电弧故障检测装置的设计与实现.docx

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1、电弧故障检测装置的设计与实现硬件是软件的载体，硬件设计的好坏直接决定了故障电弧检测装置运行的性能。软件通过硬件实现故障电弧检测装置的相应功能，软件设计的优劣也影响着故障电弧检测装置功能的实现。5-1基于支持向量机的故障电弧检测故障电弧检测装置硬件框图见图5-1,核也主控忘片选择为意法半导体公司的STM32F205RBT6芯片。主要的硬件电路包括主控电路、电源电路、电流数据采集电路、外围扩展接口电路、恒流源输出电路、按键测试电路、声光报警电路等。5-1-1主控电路CCCC图5-1主控电路图Fig. 5-1 diagram of main control circuit综主控电路是使得STM32F

2、205RBT6能够工作的玻精简组成部分，包括晶振电路，复位电路，电源等，如图5T所示。其中，C6、U2、R1组成最小系统的有源晶振电路，之所以采用有源晶振是由于其信号质量好，并且比较稳定，连接方式简单，不需要复杂的配置电路。R2、C7、P1组成了复位电路，采用上电复位和手动复位方式，上电复位采用RC串联电路，利用电容的充放电实现复位。手动复位需要长按P1将RST电平拉低完成复位。B00T0和B00T1为STM32芯片的启动模式选择端口，B00T0和B00T1分别连接电阻R3、R4接地，即B00T1R、B00T0=0表示从芯片内置Flash启动，这是一种正常的启动模式。5-1-2电源电路在故障电

3、弧检测装置硬件中，电源模块的设计好坏与否关系到整个系统的供电是否稳定可靠，是整个系统设计的关键之一。整个系统内部需要不同等级的供电电压，其中主控芯片STM32F205RBT6需要+3.3工作电压，声光报警电路和运放需要+5的工作电压,485通讯电路则需要隔离的+5电压。本论文的+5电源采用工频变压器模块得到，如图4-2所示。图中U4为4W小型PCB直插变压器能够将市电220V转换为9V.,然后再由整流桥MB10S将交流信号变换为直流信号，但此时信号非标准直流信号而为正弦绝对值信号。需要在经过电容C15、C16滤波后才能成为标准直流。再由三端稳压芯片L7805将电压进一步降低到+5,经由、C18

4、电容后输出稳定的+5V直流。图5-2 +5V直流电源电路Figure 5-2 the +5V DC power supply circuit由于STM32F205RBT6的电压为+3.3V,所需要将+5V转换为+3. 3V,本论文采用AMS1117-3. 3线性稳压芯片,如图5-3所示。AMS1117-3. 3具有1%的精度，同时内部具有过热保护和限流保护，温度范围跨度大-40125,是为主控芯片供电的最佳选择。图5-3 +3. 3V电源Figure 5-3 +3. 3V power supply5-1-3电流数据采集电路根据故障电弧检测装置的功能需求，故障电弧检测装置需要通过电流数据采集电路

5、对线电流进行实时采样，电流数据采集电路的信号采集是由线电流互感器采样完成。线电流互感器采样信号是故障电弧检测装置的输入信号，经过硬件电路的信号调理以后，送入STM32F205RBT6进行AD转换。电流数据采集电路如图5-4所示。图5-4采样调整电路Figure 5-4 sampling adjustment circuit图中U11为穿过零火线的电流互感器。本论文选用的互感器为济南拍晶电子生产的型号为CT220301的穿心式电流互感器,其输入额定电流50A,输出电流50m.变比为1000： 1,在采样电阻为50时相位差小于30,线性范围为0-50A,频率特性为20-20KHz,线性度为0.2%

6、,精度等级0. 5,隔离耐压为3000,密封材料为环氧树脂，安装方式为PCB安装。在工作状态下，二次侧严格禁止开路，不然会产生高压可能会导致触电危险。当回路开关闭合，一次侧有电流流过，互感器二次侧产生的感应电流流经采样电阻R10后形成电压信号。由于互感器输出的信号为交流信号，存在负电压，而STM32F205RBT6不能处理负电压，需要对信号进行调整。所采取的措施是为互感器采样信号提供一个L4V的直流偏置，互感器为1000： 1所以二次侧的采样电压一般不会超过IV ,这保证了调整后的信号为正信号。具体做法是：利用DI、D2两个高频二极管使电压谢位在1.4V,因为一个二极管的压降是0. 7,两个则

7、会有1. 4V的压降，这样就使得采样信号整体被抬高 ” 了 1.4Vo当故障电弧检测装置遭遇到雷击等以外情况时，输入信号有时些远远超过3. 3V,由于PORT_AD与STM32F205RBT6的PCO引脚直接相连接，若高电压直接进入STM32F205RBT6必然对其造成损坏。因此为了对STM32F205RBT6进行保护，必须要采取必要的保护电路。具体措施是，利用二极管D3、D4和电容C17,当产生高于3. 3V的脉冲时，D3会导通将PORT_AD电压钳位在4V左右，也就是3. 3V加上二极管压降，同理当出现小于零的负脉冲时，D4导通将PORT_AD钳位在-0. 7V左右。这样当出现高幅度的脉冲

