本科毕业论文-多级AFCI(电弧故障断路器)协作网络研究

多级AFCI〔电弧故障断路器〕协作网络研究摘要本文是在AFCI开展逐渐成熟，AFCI产品日益丰富的背景下，对于产生的多级AFCI而进行的研究。由于各种AFCI都以不同的形态存在，因此建立各种AFCI之间的层次结构就变得异常重要。针对多级AFCI连接时可能产生的干扰问题给出解决方案。本文首先从单级AFCI出发，将其作为一个黑盒进行建模，给出其根本属性，再将其引用至两级AFCI中，在两级的上级发生故障电弧时，下级的AFCI亦可以检测到电弧，这就会产生不应该有的关断，本文通过网络手段使各个AFCI联通，且使用软件使各AFCI产生协作关系，使之可以正确的关断电路，到达保护电路的目的。接着运用二级AFCI的研究模式，将研究方向引入多级AFCI方向，利用两级的模型，可以得出在树形结构下的多级AFCI关断方法。本文最后将多级AFCI引入智能电网，使其成为智能电网中一个重要的组件。对其中关于网络结构，传输方式，不同电压下测量，对响应时间的要求等问题进行了分析。关键词：AFCI，多级，智能电网AbstractThispaperisaresearchonmulti-levelAFCIunderthebackgroundofthatwhentheAFCItechnologyisdevelopingfastandtheAFCIproductincreaserich.DifferentkindsofAFCIcanexistindifferentforms,it’sveryimportanttoconstructthelevelofdifferentAFCIandcanresolvetheinterferenceofmulti-levelAFCIconnection.Thispaperismodelingthesignal-levelAFCIasablackboxfirstlytoresearchitsrelationshipbetweencurrent,voltageandimpedance,andthenusetheconceptinthetwo-levelAFCI.WhentheupperlevelAFCIdetectthefaultarc,thelowerlevelAFCIalsocandetectit.Thissituationcanleadamistake.WeusenetworktoconnectdifferentAFCIandusesoftwaretocollaborative.Thesolvationcanturnoffthecircuitcorrectlytoprotectthecircuit.Usingthetwo-levelAFCImodel,wealsocanderivationthemulti-levelAFCImodel.Webringthemulti-levelAFCIintosmartgridasanimportantpartandanalysistheproblemsaboutnetworkstructure,transmission,measuredatdifferentvoltages,theresponsetime.KeyWords：AFCI,Multi-level，SmartGrid目录摘要 iAbstract ii图目录 III表目录 IV第1章绪论 11.1课题背景 11.1.1AFCI背景 11.1.2多级AFCI背景 21.1.3智能电网 31.2开展前景 71.2.1AFCI应用前景 71.2.2智能电网中多级AFCI的优势 81.3主要研究内容 8第2章单级AFCI理论模型 102.1UL1699 协议 102.2电弧检测算法 102.3单级AFCI模型 12第3章多级AFCI理论模型 153.1二级AFCI模型 153.1.1正常情况下的两级AFCI电路 153.1.2两级AFCI中上级发生故障电弧 163.1.3两级AFCI中下级发生故障电弧 183.2两级AFCI的实施方法 203.2.1两级AFCI架构 203.2.2两级AFCI时间分析 233.3多级AFCI模型 243.3.1正常工作的三级AFCI系统 243.3.2三级发生故障电弧的三级AFCI系统 253.3.3三级以下发生故障电弧的三级AFCI系统 25第4章多级AFCI智能化 304.1网状结构可能性 304.2不同电压下的多级AFCI 314.3单线与双线结构的可能性 324.4对信号通讯的要求以及选择 344.5对于响应时间的要求 36第5章智能电网中多级AFCI应用模型 385.1智能电网AFCI总架构概念图 385.2在智能电网中采用多级AFCI结构的必要性 39第6章总结 41参考文献 42作者简历 44致谢 45图目录TOC\h\z\c"图"图1.1插座头式的AFCI，插座式AFCI，断路器式AFCI 3图1.2智能电网结构图 5图2.1交流电弧特征 12图2.2单级AFCI电路模型 13图2.3电弧电流与正常电流比拟图 14图3.1正常情况下两级AFCI电路 15图3.2两级AFCI上级发生电弧故障 16图3.3两级AFCI上级发生电弧故障 18图3.4两级AFCI软件流程图 21图3.5三级AFCI电路模型 