基于二变量模式识别的剩余电流保护器脱扣算法研究

谭尚升

（佛山市南海飞宇电力电器安装有限公司设计部，广东佛山528231）

基于二变量模式识别的剩余电流保护器脱扣算法研究

谭尚升

（佛山市南海飞宇电力电器安装有限公司设计部，广东佛山528231）

摘要：现存常规漏电断路器的弊端是其频繁的误动作，分析了误动作的根源是对于漏电模式的识别过于简单，提出了一种融合先验知识的漏电模式识别方法，在研究算法实现过程中相关问题的基础上给出一个完全依靠模拟电子技术的硬件实现方法，最后预测了算法应用中可能面临的问题。

关键词：剩余电流；漏电模式；先验知识

在低压配电系统中装设漏电保护器（又称剩余电流动作保护器）是防止电击事故的有效措施之一，也是防止漏电引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。虽然GB13955—92要求在TT/TN系统中安装漏电保护器，但实际应用的现状［1］是：1）低压用户安装漏电保护器的积极性不高；2）部分供电所强制安装的漏电断路器被用户旁路废除。出于安全保护目的技术装备被用户避之不用的唯一原因是，常规漏电断路器不能容忍的频繁跳闸（又称误动作）。

由于漏电原因的多样性，华南地区常见的漏电形式包括人员触电、动物触电、树木和雨水、线路绝缘老化、接线端绝缘不良、接线端绝缘击穿炭化、雷电等。常规漏电断路器在上述漏电状态下都会跳闸，因此跳闸动作过于频繁。

针对上述问题，本文提出了一种融合先验知识的漏电模式识别方法，该方法基于二变量的模式识别理论，可以识别区分人员触电、设备故障漏电和其他漏电等模式。该方法对于漏电模式进行了正确的识别，将大大地减少误动作。此外，该方法根据不同的应用场景，还可以设定控制为人身保护和机器设备保护操作方式。因此，采用本文算法控制的漏电断路器，将彻底改变漏电断路器的应用现状，使得漏电断路器成为人身安全和电气设备安全的保护器。

1　脱扣算法原理

常规漏电断路器的脱扣算法是：如果剩余电流大于设定的阈值，则动作跳闸。由于漏电的原因很多，所以这样的脱扣算法就过于简单，应用中经常出现误动作。对于一些较为典型的漏电方式研究显示［2］：不同形式的漏电，不仅其剩余电流的大小不同，而且剩余电流的时间导数（变化量）也显著不同。因此，当选择二维变量（剩余电流，剩余电流导数）来对漏电模式进行判别时，判断的正确性将大大提高。

在如图1所示的i和di/dt平面上，人体触电或者类似人体触电的漏电模式，与设备启动和运转模

式以及设备和线路绝缘老化的漏电模式区域，将在平面上没有重合的完全分列。这就是说，在先验的设定了模式类中心的前提下，模式判别值只要度量即时状态与类中心的距离就能够做出正确的判定，即

图1　模式类中心设定原理

式（1）中，i为剩余电流的瞬时检测值，d为先验设定的模式类广义半径，（i，di/dt）为（剩余电流，剩余电流导数），（ia，△ia）为A类中心的（i，di/dt）值，（ib，△ib）为B类中心的（i，di/dt）值。

上述算法的有效性和正确性显然与2个因素相关，1）模式类中心的设定的合理性、正确性；2）完成式（1）运算的快速性。

模式类中心设置的正确性，主要依靠先验的知识来完成，如图1所示。考虑到人或者动物遭遇电击之后会有肌肉引起的“动”的反应，因此应该具有较大的△ia值；而电气设备的绝缘老化引起的漏电，应该具有较小的△ib。类中心的具体取值应该在等价应用环境下通过实验测定及离线回归的方法获得。

完成模式判别运算的快速性问题，主要依赖于脱扣控制器的硬件条件。在当代技术条件下，嵌入式数字计算机的应用已经能够满足大部分的工业现场要求，但是仍然存在运算速度和可靠性之间的权衡。在不考虑硬件条件时，假设断路器嵌入的单片机性能足够强大，则类中心的设定可以在正常运行过程中，用实测数据回归和修正。

在不考虑硬件条件时，模式判别可以完全按照式（1）执行，还可以设置一些更高级的功能，例如模式类中心的自学习和跟踪功能。在考虑到嵌入的计算机性能有限的情况下，则需要寻求式（1）的快速算法。如果把式（1）中di/dt的获取，指定由模拟微分器来完成，就将会节约大量的运算时间。一个较为简易的实现途径，就是把漏电模式的判别功能全部交由硬件来实现。

2　模式判别的模拟算法

在当代技术条件下，嵌入式数字计算机已经能够满足大部分的工业现场要求，但是仍然存在运算速度和可靠性之间的权衡。受总的分断时间的限制，扣除脱扣器的固有延时，实际上留给嵌入式计算机的运算周期是很短的，如果再扣除刷新屏幕的理性事务的处理，时间裕度减小，就会使得设计无法兼顾可靠性的要求。

纯模拟电子计算技术的模式判别算法如图2所示。剩余电流i测量值经过滤波器、精密整流和增益调整之后，进入比较器1，比较器1的阈值设定由硬件实现。剩余电流的时间导数di/dt，是剩余电流经过模拟微分器之后的结果，di/dt经过精密整流之后进入比较器2，比较器2的阈值设定也由硬件实现。比较器1和比较器2，分别输出0/1数字信号，此2位数字信号经由2/4译码器，得到4个逻辑判定结果，经过布尔运算，指令脱扣器的动作。比较器1和比较器2的阈值设定，由先验的试验结果设定。

如图3所示，上述完全硬件的实现方案，把i和di/dt平面分割成为A、B、C、D等4个区域。在应用过程中，通过调整漏电保护器的设置开关，就能够选择预先设定的模式类，如人工设定应用模式为：建筑物内部、农业户外、建筑工地、工业厂房等。

3　结论

（1）以本文的研究为理论基础，一种模拟和数字混合的脱扣断路器应用于某型智能防雷漏电短路器上取得了成功，产品已进入现场试验，各项性能均优于传统漏电断路器，尤其表现出色的是出现误动作的概率极小。在上述应用中，嵌入式计算机采用了抗干扰性能优秀的PIC16系列单片机，di/dt的运算

采用了外置的模拟微分器。

（2）理论分析和应用实例证明本文的二变量漏电模式识别算法的有效性、正确性和性能的优越性。

（3）二变量漏电模式识别的脱扣算法，还可以应用到需要对漏电模式进行识别的其他领域，例如电气火灾监控系统的设计等。

图2　模式判别模拟算法原理

图3　模拟运算的4区域分割法

参考文献：

［1］岳大为.新型漏电保护技术研究［D］.天津:河北工业大学, 2009.

［2］国家技术监督局. GB13955—92漏电保护器安装和运行［S］.北京:中国电力出版社, 1993.

［3］刘帼巾,陆俭国,李志刚,等.漏电保护器的可靠性研究［J］.低压电器, 2001（5）: 7- 9.

［4］谢恩来.施工现场用电设备漏电保护器使用探讨［J］.施工技术, 2010（3）: 23- 25.

【责任编辑：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

作者简介：谭尚升（1980-），男，广东鹤山人，佛山市南海飞宇电力电器安装有限公司工程师。

收稿日期：2015-01-12

中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：1008- 0171（2015）04- 0046- 03