本发明公开了一种非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，该系统包括8个功能模块，分别为标准电器负荷特征库模块、故障电弧特征指纹库模块、数据采集与预处理模块、非侵入式负荷识别模块、故障电弧检测与识别模块、故障电弧定位模块、数据信息存储模块和对外交互与信息可视化模块；利用上述的8个功能模块，采取从负荷总量数据中提取故障电弧电流特征的方法，并结合由现有非侵入式负荷识别技术获得的电器运行状态实现故障电弧精确定位。在检测到电弧故障的条件下，进行故障定位，通过定位测试效果计算，本发明系统予以实现的定位测试效果即定位支路准确率高达85％以上。
1.一种非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，该系统包括8个功能模块，分别为标准电器负荷特征库模块、故障电弧特征指纹库模块、数据采集与预处理模块、非侵入式负荷识别模块、故障电弧检测与识别模块、故障电弧定位模块、数据信息存储模块和对外交互与信息可视化模块；
所述的标准电器负荷特征库模块，用于存储和管理不同类型电器的电器状态模型及相关的标准用电特征数据，该标准电器负荷特征库模块是非侵入式负荷识别模块工作的依据；
所述的故障电弧特征指纹库模块，用于存储和管理不同电弧故障类型的故障电弧特征指纹模板数据，该故障电弧特征指纹库模块是故障电弧检测与识别模块工作的依据；
所述的数据采集与预处理模块，根据系统设置，采集低压配电系统总电源处的负荷端电压和总电流；
所述的非侵入式负荷识别模块，用于分析采集到的负荷端电压和总电流，提取相关负荷特征样本，并根据标准电器负荷特征库，在线识别低压配电系统内各电器的工作状态；
所述的故障电弧检测与识别模块，用于从用电总量信息中提取故障电弧特征指纹样本，并根据故障电弧特征指纹库，确定有故障电弧发生、识别该故障电弧种类；
所述的故障电弧定位模块，以所述非侵入式负荷识别模块所得的电器工作状态结果和故障电弧检测与识别模块所得的电弧检测结果为基础，通过分析电弧发生与电器工作状态之间的相关性定位故障电弧，即确定电弧故障所在的低压配电支路；
所述的数据信息存储模块，用于根据需要，保存除此之外的7个功能模块产生的数据处理结果，并为该7个功能模块提供数据访问接口，籍以实现该7个功能模块之间必要的数据传输和信息共享；
所述的对外交互与信息可视化模块，用于该非侵入式低压故障电弧检测与定位系统与外界进行必要的数据信息交互，包括但不限于检测结果的展示与输出、程序控制指令的输入与输出。
2.根据权利要求1所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，其特征在于，所述的数据采集与预处理模块，根据系统设置，采集低压配电系统总电源处的负荷端电压和总电流的过程是：首先，利用电压、电流传感器将原始强电压、大电流模拟信号，转换为弱电压和/或小电流模拟信号；而后，利用模数转换器将弱电压和/或小电流模拟信号数字化；最后，对获得的电压、电流信号进行降噪、相位校准、异常值修正，以及谐波分析所需的数据预处理。
3.根据权利要求2所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，其特征在于，所述的原始强电压、大电流模拟信号是指低压配电系统入户线处正常运行的电压和/或电流模拟信号；所述的弱电压和/或小电流模拟信号是指互感二次侧电压和/或电流模拟信号信号。
4.根据权利要求1所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，其特征在于，所述的低压配电系统内各电器包括但不限于电冰箱、空调、电热水器、电饭煲、电热水壶、电磁炉、白炽灯。
5.根据权利要求1所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，其特征在于，所述的故障电弧特征指纹库中包括电阻型、电感型、电机型、电力电子型和多状态型不同类型电器的故障电弧特征数据。
