰减的情况，若出现，则确认发生剩余电流故障。在一个实施例中，上述发生剩余电流故障时的母线电流演变规律也是通过剩余电流仿真分析得到。具体地，在直流剩余电流为80mA情况下，对母线电压为200V、母线电流为5A条件下所测得的母线单极电流信号进行小波变换后，得到的小波分析信号如图7所示。将电压等级提升至400V，保持***电流5A不变，所采集母线单极电流信号的小波变换图形如图8所示。将***电流等级提升至10A，保持***电压400V不变，所采集母线单极电流信号的小波变换图形如图9所示。可以看出，剩余电流故障发生时，母线电流的小波分析信号产生较大幅值脉冲，精准指示剩余电流在直流供电***中发生的故障现象。与此同时，在直流剩余电流现象持续发生过程中，小波分析信号的幅值一直处于较小幅值状态，由此提取成为依据用以检测直流剩余电流故障。

具体地，将以上可选的小波参数与阈值分别用于判断包括仿真剩余电流的母线单极电流信号是否存在剩余电流故障，得到两个以上的仿真剩余电流故障结果。其中，判断是否存在剩余电流故障的过程与上述步骤102-步骤108类似，不在此赘述。

步骤206：根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率。

可以理解，上述包括仿真剩余电流的母线单极电流信号均为存在剩余电流故障的样本，则通过统计上述各小波参数与阈值对应的仿真剩余电流故障结果的检出率，即可得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率。

在另一个实施例中，除了包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，还可以采用无剩余电流故障的母线单极电流信号对各小波参数与阈值进行检测，得到相应的剩余电流故障准确率。通过增加无剩余电流故障的母线单极电流信号对各小波参数与阈值进行检测，能使最终的检测方法更具识别能力。

步骤208：选择剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

具体地，选择剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值，可保证最终的检测方法对实际电网运行过程中的剩余电流故障的识别准确率最高。

在一个实施例中，预设小波参数包括预设小波基、预设分解层数以及预设频段，则如图10所示，步骤104将母线单极电流信号与预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号，包括：

步骤302：将母线单极电流信号进行滤波处理，得到滤波后的母线单极电流信号。

具体地，将获取的母线单极电流信号进行滤波处理，得到高频分量与低频分量。其中，将低频分量作为滤波后的母线单极电流信号。例如，在采样频率f为1mHz时，滤波后的母线单极电流信号为0-500kHz的母线单极电流信号。

步骤304：将滤波后的母线单极电流信号采用预设小波基与预设分解层数进行小波变换，并根据预设频段提取得到分解后的低频段小波系数。

具体地，根据对剩余电流仿真分析的结果，本实施例选取Rbio3.1小波作为预设小波基，预设分解层数选取2层分解，对滤波后的母线单极电流信号进行小波变换。再选定小波变换后的低频段小波系数为第二层的高频段分量h20作为后续特征构建的基础，即特征频段为125kHz～250kHz的小波系数。

步骤306：对低频段小波系数进行特征构建，得到小波分析信号。

具体地，对特征频段为125kHz～250kHz的小波系数进行特征构建，得到小波分析结果。其中，特征形式为平方和计算方式。

在一个实施例中，周期变化量包括第一周期变化量与第二周期变化量，如图11所示，步骤106的对小波分析信号进行变化率分析，提取得到小波分析信号的周期变化量，包括：

步骤402：取当前时间窗对应的小波分析信号的幅值变化量与最大幅值。

其中，幅值变化量为最大幅值与最小幅值的差值，时间窗T以8ms为例。具体地，小波分析信号为母线单极电流信号经过时间窗裁剪后进行小波变换得到，具体为连续信号。因此，对应计算当前时间窗对应的小波分析信号的幅值变化量与最大幅值。

步骤404：将幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量；将最大幅值与上一时间窗对应的小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量。

具体地，将每一时间窗长度的小波分析信号作为一个周期。那么，可将其幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量，可表征当前周期内小波分析信号的变化情况。进一步地，将当前周期中的小波分析信号的最大幅值与上一周期中的小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量，可表征当前周期内小波分析信号相对于上一周期的小波分析信号的变化情况。

