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(溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325000)

0 引言

樓宇的電氣布線，家用電器、插座等電源線由于長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，線路老化或者不良的電氣連接、線路絕緣層破損等情況，很可能引發(fā)故障電弧，致使產(chǎn)生電弧火花引發(fā)火災(zāi)。如何檢測(cè)線路電弧故障，設(shè)計(jì)出有效的電弧故障檢測(cè)裝置一直以來(lái)是一個(gè)備受關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

實(shí)驗(yàn)研制的故障電弧檢測(cè)裝置樣機(jī)主要包括三部分：電流信號(hào)采集電路，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路和MPU計(jì)算處理單元。電弧故障檢測(cè)裝置以電流取樣的方式，通過(guò)電流互感器將一次側(cè)的大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的小電流，后面連接一個(gè)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路放大，濾波后送往微處理器單元進(jìn)行數(shù)字信號(hào)運(yùn)算，并由串聯(lián)故障電弧識(shí)別算法進(jìn)行綜合判斷，若達(dá)到電弧故障檢測(cè)裝置(AFDD)的要求[1]，則判斷有故障電弧發(fā)生，檢測(cè)裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因?yàn)锳FDD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電弧半波的個(gè)數(shù)和時(shí)間有明確的要求，所以MCU需要獲得過(guò)零點(diǎn)的脈沖信號(hào)，用來(lái)觸發(fā)AD采集并統(tǒng)計(jì)故障電弧中燃弧半波的個(gè)數(shù)。

1 檢測(cè)原理

目前，已有很多專家學(xué)者在故障電弧診斷領(lǐng)域提出了多種檢測(cè)故障電弧的方法[2]。比較著名的有小波分析法、頻譜分析法和時(shí)域波形分析法[3-5]。小波分析法，即對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行多層小波分解，提取電弧特征[6]。頻域分析法，通過(guò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，提取電流信號(hào)中的高頻成分，判斷是否發(fā)生電弧故障[7]。還有一些機(jī)器學(xué)習(xí)的方法檢測(cè)電弧故障。比如對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行多個(gè)特征量的提取，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)或支持向量基(SVM)等方法進(jìn)行訓(xùn)練，得到判斷特征與電弧故障的算法[8-9]。對(duì)于檢測(cè)低壓配電柜中的電弧故障，通常采用聲光檢測(cè)法，即對(duì)電弧電壓信號(hào)和弧光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否有電弧故障發(fā)生[10]。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置采用了時(shí)域波形分析法。時(shí)域波形分析法，即對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，提取時(shí)域波形的特征量。然后對(duì)提取的特征量分析比較，如果相比較的兩個(gè)波形之間的差異超出了設(shè)定的閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)電弧故障。此算法基于時(shí)域波形分析，分別提取時(shí)域電流波形的幅值、波形上升率和正半周期時(shí)間寬度作為特征量。在保留最大原始有效信息的同時(shí)，針對(duì)不同負(fù)載用不同的特征量進(jìn)行判別，提高了準(zhǔn)確率，減少誤判。且該方法計(jì)算量小，準(zhǔn)確性高，易于在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

1.1 時(shí)域電流波形比較算法

故障電弧發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電流波形出現(xiàn)很大的波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)使故障電弧的波形在不同周期內(nèi)出現(xiàn)差異，因此可以根據(jù)這種差異程度判斷電弧故障是否發(fā)生。圖1～3分別為日光燈、開(kāi)關(guān)電源和吸塵器負(fù)載在正常工作和發(fā)生電弧故障時(shí)的電流波形。

圖1 日光燈負(fù)載

圖2 開(kāi)關(guān)電源負(fù)載

圖3 吸塵器負(fù)載

通過(guò)圖中的波形對(duì)比可以看出，當(dāng)發(fā)生故障電弧時(shí)，其電流波形和正常工作時(shí)的電流波形相比較有明顯的差異性。主要包括以下幾種特征：