6.一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，其特征在于，在仅知道负荷总量数据的情况下，利用如权利要求1所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统包括的相关的功能模块采取从负荷总量数据中提取故障电弧电流特征，并结合由非侵入式负荷识别技术获得的电器运行状态实现故障电弧精确定位。
7.根据权利要求6所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)系统初始化：预设标准电器负荷特征库和故障电弧特征指纹库，初始化除了标准电器负荷特征库模块和故障电弧特征指纹库模块之外的模块中需要预先设置的相关参数；
步骤2)原始数据采集与预处理：采集低压配电系统总量用电数据，进行降噪、相位校准、异常值修正，以及谐波分析所需的数据预处理，计算获取用电特征数据，包括但不限于负荷端电压、总电流、有功总功率和无功总功率；
步骤3)非侵入式负荷识别：采用非侵入式负荷识别技术，根据用电特征数据，结合预设的标准电器负荷特征库，确定低压配电系统中各电器的实时工作状态；
步骤4)故障电弧事件检测与识别：根据电器开启前后的用电特征数据变化，检测电弧事件，提取电弧特征数据样本，结合预设故障电弧特征指纹库，确定电弧事件的真伪及分类；
步骤5)判断是否存在故障电弧事件：若存在电弧事件，则执行步骤6)，否则执行步骤
步骤6)故障电弧定位：分析电弧事件发生与电器工作状态之间的相关性，根据低压配电系统的电力线拓扑及电器接入位置，确定故障电弧所在的配电支路；
步骤7)、电弧故障报警：给出故障告警信息，并按需发出控制指令，用以触发有关断路器动作切除电弧故障所在配电支路。
8.根据权利要求7所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，其特征在于，步骤1)中，预设故障电弧特征指纹库，包括电阻型、电感型、电机型、电力电子型和多状态型不同类型电器的故障电弧特征数据。
9.根据权利要求7所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，其特征在于，步骤4)的具体过程如下：步骤401)故障电弧事件检测：在低压配电系统中，利用变点检测方法跟踪用户入口处总电流波形数据的变化，检测电弧事件并定位其发生时刻；
步骤402)故障电弧电流特征提取：以电压波形正向过零点为相位基准点，计算电弧事件发生时刻前后稳态电流的矢量差量，对差量电流进行多维度特征提取，包括时域、频域和时频域特征等，形成电弧事件多维特征向量；
步骤403)故障电弧识别：以电弧事件多维特征向量作为输入，利用基于预设故障电弧特征指纹库的电弧识别模型，判断电弧事件的真伪及分类。
10.根据权利要求7所述的非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，其特征在于，步骤
(1)若检测到的电弧事件只与某一种电器相关，且与其他任意电器无关，则故障电弧发生在该电器的直接供电支路上；
(2)若检测到的电弧事件同时与N种电器相关，且与这N种电器之外的其他任意电器无关，则故障电弧发生在仅为这N种电器共同供电的支路上。
一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统故障电弧监测领域，具体涉及一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法及系统。
背景技术
[0002] 据公安部消防局统计，近年来我国火灾事故中电气火灾的比例高达30％，已高居各类火灾原因之首，并且呈逐年上升趋势。电力系统“末梢”的低压电力用户因线路绝缘老化、电器开关动作等原因产生故障电弧容易被忽视，而一旦引发火灾损失却是不可估量的。研究表明，在电气火灾中由故障电弧引起的火灾事故远多于带电导体间金属性短路引起的火灾。故障电弧按其产生的位置不同可具体分为并联故障电弧和串联故障电弧[刘官耕，杜松怀，苏娟，et al.低压电弧故障防护技术研究与发展趋势[J]，电网技术，2017(01):321‑
