CN101771261A

CN101771261A - 使用离散小波变换的并联电弧检测

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Publication number: CN101771261A
Application number: CN200910262530A
Authority: CN
Inventors: S·常加利; J·K·霍克; K·V·格里戈瑞安; S·J·霍尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: JP5513877B2; US20100165521A1; JP2010161919A; EP2202859B1; CA2688785A1; EP2202859A3; CN101771261B; KR20100080453A; EP2202859A2; US8170816B2

Abstract

使用离散小波变换的并联电弧检测。执行并联电弧故障断流的装置，包括：电流感测装置，位于该电气电路中以感测电气负载，被配置为产生表示流过其的负载电流的输出信号；检测单元，与该电流感测装置信号通信，并被配置为接收由该电流感测装置产生的输出信号，被配置并布置为基于该输出信号输出二次信号；和微控制器，耦合到该检测单元，响应于计算机可执行指令，该指令在由该微控制器执行时，使得该微控制器接收并经由离散小波变换来分解该二次信号从而获得离散小波系数，并计算离散小波系数的和，比较该离散小波系数的和与预定阈值，当感测的负载电流大于预定阈值并且该离散小波系数的和共同表示解扣信号产生的预定阈值条件满足时，产生解扣信号。

Description

使用离散小波变换的并联电弧检测

技术领域

本发明的领域是电气系统，更具体地，电气系统中用于并联电弧检测的方法和系统。

背景技术

住宅、商业和工业应用中的电气系统通常包括用于从公用源接收电力的配电板(panel board)。该电力通过该配电板被路由到一个或多个断流器，诸如断路器、解扣单元以及其它，但是不限于此。

每个断流器将电力分配到指定的支路，其中每个支路为一个或多个负载提供该电力。如果在该支路中的某些电力状况达到预定的设定点，则断流器被配置为中断到该特定支路的电力。例如，断路器用来保护电路由于过电流状况(诸如过载状况或比较高电平的短路故障状况)而导致的损害。

许多这样的断路器通过例如热磁解扣机构提供此保护。这样的解扣机构通常包括双金属器件，其响应于持续的过电流状况的加热效应而偏转以解开解扣机构，该解扣机构反过来又打开该断路器的可分离触头，以中断该受保护电路中的电流。在相对高电平短路故障状况的情况下，产生磁场，引起断路器中磁衔铁的快速位移，该位移反过来又驱动解扣机构的几乎即时的启动。

另外，一些断流器可以由于接地故障而中断电力，并且通常被称为接地故障断流器(GFCI)。当由于漏泄电流或到地的电弧故障而引起在线路导线和中性导线之间流过不平衡的电流时，接地故障状况产生。

其它断流器可以由于电弧故障而中断电力，并且通常被称为电弧故障断流器(AFCI)。AFCI的典型示例包括：电弧故障断路器、支路/馈电线电弧故障断路器、出口电路电弧故障断路器、电线电弧故障断路器、用作支路/馈电线或出口电路AFCI的联合电弧故障断路器；和便携式电弧故障断路器，但是不限于此。

电弧故障被定义为两种主要类型，串联电弧和并联电弧。串联电弧可以发生在例如电流跨单个导体的空隙通过时。相反地，并联电弧可以发生在电流通过不同电势的两个导体之间时，例如电源导体和地之间时。并联电弧可以引起超过电路中正常额定电流的电流，但是其均方根电流值小于产生热解扣所需的均方根电流值。另外，电弧电压和线路阻抗防止并联电弧引起高到能触发即时解扣功能的峰值电流电平。

不幸地，电弧故障可能由于种种原因不会使得传统的断路器解扣。随着住房越来越旧以及电线由于老化而退化，由于电弧引起发生火灾的潜在性逐渐增加。

因此，存在对于用于在AC电气系统中检测并联电弧故障的断流器和方法的需要，其克服、减轻、和/或缓和现有技术系统的上述及其它缺点的一个或多个。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种执行并联电弧故障断流(AFCI)的设备。该设备包括：电流感测装置，位于该电气电路中以感测电气负载，该电流感测装置被配置为产生表示通过其的负载电流的输出信号；和检测单元，与该电流感测装置信号通信，并被配置为接收由该电流感测装置产生的输出信号，该检测单元被配置并布置为基于该输出信号输出二次信号；和微控制器，耦合到该检测单元，响应于计算机可执行指令，该可执行指令在由该微控制器执行时，使得该微控制器接收该二次信号并经由离散小波变换来分解该二次信号从而获得离散小波系数，并计算离散小波系数的和，比较该离散小波系数的和与预定阈值，当感测的负载电流高于预定阈值并且该离散小波系数的和共同表示解扣信号产生的预定阈值条件满足时，产生解扣信号。

