譚尚升

（佛山市南海飛宇電力電器安裝有限公司設(shè)計(jì)部，廣東佛山528231）

基于二變量模式識(shí)別的剩余電流保護(hù)器脫扣算法研究

譚尚升

（佛山市南海飛宇電力電器安裝有限公司設(shè)計(jì)部，廣東佛山528231）

摘要：現(xiàn)存常規(guī)漏電斷路器的弊端是其頻繁的誤動(dòng)作，分析了誤動(dòng)作的根源是對(duì)于漏電模式的識(shí)別過(guò)于簡(jiǎn)單，提出了一種融合先驗(yàn)知識(shí)的漏電模式識(shí)別方法，在研究算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)上給出一個(gè)完全依靠模擬電子技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)方法，最后預(yù)測(cè)了算法應(yīng)用中可能面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：剩余電流；漏電模式；先驗(yàn)知識(shí)

在低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)漏電保護(hù)器（又稱剩余電流動(dòng)作保護(hù)器）是防止電擊事故的有效措施之一，也是防止漏電引起電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。雖然GB13955—92要求在TT/TN系統(tǒng)中安裝漏電保護(hù)器，但實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀［1］是：1）低壓用戶安裝漏電保護(hù)器的積極性不高；2）部分供電所強(qiáng)制安裝的漏電斷路器被用戶旁路廢除。出于安全保護(hù)目的技術(shù)裝備被用戶避之不用的唯一原因是，常規(guī)漏電斷路器不能容忍的頻繁跳閘（又稱誤動(dòng)作）。

由于漏電原因的多樣性，華南地區(qū)常見(jiàn)的漏電形式包括人員觸電、動(dòng)物觸電、樹(shù)木和雨水、線路絕緣老化、接線端絕緣不良、接線端絕緣擊穿炭化、雷電等。常規(guī)漏電斷路器在上述漏電狀態(tài)下都會(huì)跳閘，因此跳閘動(dòng)作過(guò)于頻繁。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種融合先驗(yàn)知識(shí)的漏電模式識(shí)別方法，該方法基于二變量的模式識(shí)別理論，可以識(shí)別區(qū)分人員觸電、設(shè)備故障漏電和其他漏電等模式。該方法對(duì)于漏電模式進(jìn)行了正確的識(shí)別，將大大地減少誤動(dòng)作。此外，該方法根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，還可以設(shè)定控制為人身保護(hù)和機(jī)器設(shè)備保護(hù)操作方式。因此，采用本文算法控制的漏電斷路器，將徹底改變漏電斷路器的應(yīng)用現(xiàn)狀，使得漏電斷路器成為人身安全和電氣設(shè)備安全的保護(hù)器。

1　脫扣算法原理

常規(guī)漏電斷路器的脫扣算法是：如果剩余電流大于設(shè)定的閾值，則動(dòng)作跳閘。由于漏電的原因很多，所以這樣的脫扣算法就過(guò)于簡(jiǎn)單，應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作。對(duì)于一些較為典型的漏電方式研究顯示［2］：不同形式的漏電，不僅其剩余電流的大小不同，而且剩余電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)（變化量）也顯著不同。因此，當(dāng)選擇二維變量（剩余電流，剩余電流導(dǎo)數(shù)）來(lái)對(duì)漏電模式進(jìn)行判別時(shí)，判斷的正確性將大大提高。

在如圖1所示的i和di/dt平面上，人體觸電或者類似人體觸電的漏電模式，與設(shè)備啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)模

式以及設(shè)備和線路絕緣老化的漏電模式區(qū)域，將在平面上沒(méi)有重合的完全分列。這就是說(shuō)，在先驗(yàn)的設(shè)定了模式類中心的前提下，模式判別值只要度量即時(shí)狀態(tài)與類中心的距離就能夠做出正確的判定，即

圖1　模式類中心設(shè)定原理

式（1）中，i為剩余電流的瞬時(shí)檢測(cè)值，d為先驗(yàn)設(shè)定的模式類廣義半徑，（i，di/dt）為（剩余電流，剩余電流導(dǎo)數(shù)），（ia，△ia）為A類中心的（i，di/dt）值，（ib，△ib）為B類中心的（i，di/dt）值。

上述算法的有效性和正確性顯然與2個(gè)因素相關(guān)，1）模式類中心的設(shè)定的合理性、正確性；2）完成式（1）運(yùn)算的快速性。

模式類中心設(shè)置的正確性，主要依靠先驗(yàn)的知識(shí)來(lái)完成，如圖1所示。考慮到人或者動(dòng)物遭遇電擊之后會(huì)有肌肉引起的“動(dòng)”的反應(yīng)，因此應(yīng)該具有較大的△ia值；而電氣設(shè)備的絕緣老化引起的漏電，應(yīng)該具有較小的△ib。類中心的具體取值應(yīng)該在等價(jià)應(yīng)用環(huán)境下通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定及離線回歸的方法獲得。

完成模式判別運(yùn)算的快速性問(wèn)題，主要依賴于脫扣控制器的硬件條件。在當(dāng)代技術(shù)條件下，嵌入式數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)能夠滿足大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，但是仍然存在運(yùn)算速度和可靠性之間的權(quán)衡。在不考慮硬件條件時(shí)，假設(shè)斷路器嵌入的單片機(jī)性能足夠強(qiáng)大，則類中心的設(shè)定可以在正常運(yùn)行過(guò)程中，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸和修正。