329]。并联故障电弧电流一般大于线路的正常负载电流，串联电弧故障的电流一般小于线路的正常负载电流。由于熔断器、断路器等保护装置主要是以过电流为动作依据，因此其通常能够有效检测并联故障电弧，并采取相应的保护动作或措施，不过它们无法检测串联故障电弧。因此，本发明专利重点关注串联故障电弧的检测与定位。
[0003] 依据电弧的产生机理，故障电弧电压或电流相对于正常的负载电压或电流通常具有明显差异，据此可以实现故障电弧检测[王尧，田明，牛峰，包志舟，李奎，低压交流电弧故障检测方法研究综述[J]，电器与能效管理技术，2018(10)：8‑13+44]。虽然故障电弧(电压)电流在时域、频域及时‑频域上均具有自身特点，但其影响因素较多[Hien Duc Vu,Edwin Calderon,Patrick Schweitzer,Serge Weber,Nicolas Britsch.Multi‑criteria series arc fault detection based on supervised feature selection[J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2019,113]，例如，故障线路上接入的负载类型不同，故障电弧电流会有所差异，这会导致针对某种负载类型制定的检测方案在实际存在多种类型负载的场景中会存在漏检的风险；此外，有些电器的正常电流具有与故障电弧电流相似的特征，它们接入线路时容易出现电弧检测装置误跳闸现象，如灯调光器、真空吸尘器等。因此，为了提高检测的准确性和可靠性，现有研究往往同时使用多种特征。
[0004] 不过，现有实验室研究多直接针对某条既定的低压配电支路进行故障电弧检测实验研究与分析，国内外多家公司都研制了这类故障电弧检测断路器。实际工程中还有一些产品将电弧监测模块内置于电器插座中，用于检测电器插拔过程中可能发生的故障电弧。根据现有研究和产品，欲对用户室内整个低压配电系统实现全方位监测与准确定位，需要配置多个监测终端或功能模块，而且实际工程中，低压配电系统会存在多条配电支路和多个分支节点，除了电器插座处，故障电弧还可能发生在配电支路上任意位置，这给系统级电弧定位带来了挑战，现有研究鲜有涉及。
发明内容
[0005] 针对现有技术，本发明提出一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法。一方面，基于非侵入式负荷特征提取技术，通过分析低压配电系统的端电压和总电流实现故障电弧检测与归类识别；另一方面，利用现有非侵入式负荷识别技术，根据给定的低压配电系统的电力线拓扑，通过分析故障电弧发生与特定电器及其运行状态之间的关联关系，实现故障电弧所在配电支路的精确定位。同时，本发明提出了用于实现上述方法的系统。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种非侵入式低压故障电弧检测与定位系统，该系统包括8个功能模块，分别为标准电器负荷特征库模块、故障电弧特征指纹库模块、数据采集与预处理模块、非侵入式负荷识别模块、故障电弧检测与识别模块、故障电弧定位模块、数据信息存储模块和对外交互与信息可视化模块；
[0007] 所述的标准电器负荷特征库模块，用于存储和管理不同类型电器的电器状态模型及相关的标准用电特征数据，该标准电器负荷特征库模块是非侵入式负荷识别模块工作的依据；
[0008] 所述的故障电弧特征指纹库模块，用于存储和管理不同电弧故障类型的故障电弧特征指纹模板数据，该故障电弧特征指纹库模块是故障电弧检测与识别模块工作的依据；
[0009] 所述的数据采集与预处理模块，根据系统设置，采集低压配电系统总电源处的负荷端电压和总电流；
[0010] 所述的非侵入式负荷识别模块，用于分析采集到的负荷端电压和总电流，提取相关负荷特征样本，并根据标准电器负荷特征库，在线识别低压配电系统内各电器的工作状态；
[0011] 所述的故障电弧检测与识别模块，用于从用电总量信息中提取故障电弧特征指纹样本，并根据故障电弧特征指纹库，确定有故障电弧发生、识别该故障电弧种类；
[0012] 所述的故障电弧定位模块，以所述非侵入式负荷识别模块所得的电器工作状态结果和故障电弧检测与识别模块所得的电弧检测结果为基础，通过分析电弧发生与电器工作状态之间的相关性定位故障电弧，即确定电弧故障所在的低压配电支路；