在一个实施例中，预设阈值包括预设脉冲阈值与预设衰减阈值，如图12所示，步骤108的根据周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果，包括：

步骤502：在当前周期的第一周期变化量小于预设脉冲阈值时，剩余电流故障结果为无故障。

具体地，在当前周期的第一周期变化量小于预设脉冲阈值时，表示在当前周期内小波分析信号并未出现突变，可分析得到无剩余电流故障发生。其中预设脉冲阈值由剩余电流仿真后分析得到，还可以在后续的实际检测过程中根据情况进行调整。

步骤504：在当前周期的第一周期变化量大于预设脉冲阈值时，根据当前周期之后的第二周期变化量与预设衰减阈值得到剩余电流故障结果。

具体地，在当前周期的第一周期变化量大于预设脉冲阈值时，表示在当前周期内小波分析信号出现脉冲信号情况，可能发生了剩余电流故障。根据上文得到的演变规律，需继续根据当前周期之后的第二周期变化量与预设衰减阈值进行比较，得到最终确定的剩余电流故障结果。其中，第二周期变化量与预设衰减阈值进行比较的手段，可以是当前周期之后的连续预设个数第二周期变化量中存在预设比例的第二周期变化量小于预设衰减阈值；也可以是当前周期之后的连续预设个数第二周期变化量均小于预设衰减阈值；还可以是根据剩余电流故障下的母线单极电流信号的演变规律下的其他形式。

在一个实施例中，步骤504中的根据当前周期之后的第二周期变化量与预设衰减阈值得到剩余电流故障结果，包括：在当前周期之后连续预设个数周期的第二周期变化量均小于预设衰减阈值时，剩余电流故障结果为有故障；否则，剩余电流故障结果为无故障。

具体地，根据上文得到的演变规律，剩余电流故障后的母线单极电流信号发生较大幅值脉冲指示后，持续发生过程中会保持的较小幅值状态。因此在当前周期之后连续预设个数周期的第二周期变化量均小于预设衰减阈值时，剩余电流故障结果为有故障。其中，预设个数可根据实际情况设定，例如本实施例中，预设个数为5。

在本实施例中，通过查看母线单极电流信号的小波分析波形的脉冲点，即可确定该点时刻为线路产生直流剩余电流的时间点，而后通过持续发生的减小剩余电流特征趋势对故障情形加以精准判断，由此极大缩小了传统直流剩余电流保护器测量硬件体积。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的剩余电流故障检测方法的剩余电流故障检测***。该***所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个剩余电流故障检测***实施例中的具体限定可以参见上文中对于剩余电流故障检测方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供一种剩余电流故障检测***，***包括电流采集装置以及上位机，电流采集装置连接母线的正极/负极，电流采集装置还连接上位机。电流采集装置用于获取母线单极电流信号；上位机用于将母线单极电流信号进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；还用于对小波分析信号进行变化率分析，提取得到小波分析信号的周期变化量；还用于根据周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果。

具体地，母线单极电流信号为仅连接母线正极或负极获取的电流信号。在一个实施例中，按采样频率与时间窗，采样得到母线单极电流信号。具体地，采样频率f与时间窗T的取值并不固定，可根据实际母线电流信号情况设定，例如，采样频率f为1MHz、时间窗T为8ms。

进一步地，通过模拟直流***中发生的真实剩余电流故障电流，可得通过测量分析母线电流对剩余电流故障加以辨识的方法可行。但在进一步增大***母线电流后，发现母线电流在剩余电流故障发生前后的变化会有所减小，因此本方案考虑采用小波变换方法对母线电流进行分析，对其中的剩余电流故障加以辨识。

具体地，首先将获取的母线单极电流信号进行滤波处理，得到滤波后的母线单极电流信号，再将滤波后的母线单极电流信号采用预设小波基与预设分解层数进行小波变换，并根据频段提取得到分解后的低频段小波系数。最后针对低频段小波系数进行特征构建，得到小波分析信号。

具体地，周期变化量包括第一周期变化量与第二周期变化量。取当前时间窗对应的小波分析信号的幅值变化量与最大幅值。再将幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量；将最大幅值与上一时间窗对应的小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量。

