基于STM32故障電弧檢測裝置的設(shè)計

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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時間的過負荷運行，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)。如何檢測線路電弧故障，設(shè)計出有效的電弧故障檢測裝置一直以來是一個備受關(guān)注的熱點話題。

實驗研制的故障電弧檢測裝置樣機主要包括三部分：電流信號采集電路，過零點檢測電路和MPU計算處理單元。電弧故障檢測裝置以電流取樣的方式，通過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，后面連接一個采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)調(diào)理電路放大，濾波后送往微處理器單元進行數(shù)字信號運算，并由串聯(lián)故障電弧識別算法進行綜合判斷，若達到電弧故障檢測裝置(AFDD)的要求[1]，則判斷有故障電弧發(fā)生，檢測裝置發(fā)出報警信號。因為AFDD標(biāo)準(zhǔn)對電弧半波的個數(shù)和時間有明確的要求，所以MCU需要獲得過零點的脈沖信號，用來觸發(fā)AD采集并統(tǒng)計故障電弧中燃弧半波的個數(shù)。

1 檢測原理

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、頻譜分析法和時域波形分析法[3-5]。小波分析法，即對電流信號進行多層小波分解，提取電弧特征[6]。頻域分析法，通過對電流信號進行快速傅里葉變換(FFT)，提取電流信號中的高頻成分，判斷是否發(fā)生電弧故障[7]。還有一些機器學(xué)習(xí)的方法檢測電弧故障。比如對電流信號進行多個特征量的提取，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)或支持向量基(SVM)等方法進行訓(xùn)練，得到判斷特征與電弧故障的算法[8-9]。對于檢測低壓配電柜中的電弧故障，通常采用聲光檢測法，即對電弧電壓信號和弧光信號進行檢測，判斷是否有電弧故障發(fā)生[10]。

實驗檢測裝置采用了時域波形分析法。時域波形分析法，即對電流信號進行采集，提取時域波形的特征量。然后對提取的特征量分析比較，如果相比較的兩個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。此算法基于時域波形分析，分別提取時域電流波形的幅值、波形上升率和正半周期時間寬度作為特征量。在保留最大原始有效信息的同時，針對不同負載用不同的特征量進行判別，提高了準(zhǔn)確率，減少誤判。且該方法計算量小，準(zhǔn)確性高，易于在單片機上實現(xiàn)。

1.1 時域電流波形比較算法

故障電弧發(fā)生時會導(dǎo)致負載電流波形出現(xiàn)很大的波動，這種波動會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、開關(guān)電源和吸塵器負載在正常工作和發(fā)生電弧故障時的電流波形。

圖1 日光燈負載

圖2 開關(guān)電源負載

圖3 吸塵器負載

通過圖中的波形對比可以看出，當(dāng)發(fā)生故障電弧時，其電流波形和正常工作時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，電弧電流在過零點附近會有平肩現(xiàn)象；

4)電弧波形具有一定的隨機性；

圖1對比日光燈負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，電流波形前后兩周期不完全相同，波形出現(xiàn)隨機性，在零點附近出現(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，所以日光燈負載可以通過AD轉(zhuǎn)換器采集電流幅值，和負載正常工作下的電流幅值作差，計算其差異值，再和設(shè)定的閾值相比較，判斷是否發(fā)生電弧故障。

對于開關(guān)電源負載，發(fā)生串聯(lián)電弧故障時波形在過零點附近有平肩現(xiàn)象，且在波形上升處出現(xiàn)大量毛刺，電流波形過零后上升率變大。所以對于開關(guān)電源負載，可以通過AD采集電流波形數(shù)據(jù)點，取出數(shù)據(jù)中相應(yīng)的點計算波形的上升率，將計算出的波形上升率和正常工作時的上升率作差，將差值和設(shè)定的閾值相比較，判斷是否發(fā)生電弧故障。

