【正文】 收到電弧信號的時間判斷出其到故障電弧點的距離， 當(dāng) 電網(wǎng)形成網(wǎng)狀時，就需要記錄下各個 AFCI 發(fā)生電弧的發(fā)生時間，由于各 AFCI 記錄下的發(fā)生時間各不相同，我們就可以通過 信號的傳播速度計算出信號傳播的距離，通過多點的綜合的測距判斷出電弧的發(fā)生位置。當(dāng)然這種技術(shù)對于時間采集的要求相當(dāng)高，亦需要所有 AFCI 的時間是同步的，如果傳輸?shù)娇偺幚韱卧臅r間有出入，那么多點測算距離就是出現(xiàn)很大的偏差。在測算的時候，我們應(yīng)該盡量保證多點的測算，點越多意味著測算的越精確，但也意味著算法的越復(fù)雜。 網(wǎng)狀的輸電結(jié)構(gòu)意味著 AFCI 關(guān)斷可能不止一個，在樹形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可以從上文得出結(jié)論每次電弧發(fā)生故障時只需要且只需要關(guān)閉一個 AFCI 就可以得到足夠的保護，但在在網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)中，特別是在電網(wǎng)雙向供電的情況下 ，關(guān)斷一個AFCI 可能就不足以給電網(wǎng)給以足夠的保護。因此在設(shè)計算法的過程中，需要對關(guān)斷多個 AFCI 進行優(yōu)化，保證此條線路被完全的關(guān)斷。 例如在圖 中 所示： . . 圖 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)電弧發(fā)生示意圖 假設(shè)所有的線路是互通的，如果在 1 點發(fā)生電弧，若 1 點附近無 AFCI，就需要將 2， 3 點的 AFCI 同時關(guān)斷來保護電路，相關(guān) 算法應(yīng)具有一定的尋址能力，用于 尋找最簡而有效的關(guān)斷方法，在這種情況下，父子類的尋址方式顯然是不適用的 ，應(yīng)為各個 AFCI 建立與它們相關(guān)的 AFCI 列表，如 表 所示 表 電弧相關(guān) AFCI 列表 電弧發(fā)生點 相關(guān) AFCI 1 2， 3 2 1， 3 3 1， 2， 4， 5 4 3， 5 5 3， 4 在相應(yīng)點發(fā)生電弧時就可以根據(jù)列表中相關(guān)的 AFCI 的進行關(guān)斷，當(dāng)然在這里僅對這種最簡單的結(jié)構(gòu)進行了分析，在未來的電網(wǎng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會更加復(fù)雜，特別是在遇到多級的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時的算法依然有相當(dāng)大的研究價值。 1 2 4 3 5 . . 不同電壓下的多 級 AFCI 在全網(wǎng)中實現(xiàn)多級的 AFCI，就必須考慮到在不同的電壓環(huán)境下實現(xiàn)正確的故障電弧檢測，就我國考慮，在輸電的過程中存在著 220v， 380v， 10kv， 35kv，110kv， 220kv， 500kv 等諸多的輸電電壓等級，若要在智能電網(wǎng)中全面的應(yīng)用AFCI，勢必要考慮到在不同的電壓環(huán)境下 AFCI 是否會產(chǎn)生干擾。 在變電的過程中， 特別是在大型的變電站中， 會經(jīng)過復(fù)雜的 變電過程，由故障電弧產(chǎn)生的異常電流在經(jīng)過變電所后已經(jīng)經(jīng)過整流 ，不會被下級的 AFCI 所發(fā)現(xiàn)。 而僅從變電所角度來看，更多的防止電弧的工作會 交給銷弧線圈 等物理元件來進行，我們僅僅需要做到檢測到電弧， 然后報告給信息中心。 即使是在 380v轉(zhuǎn) 220v變電中，假設(shè) 380v級發(fā)生了故障電弧， 380v級的 AFCI也發(fā)現(xiàn)了故障，但是在經(jīng)過電壓器的變壓中，發(fā)生故障電弧信號的強度也會被削弱一半，會經(jīng)過數(shù)次濾波，其信號不足以被 220v 的 AFCI 發(fā)現(xiàn)。 可以得出以下的結(jié)論， 多級 AFCI 應(yīng) 在不同的電壓級上分別的建立。 在電弧防護方面，主要應(yīng)防護家庭級別的電弧故障，因為電氣火災(zāi)一般發(fā)生于此，然后再 逐級上升，建立有層次的 AFCI 防護網(wǎng)，最后達到智能電網(wǎng)的全面覆蓋。 