1)電流波形在過(guò)零處有毛刺，波形含有高頻噪聲；

2)電弧電流的上升率一般高于正常電流；

3)發(fā)生電弧故障時(shí)，電弧電流在過(guò)零點(diǎn)附近會(huì)有平肩現(xiàn)象；

4)電弧波形具有一定的隨機(jī)性；

圖1對(duì)比日光燈負(fù)載正常工作和電弧故障下的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障時(shí)，電流波形前后兩周期不完全相同，波形出現(xiàn)隨機(jī)性，在零點(diǎn)附近出現(xiàn)毛刺，且波形峰值的幅值增大，電流波形正半周期采樣幅值差異明顯，所以日光燈負(fù)載可以通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器采集電流幅值，和負(fù)載正常工作下的電流幅值作差，計(jì)算其差異值，再和設(shè)定的閾值相比較，判斷是否發(fā)生電弧故障。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源負(fù)載，發(fā)生串聯(lián)電弧故障時(shí)波形在過(guò)零點(diǎn)附近有平肩現(xiàn)象，且在波形上升處出現(xiàn)大量毛刺，電流波形過(guò)零后上升率變大。所以對(duì)于開(kāi)關(guān)電源負(fù)載，可以通過(guò)AD采集電流波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，取出數(shù)據(jù)中相應(yīng)的點(diǎn)計(jì)算波形的上升率，將計(jì)算出的波形上升率和正常工作時(shí)的上升率作差，將差值和設(shè)定的閾值相比較，判斷是否發(fā)生電弧故障。

對(duì)于吸塵器負(fù)載，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生電弧故障時(shí)，電流波形在過(guò)零處有平肩現(xiàn)象且波形出現(xiàn)毛刺。由于波形在過(guò)零點(diǎn)處出現(xiàn)平肩，過(guò)零檢測(cè)電路就不會(huì)產(chǎn)生高電平信號(hào)，也就不會(huì)觸發(fā)AD采集。負(fù)載電流波形出現(xiàn)平肩現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致高電平時(shí)間縮短，相應(yīng)的AD采樣時(shí)間也會(huì)縮短。在AD采樣頻率一致的情況下，采集到的點(diǎn)也會(huì)減少。所以對(duì)于吸塵器負(fù)載，可以通過(guò)采樣時(shí)間寬度進(jìn)行判斷是否發(fā)生電弧故障。

上述3個(gè)特征量就是設(shè)計(jì)電弧故障檢測(cè)裝置樣機(jī)的原理基礎(chǔ)。其中電流波形幅值差異值的具體計(jì)算方法如下。

1)設(shè)每個(gè)波形正半周期采集N個(gè)點(diǎn)，采集3個(gè)半波的電流波形，通過(guò)比較3個(gè)波形的差異判斷該波形是否屬于正常波形：

△ik(j)=ik(j)-ik-1(j),j=1,2,…N,k=2,3

(1)

2)再求波形幅值之差的絕對(duì)值在一個(gè)正半周期內(nèi)的平均值：

(2)

3)在STM32系統(tǒng)初始化結(jié)束后開(kāi)始AD采樣，可以得到前3個(gè)正半周期和兩個(gè)值，比較兩個(gè)值，若

|D1-D2|≤0.000 2

(3)

則可以判斷前3個(gè)半波為負(fù)載正常工作波形，同時(shí)將第三個(gè)半波的數(shù)據(jù)保存作為初始正常波形，與接下來(lái)的波形相比較。

4)計(jì)算波形正半周期幅值的差值。

△ik(j)=i3(j)-ik(j),j=1,2,…N,k=1,2,…N

(4)

5)根據(jù)式(4)計(jì)算差值在正半周期內(nèi)的平均值。

(5)

6)計(jì)算波形幅值在正半周期內(nèi)的平均值。

(6)

7)最后將數(shù)值量化，計(jì)算波形正半周期幅值的差異值并將其作為一個(gè)電流波形特征量。

(7)

1.2 系統(tǒng)框圖

圖4 故障電弧檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖

故障電弧檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖如圖4。該裝置包括電流信號(hào)采集、過(guò)零檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理保存及電弧故障識(shí)別等部分。

一次側(cè)回路的負(fù)載電流經(jīng)電流互感器衰減后送往信號(hào)采集電路，通過(guò)電流取樣的方式獲取電壓信號(hào)。調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，然后送往單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理；MCU在過(guò)零點(diǎn)信號(hào)的同步脈沖控制下采集電流信號(hào)波形，并進(jìn)行故障電弧的檢測(cè)判斷，若檢測(cè)到電弧故障就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)(LED)。MCU是電路的核心運(yùn)算器件，選擇的MCU至少要滿足以下要求： 1)時(shí)鐘頻率要滿足計(jì)算和A/D采樣的時(shí)間要求；2)內(nèi)部RAM要有足夠的存儲(chǔ)空間以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；3)要有DMA功能。

