一种电弧状态观测器及其建立方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其是一种电弧状态观测器及其建立方法。背景技术：2.电弧本质上可以看作是一团高温、高亮的等离子体，其多产生于由接触不良、绝缘失效等原因引起的电路故障以及电器开关的触头分合动作过程中。在工业上，电弧被用来焊接、冶炼、照明等，具有比较积极的作用。但是在电力系统中，电弧的负面作用显得尤为强烈：串联和并联电弧故障是引起电气火灾的一个重要原因，在开关电器中，电弧如果没有得到很好的抑制，使触头产生磨损乃至熔焊，对电路产生负面的影响如延迟电路开断、烧损触头，甚至导致电器起火乃至爆炸，引起火灾甚至人身伤害，造成极大的经济财产损失和生命安全威胁。3.现阶段电弧观测方法有以下几种，1、数学模型法：按照物理推导，根据微分方程对电弧的数学模型进行研究，由微分方程的不同复杂程度，适用于不同参数，有利于电弧本质的深入研究，但是受限于监测参数研究进展缓慢；2、线路电压、电流检测法：电弧发生时线路电压和电流会产化变化，通过对电压、电流的这些变化特征的监测，实现对电弧状态的观测，这种方法虽然结构简单，易于实现，且受位置因素影响较小，但是易受相似波形影响没有明确的判断方法；3、物理现象检测法：根据电弧产生时会伴有声音、光、放热等物理特点，对这些特征进行检测，但是设备昂贵对使用环境要求较高。技术实现要素：4.本发明提出一种电弧状态观测器及其建立方法，易于实现，对使用环境要求不高。5.本发明采用以下技术方案。6.一种电弧状态观测器，所述电弧状态观测器基于线路电压对电弧进行检测，其先采用二进小波变换的方法对电弧电压波形中的突变特征提取，再使用小波能量谱模型对二进小波中的突变特征放大，以优化电弧状态观测器区分相似波形的能力，所述电弧状态观测器根据不同波形对应的特征值来判断电弧电压对应的电弧状态。7.一种电弧状态观测器的建立方法，以上所述的电弧状态观测器，包括小波能量谱变换模块a、特征值提取模块b、电弧状态输出模块f；在使用时，首先使用小波能量谱变换模块a将电弧电压波形变为小波能量谱时谱波形，然后按照采样顺序，每次取半个周期数据输入特征值提取模块b，得到满足不同燃弧条件的采样点，最后将采样点输入电弧状态输出模块f输出不同燃弧状态对应的时长。8.所述小波能量谱变换模块a采用基于二进小波的小波能量谱变换算法对电弧电压波形进行处理得到电弧电压的小波能量谱时谱波形；小波变换的母函数选择为三次b样条函数的导函数，电弧电压波形为f(x)，二进小波变换公式为：[0009][0010]上式中，j是小波分解的尺度，为原始信号；hk和gk是小波母函数对应低通与带通的滤波器脉冲响应系数；[0011]选择第四尺度的细节分量输入公式得到小波能量谱时谱波形，其采样点对应幅值记为e4。[0012]所述特征值提取模块b包括极值提取模块c、扰动处理模块d、数据处理模块e；[0013]特征值提取模块b的工作方法包括以下步骤：[0014]步骤s1、首先经过极值提取模块c，每次提取小波能量谱时谱半个周期采样点的数据，得到极值点e4和其对应的采样点x；[0015]步骤s2、其次，记录其中最大值e4(bi)与次大值e4(ai)和对应的采样点，并输入扰动处理模块d，判断次大值是否大于次大值阈值，若小于则跳过下述步骤进入下次循环，若大于则继续；[0016]步骤s3、然后进入数据处理模块e，通过运算得到最大值与次大值的比值，若比值大于5则为不稳定燃弧状态，记录最大值对应的采样点，若小于5则为稳定燃弧状态，以及，若比值大于25且在下个采样周期得到的比值小于2则为可能熄弧状态，记录最大值对应的采样点，若不满足为不稳定燃弧状态；特征值提取模块每次提取半个周期数据，循环上述过程直到电弧电压波形结束。[0017]hk和gk是小波母函数对应低通与带通的滤波器脉冲响应系数，其值分别为：[0018]g0＝-2，g1＝2，h-1＝h2＝0.125，h0＝h1＝0.375；[0019]所述步骤s2，在设定次大值阈值时，为避免其他信号干扰判断，选择阈值为200。[0020]所述电弧状态输出模块f由特征值提取模块b的数据得到不同燃弧状态的时长；具体方法为：[0021]步骤a1、在满足不稳定燃弧状态的数据中，选择第一个最大值对应的采样点作为稳定燃弧与不稳定燃弧状态的分界点，设电弧在该采样点之后进入不稳定燃弧状态；[0022]步骤a2、在满足可能熄弧状态的数据中，选择最后一个最大值对应的采样点作为不稳定燃弧与熄弧状态的分界点，在该采样点之后进入熄弧状态；采样点与采样时间相乘即可得到不同燃弧状态的持续时间。