一种直流系统电弧故障在线检测方法和保护装置

摘要

本发明公开一种直流系统的电弧故障在线检测方法及保护装置，综合了功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程以及电弧发生时的功率电路电流交流分量的特征，所选的电弧电流特征量包括时域的峰峰值和标准差以及滤除负载特定频率点噪声后1kHz～100kHz范围内的频率分量功率和，采用马氏距离算法计算实时特征量与功率电路加电起动过程、正常工作过程和功率电路过载故障过程中特征量的马氏距离值，与学过程中设定的阀值比较，检测单次电弧是否发生。本发明技术方案具有通用性强、检测率高、误判率低的特点，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流配电系统。

主权项

一种直流系统电弧故障在线检测方法，其特征在于包括如下步骤：（1）阶段1：电弧特征的在线学习阶段步骤1：在功率电路加电起动、加卸载过程中，检测电流交流分量X_AC(i)；步骤2：在功率电路正常工作过程中，检测电流交流分量Y_AC(i)；步骤3：在功率电路过载故障过程中，检测电流交流分量Z_AC(i)；步骤4：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的峰峰值PPX(i),PPY(i),PPZ(i)；步骤5：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的标准差σX(i),σY(i),σZ(i)；步骤6：分别计算步骤1、2、3中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤7：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤6的计算结果中分别滤除所述开关频率点及其谐波噪声频率点的频率分量；步骤8：分别计算步骤7中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFX(i),PFY(i),PFZ(i)；步骤9：步骤1～8重复N次，采集样本向量集合X(i)、Y(i)、Z(i)，其中i=1～N，N≥20；X(i)，Y(i)，Z(i)为3×1的列向量:X(i)=[PPX(i)σX(i)PFX(i)]^T，i=1～NY(i)=[PPY(i)σY(i)PFY(i)]^T，i=1～NZ(i)=[PPZ(i)σZ(i)PFZ(i)]^T，i=1～N步骤10：计算样本向量X(i)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²X(i)；其中：$D^{2}X\left(i\right)={(X\left(i\right)-\bar{X})}^T·C_X^{-1}·(X\left(i\right)-\bar{X}),i=1~N$为样本向量集合X(1)～X(N)的平均值C_X为样本向量集合X(1)～X(N)的协方差矩阵，$C_X=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(X\left(i\right)-\bar{X})·{(X\left(i\right)-\bar{X})}^T$步骤11：计算样本向量Y(i)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²Y(i)，其中：$D^{2}Y\left(i\right)={(Y\left(i\right)-\bar{Y})}^T·C_Y^{-1}·(Y\left(i\right)-\bar{Y}),i=1~N$为样本向量集合Y(1)～Y(N)的平均值C_Y为样本向量集合Y(1)～Y(N)的协方差矩阵步骤12：计算样本向量Z(i)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²Z(i)，其中：$D^{2}Z\left(i\right)={(Z\left(i\right)-\bar{Z})}^T·C_Z^{-1}·(Z\left(i\right)-\bar{Z}),i=1~N$为样本向量集合Z(1)～Z(N)的平均值C_Z为样本向量集合Z(1)～Z(N)的协方差矩阵步骤13：计算D²X(i)，D²Y(i)和D²Z(i)的最大值D²_Normal，其中i=1～N；D²_Normal=max{D²X(i)D²Y(i)D²Z(i)}_i=1～N步骤14：在功率电路实际模拟电弧产生，检测电流交流分量A_AC(j)；步骤15：计算步骤14中电流交流分量的峰峰值PPA(j)；步骤16：计算步骤14中电流交流分量的标准差σA(j)；步骤17：计算步骤14中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤18：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤17