基于信号相似度匹配的双相触电的检测方法和保护装置

1.本发明属于电气安全技术领域，涉及一种基于信号相似度匹配的双相触电的检测方法和保护装置。


背景技术：

2.常见的漏电保护器，只能保护人体单相触电的情况。如果出现人体与零线、火线同时接触，即双相触电时，单相漏电保护器就会失去保护作用，导致人员的触电伤亡。
3.传统的漏电保护器只能保护单相触电的情况，如图1所示。当人体接触火线时，火线与大地之间会形成电流回路，进而触发漏电保护器工作断开电源，保护人体的安全。
4.当出现人体双相触电的情况时，火线和零线中的电流大小相等，不满足漏电保护器工作的条件，传统漏电保护器无法工作，人员伤害难以避免。双相触电示意图如图4所示。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于信号相似度匹配的双相触电的检测和保护装置，所述装置包括：脱扣器、电流感应装置和双相触电智能识别装置；
6.其中，所述脱扣器被用于切断电源；
7.所护电流感应装置用于通过电流感应线圈获取相线和零线中的电流波形；
8.所述双相触电智能识别装置根据获得的所述电流波形和预先存储的电流波形模板监测是否出现双相触电状况，当检测到双相触电时，所述双相触电智能识别装置控制脱扣器切断电源。
9.进一步的，所述双相触电智能识别装置通过电流感应装置获取的相线和零线中的电流波形，将该电流波形与预先存储在双相触电智能识别装置数据库中的各种电流波形模板执行模板比较，确定是否出现双相触电。
10.进一步的，双相触电智能识别装置包括：微处理器、模拟数字转换器和存储器；
11.其中，所述模拟数字转换器将电流感应装置的电流感应线圈获取的相线和零线中的电流波形信号变换为数字信号并输入微处理器；
12.所述存储器用于预先存储各种电流波形模板；
13.所述微处理器将所述电流波形信号的数字信号和预先存储的各种电流波形模板执行比较，根据比较结果确定是否出现双相触电状况，并输出控制脱扣器的控制信号。
14.进一步的，所述模拟数字转换器的采样速率大于1khz。
15.进一步的，所述双相触电智能识别装置，对过往的200毫秒的电流波形进行模板匹配。
16.本发明还提出一种基于信号相似度匹配的双相触电的检测和保护方法，用于所述的保护装置，所述方法包括以下步骤：
17.步骤1，双相触电智能识别装置通过电流感应装置的电流感应线圈获取相线和零线中的电流波形，将所述电流波形与预先存储在双相触电智能识别装置数据库中的各种电
流波形模板执行比较；
18.步骤2，当所述模板比较指示未检测到双相触电状态时，返回步骤1，当所述模板比较指示出现双相触电状态时，执行步骤3；
19.步骤3，双相触电智能识别装置依据检测到的双相触电状态，在预定时间之内控制脱扣器切断电源线。
20.进一步的，所述步骤1包括子步骤：
21.步骤1.1，预先通过检测多种用电设备电源的相线和零线之间的电流波形，建立模拟双相触电电流波形的模板数据，将所述模板数据存入双相触电智能识别装置的模板数据库；
22.步骤1.2，双相触电智能识别装置的高速模拟数字转换器针对过往的200毫秒的电流波形执行采样，将所述采样数据变换为数字信号，微处理器将所述数字信号和预先存储各种电流波形模板执行比较。
23.进一步的，步骤2包括：对过往的200毫秒的电流波形进行模板匹配，如果匹配到与人体触电相似的特征，即确定出现双相触电状态，输出触电指示信号。
24.进一步的，对所述数字信号和预先存储的多种双相触电电流波形模板执行比较，当两个波形相似度大于80％，即确定出现双相触电状态。
25.进一步的，所述预定时间小于200ms。
26.采用本发明的方法，通过信号相似度匹配对人体双相触电时的电流特征建立先验模型。实际应用中如果出现类似的电流特征时，即可判断当前出现了人类双相触电的情况，设备会立即断开电源，从而保护了人员的安全。
附图说明
27.图1为单向触电示意图；
28.图2为单相漏电保护器结构图；
29.图3是单相漏电保护器原理图；
30.图4是双相触电示意图；
31.图5是交流电流流过人体时电流-时间效应分区图；
32.图6是双相漏电保护设备结构图；
33.图7是空调运行时的电流波形；
34.图8是冰箱运行时的电流波形；
35.图9是电烤箱运行时的电流波形；
36.图10是人体触电实验采集到的电流波形；
37.图11是双相触电保护装置工作流程图；
38.图12是波形相似度比较。
具体实施方式
39.当出现人体双相触电的情况时，火线和零线中的电流大小相等，不满足漏电保护器工作的条件，传统漏电保护器无法工作，人员伤害难以避免。双相触电示意图，如图4所示。
40.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
41.不同的电流对人体的影响不同，国际电工委员会(iec)根据统计资料给出了15-100hz交流电流流过人体时电流-时间效应分区图，图5中a、b、c三条曲线将电流对人体的不同效应分成四个区。
42.ac-1区为无反应区；
43.ac-2区为无有害的生理性病变反应区；
44.ac-3区为对人体无危险，但可能会出现病理生理反应区，如呼吸困难、肌肉收缩、血压升高、心脏电刺激；
45.ac-4区为对人体有危险区，除ac-1区的效应外，还可能出现心室纤维颤动。
46.根据人体对电流的反应，将流过人体的电流分成四个级别：
47.感知电流，人能够感觉的最小电流。感知电流不会对人体造成伤害。一般成年男性的平均感知电流约为1.1ma，成年女性约为0.7ma。iec认定的感知电流值为0.5ma。
48.反应电流，引起人体意料不到的不自主反应的最小电流。这种预料不到的作用，可能导致高空摔落或其他危害。