對于吸塵器負載，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生電弧故障時，電流波形在過零處有平肩現(xiàn)象且波形出現(xiàn)毛刺。由于波形在過零點處出現(xiàn)平肩，過零檢測電路就不會產(chǎn)生高電平信號，也就不會觸發(fā)AD采集。負載電流波形出現(xiàn)平肩現(xiàn)象會導(dǎo)致高電平時間縮短，相應(yīng)的AD采樣時間也會縮短。在AD采樣頻率一致的情況下，采集到的點也會減少。所以對于吸塵器負載，可以通過采樣時間寬度進行判斷是否發(fā)生電弧故障。

上述3個特征量就是設(shè)計電弧故障檢測裝置樣機的原理基礎(chǔ)。其中電流波形幅值差異值的具體計算方法如下。

1)設(shè)每個波形正半周期采集N個點，采集3個半波的電流波形，通過比較3個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值在一個正半周期內(nèi)的平均值：

(2)

3)在STM32系統(tǒng)初始化結(jié)束后開始AD采樣，可以得到前3個正半周期和兩個值，比較兩個值，若

|D1-D2|≤0.000 2

(3)

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

4)計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)計算差值在正半周期內(nèi)的平均值。

(5)

6)計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，計算波形正半周期幅值的差異值并將其作為一個電流波形特征量。

(7)

1.2 系統(tǒng)框圖

圖4 故障電弧檢測裝置系統(tǒng)框圖

故障電弧檢測裝置系統(tǒng)框圖如圖4。該裝置包括電流信號采集、過零檢測、數(shù)據(jù)處理保存及電弧故障識別等部分。

一次側(cè)回路的負載電流經(jīng)電流互感器衰減后送往信號采集電路，通過電流取樣的方式獲取電壓信號。調(diào)理電路對信號進行濾波和放大，然后送往單片機進行AD轉(zhuǎn)換和信號處理；MCU在過零點信號的同步脈沖控制下采集電流信號波形，并進行故障電弧的檢測判斷，若檢測到電弧故障就會發(fā)出報警信號(LED)。MCU是電路的核心運算器件，選擇的MCU至少要滿足以下要求： 1)時鐘頻率要滿足計算和A/D采樣的時間要求；2)內(nèi)部RAM要有足夠的存儲空間以存儲數(shù)據(jù)；3)要有DMA功能。

兼顧性價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。通過充分利用其片上ADC、DMA、定時器和獨立看門狗等資源進行設(shè)計，可以提高故障電弧檢測裝置的簡潔性和可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器快速采集電路的電流波形信號；DMA控制器將數(shù)字信號傳送至指定內(nèi)存交由CPU處理；在STM32F4的平臺上，電弧檢測算法運算速度能達到實時性的要求。

2 故障電弧檢測裝置的硬件設(shè)計

檢測裝置的硬件部分可以實現(xiàn)電流信號的采集、過零檢測、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等功能。

2.1 信號采集調(diào)理電路

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

圖5 電流信號采集電路

電流互感器選用的型號為GNCT-226A，額定電流變比5A/5 mA，R2為采樣電阻，把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到單片機中。運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口可以識別的0～3.3 V電平以內(nèi)的信號。電阻R1為限流電阻，限定電路的工作電流，使電路運行在一個合適的工作狀態(tài)下。

2.2 過零檢測電路

根據(jù)AFDD標(biāo)準(zhǔn)對電弧半波個數(shù)和時間要求，當(dāng)試驗電路中發(fā)生燃弧時，在50 Hz額定頻率下，電路電流大于100A時，AFDD動作判別的極限值是檢測到8個燃弧半波(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需獲得過零點脈沖信號，作為判斷統(tǒng)計故障電弧個數(shù)的同步脈沖。正半周期電流檢測電路如圖6。