根据本发明的另一方面，提供一种执行用于电路的电弧故障断流(AFCI)的计算机实现的方法。该方法包括：在与该电路电气通信的电流感测装置中感测负载电流；在与该电流感测装置信号通信的检测单元处产生反映感测的负载电流的电流的二次信号；在耦合到该检测单元的微控制器中以预定频率对该二次信号进行采样；确定该二次信号的幅度；由该二次信号的分量计算离散小波系数；计算该离散小波系数的和；比较该离散小波系数的和与预定阈值；基于该离散小波系数的和以及该二次信号的幅度来确定是否满足阈值标准；以及如果满足的话，则发出解扣信号以中断该电路的操作。

根据本发明的另一方面，提供一种执行用于电路的电弧故障断流(AFCI)的计算机实现的方法。该方法包括：使用离散小波变换，将在检测单元中基于由检测单元与之信号通信的电流感测装置感测的负载电流产生的二次信号的部分分别分解成详细和近似的系数；利用被确定为已被过零采样的该二次信号的第一部分，计算该二次信号的正和/或负半周期的离散波形系数的绝对值的和；比较该绝对值的和与第一预定阈值；或者如果感测的负载的电流小于预选择的幅度，则在预定系数阈值上对该绝对值的和求积分；比较该绝对值的和的积分后的值与预定积分器值阈值；以及如果比较的结果表示第一和第二预定阈值中相应的一个被超过给定的时间段，则发出解扣信号以中断该电路的操作。

根据本发明的另一方面，提供一种通过检测并联电弧操作断流器的方法。该方法包括：感测负载电流并由此产生电流信号；对该电流信号进行频率滤波；确定滤波后的电流信号的基频；检测该滤波后的信号的电压和/或电流的过零；确定该滤波后的电流信号的幅度；对该电流信号进行滤波并将该滤波后的电流信号分解为预定电平级(level)以获得离散小波系数；在正负半周期期间对该滤波后的电流信号进行采样；计算在正负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值；对在正和负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的计算的绝对值进行求和；比较在正负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值的和与预定系数和阈值级(level)；基于1)在正和/或负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值的和与预定系数和阈值级(level)的比较，以及2)该二次信号的幅度，确定是否已经满足并联电弧检测的阈值标准；以及发出解扣信号以操作该断流器。

以上发明内容相当宽泛地阐述了本发明的比较重要的特征，从而可以更好地理解随后的对其详细描述，以及可以更好地理解对现有技术的贡献。当然，存在以下要描述的以及针对附加于此的权利要求书的主题的本发明的其它特征。

在这点上，在详细说明本发明的几个实施例之前，应当理解，本发明不会将它的应用局限于以下描述中阐述的或附图中示出的组件的构造和布置的细节。能够以各种方式实践并执行这里描述的实施例。此外，应当理解，这里采用的措辞和术语仅仅是说明性的，不应当被认为是限制性的。

本领域技术人员通过以下详细描述、附图和所附权利要求书，将理解并明白本公开的上述及其它特征和优点。

附图说明

现在简要地参考附图，其中：

图1示出了并联电弧故障的描述；

图2示出了本发明的示范性实施例的硬件功能框图；

图3示出了本发明的示范性实施例的流程图；

图4示出了实现本发明的示范性实施例的电弧故障断流器的示意图；

图5示出了用于本发明的示范性实施例的离散小波变换分解过程；

图6示出了本发明的另一个示范性实施例的离散小波系数树，其中系数的数目可以是先验确定的级别；

图7是示出了离散小波系数计算算法的流程图；

图8示出了本发明的基于微控制器的电弧故障检测器的实施例的示意图；

图9示出了用于检测这里描述的并联电弧的示范性方法；

图10示出了过零检测电路的示范性形式的示意图。

具体实施方式

这里描述的实施例提供并联电弧故障中断。可以用各种方式来定义电弧。在本发明的背景下，并联电弧是指正常非导电介质(诸如空气)的电击穿，其产生发光放电(诸如火花)，这是由流过该正常非导电介质的电流引起的。并联电弧发生在相对带电的导体之间，诸如电路和接地元件之间，并且可以以高电流尖峰和几乎没有或者没有负载阻抗为特征。提供该定义是为了理解而不意味着限制该发明；本领域普通技术人员将理解，电弧的其它定义也适用。

