基于改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法的觸電事故特征信號檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)漏電保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量 法的觸電事故特征信號檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸電事故是供用電領(lǐng)域?qū)е氯松韨龅闹饕?。漏電保護(hù)裝器被廣泛應(yīng)用于城 鄉(xiāng)供電網(wǎng)，是低壓電網(wǎng)防止觸漏電傷亡的主要技術(shù)手段。20世紀(jì)開始，國內(nèi)外在人體觸電 電流方面進(jìn)行了許多研究，將通電時間和觸電電流通過人體帶來的生理反應(yīng)劃分為幾個區(qū) 域，建立起以幅值為判據(jù)的安全基準(zhǔn)，作為漏電保護(hù)器整定準(zhǔn)則，以此提供給各個國家作為 電擊保護(hù)特性研究及裝置開發(fā)的參考。在理想條件下可以起到比較良好的保護(hù)效果，但對 于實(shí)際線路中存在自然漏電流引起的保護(hù)死區(qū)仍然無法解決?，F(xiàn)有的脈沖動作型、鑒幅鑒 相動作型等幾種類型漏電保護(hù)裝置，未能動作于具有唯一可比性的觸電事故特征信號，難 以有效防止人身觸電傷亡。由于線路通常存在自然漏電電流，發(fā)生人身或其他生命體觸電 事故時，保護(hù)裝置檢測到的漏電流，是非常微弱的觸電特征信號電流與自然漏電流的隨機(jī) 混合，增加了觸電特征信號的檢測難度。研究具有唯一可比性的觸電事故特征信號的快速、 準(zhǔn)確檢測方法是保證供用電安全的關(guān)鍵課題，具有重要理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 在三相四線制中、低壓供電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生生命體觸電或其他短路事故時，保護(hù)裝置 檢測到事故電流，經(jīng)處理和識別后，按設(shè)定規(guī)則向斷路器發(fā)出動作信號，原理如圖1所示， 圖1中的I或Π為檢測點(diǎn)。接入電網(wǎng)的保護(hù)裝置在線運(yùn)行，未發(fā)生事故時，檢測的實(shí)時單通 道總漏電流為自然漏電流L，為三相漏電流矢量和。正常時，三相漏電流平衡，自然漏電流 乙=0 ;非正常時，三相漏電流不平衡，I 0,保護(hù)裝置動作。實(shí)際中，正常供電時，三相負(fù) 荷很難完全平衡，線路存在老化，環(huán)境和氣象變化等，均可能導(dǎo)致漏電流，因此總存在不為〇 的自然漏電流。供電網(wǎng)內(nèi)的觸電或非觸電事故，主要是單相或兩相之間的觸電事故，均會引 起漏電流變化，這是保護(hù)裝置動作的基本原理。
[0004] 以單相事故為例。假設(shè)C相發(fā)生觸電事故，檢測電流Iz是事故電流I3與IJ勺向 量和：
[0005] I/ =/, + /. (1)
[0006] 現(xiàn)有保護(hù)裝置根據(jù)Iz的大小或變化幅度進(jìn)行保護(hù)，但式（1)為隨機(jī)性向量和，難 以保證1 2必然增大或減小，不能區(qū)分生命體和非生命體觸電，且保護(hù)裝置存在死區(qū)。
[0007] 因此當(dāng)發(fā)生了人體觸電，保護(hù)能檢測到觸電事故特征信號立即動作，就可以真正 避免電擊對人體造成的傷害。國內(nèi)外已有相關(guān)的探索研究，包括小波與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限脈沖 響應(yīng)與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、FIR濾波與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等人工智能的觸電信號檢測 方法，但樣本依賴性強(qiáng)，工程應(yīng)用困難。事實(shí)上，保護(hù)裝置檢測所得漏電流可分解為自然漏 電流和事故漏電流兩個分量，現(xiàn)有特波法希望能刻畫觸電特征，但因?qū)ξㄒ豢杀刃蕴卣鞯?認(rèn)識不足，尚未推廣應(yīng)用。生命體電阻抗的頻散特性可作為區(qū)分觸電事故的唯一可比性特 征，但該特征的檢測算法復(fù)雜，工程應(yīng)用尚有困難。