[0023]所述线路电压为低压交流电的供电电压，所述电弧状态观测器适用于对电力系统中低压交流开关设备的分断电弧进行观测。[0024]本发明所述方案将电弧电压波形进行基于二进小波的小波能量谱变换得到小波能量谱时谱波形，通过半个周期内小波能量谱最大值与次大值的比值实现燃弧状态的观测，其优点在于，能建立电弧电压波形与电弧状态的关系，提出稳定燃弧状态、不稳定燃弧状态、熄弧状态三种电弧状态的判断标准，易于实现，对使用环境要求不高。附图说明[0025]下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：[0026]附图1是本发明所述电弧状态观测器的模型示意图。具体实施方式[0027]如图所示，一种电弧状态观测器，所述电弧状态观测器基于线路电压对电弧进行检测，其先采用二进小波变换的方法对电弧电压波形中的突变特征提取，再使用小波能量谱模型对二进小波中的突变特征放大，以优化电弧状态观测器区分相似波形的能力，所述电弧状态观测器根据不同波形对应的特征值来判断电弧电压对应的电弧状态。[0028]一种电弧状态观测器的建立方法，以上所述的电弧状态观测器，包括小波能量谱变换模块a、特征值提取模块b、电弧状态输出模块f；在使用时，首先使用小波能量谱变换模块a将电弧电压波形变为小波能量谱时谱波形，然后按照采样顺序，每次取半个周期数据输入特征值提取模块b，得到满足不同燃弧条件的采样点，最后将采样点输入电弧状态输出模块f输出不同燃弧状态对应的时长。[0029]所述小波能量谱变换模块a采用基于二进小波的小波能量谱变换算法对电弧电压波形进行处理得到电弧电压的小波能量谱时谱波形；小波变换的母函数选择为三次b样条函数的导函数，电弧电压波形为f(x)，二进小波变换公式为：[0030][0031]上式中，j是小波分解的尺度，为原始信号；hk和gk是小波母函数对应低通与带通的滤波器脉冲响应系数；[0032]选择第四尺度的细节分量输入公式得到小波能量谱时谱波形，其采样点对应幅值记为e4。[0033]所述特征值提取模块b包括极值提取模块c、扰动处理模块d、数据处理模块e；[0034]特征值提取模块b的工作方法包括以下步骤：[0035]步骤s1、首先经过极值提取模块c，每次提取小波能量谱时谱半个周期采样点的数据，得到极值点e4和其对应的采样点x；[0036]步骤s2、其次，记录其中最大值e4(bi)与次大值e4(ai)和对应的采样点，并输入扰动处理模块d，判断次大值是否大于次大值阈值，若小于则跳过下述步骤进入下次循环，若大于则继续；[0037]步骤s3、然后进入数据处理模块e，通过运算得到最大值与次大值的比值，若比值大于5则为不稳定燃弧状态，记录最大值对应的采样点，若小于5则为稳定燃弧状态，以及，若比值大于25且在下个采样周期得到的比值小于2则为可能熄弧状态，记录最大值对应的采样点，若不满足为不稳定燃弧状态；特征值提取模块每次提取半个周期数据，循环上述过程直到电弧电压波形结束。[0038]hk和gk是小波母函数对应低通与带通的滤波器脉冲响应系数，其值分别为：[0039]g0＝-2，g1＝2，h-1＝h2＝0.125，h0＝h1＝0.375；[0040]所述步骤s2，在设定次大值阈值时，为避免其他信号干扰判断，选择阈值为200。[0041]所述电弧状态输出模块f由特征值提取模块b的数据得到不同燃弧状态的时长；具体方法为：[0042]步骤a1、在满足不稳定燃弧状态的数据中，选择第一个最大值对应的采样点作为稳定燃弧与不稳定燃弧状态的分界点，设电弧在该采样点之后进入不稳定燃弧状态；[0043]步骤a2、在满足可能熄弧状态的数据中，选择最后一个最大值对应的采样点作为不稳定燃弧与熄弧状态的分界点，在该采样点之后进入熄弧状态；采样点与采样时间相乘即可得到不同燃弧状态的持续时间。[0044]所述线路电压为低压交流电的供电电压，所述电弧状态观测器适用于对电力系统中低压交流开关设备的分断电弧进行观测。









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