参考附图，特别是图1，示出了典型并联电弧故障的描写。如图1所示，并联电弧2可以发生在两个相对带电的导体3、4(诸如通常被发现跨相对大的阻抗1)之间或电路和接地元件之间。并联电弧可以以高电流尖峰和几乎没有或没有负载阻抗为特征。

这里描述的示范性实施例针对诸如图1所示的类型的并联电弧故障的检测和中断。此外，本发明的实施例使用检测策略来检测并联电弧故障。本发明规定电弧故障模式识别来将并联电弧故障电流和其它非电弧瞬变负载电流(诸如由例如调光器、钻头、荧光灯等引起的瞬变现象)区分开。

并联电弧在接近于交流电流波形的过零点时熄灭。由于电弧被熄灭，因此基本上没有电流。另外，介电击穿发生在并联空隙处，并且发生电弧电流的再触发，通过该再触发，电弧电流再一次开始流动。在越过电流波形的过零点时重复该再触发现象。一般地，该再触发现象被认为是由于导电介质的介电击穿引起电流被再次引发而导致的电流波形的再次引发。在再触发的情况下，导电介质是并联空隙。

图2示出了本发明的并联电弧故障检测的示范性实施例的硬件功能框图300。交流(AC)信号301被输入到滤波器302。滤波后的信号303被输出到模-数转换器304。数字输出305然后被微控制器306处理。存储器308(例如只读存储器(ROM))将各数据和程序307提供给微控制器306。微控制器306计算输入信号301是否包括并联电弧故障信号。表示通过对输入信号301的分析确定存在并联电弧故障的微控制器输出309可以被提供给存储器310(诸如可以由本领域普通技术人员确定的可重写存储器存储装置)用于存储和以后使用。可替换地，如虚线所示，输出309可以被提供给AFCI 410，如下所述。

在图4中，显示了根据本公开的电弧故障断流器(AFCI)的示范性实施例，且一般由参考标记410表示。AFCI 410包括微控制器306，其上具有并联电弧故障检测程序414。

有利地，在本发明的示范性实施例中，程序414运用离散小波变换方法来进行并联电弧检测。程序414确定一个或多个信号特征，其被认为是关注频率。程序414然后处理该一个或多个信号特征以计算多个离散小波变换。

AFCI 410的示范性实施例被配置为将负载416放置为与跨接分支电路422的中性导线418和线路导线420电气通信。AFCI 410经由程序414被配置为在检测到并联电弧故障后有选择地打开跨接线路导线420的可分离触头424。用这样的方式，AFCI 410被适配为检测分支电路422中的并联电弧并中断到分支电路的电力。

触头424由解扣机构426按照已知的方式打开。例如，触头424可以由本领域中已知的装有弹簧的解扣机构(未示出)打开。

除被程序414启动之外，解扣机构426还可以被具有与线路导线420串联连接的双金属器件430的传统热磁过电流装置428起动。例如，在向双金属器件施加过电流时，双金属器件430可以按照已知的方式弯曲，导致解扣机构426的启动。另外，双金属器件430可以包括磁起动的衔铁432，其可以在双金属器件两端短路时启动解扣机构426。

在一些示范性实施例中，AFCI 410可以包括传统的串联电弧检测器432。串联电弧检测器432被配置为在检测到线路导线420两端的串联电弧时启动解扣机构426。因而，本公开的程序414可以与现有的AFCI串联电弧检测并行工作或者与现有的AFCI检测分开。

用这样的方式，AFCI 410的示范性实施例组合提供过电流和短路保护的过电流装置428、提供串联电弧故障检测的串联电弧故障检测器432、和本发明的示范性实施例中提供并联电弧故障检测的程序414。

图4也对应于图3的过程350，其示出了用于检测并联电弧的方法的示范性实施例。除非另有说明，该方法步骤可以按照任何适当的次序执行，和/或两个或多个步骤可以并行执行。在352感测电流。在354对信号进行滤波，例如以除去噪声。在356将信号从模拟转换为数字。在358，微控制器使用离散小波变换数学处理该信号并计算离散小波系数。在350，如果基本上检测并联电弧故障的所有条件都满足，则微控制器在352的输入信号中用信号通知并联电弧故障的存在。存储器(例如只读存储器(ROM))与微控制器关于例如小波滤波器、阈值和检测条件交互。