圖6 過零點檢測電路及仿真結(jié)果

通過波形圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入信號處于正半周期時，電路輸出高電平，當(dāng)信號處于負半周時，電路輸出低電平。因此可以把該電路的輸出信號接STM32的輸入引腳PA1，當(dāng)PA1采集到高電平時，AD轉(zhuǎn)換器開始采樣；當(dāng)PA1采集到低電平時，AD轉(zhuǎn)換器停止采樣。所以該電路的作用是輸出波形過零點信號，觸發(fā)A/D采集，統(tǒng)計燃弧半波個數(shù)。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

STM32片上擁有3個ADC，這些A/D轉(zhuǎn)換器可以獨立使用，也可以使用雙重/三重模式(提高采樣率)[10]。通過對ADC相關(guān)寄存器進行配置，可以設(shè)置它的分辨率、采樣通道、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)。試驗方案使用ADC1的通道5進行采集，轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)為12位，轉(zhuǎn)換時間為96個時鐘周期，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

裝置樣機中的STM32檢測程序用庫函數(shù)編程的方式編寫，庫函數(shù)是由ST官方提供的建立在寄存器與用戶驅(qū)動層之間的代碼，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，開發(fā)周期短等優(yōu)點。

在ADC采樣程序中，為了提高CPU的利用效率，開啟了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)的過程中同時進行數(shù)據(jù)運算，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 檢測算法流程圖

故障電弧檢測程序：

框圖7中的波形比較過程是算法的核心部分，當(dāng)電路中的屏蔽負載不同時，電流時域波形所表現(xiàn)出的差異值也不相同。以上述3種實驗負載為例，將正半周期采樣時間寬度差值，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為檢測判斷流程，具體過程如圖8。

圖8 故障電弧檢測判斷流程

STM32系統(tǒng)時鐘配置完成后，MCU進入正常運行模式，當(dāng)過零檢測電路發(fā)出高電平信號時，軟件開始接收采集到的數(shù)據(jù)和定時器中斷，并將采集的數(shù)據(jù)通過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)，并將每個特征值依次比較，判斷是否超過閾值。若超過，故障標(biāo)志位Flag加1，不符合就繼續(xù)下一次判斷。在進行比較時，只要滿足其中任何一個特征量的預(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)中都會判斷時間和故障標(biāo)志位是否達到預(yù)設(shè)條件，若滿足設(shè)定條件，則發(fā)出電弧故障報警信號，若不滿足，繼續(xù)下一條指令。

由圖8可知，檢測算法程序是通過比較兩個電流波形之間的差異值來檢測故障電弧是否發(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 實驗結(jié)果驗證

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

表1 STM32的計算輸出結(jié)果負載類型

△t為電流波形采樣時間寬度之差；△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)為多次采樣計算后獲得，每個周期的數(shù)據(jù)在表中數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上略有波動。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 和對串聯(lián)故障電弧的判別效果匯總負載類型

對已知負載的電弧故障檢測：

進行串聯(lián)電弧故障試驗，實驗負載分別為日光燈、吸塵器和開關(guān)電源，按照AFDD標(biāo)準(zhǔn)要求連接電路并施加額定電壓，通過電弧發(fā)生器產(chǎn)生電弧故障。分別進行100次測試，驗證電路中突然出現(xiàn)串聯(lián)電弧故障時AFDD能否正確識別。

表3 對固定負載的電弧故障檢測結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)實驗測試驗證，在模擬電弧故障試驗中，當(dāng)分別選用日光燈、吸塵器和開關(guān)電源為實驗負載時，該基于STM32的故障電弧檢測裝置對電弧故障的檢測具有較高的準(zhǔn)確性，但對更多未知負載的檢測需要進一步實驗驗證。本文的研究意義在于將軟件檢測算法移植到STM32平臺，通過對3種屏蔽負載的實驗，測試了電弧檢測算法的有效性。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，可以通過編程輕松實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，簡化了硬件的設(shè)計。隨著低壓保護電器的不斷發(fā)展，基于STM32單片機的故障電弧檢測裝置將會擁有廣闊的應(yīng)用價值和市場前景。

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