在不考慮硬件條件時(shí)，模式判別可以完全按照式（1）執(zhí)行，還可以設(shè)置一些更高級(jí)的功能，例如模式類中心的自學(xué)習(xí)和跟蹤功能。在考慮到嵌入的計(jì)算機(jī)性能有限的情況下，則需要尋求式（1）的快速算法。如果把式（1）中di/dt的獲取，指定由模擬微分器來(lái)完成，就將會(huì)節(jié)約大量的運(yùn)算時(shí)間。一個(gè)較為簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)途徑，就是把漏電模式的判別功能全部交由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2　模式判別的模擬算法

在當(dāng)代技術(shù)條件下，嵌入式數(shù)字計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠滿足大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，但是仍然存在運(yùn)算速度和可靠性之間的權(quán)衡。受總的分?jǐn)鄷r(shí)間的限制，扣除脫扣器的固有延時(shí)，實(shí)際上留給嵌入式計(jì)算機(jī)的運(yùn)算周期是很短的，如果再扣除刷新屏幕的理性事務(wù)的處理，時(shí)間裕度減小，就會(huì)使得設(shè)計(jì)無(wú)法兼顧可靠性的要求。

純模擬電子計(jì)算技術(shù)的模式判別算法如圖2所示。剩余電流i測(cè)量值經(jīng)過(guò)濾波器、精密整流和增益調(diào)整之后，進(jìn)入比較器1，比較器1的閾值設(shè)定由硬件實(shí)現(xiàn)。剩余電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)di/dt，是剩余電流經(jīng)過(guò)模擬微分器之后的結(jié)果，di/dt經(jīng)過(guò)精密整流之后進(jìn)入比較器2，比較器2的閾值設(shè)定也由硬件實(shí)現(xiàn)。比較器1和比較器2，分別輸出0/1數(shù)字信號(hào)，此2位數(shù)字信號(hào)經(jīng)由2/4譯碼器，得到4個(gè)邏輯判定結(jié)果，經(jīng)過(guò)布爾運(yùn)算，指令脫扣器的動(dòng)作。比較器1和比較器2的閾值設(shè)定，由先驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定。

如圖3所示，上述完全硬件的實(shí)現(xiàn)方案，把i和di/dt平面分割成為A、B、C、D等4個(gè)區(qū)域。在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整漏電保護(hù)器的設(shè)置開(kāi)關(guān)，就能夠選擇預(yù)先設(shè)定的模式類，如人工設(shè)定應(yīng)用模式為：建筑物內(nèi)部、農(nóng)業(yè)戶外、建筑工地、工業(yè)廠房等。

3　結(jié)論

（1）以本文的研究為理論基礎(chǔ)，一種模擬和數(shù)字混合的脫扣斷路器應(yīng)用于某型智能防雷漏電短路器上取得了成功，產(chǎn)品已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)漏電斷路器，尤其表現(xiàn)出色的是出現(xiàn)誤動(dòng)作的概率極小。在上述應(yīng)用中，嵌入式計(jì)算機(jī)采用了抗干擾性能優(yōu)秀的PIC16系列單片機(jī)，di/dt的運(yùn)算

采用了外置的模擬微分器。

（2）理論分析和應(yīng)用實(shí)例證明本文的二變量漏電模式識(shí)別算法的有效性、正確性和性能的優(yōu)越性。

（3）二變量漏電模式識(shí)別的脫扣算法，還可以應(yīng)用到需要對(duì)漏電模式進(jìn)行識(shí)別的其他領(lǐng)域，例如電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

圖2　模式判別模擬算法原理

圖3　模擬運(yùn)算的4區(qū)域分割法

參考文獻(xiàn)：

［1］岳大為.新型漏電保護(hù)技術(shù)研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué), 2009.

［2］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局. GB13955—92漏電保護(hù)器安裝和運(yùn)行［S］.北京:中國(guó)電力出版社, 1993.

［3］劉幗巾,陸儉國(guó),李志剛,等.漏電保護(hù)器的可靠性研究［J］.低壓電器, 2001（5）: 7- 9.

［4］謝恩來(lái).施工現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備漏電保護(hù)器使用探討［J］.施工技術(shù), 2010（3）: 23- 25.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Research on algorithm of tripping for residual current protection device based on two variable pattern recognition

TANShang- sheng
（Design Department, Foshan Nanhai Feiyu Electrical Appliances Installation CO. LTD., Foshan 528231, China）

Abstract:Summarizes the existing drawbacks of the conventional electric leakage breaker is its frequent malfunction. Analysis of causes of maloperation is too simple for identification of leakage mode. This paper proposes a leakage pattern recognition method based on apriori knowledge; studies on related problems in the implementation process ofthe algorithm; gives a completelyrelyon the hardware realization method ofsimulation electronic technology. Finally, predicts problems that algorithms mayface in application .

Keywords:residual current; leakage patterns; priori- knowledge

作者簡(jiǎn)介：譚尚升（1980-），男，廣東鶴山人，佛山市南海飛宇電力電器安裝有限公司工程師。

收稿日期：2015-01-12

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008- 0171（2015）04- 0046- 03