离散小波变换。回到图2的示范性实施例，微控制器306运行程序314，其使用数字信号输出305和离散小波变换(DWT)计算离散波形系数，例如图5所示。存储器308将包括小波滤波器、预定阈值和检测条件的各数据和程序307提供给微控制器306。微控制器306使用离散小波系数确定输入信号301是否包括并联电弧故障信号。

小波是将给定信号分成各种频率分量并利用匹配它的尺度(scale)的分辨率来分析每个频率分量的数学函数。小波变换是用小波对信号的表示。每个DWT是有限长度的短波，其在它的存在时间段内积分为零。在离散小波变换的情况下，小波是被称为母小波的快速衰减震荡波形。小波变换与传统的傅立叶变换(FT)和快速傅里叶变换(FFT)相比具有优势，因为它们可以表示具有不连续性和锐利尖峰的信号，并可以准确地解构和重建有限的、非周期和/或非固定信号并提供该母小波和电流信号之间的相关性的度量。

本质上，离散小波变换运用数字滤波器以及足够的时间分辨率，来分析数字信号305的各种频率分量。当对信号使用DWT时，该信号通过一系列高通滤波器以分析高频率，并通过一系列低通滤波器以分析低频率。

在示范性实施例中，为了以10KHz对信号进行采样以检测并联电弧，该信号通过具有900Hz的截止频率的一极低通滤波器和具有150Hz的截止频率的一极高通滤波器。

当DWT用在信号上时，执行两个操作以计算DWT系数；这些操作是二次采样和滤波。滤波改变信号的分辨率，而包括上采样和下采样的二次采样则改变信号响应的尺度。

离散小波系数计算。在本发明的本实施例的示例中，离散小波系数计算从离散时间信号x[n]开始，也即在图2所示的本发明的示范性实施例中输入到微控制器306的数字信号305。首先执行离散小波系数计算以提供信号x[n]的分解。

关于离散小波系数，存在两组滤波系数。这里滤波器通常用滤波器[]的形式表示，即，索引n的滤波器h为h[n]，其中n＝1，2，3，4，...，n+1。用于分解的滤波器系数用Hi_D和Lo_D表示，离散小波变换计算的分解函数使用与图7的流程图所示相同的卷积和这里描述的方程式(1)、(2)、(3)和(4)。

滤波。首先，计算系数包括将该信号通过具有脉冲响应h[n]半带低通数字滤波器。这在数学上可以用公式(1)表示。

低通：

x_{low} [n] = x [n] * h [n] = Σ_{k = - \infty}^{\infty} x [k] . h [n - k] - - - (1)

第二，该信号也通过具有脉冲响应g[n]的半带高通数字滤波器，并且在数学上用公式(2)表示。

高通：

x_{high} [n] = x [n] * g [n] = Σ_{k = - \infty}^{\infty} x [k] . g [n - k] - - - (2)

缩放。在公式(1)和(2)的过滤处理之后，信号分辨率减半而尺度保持不变。将尺度减半的过程例如由公式(3)和(4)表示，如下：

分辨率：

y_{high} [k] = \underset{n}{Σ} x_{high} [n] . g [2 k - n] - - - (3);

以及

分辨率：

y_{low} [k] = \underset{n}{Σ} x_{low} [n] . h [2 k - n] - - - (4)

滤波器输出y_high和y_low分别是高通和低通滤波器的结果，并且作为公式(3)和(4)的结果，二次采样分辨率改变。

公式(3)和(4)的结果包括：1)由于仅仅半数的样本保持在该信号中，因此时间分辨率减半；和2)由于该信号仅仅保持了频带的一半，因此频率分辨率加倍，并且频率不确定性减半。

公式(3)和(4)的计算被称为DWT分解过程，可以被执行一次迭代，或者该计算可以被重复“n”级，如图5所示，以获得期望的时间分辨率和期望的频率分辨率。级别“n”可以由本领域普通技术人员考虑诸如期望的时间和频率分辨率之类的因素来确定。

诸如输入到微控制器306(图2)的数字信号305(图2)的采样信号的示范性分解在信号幅度中使用母小波10 Debauchies。下面将进一步论述母小波，以及图6示出了用于分解计算的一般小波系数树。