單線與雙線結(jié)構(gòu) 的可能性 在上文中提及，多級 AFCI 需要 將電力傳輸線及數(shù)據(jù)傳輸線分置，采用雙線的結(jié)構(gòu)進行控制，所有的信號與控制命令都在數(shù)據(jù)傳輸線上進行傳輸。在兩級的情況下，上級 AFCI 和下級 AFCI 同時引出一根數(shù)據(jù)傳輸線，將這些數(shù)據(jù)線同時接入中央處理單元，由中央處理單元決定應(yīng)該關(guān)斷哪個 AFCI。 當(dāng)然也有可能性使 AFCI 的判斷信號直接在電力的傳輸線上行走，也就是在電力傳輸線上完成電力和數(shù)據(jù)的單線傳輸，但這個方案需要在 AFCI 上加裝一個信號的發(fā)射裝置，這個發(fā)射裝置的電壓級應(yīng)與傳輸電壓保持在一個數(shù)量級上，在結(jié)構(gòu)上，中央處理單元 將與最高級的 AFCI 結(jié)合，如圖 所示： . . 圖 雙線傳輸示意圖 在檢測到故障電弧時，下級的 AFCI 將發(fā)射一個類電弧信號的脈沖，通信協(xié)議需要重新定義，意為此處發(fā)現(xiàn)故障電弧，是否關(guān)斷，請指示，最高級的 AFCI通 過其信號采集收集到所有的脈沖信號后 ，就可以通過上章中所示的方法進行判定，在樹形結(jié)構(gòu)中理論上只需要關(guān)斷一個 AFCI 就可以達到保護電路的目的，所以只需要發(fā)射一個帶有該 AFCI 的識別碼的關(guān)斷信號脈沖，該 AFCI 通過 采集信號就可以判斷出來，關(guān)斷自己?？梢钥闯鰡尉€ AFCI 系統(tǒng)可以很好的解決雙線系統(tǒng)中重復(fù)的兩次布線的麻煩，更加的靈活，更加的方便。 當(dāng)然單線的 AFCI 系統(tǒng)有很大的局限性，首先，單線系統(tǒng)需要加裝一個信號的發(fā)射器，使 AFCI 可以在電力線上傳輸數(shù)據(jù)信號；其次，單線系統(tǒng)是不能與雙線系統(tǒng)通用的，也是就是說在單線系統(tǒng)中不能有雙線的多級 AFCI 存在，否則就會影響系統(tǒng)的整體工作性能，單線系統(tǒng)必須是在一個封閉的系統(tǒng)中完整的應(yīng)用。 對單線系統(tǒng)的分析中可以發(fā)現(xiàn)單線系統(tǒng)使用在一個獨立的系統(tǒng)中，這個系統(tǒng)應(yīng)是較難進行二次布線且應(yīng)是呈樹形 結(jié)構(gòu)的，它在一個特定的系統(tǒng)中可以得到很好的應(yīng)用。 當(dāng)然在未來的智能電網(wǎng)建設(shè)中，電網(wǎng)需要建立各種高級的檢測體系，如智能電表，數(shù)字計量管理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都要求電網(wǎng)需要高度的網(wǎng)絡(luò)化，也就是說，雙線系統(tǒng)的中的數(shù)據(jù)傳輸線不僅是傳輸 AFCI 的故障電弧信號，傳輸?shù)膬?nèi)容可以是多樣的，如電表的信息，各種其他故障的信息，以及各種綜合管理信息等等。 AFCI1 AFCI4 AFCI3 AFCI2 AFCI0 MCU 電力傳輸 數(shù)據(jù)傳輸 . . 這樣就可以得出結(jié)論，雙線系統(tǒng)是以后 AFCI 發(fā)展的主要方向，因為它與未來智能電網(wǎng)需要智能化的數(shù)字計量與監(jiān)控模式相一致，電網(wǎng)在傳輸過程中也需要大量的信息輔助；而單線系統(tǒng)雖然應(yīng)用面比較窄 ，但也有其立足之地，在一些不宜擴展，不宜兩次布線的應(yīng)用場景也可以發(fā)揮出很大的作用。 對 信號通訊的要求以及選擇 隨著 IPv6 的技術(shù)的發(fā)展，它將原有的 IPv4 給與我們的 IP 地址增加的 2 的96 次方倍，使得一物一 IP 的想法得到的發(fā)展，可能在不久的將來我們的許多事物都會被附上一個 IP 地址，不僅可以是一臺電腦，一部手機等電子設(shè)備，還可能是一把鑰匙，一個錢包，甚至是一棵樹，一個人?；谶@種一物一 IP 的想法，我們?yōu)槭裁床豢梢栽谖覀兊亩嗉?AFCI上打上一個 IP的標(biāo)記， IPv6的技術(shù)使我們可以為每一個 AFCI 附上一個專有的 IP 地址，而每一個 AFCI 完全是連接在互聯(lián)網(wǎng)上的，當(dāng)然可以根據(jù)不同的電壓級組成虛擬的網(wǎng)絡(luò)組群，而該電壓級的總處理單元可以是單獨設(shè)立的，也可以是某個 AFCI 的一部分，在這里信息的傳輸是基于 IP 傳輸協(xié)議的，信息的封裝遵循 IPv6 協(xié)議。 