[0008] 針對面臨的困難，從保護(hù)裝置可檢測到信號的固有特征出發(fā)，可利用盲源分離技 術(shù)進(jìn)行觸電事故特征信號檢測。盲源分離（BlindSourceSeparation，BSS)無需先驗(yàn)知識， 具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，是隨機(jī)混合信號中微弱信號檢測的有效方法，已得到廣泛應(yīng)用，其 中最常用的算法為快速獨(dú)立分量法（IndependentComponentAnalysis，ICA)。漏電保護(hù)裝 置測量到的漏電流為單通道混合信號電流，利用單通道快速獨(dú)立分量法（SingleChannel IndependentComponentAnalysis，SCICA)技術(shù)檢測觸電事故特征信號，很有吸引力，該方 法已在聲信號、圖像、生物醫(yī)學(xué)和機(jī)械故障檢測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法的觸電 事故特征信號檢測方法，以解決現(xiàn)有的觸/漏電保護(hù)器存在保護(hù)死區(qū)的問題，建立觸電故 障與保護(hù)動作的直接聯(lián)系。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0011] -種基于改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法的觸電事故特征信號檢測方法，包括以下檢 測步驟：
[0012] 對檢測到的單通道總漏電流iz(：(t)進(jìn)行通道擴(kuò)展，得到多路虛擬通道總漏電流 iz(t);設(shè)單通道總漏電流iz(](t)中含有η個相互獨(dú)立的源信號，通過延時方式將單通道 總漏電流iz(](t)擴(kuò)展為多路虛擬通道總漏電流iz(t)，向量表示為1=[11(0，込(0，~ ，iz.j(t),…，izl(t)]T，其中，第j個通道信號：iz.j(t) =izQ(t+(j_l)τ)，j= 1，2,…，1，式 中，τ為延時長度，滿足虛擬信號與實(shí)測信號強(qiáng)相關(guān)、噪聲弱相關(guān)的要求；1為虛擬通道數(shù)， 1多η，滿足盲源分離條件；
[0013] 采用改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法，從多路虛擬通道總漏電流iz(t)中檢測并提取 出觸電事故特征信號；具體包括：步驟1，初始化，設(shè)置迭代次數(shù)d，迭代精度ε，估計(jì)源信 號個數(shù)Ν;步驟2,設(shè)置迭代初始向量wd。，其中，wd(]=E[ridt]，r為已知的參考信號，滿足 E[(wd。idt)2] = 1 ;步驟3,構(gòu)造迭代公式，按牛頓法的思想，對預(yù)處理后的觀測信號進(jìn)行迭 代：wd=E[idtg(wdidt)]-E[g'（wdidt)]wd，式中，g(.)為G(.)的導(dǎo)數(shù)，g' (·)為g(.)的導(dǎo) 數(shù)；步驟4,求解公式wd=E[idtg(wdidt)]-E[g'（wdidt)]w<^^迭代值，對其標(biāo)準(zhǔn)正交化處理：
W?' ?步驟5,若I|wd+1-wd|I<ε，則算法收斂，進(jìn)入步驟6,反之，返回步 驟3 ;步驟6,令d=d+Ι，若d=Ν，完成源信號分離，反之，返回步驟2 ;最后，直接分離求得 分離信號i's (t)，并對其幅值還原得到觸電事故特征信號is (t)。
[0014] 根據(jù)上述方案，所述單通道總漏電流izQ(t)的獲取方法為：
[0015] 基于數(shù)字信號處理器DSP獲取觸電事故的實(shí)時單通道總漏電流；
[0016] 檢測觸電時刻，即獲取包含觸電事故特征信號的單通道總漏電流iz(](t);具體為： 設(shè)實(shí)時單通道總漏電流第k個采樣點(diǎn)為i[k]，電流均值；《 = 式中，Μ 1V.L 為每個周期的采樣點(diǎn)數(shù)；定義電流均值變化率
：式中，μτ、μτ+1 為第Τ和第Τ+l周期電流均值；定義電流均值相對變化庫
！電故障發(fā) 生時刻檢測判據(jù)R=min(RT，RT+1)多δ，式中，δ為檢測判據(jù)閾值，從而判斷出觸電事故發(fā) 生時刻，且獲取包含觸電事故特征信號的單通道總漏電流。