在一个实施例中，上述剩余电流故障检测***还包括剩余电流仿真装置，剩余电流仿真装置连接电流采集装置；剩余电流仿真装置用于仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流；电流采集装置还用于获取包括仿真剩余电流的母线单极电流信号；上位机还用于根据包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果；根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率；选择剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

在一个实施例中，如图13所示，剩余电流仿真装置包括直流电源模块、可变电阻R1、可变电阻R2、电阻R+、电阻R-、计时导通模块与电流检测模块，可变电阻R1连接直流电源模块的正负输出端之间，电阻R+的一端连接直流电源模块的正输出端，电阻R-的一端连接直流电源模块的负输出端，可变电阻R2与计时导通模块串联后一端连接电阻R+的另一端，另一端连接电阻R-的另一端，电流检测模块连接可变电阻R2与计时导通模块串联后的两端；当计时导通模块导通时，调节可变电阻R1与可变电阻R2的阻值，仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流。

具体地，电阻R+与电阻R-分别表示直流母线正负极的线路电阻。通过可变电阻R1可控制回路母线电流的大小，可变电阻R2可控制母线两端产生的电流差，以此来达到模拟产生直流剩余电流的目的。其中，A点IPV2处、B点IPV3处为可检测电流点，当实验中计时导通模块导通时，接入可变电阻R2，同时检测A、B两点的电流值，发现A、B两点处电流值和不为零，即表示线路中产生直流剩余电流，所需检出的直流剩余电流大小为A、B两点处电流和的大小。由于直接测量A、B处的电流再将其做和得到的剩余电流不准确，本发明将可变电阻R2的IPV4处仿真测量的电流作为最终的直流剩余电流幅值。

进一步地，计时导通模块包括计时器与开关元件，计时器连接开关元件的控制部，开关元件的受控部串联可变电阻R2。当开关元件的受控部导通后，可变电阻R2接入母线回路，使得母线两端产生的电流差，模拟产生直流剩余电流，通过调节可变电阻R2的阻值大小，即可改变模拟产生直流剩余电流的大小。其中，开关元件具体可以是继电器。计时器用于计时后，输出导通信号至开关元件的控制部，导通可变电阻R2，可实现在特定时刻在母线单极电流信号上增加剩余电流的目的。

如图14所示，设定仿真模型的可变电阻R1与可变电阻R2的阻值，模拟母线电压为200V、母线电流为10A时发生80mA剩余电流故障。直流剩余电流在计时至0.5s处产生，直流剩余电流变化明显，但这一剩余电流幅值相较于母线电流小得多，因而母线电流全时间段观察不出变化，仿真模拟过程也证实微弱直流剩余电流现象的存在，证实这一故障情形精准检出的必要性。进一步地，保持母线电压、电流不变，调整剩余电流支路故障模拟器增大剩余电流至300mA左右，仿真模拟得到直流剩余电流如图15所示。保持直流剩余电流、母线电流不变，调整母线电压增大至400V左右，仿真模拟得到直流剩余电流如图16所示。由图可见，增大的剩余电流使得母线电流变化相对明显，直流剩余电流幅值影响较母线电压对电流形态影响更大。在直流剩余电流仿真装置的支撑下，可实现更大母线电流条件下的直流剩余电流故障情形。分别考虑400V母线电压、20A母线电流条件下，80mA与300mA直流剩余电流发生条件下的母线电流波形如图17和18所示。可以较为清楚地看到，显著增大的母线电流发生条件下微弱直流剩余电流现象频发，迫切需要一种有效的微弱直流剩余电流检测方法。

进一步地，保持200V***电压、300mA剩余电流条件不变，改变***电流在0～20A范围内变化，直流***剩余电流呈现如图19所示的下降规律趋势。这意味着，随着负载接入种类增多、数量增加，母线电流较大，直流剩余电流会随着母线电流增大而呈现减小的趋势，印证了之前实验分析条件下所得直流剩余电流变化趋势的正确性。与此同时，直流剩余电流的模拟范围可实现实验条件可达范围之外***电压、电流等级对直流剩余电流形态和特性的影响。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种剩余电流故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取母线单极电流信号；