[0013] 所述的数据信息存储模块，用于根据需要，保存除此之外的7个功能模块产生的数据处理结果，并为该7个功能模块提供数据访问接口，籍以实现该7个功能模块之间必要的数据传输和信息共享；
[0014] 所述的对外交互与信息可视化模块，用于该非侵入式低压故障电弧检测与定位系统与外界进行必要的数据信息交互，包括但不限于检测结果的展示与输出、程序控制指令的输入与输出。
[0015] 同时，本发明还提出了一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，在仅知道负荷总量数据的情况下，利用上述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统中的8个功能模块，采取从负荷总量数据中提取故障电弧电流特征，并结合由非侵入式负荷识别技术获得的电器运行状态实现故障电弧精确定位。具体步骤如下：
[0016] 步骤1)系统初始化：预设标准电器负荷特征库和故障电弧特征指纹库，初始化除了标准电器负荷特征库模块和故障电弧特征指纹库模块之外的模块中需要预先设置的相关参数；
[0017] 步骤2)原始数据采集与预处理：采集低压配电系统总量用电数据，进行降噪、相位校准、异常值修正，以及谐波分析所需的数据预处理，计算获取用电特征数据，包括但不限于负荷端电压、总电流、有功总功率和无功总功率；
[0018] 步骤3)非侵入式负荷识别：采用非侵入式负荷识别技术，根据用电特征数据，结合预设的标准电器负荷特征库，确定低压配电系统中各电器的实时工作状态；
[0019] 步骤4)故障电弧事件检测与识别：根据电器开启前后的用电特征数据变化，检测电弧事件，提取电弧特征数据样本，结合预设故障电弧特征指纹库，确定电弧事件的真伪及分类；
[0020] 步骤5)判断是否存在故障电弧事件：若存在电弧事件，则执行步骤6)，否则执行步骤2)；
[0021] 步骤6)故障电弧定位：分析电弧事件发生与电器工作状态之间的相关性，根据低压配电系统的电力线拓扑及电器接入位置，确定故障电弧所在的配电支路；
[0022] 步骤7)、电弧故障报警：给出故障告警信息，并按需发出控制指令，用以触发有关断路器动作切除电弧故障所在配电支路。
[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024] 本发明将非侵入式负荷特征提取和识别技术方法应用于故障电弧检测，建立了一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法及系统，能够在不侵入低压配电系统(如家庭、商业楼宇、工业厂房等)内部的情况下，检测与识别故障电弧事件，并定位其所在配电支路，据此可及时给出电弧事件告警并提高故障电弧排除、线路维修的效率，有助于防范电弧引起的电气火灾，保障用户用电及生命财产安全。
附图说明
[0025] 图1是本发明一种非侵入式故障电弧检测与定位系统示意图；
[0026] 图2是本发明一种非侵入式故障电弧检测与定位方法流程图；
[0027] 图3是本发明故障电弧事件检测与识别方法流程图；
[0028] 图4(a)是电弧事件及前后稳态时间段电流电压波形示意图；
[0029] 图4(b)是电弧事件差量电流计算结果示意图；
[0030] 图5(a)是电热水壶处于正常情况下的经验模态EMD分解结果图；
[0031] 图5(b)是电热水壶处于电弧故障情况下的经验模态EMD分解结果图；
[0032] 图6是家庭用户简略电力线拓扑示意图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
[0034] 本方明的设计思路是，在仅知道负荷总量数据的情况下，利用相关的功能模块实现低压配电系统故障电弧检测与定位，其中，采取从负荷总量数据中提取故障电弧电流特征的方法，并结合由现有非侵入式负荷识别技术获得的电器运行状态实现故障电弧精确定位的方法。在检测到电弧故障的条件下，可进行故障定位，并进行定位测试效果计算，并以定位支路准确率(即在发生故障条件下，准确定位故障支路的样本数占总故障样本数的比率来)表示，本发明系统予以实现的定位测试效果即定位支路准确率高达85％以上。