8、时，D3、D4能够将其钳位在较低的电压等级，再流经限流电阻RU保证不会流入高电流。此时单就能确保不会出现损坏STM32F205RBT6的情况。5-1-2故障电弧断路器软件方案设计本文通过实验采集数据后通过上位机对数据进行处理，数据经过处理完成后来确定检测故障电弧线路中电流波形特征特征的方法，方法确定之后使用此方法对数据进行仿真实验，判断所选取算法是否可行。STM32编程方面选取语言为C语言，C语言简洁紧凑、可移植性高等特点可以提高编程效率。因为各个模块所需完成的任务不同，则需对各个模块分开进行编程，各个模块在运行时需要相互配合完成任务，完成各个模块的编程后还需将所有模块整合到一个函数体内，通过

9、主函数和库函数将其联系成为一个整体的结构。分模块编程使读者理解起来简洁明了，使用者也可以很好的对功能进行扩展。故障电弧断路器应满足感应到电路中的发生故障电弧时能及时断开电源避免发生危险。软件设计流程如图所示：Z/klffl板在剁r也4日不心人图5-5断路器软件流程图第六章结论一、全文总结故障电弧是引发电气火灾的主要原因之一，故障电弧检测装置能够有效检测用电线路中的故障电弧，并快速报警，保证用户的用电安全，它弥补了老式保护设备无法检测故障电弧的缺陷。本论文基于上述背景对故障电弧检测技术进行研究，并成功设计出故障电弧检测装置样品。本论文所做的主要工作如下：(1)介绍了故障电弧检测装置的发展背景，分

10、析国内外故障电弧检测装置的研究现状及发展趋势。(2 )分别给出了故障电弧检测装置硬件总体设计方案和软件总体设计方案，并对多款芯片进行了比较，选出了本论文的主控芯片，同时对软件所使用的开发环境进行了简要介绍。(3)通过搭建故障电弧实验平台，分析得出故障电弧的普遍特性，根据故障电弧的普遍特征，分别用小波变换、EMD能量端方法进行故障电弧特征参数的提取，并结合SVM完成对故障电弧的判别。在matlab下对故障电弧判别算法进行了仿真，验证了该检测方法的可行性。(4)对故障电弧检测装置进行软硬件设计。硬件电路设计主要包括主控电路、电源电路、电流数据采集电路、通讯预留接口电路、声光报警电路、按键测试电路和

11、外围扩展预留接口电路等。软件设计主要包括主程序、A/D转换程序、特征参数提取程序、通讯和声光报警程序等。(5)故障电弧检测装置样机设计完成后，按照GB14287-2014对故障电弧检测装置的规定，对故障电弧检测装置进行了报警性能测试、串扰测试以及误报警测试。测试结果表明，本论文所设计的故障电弧检测装置样机达到了预期目标。二、主要创新点1 .故障电弧检测算法创新对于低压交流故障电弧检测算法，国内外对电气量特征的分析按时域和频域分类有：电流平均值或峰值、幅值积分量、频域分布频带、频域某次谐波幅值、小波高频细节幅值等特征。通过对各种算法的研究比较，本项目提出基于HHT变换的故障电弧检测算法，用EMD

12、后处理得到的特征IMF的周期瞬时能量的相对大小，构造低压交流故障电弧特征的综合判据。2 .算法的有效性、通用性提高对比各种负载数据发现算法可以对不同类型负载电流信号的故障电弧准确识别，但对不同电流的响应程度不同。感性、容性负载和开关电源型负载电流信号的特征模态分量的半周期能量，在电弧故障前后有较大幅值差异；阻性负载和开关电源型负载电流信号的半周期能量值变化相对轻缓。其直接原因是特征模态分量在故障前后差异程度不同，反映出不同负载电流在故障后畸变程度的差异和EMD算法对不同类型波形特征的捕捉能力的差异。设置适当的阈值，考察特征模态分量半周期能量的方法可以判断多种类型负载下的故障电弧。三、进一步的研究工作本文对适用于故障电弧检测的算法进行了理论研究，并设计了故障电弧断路器的软硬件模型，并进行了故障测试。针对目前的研究情况，后续的研究需要从以下三个方面展开：1 .进一步优化故障电弧检测的算法，更好的适应故障电弧的非线性特性。2 .针对所设计的故障电弧检测系统进行实验研究，根据具体测量各环境下各种用电设备产生故障电弧的工作特性。3 .结合实际生活环境，研究故障电弧断路器在实际应用中的存在的问题、影响因素与工作特性。