的计算结果中滤除所述开关频率点及其谐波噪声点的频率分量；步骤19：计算步骤18中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFA(j)；步骤20：步骤14～19重复M次，采集样本向量集合A(j)，其中j=1～M，M≥20；A(j)为3×1的列向量:A(j)=[PPA(j)σA(j)PFA(j)]^T；步骤21：计算样本向量A(j)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²AX(j)；其中：$D^2\mathrm{AX}\left(j\right)={(A\left(j\right)-\bar{X})}^T·C_X^{-1}·(A\left(j\right)-\bar{X}),j=1~M$步骤22：计算样本向量A(j)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²AY(j)，其中：$D^2\mathrm{AY}\left(j\right)={(A\left(j\right)-\bar{Y})}^T·C_Y^{-1}·(A\left(j\right)-\bar{Y}),j=1~M$步骤23：计算样本向量A(j)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²AZ(j)，其中：$D^2\mathrm{AZ}\left(j\right)={(A\left(j\right)-\bar{Z})}^T·C_Z^{-1}·(A\left(j\right)-\bar{Z}),j=1~M$步骤24：计算D²AX(j)，D²AY(j)和D²AZ(j)的平均值D²_Fault，其中j=1～M；${D^2}_{\mathrm{Fault}}=\frac{1}{3M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}\{D^2\mathrm{AX}\left(j\right)+D^2\mathrm{AY}\left(j\right)+D^2\mathrm{AZ}\left(j\right)\}$步骤25：确定区分电弧与非电弧的马氏距离阀值D²_TH，取D²_Normal<D²_TH<D²_Fault；（2）阶段2：在线单次检测电弧阶段第k次在线检测电弧的步骤为：步骤26：在线检测电流交流分量B_AC(k)；步骤27：计算步骤26中电流交流分量的峰峰值PPB(k)；步骤28：计算步骤26中电流交流分量的标准差σB(k)；步骤29：计算步骤26中电流交流分量的1kHz～100kHz频率段分量；步骤30：确定电力电子负载在1kHz～100kHz频率段内开关频率点及其谐波噪声频率点，并从步骤29的计算结果中滤除所述开关频率点和谐波噪声点的频率分量；步骤31：计算步骤30中得到的1kHz～100kHz频率段分量的功率和PFB(k)；步骤32：根据样本向量B(k)=[PPB(k)σB(k)PFB(k)]^T,B(k)为3×1的列向量；步骤33：计算样本向量B(k)到样本向量集合X(1)～X(N)的马氏距离D²BX(k)；其中：$D^2\mathrm{BX}\left(k\right)={(B\left(k\right)-\bar{X})}^T·C_X^{-1}·(B\left(k\right)-\bar{X})$步骤34：计算样本向量B(k)到样本向量集合Y(1)～Y(N)的马氏距离D²BY(k)，其中：$D^2\mathrm{BY}\left(k\right)={(B\left(k\right)-\bar{Y})}^T·C_Y^{-1}·(B\left(k\right)-\bar{Y})$步骤35：计算样本向量B(k)到样本向量集合Z(1)～Z(N)的马氏距离D²BZ(k)，其中：$D^2\mathrm{BZ}\left(k\right)={(B\left(k\right)-\bar{Z})}^T·C_Z^{-1}·(B\left(k\right)-\bar{Z})$步骤36：判断D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)是否大于马氏距离阀值D²_TH，若其中任意一个大于马氏距离阀值D²_TH，则第k次判定结果为检测出电弧发生；若D²BX(k)、D²BY(k)、D²BZ(k)均小于等于马氏距离阀值D²_TH，则第k次判定结果为未检测出电弧发生；（3）阶段3：电弧故障判定和保护阶段步骤37：在时间宽度为ΔT的滑动时间窗口中，重复步骤26～36，并对电弧检出次数进行计数，对累积电弧时间进行计算；步骤38：根据具体应用需要和相关电弧故障保护标准，选择判定电弧故障的条件；满足以下任意条件之一则判定电弧故障：（a）在ΔT时间内，累积电弧次数超过设定阀值次数NUM，则判定发生电弧故障；（b）在ΔT时间内，累积电弧时间超过设定阀值时间T1，则判定发生电弧故障；步骤39：根据电弧故障的判定结果发出电弧故障信号。