母小波。在论述母小波之前应当指出，母小波是被称为Daubechies小波的一组小波的一部分。Debauchies小波是定义离散小波变换(DWT)的正交小波族，并且其特征是作为离散小波变换(DWT)的对象的给定信号的消失矩的最大数目。母小波可以由本领域普通技术人员考虑如下因素来选择，诸如1)信号的形状(即，正弦)；2)有关的频率范围；和3)从预捕获的波形中获得的经验数据。本领域普通技术人员也可以研究母小波的消失点(或消失矩)以获得母小波的信号测量。

在示范性实施例中，上面的因素1)到3)的研究和母小波中消失点或消失矩的数目显示理想母小波是Daubechies 10。

此小波系数树对应于上面说明的10KHz的示范性采样频率。应当理解，信号分解频带取决于采样频率。最后“n”级或最后的系数cAn和cDn一般是针对离散小波变换过程所关注的系数，如图6所示。

系数cAn和cDn用在以下说明的示范性信号分解中。本领域技术普通人员能够确定适当的“n”级系数，以计算如图6所示的一般小波系数树，具有在602先验(priori)确定的最后或“n”级。

上述讨论的滤波器g[n]和h[n]是正交镜像滤波器(QMF滤波器)h[]和g[]，以及该镜像公式用来获得离散小波系数正交镜像滤波器(QMF)并且用下列方式关联：

QMF关系：g[L-n-1]＝(-1)ⁿ.h[n](5)

DWT计算的细节这里，参考图7，在操作410到417中采用离散小波算法。如图所示，采样的信号开始时被定义为具有OuterIndex、SumCD和InnerIndex的信号，其中OuterIndex是指卷积信号(convoluted signal)的索引，SumCD是详细系数的和的绝对值，InnerIndex是使用中的滤波器的索引，每个被设置为零(操作410)。

首先，确定OuterIndex是否小于卷积信号的长度(判决411)。如果OuterIndex不小于卷积信号的长度，则SumCD的值回到零(操作413)。相反地，如果OuterIndex小于卷积信号的长度，则作为各个详细系数的CD的值被设置为零并且JumpIndex的值被设置为卷积信号的值乘以二(操作414)。

然后，确定InnerIndex是否小于滤波器的长度(判决415)。如果InnerIndex小于滤波器的长度，则CD的值被设置为CD的值加上该信号的值(操作416)。这里，信号值是InnerIndex的值乘以滤波器的值然后加上JumpIndex的值。重复此过程直到确定InnerIndex不小于滤波器的长度(判决415)。此时，CD的值被设置为CD的绝对值，并且SumCD的值被设置为SumCD的绝对值加上CD的值(操作417)。

参考图8，提供一种执行并联电弧故障断流(AFCI)的设备1。图8的设备1包括电流传感器10，其包括电阻元件10(诸如双金属器件)，其被配置为感测由其产生电流信号的负载。

电流传感器10双金属器件可以由在室温下具有6mOhm(毫欧姆)(在15A时)或3mOhm(在20A时)的特性电阻的电阻材料形成。尽管本发明的实施例被公开为具有双金属器件作为电阻元件的一个例子，但是应当理解，本发明的范围不因此限制，并且还涵盖适合于这里公开的目的的其它电阻元件，诸如黄铜、青铜、铜合金、钢、不锈钢、因科内尔钢和/或碳钢合金。此外，该电流传感器还可以选择性地包括均方根(RMS)电流测量单元、峰-峰(p-p)电流测量单元、霍耳效应电流传感器、电流互感器、或任何其它适当的设备。

可选地，从电流传感器10输出的信号可以在信号线55上被传递给有源低通滤波器20。此外，例如可以由微控制器306提供的测试信号90也可以被提供给求和有源低通滤波器20。在一个实施例中，RMS测量包括有源低通滤波器20，该单元以10kHz采样率工作并且从电流信号中过滤除那些具有大约6kHz-60Hz的频率的子信号以外的所有子信号。在其它实施例中，来自电流传感器10的输出信号可以在并联电弧信号线44上被传递给并联电弧检测单元302。

来自求和滤波器20的信号输出被传递给并联电弧信号线44和RMS电流信号线55。并联电弧检测单元302位于信号线44上，以及电流测量单元50位于信号线55上。并联电弧检测单元302被配置为将第一信号经由并联电弧信号通路49输出到微控制器306以用于检测电流信号中的并联电弧的滤波器。电流测量单元50被配置为将第二信号输出到微控制器306以用于执行例如RMS电流测量和电弧检测采样计时。在其它实施例中，电流测量单元50可选地包括均方根电流测量单元、p-p电流测量单元、霍耳效应电流传感器或任何其它适当的设备。