兼顧性價(jià)比和可靠性的綜合考慮，選擇了意法半導(dǎo)體公司的STM32F407VEZT芯片。該芯片是ST公司基于Cortex-M4內(nèi)核生產(chǎn)的具有眾多外設(shè)的MCU。通過(guò)充分利用其片上ADC、DMA、定時(shí)器和獨(dú)立看門狗等資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以提高故障電弧檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)潔性和可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器快速采集電路的電流波形信號(hào)；DMA控制器將數(shù)字信號(hào)傳送至指定內(nèi)存交由CPU處理；在STM32F4的平臺(tái)上，電弧檢測(cè)算法運(yùn)算速度能達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。

2 故障電弧檢測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置的硬件部分可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的采集、過(guò)零檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等功能。

2.1 信號(hào)采集調(diào)理電路

采樣系統(tǒng)采集的模擬量為交流電流信號(hào)，外加調(diào)理電路的作用是把采樣信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，送往STM32的A/D口進(jìn)行采集和處理。電流信號(hào)采集電路如圖5所示。

圖5 電流信號(hào)采集電路

電流互感器選用的型號(hào)為GNCT-226A，額定電流變比5A/5 mA，R2為采樣電阻，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到單片機(jī)中。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)選定為20倍，將電壓值轉(zhuǎn)化成STM32的A/D口可以識(shí)別的0～3.3 V電平以內(nèi)的信號(hào)。電阻R1為限流電阻，限定電路的工作電流，使電路運(yùn)行在一個(gè)合適的工作狀態(tài)下。

2.2 過(guò)零檢測(cè)電路

根據(jù)AFDD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電弧半波個(gè)數(shù)和時(shí)間要求，當(dāng)試驗(yàn)電路中發(fā)生燃弧時(shí)，在50 Hz額定頻率下，電路電流大于100A時(shí)，AFDD動(dòng)作判別的極限值是檢測(cè)到8個(gè)燃弧半波(大電弧電流可能由地絕緣故障或并聯(lián)電弧產(chǎn)生)。 為此MCU需獲得過(guò)零點(diǎn)脈沖信號(hào)，作為判斷統(tǒng)計(jì)故障電弧個(gè)數(shù)的同步脈沖。正半周期電流檢測(cè)電路如圖6。

圖6 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路及仿真結(jié)果

通過(guò)波形圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周期時(shí)，電路輸出高電平，當(dāng)信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，電路輸出低電平。因此可以把該電路的輸出信號(hào)接STM32的輸入引腳PA1，當(dāng)PA1采集到高電平時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采樣；當(dāng)PA1采集到低電平時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器停止采樣。所以該電路的作用是輸出波形過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，觸發(fā)A/D采集，統(tǒng)計(jì)燃弧半波個(gè)數(shù)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

STM32片上擁有3個(gè)ADC，這些A/D轉(zhuǎn)換器可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重/三重模式(提高采樣率)[10]。通過(guò)對(duì)ADC相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，可以設(shè)置它的分辨率、采樣通道、轉(zhuǎn)換時(shí)間等參數(shù)。試驗(yàn)方案使用ADC1的通道5進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為96個(gè)時(shí)鐘周期，參考電壓為3.3 V，A/D可以采集的電壓幅值范圍為0～3.3 V。ADC為STM32的片上資源，完全滿足A/D轉(zhuǎn)換的精度要求。

3 軟件的設(shè)計(jì)

裝置樣機(jī)中的STM32檢測(cè)程序用庫(kù)函數(shù)編程的方式編寫，庫(kù)函數(shù)是由ST官方提供的建立在寄存器與用戶驅(qū)動(dòng)層之間的代碼，向下處理與寄存器直接相關(guān)的配置，向上為用戶提供配置寄存器的接口。使用庫(kù)函數(shù)的方式配置STM32的寄存器，具有程序移植性好，易于閱讀，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

在ADC采樣程序中，為了提高CPU的利用效率，開(kāi)啟了STM32的片上外設(shè)DMA。DMA為CPU分擔(dān)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的工作，使CPU在DMA轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，響應(yīng)中斷，提高了執(zhí)行的效率。主程序流程圖如圖7。