版本號： 4 位， IP 協(xié)議版本號 通信類別： 8 位，指示 IPv6 數(shù)據(jù)流通信類別或優(yōu)先級。 流標(biāo)記： 20 位， IPv6 新增字段，標(biāo)記需要 IPv6 路由器特殊處理的數(shù)據(jù)流。該字段用于某些對連接的服務(wù)質(zhì)量有特殊要求的通信，諸如音頻或視頻等實時數(shù)據(jù)傳輸。在 IPv6 中，同一信源和信宿之間可以有多種不同 的數(shù)據(jù)流，彼此之間以非“ 0”流標(biāo)記區(qū)分。如果不要求路由器做特殊處理，則該字段值置為“ 0”。 負(fù)載長度： 16 位負(fù)載長度。負(fù)載長度包括擴展頭和上層 PDU， 16 位最多可表示 65535 字節(jié)負(fù)載長度。 下一包頭： 8 位，識別緊跟 IPv6 頭后的包頭類型，如擴展頭（有的話）或某個傳輸層協(xié)議頭。 跳段數(shù)限制： 8 位，類似于 IPv4 的 TTL（生命期）字段，用包在路由器之間的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來限定包的生命期。包每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)發(fā)，該字段減 1，減到 0 時就把這個包丟棄。 源地址： 128 位，發(fā)送方主機地址。 . . 目的地址： 128 位，在大多數(shù)情況下，目 的地址即信宿地址。但如果存在路由擴展頭的話，目的地址可能是發(fā)送方路由表中下一個路由器接口。 在這里我們定義了多級 AFCI 需要的通訊協(xié)議的形式，下面我們來定義需要通訊傳輸?shù)膬?nèi)容，在一般的情況下，這些通訊應(yīng)是靜止的，處于一種休眠的狀態(tài)，因為故障電弧電弧發(fā)生因為是一個小概率事件，就是說，發(fā)生的概率很小，但并不意味著不會發(fā)生，因為一但發(fā)生就有可能造成巨大的人員和財務(wù)損失。所以，我們必須保證所有的 AFCI 是正常工作的，因此，筆者認(rèn)為，在平常情況下各個 AFCI 應(yīng)該定期的給主處理單元發(fā)生信息，以證明其在正常的監(jiān)控中，這個 周期應(yīng)定義在 10 分鐘至一個小時的范圍內(nèi)，太長的時間容易遺漏 AFCI自身發(fā)生故障，而時間太短意味著信息過于頻繁而浪費網(wǎng)絡(luò)資源。 當(dāng)故障電弧發(fā)生時，位于下級的 AFCI 就應(yīng)該給總處理單元發(fā)去信息，其發(fā)送順序應(yīng)是： 1）發(fā)現(xiàn)電弧：一發(fā)現(xiàn)電弧就直接消息給總處理單元，說我發(fā)現(xiàn)在電弧，但是電弧的類型未知，從而由主處理單元激活整個多級 AFCI,進行聯(lián)動的檢測，而這個時候我們也并不知道，這個電弧是“好弧”或是“壞弧”。需要進一步進行檢測。 2）發(fā)現(xiàn)故障電弧：在大概 之后，我們就可以采集到足夠的故障電弧波形，這個時間我們 就可以將其判斷為“壞弧”，此時發(fā)送的消息就應(yīng)該是“我發(fā)現(xiàn)了故障電弧”。 3）故障電弧的波形：在發(fā)送完故障電弧信號后， AFCI 應(yīng)將發(fā)現(xiàn)電弧時的波形發(fā)送到總處理單元，總處理單元會將這些電弧波形匯總、處理以及儲存。 在來看看總處理單元的信令流程： 1）首先在接受到發(fā)現(xiàn)電弧信號時，總處理單元會發(fā)回執(zhí)給該 AFCI，說你發(fā)送的信息我已經(jīng)收到，接著打開廣播告訴所有的 AFCI 說：“在某 IP 的 AFCI 發(fā)現(xiàn)了電弧，請采集信號，進行檢測”，從而激活系統(tǒng)。 2）其后，當(dāng)收到該 AFCI 確認(rèn)其為故障電弧時，總處理單元亦會收到來自其他 AFCI 的故障電弧報告，通過對這些信息的分析，判斷出電弧的具體位置，并發(fā)送給響應(yīng)的 AFCI，告知其關(guān)斷電弧。 3）當(dāng)收到具體的電弧波形時，總處理單元將進行相關(guān)的整理工作，智能的調(diào)整判斷機制。同時分析并進行保存。 . . 