49.摆脱电流，人触电后，在不需要任何外来帮助的情况下，能够自行摆脱带电体的最大电流，常把摆脱电流称为运行安全电流。一般成年男性的平均摆脱电流约16ma，成年女性约为10.5ma，iec认定的摆脱电流值为10ma。
50.致命电流，在较短时间内，危及生命的最小电流，即引起心室纤维颤动或窒息的电流。一般认为，工频交流电的致命电流为50ma。
51.采用本发明的方法，通过信号相似度匹配对人体双相触电时的电流特征建立先验模型。实际应用中如果出现类似的电流特征时，即可判断当前出现了人类双相触电的情况，设备会立即断开电源，从而保护了人员的安全。
52.本发明使用信号相似度匹配，通过实验室实验和实际测试，建立人体触电的电流波动的模型。并制作了相应的双相触电智能识别保护装置，其原理图如图6所示。
53.图6中的双相触电智能识别保护装置(以下简称双相触电保护装置)，通过电流感应线圈获取电线中的电流大小。根据交流电流流过人体时电流-时间效应分区，如图5所提供的数据，当电流通过人体的时间大于200毫秒时，对人体的危害程度急剧升高，200毫秒为相对安全的时间区间。因此双相触电保护装置，不断的检测电力线的电流特征，一旦发现在200毫秒前的电流特征与先前建立的人体触电模型相近似，则判定出现了人体双相触电的情况，进而控制开关动作机构动作，断开电源，最终保护人体安全。
54.双相触电保护装置，每秒采样1000次，即1毫秒获取一个电流数值。为对比双相触电保护装置的准确性，首先通过装置检测空调、冰箱、电烤箱的波形如图7、8、9所示。多次进行的人体双相触电实验所采集到的电流波形如图10所示。
55.双相触电保护装置，采用信号波形进行相似程度比较的算法，对过往的200毫秒的电流波形进行模板匹配，如果匹配到与人体触电相似的特征就会断开电源保护人体的安全。工作流程如图11所示。
56.在信号与系统这门学科中，相关性是一种在时域中对信号特性进行描述的重要方法。由于其通信的功率谱函数是一对傅立叶变换，在信号分析中往往利用它来分析随机信号的功率谱分布，以致不少人一提到相关性马上会联想到信号功率谱的计算，但相关在对
确定信号的分析也是有一定应用。由于相关的概念是为研究随机信号的统计特性而引入的，那么从理论上我们也可以将其应用于两个确定信号(一个我们采集到的信号波形和一个理论波形)相似性的研究上。
57.要比较两波形的相似程度还要从相关的概念上入手，假定两信号分别为x(t)、y(t)，可以选择当倍数a使a*y(t)去逼近x(t)。再此我们可以借用误差能量来度量这对波形的相似程度，具体方法同高等数学上用来判断函数间正交性的方法基本类似：
58.误差能量用x(t)-a*y(t)的平方在时域上的积分来表示；倍数a的选择必须要保证能使能量误差为最小，通过对函数求导求极值可以得知当a为x(t)*y(t)在时域的积分与y(t)*y(t)在时域的积分比值时可以满足条件，在此条件下的误差能量是可能所有条件下最小的。
59.定义x(t)与y(t)的相关数为pxy,其平方与1的差值为相对误差能量，即误差能量与x(t)*x(t)在时域积分的比值。其中，xy就可以用来表征两波形的相似程度。解出关于pxy的方程，其分子为x(t)*y(t)在时域的积分；分为两信号各自的平方在时域积分之积的平方根。从数学上可以证明分子的模小于分母，也即相关数pxy的模不会大于1。由于对于能量有限的信号而言，能量是确定的，相关系数pxy的大小只由x(t)*y(t)的积分所决定。如果两完全不相似的波形其幅度取值和出现时刻是相互独立、彼此无关的，x(t)*y(t)＝0，其积分结果亦为0，所以当相关系数为0时相似度最差，即不相关。当相关系数为1，则误差能量为0，说明这两信号相似度很好，是线形相关的。因此把相关系数作为两个信号波形的相似性(或线形相关性)的一种度量完全是有理论依据的、合理的。
60.算法的设计与实现
61.我们在对信号进行比较之前，先将理论波形做成一个数据文件，实际设备输出的波形也通过计算机接口采集并将数据存成数据文件。我们编写的程序通过对两个数据文件的相关性比较来得出实际波形同理论波形信号的拟合度。
62.双相触电保护装置不断的给模型输入的参数为：前200毫秒所采集到的数据，即200个电流数值：
63.[5.10,4.30,2.11,1.04,1.02,0.80,...,1.97,1.49,3.98,2.99,4.99,8.99]
[0064]
[5.60,4.40,2.01,1.04,1.02,0.90,...,1.57,1.59,3.98,2.99,4.99,8.99]
[0065]
核心算法：在计算机中将积分近似按离散点取和的方式进行近似的积分：
[0066]
for(int i＝0；i《200；i )
[0067]
{
[0068]
a ＝buf1[i]*buf2[i]；//对x(t)*y(t)的积分
[0069]
b ＝buf1[i]*buf1[i]；//对x(t)*x(t)的积分
[0070]
c ＝buf2[i]*buf2[i]；//对y(t)*y(t)的积分
[0071]
}
[0072]
pxy＝a/(sqrt(b*c))；//计算出相关系数
[0073]
通过上述核心算法计算可知，
[0074]
两个波形相似度大于80％，即判断为出现了人体触电的情况，双相触电保护装置即断开电源，保护人体安全。
[0075]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，
尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。