在其它实施例中，来自电流传感器10的输出信号可以在并联电弧信号线44上被直接传递到并联电弧检测单元302。可选地，测试信号90也可以被直接提供给并联电弧检测单元302。在一个实施例中，并联电弧检测单元302以10kHz的采样率工作并且从电流信号中过滤除那些具有大约150-900Hz的频率的子信号以外的所有子信号。为此，并联电弧检测单元302包括低通滤波器41和高通滤波器42。

在一个实施例中，微控制器306被配置为处理从电流测量单元50接收到的第二信号以确定电流幅度的指示。更准确地说，处理从电流测量单元50接收到的第二信号以识别是否有高于或低于预定的数值范围的样本。在一个实施例中，微控制器306以大约10KHz的速率对从电流测量单元50接收到的第二信号进行采样并计算平方和均根。例如，应当理解，在除去直流偏压之后，采取每个读出的平方和根并使用具有0计数和4060计数的饱和电平(level)的微控制器306中的12位模-数转换器(ADC)，如果从测量0安的电流测量单元50接收到的电流信号读出2048计数，则小于36的RMS电流计数(即，相对接近于0的ADC饱和电平)因而被理解为表示相对大的负电流，并且高于4060的RMS电流计数(即，相对接近于4096的ADC饱和电平)因而被理解为表示大的正电流。

在其它实施例中，并联电弧检测设备可以另外合并各种其它故障检测方法和设备或与各种其它故障检测方法和设备结合，例如包括例如与微控制器306信号通信的高通滤波器31的串联电弧故障检测单元30。

设备1还包括耦合到中性线12的过零检测电路88，将指示电压过零点的信号提供给微控制器306。如图8所示，过零检测电路88从为微控制器306供电的AC电压获取电源并耦合到中性线。这样的过零检测电路88是已知的并且能够是本领域普通技术人员理解的各种结构。也将理解，设备1可以可替换地被配置为以本领域中公知的各种方式来将过零的指示提供给微控制器306，包括例如电流过零检测电路。

微控制器306被配置为分解从并联电弧检测单元302接收到的第一信号。根据本发明的实施例，该分解经由离散小波变换(DWT)来完成，诸如母小波，其从外部计算并至少部分从包含在从电流测量单元50接收到的第二信号内的信息中获得。

因而，当微控制器306将DWT应用于并联电弧检测操作时，微控制器306可以通过识别可能与该电弧有关的图案或特征、选择给出与该图案或特征的紧密的相关性的预定母小波、选择提供优化的信噪比的用于分析电弧的频率范围、选择该波形的一部分作为聚焦区域、以及选择对应于该波形的所选部分的所需窗口尺寸来操作。

分解的结果是离散小波系数的计算，其本身被微控制器306用于确定并联电弧的存在以及解扣信号的发出。也就是说，微控制器306优选地被配置为，当积分的离散小波系数表示用于解扣信号产生的一个或多个阈值条件满足时产生解扣信号。这里，阈值条件是指表示并联电弧发生的信号度量。

微控制器306被配置为如前所述计算DWT系数并且计算DWT系数的绝对值的和(SumCD)。SumCD值被认为是被测信号的电弧内容的相关指示。微控制器306还被配置为比较计算的SumCD值与被称为系数阈值(CT)的预定值。CT提供SumCD的基线噪声级的相关指示。微控制器306优选地包括积分器函数，其值根据SumCD和CT值之间的差以预定速率增加或减小。优选地，如果半周期SumCD小于CT，则积分器值将按照它的当前值的预定的百分比递减，例如，积分器值＝(积分器值)-(积分器值/32)。如果半周期SumCD值大于CT值，则从SumCD值减去CT值然后加上积分器值。在随后的半周期中重复该比较和积分。如果确定积分器值大于预定的积分器阈值(IT)值，则确定存在并联电弧状况。

应当理解，可以通过任意数目的方式来确定CT值，诸如通过根据行业标准(诸如标准UL 1699)进行并联电弧测试，并与已知的高涌入电流负载(诸如压缩机电动机负载)上进行的测试相比较。

仍然参考图8，该设备还可以包括耦合到微控制器306的环境温度传感器60。环境温度传感器60测量至少电阻元件10的环境温度并将测量结果输出到微控制器306。微控制器306然后确定在上述计算中是否补偿电阻元件10的任何温度改变。