大概的流程請參考，如圖 所示： 圖 通訊流程信令圖 對于響應(yīng)時間的要求 對于多級的響應(yīng)時間分析，可以參照兩級的時間響應(yīng)模型來建立。首先可以確定的是，這些時間是不會改變的： UL 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)斷上限為 ，斷路器物理關(guān)斷時間為 , 而處理時間 。 唯一會改變的是總處理器，需要的處理時間 , 這里假設(shè)多級 AFCI 是一個樹形的結(jié)構(gòu)，一個父 AFCI下面會連接 3個子 AFCI，這里一個兩級 AFCI的處理時間為 ，隨著 AFCI 的增多，處理器的處理數(shù)據(jù)也會相應(yīng)的增加，那就可以得出三級 AFCI 的處理時間為： 以此類推可以得出 N 級 AFCI 的處理時間是： 從等式中可以發(fā)現(xiàn)，總處理單元的處理時間是呈現(xiàn)出一個指數(shù) 性的增長，三級為 15ms，四級為 45ms，五級為 135ms，五級以內(nèi)響應(yīng)時間均可以滿足 UL 定義的關(guān)斷上限，但在五級之后，響應(yīng)時間將會大大的超出，這種情況是不能被接某 IP 發(fā)現(xiàn)電弧 收到請采集信號 關(guān)斷指令 確認(rèn)為故障電弧 AFCI 總處理單元 電弧波形傳輸 . . 受的。所以在五級 AFCI 應(yīng)追求更優(yōu)秀的算法可以將指數(shù)算法轉(zhuǎn)換成其他可以接受的算法，以及更快速的處理器。但在目前情況在本文定義，最高級的 AFCI 網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)高于五級，否則就達不到保護電路防止電氣火災(zāi)的目的。 . . 第 5章 智能電網(wǎng)中多級 AFCI 應(yīng)用模型 智能電網(wǎng) AFCI 總架構(gòu)概念圖 鑒于上 章 的討論， 現(xiàn)在就可以給出在智能電網(wǎng)中的 AFCI 總架構(gòu)圖，在未來復(fù)雜的電力系統(tǒng)中 ，我們將采用相同電壓下多級 AFCI，如 220v 多級 AFCI,380v多級 AFCI 等，也就是說在在一個電壓在實現(xiàn)的多級 AFCI 連接，級數(shù)在二級到幾十級不等，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，同一電壓下的所有 AFCI 可以自帶處理單元，也可以僅進行數(shù)據(jù)采集，然后將故障電弧數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偺幚韱卧?，同一電壓在只設(shè)置一個總處理單元，進行對采集數(shù)據(jù)的分析，以及控制 AFCI 進行正確的關(guān)斷，這將是一個多級 AFCI 的核心設(shè)備，它的計算能力會根據(jù) AFCI 級數(shù)進行適當(dāng)?shù)脑鰷p，若其他的 AFCI 具有算法分析能力，亦可分擔(dān)總處理單元的分析工作。在 這里我們采用一種雙線的結(jié)構(gòu)，即電力傳輸線與信號傳輸線相互分離，以滿足未來智能電網(wǎng)雙向通訊的需要。根據(jù)斷路時間的需要，建議不應(yīng)超過五級，過于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致誤碼率升高，從而導(dǎo)致總處理單元的判定結(jié)果出現(xiàn)偏差，從而使之前的工作前功盡棄。 智能電網(wǎng)采用了網(wǎng)狀的輸電網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)采用具有多路分析的算法，可以同時關(guān)斷多個 AFCI，關(guān)斷在達到保護電路目的的同時，應(yīng)保證限制在最小的范圍內(nèi)，不會影響其他的正常供電。 當(dāng)在同一電壓上建立獨立的多級 AFCI 系統(tǒng)后，每個系統(tǒng)具備獨立的處理、關(guān)斷電弧的能力，處理單元應(yīng)具有良好的網(wǎng)絡(luò)能 力，將處理信息發(fā)送給智能電網(wǎng)的中央管理系統(tǒng)，中央管理系統(tǒng)定義為一個大型的計算機處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)配電，測量，輸電，管理等諸多核心事宜，中央管理系統(tǒng)此時需要將各個多級AFCI 系統(tǒng)的信息進行收集，收集內(nèi)