圖7 檢測(cè)算法流程圖

故障電弧檢測(cè)程序：

框圖7中的波形比較過(guò)程是算法的核心部分，當(dāng)電路中的屏蔽負(fù)載不同時(shí)，電流時(shí)域波形所表現(xiàn)出的差異值也不相同。以上述3種實(shí)驗(yàn)負(fù)載為例，將正半周期采樣時(shí)間寬度差值，波形上升率差值和正半周期電流采樣幅值的差異值作為特征量，判斷是否發(fā)生故障電弧。Frame1為檢測(cè)判斷流程，具體過(guò)程如圖8。

圖8 故障電弧檢測(cè)判斷流程

STM32系統(tǒng)時(shí)鐘配置完成后，MCU進(jìn)入正常運(yùn)行模式，當(dāng)過(guò)零檢測(cè)電路發(fā)出高電平信號(hào)時(shí)，軟件開(kāi)始接收采集到的數(shù)據(jù)和定時(shí)器中斷，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA方式送往預(yù)設(shè)內(nèi)存地址。故障判斷模塊讀取全局?jǐn)?shù)據(jù)，并將每個(gè)特征值依次比較，判斷是否超過(guò)閾值。若超過(guò)，故障標(biāo)志位Flag加1，不符合就繼續(xù)下一次判斷。在進(jìn)行比較時(shí)，只要滿足其中任何一個(gè)特征量的預(yù)設(shè)值，故障標(biāo)志位Flag加1并跳出剩下的判斷條件。在每次的主循環(huán)中都會(huì)判斷時(shí)間和故障標(biāo)志位是否達(dá)到預(yù)設(shè)條件，若滿足設(shè)定條件，則發(fā)出電弧故障報(bào)警信號(hào)，若不滿足，繼續(xù)下一條指令。

由圖8可知，檢測(cè)算法程序是通過(guò)比較兩個(gè)電流波形之間的差異值來(lái)檢測(cè)故障電弧是否發(fā)生，其主要特征量是電流波形正半周期時(shí)間寬度的差值是否大于閾值，波形上升率之差是否大于閾值，正半周期內(nèi)的采樣幅值之差是否大于閾值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

采用C語(yǔ)言編程，在完成電路板焊接和軟件代碼移植后進(jìn)行測(cè)試。判斷電弧檢測(cè)算法的有效性。A/D采樣頻率設(shè)為3 kHz，STM32在每個(gè)周期計(jì)算輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果如下。

表1 STM32的計(jì)算輸出結(jié)果負(fù)載類型

△t為電流波形采樣時(shí)間寬度之差；△k為電流波形的上升率之差；△value為電流波形的幅值之差。表中數(shù)據(jù)為多次采樣計(jì)算后獲得，每個(gè)周期的數(shù)據(jù)在表中數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上略有波動(dòng)。根據(jù)輸出結(jié)果可以設(shè)置判斷閾值△t=5，△k=0.161，△value=0.150。

表2 和對(duì)串聯(lián)故障電弧的判別效果匯總負(fù)載類型

對(duì)已知負(fù)載的電弧故障檢測(cè)：

進(jìn)行串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)負(fù)載分別為日光燈、吸塵器和開(kāi)關(guān)電源，按照AFDD標(biāo)準(zhǔn)要求連接電路并施加額定電壓，通過(guò)電弧發(fā)生器產(chǎn)生電弧故障。分別進(jìn)行100次測(cè)試，驗(yàn)證電路中突然出現(xiàn)串聯(lián)電弧故障時(shí)AFDD能否正確識(shí)別。

表3 對(duì)固定負(fù)載的電弧故障檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，在模擬電弧故障試驗(yàn)中，當(dāng)分別選用日光燈、吸塵器和開(kāi)關(guān)電源為實(shí)驗(yàn)負(fù)載時(shí)，該基于STM32的故障電弧檢測(cè)裝置對(duì)電弧故障的檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性，但對(duì)更多未知負(fù)載的檢測(cè)需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的研究意義在于將軟件檢測(cè)算法移植到STM32平臺(tái)，通過(guò)對(duì)3種屏蔽負(fù)載的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了電弧檢測(cè)算法的有效性。意法半導(dǎo)體公司的ARM芯片STM32，帶有豐富的片上外設(shè)資源，成本較低，可靠性高，可以通過(guò)編程輕松實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，?jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)。隨著低壓保護(hù)電器的不斷發(fā)展，基于STM32單片機(jī)的故障電弧檢測(cè)裝置將會(huì)擁有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

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