[0035] 如图1所示，本发明提供一种非侵入式故障电弧检测识别与定位系统，包括如下8个功能模块：数据采集与预处理模块、标准电器负荷特征库模块、非侵入式负荷识别模块、故障电弧特征指纹库模块、故障电弧检测与识别模块、故障电弧定位模块、数据信息存储模块、对外交互与信息可视化模块。
[0036] 所述的数据采集与预处理模块，根据系统设置，采集低压配电系统总电源处的负荷端电压和总电流。低压配电系统总电源采集信号点可以是居民家庭、商业和工业用户的总空开进线端。具体地，首先，利用电压、电流传感器将原始强电压、大电流模拟信号，转换为弱电压和/或小电流模拟信号；而后，利用模数转换器将弱电压和/或小电流模拟信号数字化；最后，对获得的电压、电流信号进行降噪、相位校准、异常值修正，以及谐波分析等所需的数据预处理。
[0037] 所述的标准电器负荷特征库模块，用于存储和管理不同类型电器的电器状态模型及相关的标准用电特征数据，该模块是非侵入式负荷识别模块工作的依据；实际应用中，若用户有意愿提供其家用电器品牌和型号信息，则可提高构建标准电器负荷特征库的效率及其中用电特征数据的准确性。
[0038] 所述的非侵入式负荷识别模块，用于分析采集到的负荷端电压和总电流，提取相关负荷特征样本，并根据标准电器负荷特征库，在线识别低压配电系统内各电器的工作状态，例如电冰箱处于运行或关停状态、空调处于制冷或制热状态。该模块的相关技术方法可根据需要选择非侵入式负荷识别领域的现有技术方法。
[0039] 所述的故障电弧特征指纹库模块，用于存储和管理不同电弧故障类型的故障电弧特征指纹模板数据，对应包括时域、频域、和经验模态分解结果等多维度特征，该模块是故障电弧检测与识别模块工作的依据，其中包括电阻型、电感型、电机型、电力电子型和多状态型等不同类型电器的故障电弧特征数据。
[0040] 所述的故障电弧检测与识别模块，用于从用电总量信息中提取故障电弧特征指纹样本，并根据故障电弧特征指纹库，确定有故障电弧发生、识别该故障电弧种类。
[0041] 所述的故障电弧定位模块，以所述非侵入式负荷识别模块所得的电器工作状态结果和故障电弧检测与识别模块所得的电弧检测结果为基础，通过分析电弧发生与电器工作状态之间的相关性定位故障电弧，即确定其所在的低压配电支路；
[0042] 所述的数据信息存储模块，用于根据需要，保存其他有关功能模块产生的数据处理结果，并为其他有关功能模块提供数据访问接口，籍以实现系统内部有关功能模块之间必要的数据传输和信息共享。
[0043] 所述的对外交互与信息可视化模块，用于非侵入式低压故障电弧检测与定位系统与外界进行必要的数据信息交互，包括但不限于检测与分析结果的展示与输出、程序控制指令的输入与输出。
[0044] 本发明还提供了一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法，在仅知道负荷总量数据的情况下，利用上述的非侵入式低压故障电弧检测与定位系统中的8个功能模块，采取从负荷总量数据中提取故障电弧电流特征，并结合由非侵入式负荷识别技术获得的电器运行状态实现故障电弧精确定位。如图2所示，具体包括以下步骤：
[0045] 步骤1)系统初始化：主要涉及标准电器负荷特征库模块和故障电弧特征指纹库模块，预设标准电器负荷特征库和故障电弧特征指纹库，初始化不同功能模块中需要预先设置的相关参数；
[0046] 步骤2)原始数据采集与预处理：主要涉及数据采集与预处理模块，采集低压配电系统总量用电数据，进行必要的数据预处理，计算获取所需的用电特征数据，包括但不限于负荷端电压、总电流、有功总功率和无功总功率；
[0047] 步骤3)非侵入式负荷识别：主要涉及非侵入式负荷识别模块，采用非侵入式负荷识别技术，根据用电特征数据，结合预设的标准电器负荷特征库，确定低压配电系统中各电器的实时工作状态；
[0048] 步骤4)故障电弧事件检测与识别：主要涉及故障电弧特征指纹库模块和故障电弧检测与识别模块，根据电器开启前后的用电特征数据变化，检测电弧事件，提取电弧特征数据样本，结合预设故障电弧特征指纹库，确定电弧事件的真伪及分类；