[0017] 根據(jù)上述方案，所述基于數(shù)字信號處理器DSP獲取觸電事故的實(shí)時單通道總漏電 流，具體為由一個高精度漏電電流互感器和信號調(diào)理電路構(gòu)成的一路高精度漏電電流采集 單元采集實(shí)時單通道總漏電流，采用DSP滑窗采樣實(shí)時單通道總漏電流。
[0018] 根據(jù)上述方案，設(shè)置采樣窗口長度為3個工頻周期，每次滑動步長為0. 5個工頻周 期。
[0019] 根據(jù)上述方案，根據(jù)檢測到的觸電事故特征信號，當(dāng)其超過安全閾值時，發(fā)出動作 信號。
[0020] 根據(jù)上述方案，所述安全閾值為30mA。
[0021] 根據(jù)上述方案，還包括對多通道虛擬信號進(jìn)行中心化和白化處理，進(jìn)而得到低維 多路虛擬通道總漏電流iz (t)。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明檢測方法通過DSP獲取單通道觸 電事故時的實(shí)時單通道總漏電流，利用虛擬通道器將其擴(kuò)展為多路虛擬通道總漏電流，進(jìn) 而利用改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法來檢測生命體觸電事故特征信號。本發(fā)明檢測到生命體 觸電事故特征，能立即動作，具有理想的保護(hù)運(yùn)行特性，特別適用于低壓配電網(wǎng)三相四線制 線路的末級保護(hù)。
【附圖說明】
[0023] 圖1是觸電事故特征信號檢測中的觸/漏電保護(hù)原理示意圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明中改進(jìn)單通道觸電信號快速分量法原理示意圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明基于改進(jìn)單通道快速獨(dú)立分量法的觸電事故特征信號檢測流程。
[0026] 圖4是為驗(yàn)證本發(fā)明方法的有益效果所采用的低壓動物觸電實(shí)驗(yàn)平臺。
[0027] 圖5是本發(fā)明中觸電電流實(shí)際值與檢測值的對比結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明基于改進(jìn)單 通道快速獨(dú)立分量法的觸電事故特征信號檢測方法，主要步驟為：
[0029] 1)基于數(shù)字信號處理器DSP獲取觸電事故的實(shí)時單通道總漏電流。
[0030] 經(jīng)由一路高精度漏電電流采集單元（由一個高精度漏電電流互感器和信號調(diào)理 電路構(gòu)成）采集實(shí)時單通道總漏電流，利用DSP滑窗采樣實(shí)時單通道總漏電流。設(shè)置采樣 窗口長度為3個工頻周期，每次滑動步長為0. 5個工頻周期?；讷@取的觸電事故實(shí)時單 通道總漏電流來進(jìn)行觸電事故特征信號檢測，檢測結(jié)果更貼近實(shí)際工作情況，能反映電網(wǎng) 中總漏電流變化情況，為生命體觸電保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。
[0031] 2)觸電時刻快速檢測
[0032] 生命體觸電事故檢測關(guān)鍵包括檢測事故發(fā)生時刻和檢測觸電事故特征信號。首 先，需要準(zhǔn)確定位事故發(fā)生時刻。本發(fā)明基于事故前后總漏電流均值變化率進(jìn)行故障判斷， 從而確定事故發(fā)生時刻，獲取包含觸電事故特征信號的單通道總漏電流iz(] (t)。設(shè)實(shí)時單 通道總漏電流第k個采樣點(diǎn)為i[k]，電流均值μ為：
[0033]
(2)
[0034] 式中，Μ為每個周期的采樣點(diǎn)數(shù)。
[0035] 定義電流均值變化率Dw(μτ，μτ+1):
[0036]
(3}
[0037] 式中，μτ、μτ+1為第Τ和第Τ+1周期電流均值。
[0038] 定義電流均值相對變化率RT:
[0039]
(4)
[0040] 觸電故障發(fā)生時刻檢測判據(jù)R定義為：
[0041 ]R=min(RT,RT+1)多δ (5)
[0042] 式中：δ為檢測判據(jù)閾值。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，觸電故障前后的電流均值相對變化率 RT^ 30,可選檢測判據(jù)閾值δ=30。由此可以判斷觸電事故發(fā)生時刻，并且獲取包含觸電 事故特征信號的單通道總漏電流。
[0043] 3)觸電事故特征信號檢測
[0044] a、對已有單通道總漏電流^。⑴進(jìn)行通道