此外，该装置还可以包括测试开关70，例如推进式开关。该推进式测试开关70通过并联电弧测试线72耦合到微控制器306，并允许操作者根据本地和非本地规则在安装时测试该设备。正如以上的讨论，在其它实施例中，并联电弧检测设备也可以合并各种其它故障检测方法和设备或与各种其它故障检测方法和设备结合。例如，测试开关70可以另外包括与微控制器306信号通信的串联电弧测试线71。

现在参考图9，描述一种执行并联电弧故障断流(AFCI)的方法。其中的算法优选地将连续运行直到检测到并联电弧。如图9所示，在初始化该算法(操作100)后，发生对负载电流的数据的一个电力周期的感测，并通过过零检测电路88确定是否检测到正过零(判决200、201)。

优选地使用例如滤波器302(图2)来对该信号进行滤波以除去不想要的成分。从滤波器302(图2)输出的信号用于在操作206、207处计算离散小波系数。该离散小波系数计算从离散时间信号x[n]开始，在图3所示的本发明的示范性实施例中，其也被称为输入到微控制器306(图2)的数字信号305(图2)。

再次参考图9，应当理解，数据的一个电力周期可以可替换地被认为包括正的半周期和负的半周期。对于正的半周期和负的半周期，优选地分开计算离散小波系数计算。

如果检测到正的过零，则对于正的半周期样本的并联电弧通道49的采样开始(操作202)。一旦确定完成正的半周期采样(判决204)，则对于正的半周期计算离散小波变换系数，并且计算绝对系数的和(操作206)。

如果没有检测到正的过零点(判决200)，则确定是否通过过零点检测电路88检测到负的过零点(判决201)。如果检测到负的过零点，则对于负的半周期样本的并联电弧通道49(图8)的采样开始(操作203)。一旦确定完成负的半周期采样(判决205)，则对于负的半周期计算离散小波变换系数，并且计算绝对系数的和(操作207)。

再次参考图9，分析对于正负半周期两者计算的离散波形系数值，以确定对于任一半周期的离散波形系数的和是否大于预定的系数阈值(判决212)。如果是的话，则利用预定范围之外(即，超过或低于)的计数来确定在当前半周期中是否存在足够数目的采样的RMS信号的点(判决215)。例如，如果存在4个或更多的采样的RMS信号足够高或低(相对于预定范围)的点，则该采样的RMS信号被认为处于饱和。如果是这样的话，则在预定的系数阈值上对该系数的和求积分(操作216)。

如果确定对于任一半周期的离散波形系数的和小于预定的系数阈值(操作212)，则该积分器减小预定量(操作214)。

最后，参考图9，基于过零和非过零的离散小波系数来确定所有阈值标准是否已经满足(操作217)。如果确定阈值标准已经满足，则发出解扣信号(操作222)。这里，阈值标准满足的确定是通过比较积分器值与预定的积分器阈值并且确定积分器值是否超过预定的积分器阈值来实现的。

本发明的实施例可以以计算机实现的过程的形式和用于实践那些过程的设备来实现。本发明也可以实现为计算机程序产品的形式，该产品具有包含在有形介质中收录的指令的计算机程序代码，该有形介质诸如软盘、CD-ROM、硬盘、USB(通用串行总线)驱动器、或任何其它计算机可读存储介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、或可擦可编程序只读存储器(EPROM)，其中，当计算机程序代码被载入并且由计算机执行时，该计算机变为用于实践本发明的设备。本发明也可以实现为计算机程序代码的形式，例如无论存储在存储介质中、被计算机载入和/或执行、或通过一些传输介质传输，诸如通过电线或电缆、通过光纤、或经由电磁辐射，其中当计算机程序代码被计算机载入和执行时，该计算机变为用于实践本发明的设备。当在通用微控制器上实现时，该计算机程序代码段配置该微控制器以建立具体的逻辑电路。该可执行指令的技术效果是接收二次信号并将二次信号分解成第一和第二系数，以及当感测的负载电流的幅度大于预定阈值并且离散小波系数的和共同表示用于解扣信号产生的预定阈值条件满足时，产生解扣信号用于中断电气电路的操作。

虽然已经参考示范性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离该公开的范围的情况下，可以做出各种改变，并且等效物可以被其元件代替。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改来使特定情形或材料适应本公开的教导。因此，本公开不意欲限于作为预期执行此公开的最佳模式而公开的特定示范性实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围的所有实施例。