[0049] 步骤5)判断是否存在故障电弧事件：若存在电弧事件，则执行步骤6)，否则执行步骤2)；
[0050] 步骤6)故障电弧定位：主要涉及故障电弧定位模块分析电弧事件发生与电器工作状态之间的相关性，根据低压配电系统的电力线拓扑及电器接入位置，确定故障电弧所在的配电支路；
[0051] 步骤7)电弧故障报警：主要涉及对外交互与信息可视化模块，给出故障告警信息，并按需发出控制指令，用以触发有关断路器动作切除电弧故障所在配电支路。
[0052] 本发明所述方法的步骤中各个功能模块协同作用，并利用数据信息存储模块用于根据需要，保存各功能模块产生的数据处理结果，并为各功能模块提供数据访问接口，籍以实现各个功能模块之间必要的数据传输和信息共享。
[0053] 本发明所述的方法步骤1)中，预设故障电弧特征指纹库，包括电阻型、电感型、电机型、电力电子型和多状态型等不同类型电器的故障电弧特征数据。
[0054] 本发明所述的方法步骤4)故障电弧事件检测与识别如图3所示，主要包括故障电弧事件检测、故障电弧电流特征提取和故障电弧识别，具体实现流程如下：
[0055] 步骤401)故障电弧事件检测：在低压配电系统中，利用变点检测方法跟踪用户入口处总电流波形数据的变化，检测电弧事件并定位其发生时刻。具体地，可以根据电流波形有效值或电流波形形状的变化来确定变点，锁定电弧事件的发生时刻。其中，电流波形形状的变化可根据电流波形数据的信息熵(如样本熵、排列熵或多尺度熵等)指标来评判。
[0056] 步骤402)故障电弧电流特征提取：以电压波形正向过零点为相位基准点，计算电弧事件发生时刻前后稳态电流的矢量差量，对差量电流进行多维度特征提取，包括时域、频域和时频域特征等，形成电弧事件多维特征向量。
[0057] 这里，稳态电流的矢量差量的计算方式有两种：
[0058] 一是，在电弧事件前后，分别找到距离该事件最近的稳态时间段，找到其中连续C个电压波形周波(C一般取10)，分别将事件前、后稳态时间段内第一个电压波形正向过零点对齐，在此条件下，将相应的电流波形数值依次对应做差，即可得到稳态电流的矢量差量，具体过程如图4(a)和图4(b)所示，其中，图4(a)示出了电弧事件及前后稳态时间段电流电压波形，图4(b)示出了电弧事件差量电流计算结果。
[0059] 二是，在电弧事件前后，分别找到距离该事件最近的稳态时间段，对其进行傅里叶变换得到前m次谐波(m一般取9)，而后以对应时段的电压基波相位为基准，将得到的事件前后各次谐波电流相位进行归算，并分别计算事件前后各次谐波电流的矢量差，最后各次谐波电流的矢量差组合的向量即为稳态电流的矢量差量。
[0060] 此外，对差量电流进行多维度特征提取，可以是时域、频域或时频域分析。具体地址，时域分析所得的特征包括但不限于表征相邻周期相似性的最大欧氏距离(Maximum Euclidean distance，MED)和零电流时段(Zero Current Period，ZCP)。最大欧氏距离MED的计算方法如下：
[0061]
[0062] 其中，I为采样得到的电流波形时间序列，k为一个周期内的采样点个数，周期数T取值一般小于5。
[0063] 零电流时段ZCP的计算方法为，取采样电流的绝对值的最大值的十分之一为阈值，采样电流的绝对值小于阈值的持续时间为零电流时段的值。
[0064] 频域分析主要是通过短时傅里叶变换，得到不同电器类型对应的故障电弧电流波形的高次谐波分布。经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)也是一种常用的故障电弧电流特征分析方法[曹红伟，低压配电系统故障电弧在线检测及智能断路器研究[D]，燕山大学，2018]。通过EMD可以得到故障电弧电流的n个IMF分量c1(t)，c2(t)，…，cn(t)和一个残留量rn，进而可以计算稳态电流的EMD能量熵特征，具体计算方法如下式(2)所示。图5(a)和图5(b)所示为电热水壶处于正常和电弧故障情况下的电流信号及其EMD分解结果，其中，图5(a)示出了电热水壶处于正常情况下的经验模态EMD分解结果，图5(b)示出了电热水壶处于电弧故障情况下的经验模态EMD分解结果。