将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；

对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量；

根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果；

其中，所述预设小波参数与所述预设阈值通过剩余电流仿真分析得到。

2.根据权利要求1所述的剩余电流故障检测方法，其特征在于，所述预设小波参数与所述预设阈值通过剩余电流仿真分析得到的过程包括：

获取包括仿真剩余电流的母线单极电流信号；其中，所述仿真剩余电流在不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下仿真得到；

根据所述包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果；

根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率；

选择所述剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设小波参数包括预设小波基、预设分解层数以及预设频段，所述将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号，包括：

将所述母线单极电流信号进行滤波处理，得到滤波后的母线单极电流信号；

将所述滤波后的母线单极电流信号采用所述预设小波基与所述预设分解层数进行小波变换，并根据所述预设频段提取得到分解后的低频段小波系数；

对所述低频段小波系数进行特征构建，得到小波分析信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取母线单极电流信号，包括：

按采样频率与时间窗，采样得到所述母线单极电流信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述周期变化量包括第一周期变化量与第二周期变化量，所述对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量，包括：

获取当前时间窗对应的所述小波分析信号的幅值变化量与最大幅值；

将所述幅值变化量作为当前周期的第一周期变化量；

将所述最大幅值与上一时间窗对应的所述小波分析信号的最大幅值的差值，作为当前周期的第二周期变化量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设阈值包括预设脉冲阈值与预设衰减阈值，所述根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果，包括：

在所述当前周期的第一周期变化量小于所述预设脉冲阈值时，所述剩余电流故障结果为无故障；

在所述当前周期的第一周期变化量大于所述预设脉冲阈值时，根据当前周期之后的第二周期变化量与所述预设衰减阈值得到剩余电流故障结果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据当前周期之后的第二周期变化量与所述预设衰减阈值得到剩余电流故障结果，包括：

在当前周期之后连续预设个数周期的第二周期变化量均小于所述预设衰减阈值时，所述剩余电流故障结果为有故障；否则，所述剩余电流故障结果为无故障。

8.一种剩余电流故障检测***，其特征在于，所述***包括电流采集装置以及上位机，所述电流采集装置连接所述母线的正极/负极，所述电流采集装置还连接所述上位机；

所述电流采集装置用于获取母线单极电流信号；

所述上位机用于将所述母线单极电流信号采用预设小波参数进行滤波与特征重构，得到小波分析信号；还用于对所述小波分析信号进行变化率分析，提取得到所述小波分析信号的周期变化量；还用于根据所述周期变化量与预设阈值进行比较，得到剩余电流故障结果；其中，所述预设小波参数与所述预设阈值通过剩余电流仿真分析得到。

9.根据权利要求8所述的剩余电流故障检测***，其特征在于，还包括剩余电流仿真装置，所述剩余电流仿真装置连接所述电流采集装置；

所述剩余电流仿真装置用于仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流；

所述电流采集装置还用于获取包括所述仿真剩余电流的母线单极电流信号；

所述上位机还用于根据所述包括仿真剩余电流的母线单极电流信号，以及两个以上的小波参数与阈值，判断得到两个以上的仿真剩余电流故障结果；根据两个以上的仿真剩余电流故障结果，统计得到各小波参数与阈值对应的剩余电流故障准确率；选择所述剩余电流故障准确率最高的小波参数与阈值作为预设小波参数与预设阈值。

10.根据权利要求9所述的剩余电流故障检测***，其特征在于，所述剩余电流仿真装置包括直流电源模块、可变电阻R1、可变电阻R2、电阻R+、电阻R-、计时导通模块与电流检测模块，所述可变电阻R1连接所述直流电源模块的正负输出端之间，所述电阻R+的一端连接所述直流电源模块的正输出端，所述电阻R-的一端连接所述直流电源模块的负输出端，所述可变电阻R2与所述计时导通模块串联后一端连接所述电阻R+的另一端，另一端连接所述电阻R-的另一端，所述电流检测模块连接所述可变电阻R2与所述计时导通模块串联后的两端；

当所述计时导通模块导通时，调节所述可变电阻R1与所述可变电阻R2的阻值，仿真得到不同母线电压等级、母线电流等级以及剩余电流等级下的仿真剩余电流。

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