Claims

1.一种用于在电气电路中中断电流的设备，该设备包括：

电流感测装置(10)，位于该电气电路中以感测电气负载，该电流感测装置(10)被配置为产生表示通过其的负载电流的输出信号；

检测单元(302)，与该电流感测装置(10)信号通信，并被配置为接收由该电流感测装置(10)产生的输出信号，该检测单元(302)被配置并布置为基于该输出信号输出二次信号；和

微控制器(306)，耦合到该检测单元(302)，响应于计算机可执行指令，该可执行指令在由该微控制器(306)执行时，使得该微控制器(306)接收该二次信号并经由离散小波变换来分解该二次信号从而获得离散小波系数，并计算离散小波系数的和，比较该离散小波系数的和与预定阈值，当感测的负载电流高于预定阈值并且该离散小波系数的和共同表示解扣信号产生的预定阈值条件满足时，产生解扣信号。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

电流测量单元(50)，被配置为向微控制器(306)输出测量信号，该测量信号与该输出信号的计时有关并且被该微控制器(306)用于确定是否满足阈值条件。

3.如权利要求1所述的设备，还包括检测电路，被配置为与该微控制器信号通信，其中该检测电路(88)还被配置且布置为检测该输出信号的过零点情况以及指示该微控制器(306)随后分解该二次信号。

4.如权利要求3所述的设备，其中该微控制器(306)还响应于计算机可执行指令，当该计算机可执行指令被该微控制器(306)执行时，使得该微控制器(306)分解分别用于正负半周期的二次信号。

5.如权利要求1所述的设备，其中该微控制器(306)还包括积分器，其中对该离散小波系数的和在预定的系数阈值上求积分，以及其中当所感测的负载电流高于预定阈值并且积分器的值高于预定阈值条件时，所述微控制器(306)发出解扣信号用于中断电气电路的操作。

6.一种执行用于电路的电弧故障断流(AFCI)的计算机实现的方法，该方法包括：

在与该电路电通信的电流感测装置处感测负载电流；

在与该电流感测装置信号通信的检测单元中产生反映感测的负载电流的电流的二次信号；

在耦合到该检测单元的微控制器处以预定频率对该二次信号进行采样；

确定该二次信号的幅度；

由该二次信号的分量计算离散小波系数；

计算该离散小波系数的和；

比较该离散小波系数的和与预定阈值；

基于该离散小波系数的和以及该二次信号的幅度来确定是否满足阈值标准；以及如果满足的话，

则发出解扣信号以中断该电路的操作。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

当该二次信号指示正或负的过零点时，触发对该二次信号的采样；以及

分解该二次信号分别用于该正负半周期。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

将该离散小波系数的和在预定的系数阈值上求积分，以确定积分器值；

以预定速率减小该积分器值；以及

其中所述确定是否已经满足阈值标准还包括：比较该积分器值与预定的积分器值阈值。

9.一种执行用于电路的电弧故障断流(AFCI)的计算机实现的方法，该方法包括：

使用离散小波变换，将在检测单元处基于由检测单元与之信号通信的电流感测装置感测的负载电流产生的二次信号的部分分别分解成详细和近似的系数；

利用被确定为已被过零采样的该二次信号的第一部分，计算针对该二次信号的正和/或负半周期的离散波形系数的绝对值的和；

比较该绝对值的和与第一预定阈值，或者如果感测的负载的电流小于预选择的幅度，则在预定系数阈值上对该绝对值的和求积分；

比较对该绝对值的和求积分的值与预定积分器值阈值；以及

如果比较的结果表示第一和第二预定阈值中相应的一个被超过给定的时间段，则发出解扣信号以中断该电路的操作。

10.一种通过检测并联电弧操作断流器的方法，该方法包括：

感测负载电流并由此产生电流信号；

对该电流信号进行频率滤波；

确定滤波后的电流信号的基频；

检测该滤波后的信号的电压和/或电流的过零；

确定该滤波后的电流信号的幅度；

对该电流信号进行滤波并将该滤波后的电流信号分解为预定电平以获得离散小波系数；

在正负半周期期间对该滤波后的电流信号进行采样；

计算在正负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值；

对在正负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的计算的绝对值进行求和；

比较在正和/或负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值的和与预定系数和阈值电平；

基于1)在正和/或负半周期期间采样的滤波后的电流信号的离散小波系数的绝对值的和与预定系数和阈值电平的比较，以及2)该二次信号的幅度，确定并联电弧检测的阈值标准是否已经满足；以及

发出解扣信号以操作该断流器。