[0065]
[0066] 归一化后，可以得到特征向量：
[0067] E＝[E1/E,E/2E,...,En/E]T (3)
[0068] 其中，
[0069]
[0070] 步骤403)故障电弧识别：以电弧事件多维特征向量作为输入，利用基于预设故障电弧特征指纹库的电弧识别模型，判断电弧事件的真伪及分类。这里可以选用与所用特征相适应的任意种类的机器学习算法模型或分类器模型(如支持向量机)对电弧事件进行分类判别。
[0071] 本发明所述的方法步骤6)中故障电弧定位的具体规则是：
[0072] (1)若检测到的电弧事件只与某一种电器相关，且与其他任意电器无关，则故障电弧发生在该电器的直接供电支路上；
[0073] (2)若检测到的电弧事件同时与N种电器相关，且与这N种电器之外的其他任意电器无关，则故障电弧发生在仅为这N种电器共同供电的支路上。
[0074] 下面参照图6通过一个实例示意性地阐述本发明中提出的故障电弧定位方法的基本原理。假设在电磁炉打开时检测到了与之相关联的故障电弧事件，则说明从电磁炉到电表这一条供电通路上存在故障电弧。可能发生故障电弧的可疑地点包括电磁炉自身和图6中①、②和③三个分段线路。若电饭煲打开时，检测不到与之相关联的故障电弧事件，则可判断故障电弧更可能发生在线路①上，反之，则更可能发生在线路②或③上。进而，若接电热水器打开时，检测到了与之相关联的故障电弧事件，则说明故障电弧更可能发生在线路③上，反之，则更可能发生在线路②上。运用与此类似的逻辑关系可由故障电弧与电器开关状态的关联关系实现故障电弧发生位置定位。
[0075] 在某真实家庭中，利用模拟电弧发生器进行串联故障电弧仿真实验，故障电弧检测效果测试结果如表1所示。在计算前，要先定义四种分类情况：False Negative(FN)，被判定为负样本，但事实上是正样本；False Positive(FP)被判定为正样本，但事实上是负样本；True Negative(TN)，被判定为负样本，事实上也是负样本；True Positive(TP),被判定为正样本，事实上也是正样本。进而，检测效果可从故障检测率(fault detection rate，FDR)、误报警率(false alarm rate，FAR)和漏报警率(missing alarm rate，MAR)这三个维度来考察，计算公式分别如式(5)‑(7)所示。
[0076]
[0077]
[0078]
[0079] 表1故障电弧检测效果举例
[0080] 电器类型 识别准确率 误报警率 漏报警率电冰箱 0.82 0.13 0.16
空调 0.79 0.24 0.18
电热水器 0.92 0.08 0.05
电饭煲 0.81 0.10 0.10
电热水壶 0.91 0.09 0.04
电磁炉 0.84 0.10 0.19
白炽灯 0.89 0.11 0.08
[0081] 在检测到电弧故障的条件下，可进行故障定位，并进行定位测试效果计算，而定位准确率则利用定位支路准确率来表示，即在发生故障条件下，准确定位故障支路的样本数占总故障样本数的比率，可由式(8)得到。
[0082]
[0083] 表2电弧故障定位效果举例
[0084]电器类型 定位支路准确率
电冰箱 89
空调 91
电热水器 88
电饭煲 93
电热水壶 98
电磁炉 94
白炽灯 92
[0085] 基于表1和表2，可知本发明提出的非侵入式故障电弧检测识别与定位方法的有效性。在低压用户环境下，由于串联故障电弧隐蔽性强且危害性大的特点，导致对其研究的迫切性，本发明基于非侵入式负荷分解的基础上，进行故障电弧检测与定位，有助于实时故障跳闸和故障检修预警，切实减少用户人身和财产安全损失。
[0086] 综上，本发明提出的一种非侵入式低压故障电弧检测与定位方法及系统，直接通过分析居民、商业和工业用户低压配电系统的端电压和总电流信号，检测其内部故障电弧，识别故障电弧类型，并定位其所在配电支路，据此可更加快速及时地排除故障电弧的火灾和安全隐患。显然，这种方案具有实施容易、可靠性高、成本低等优点。
[0087] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