24图3.6三级AFCI算法流程图 29图4.1网状结构电弧发生示意图 31图4.2双线传输示意图 33图4.3通讯流程信令图 36图5.1智能电网中多级AFCI应用图 39表目录TOC\h\z\c"表"表1.1智能电网与传统电网的区别 4表3.1两级上级AFCI发生电弧关断要求 17表3.2两级下级AFCI发生电弧关断要求 19表3.3三级上级AFCI发生电弧关断要求 25表3.4三级下级AFCI发生电弧关断要求 26表3.5三级AFCI关断可能性总表 27表4.1电弧相关AFCI列表 31绪论课题背景AFCI背景随着时代的开展，越来越多的家用电器进入了我们的生活，家用电器给我们带来了便利的同时也带有着一定的平安隐患，由于人们对平安用电意识的增强，越来越多的保护电路的产品出现了，断路器就是其中的一种，它可以在电路发生过载或者短路时，迅速的切断故障电流，防止事故的扩大，从而保证系统的运行平安。传统的断路器和熔断器可以在配电中提供过电流和短路保护。尽管有这种保护，每年在美国还是有约7.0万住宅发生的火灾被认为是由于电器引发，其死亡人数超过500人，财产损失10亿美元[1]。调查发现，在某些情况下，火灾的发生是因为断路器没有跳闸。所以在90年代初断路器需要得到加强保护的必要性得到成认。美国几个相关协会包括EIA等在内和几个主要的工业电器制造商成为加强平安的倡导者，同时他们也从事研究和开发，试图了解相关的现象，并找到切实可行的解决方法。研究结果发现，如果电线被破坏，间歇性和溅射的电弧虽然会产生波形上的变化，但不会使传统的断路器关断，这是因为这些设备监测到的数值远远小于过载电流的曲线。当有适当的可燃物时，这可能会继续下去，直到电弧引发火灾。这就是研发电弧故障电路断流器〔AFCI〕的初衷。AFCI可以识别出现故障的电弧的独特信号，并可以将故障电弧孤立或者关断。AFCI的第一篇描述出现在1999年IAEI文章“Arc-FaultCircuitInterrupters(电弧故障电路断路器)，作者是Dr.CliveKimblin,Dr.JoeEngel和BobClarey.该文定义了电弧可能导致火灾危险的条件。包括电弧接地、布线故障模式、漏电情况〔如发光的接触高阻故障〕和网上的低电流电弧〔有时被称为串联电弧〕。其标准和标准由美国国家消费协会和美国消费品平安委员会等全国性协会与厂商共同制定，并进行推广应用。在之后的六年中，数百万的设备被安装到了实地，记录现实AFCI一直保持着优良的性能。美国国家消费协会一直在鼓励采用这种技术进行进一步应用。2002年美国的全国电气规程要求所有在卧室内安装的支路，都要安装故障电弧断路器，2004年要求美国销售的家用空调必须带具有AFCI功能的电源插头。在AFCI的研制方面，国外的一些公司如美国GE公司、德州仪器公司和德国西门子公司已经相对成熟。国内由于缺少电弧故障断路器的国家标准，现在还处于各自为政的状态，国内的一些厂家也主要面向北美的空调插头市场，无视了国内产品标准的研究。但是随着国家对电力平安的重视逐年提高，相信在不久的将来国家势必会出台有关的国家标准，以及安装电弧保护设备的强制法规。多级AFCI背景正是由于AFCI的应用，在很大程度上解决了在用电终端会发生火灾危险的问题。但是又有全新的问题摆在我们面前，就是AFCI在目前作为一个用电终端设备是否可以广泛的应用在电网中，是否可以进行多级的连接，连接后相互的协调机制是怎样的。目前在我国输电线路输电电压的等级大概分为220V，380V,10KV,35KV,110KV,220KV,500KV，而在每一个输电电压上也会存在着多级的断路器，比方在220V的家用电压上，就可以简单的分为家庭总断路器，房间级断路器，接线板级断路器，插座级断路器，现在有的AFCI一般后两者居多。所以在整个输电过程中，从发电厂一直到一般的家庭用电，中间会隔着许多级断路器，如果它们都包含了AFCI，那么它们之间如何协作的问题就会摆在我们面前。现在国内外关于AFCI的论文资料根本都拘泥于如何提高算法的质量用来增加检测出电弧的可靠性和寻找如何去防止误检测带来的不必要关断的方法，或是尽量加快关断的时间一提高平安性。但是随着AFCI种类的愈来愈多，随时可能发生各种AFCI产品产生多级连接的可能，多级AFCI应该如何工作，它们的协作机制又是如何，这些问题到目前为止都鲜有人提及。随着AFCI技术的不断进步，AFCI多级连接一定会成为未来AFCI开展的主要研究方向。在目前AFCI多级化还存在诸多问题，其中最大的问题就在于AFCI是否可以串行连接，因为从AFCI的工作原理中可以得知，AFCI并不像普通的断路器是一个纯物理关断的过程，普通断路器是检测超载的电路，电流过大时关断，不同级会设置有不同的而AFCI需要采集电路的电弧信号经过处理后关断[2]，所以假设是在同一条线路路上有多个AFCI，理论上来说只要有一个关断了其他都会关断，而假设多级的AFCI同时关断，势必会影响到其他正常的电路，使其无法正常运转，多级AFCI协作主要就是要解决最小关断域的问题。很多种AFCI已经在实际中被广泛适应。例如，一种馈线式的AFCI被安装在机柜中，以保护配电线路和电力线路。另一种AFCI作为一个插件，被嵌入设备的电源插座；另一种AFCI那么被安装于接线板内。在现代的住宅房屋和其他设施里，也会有一个或者一个以上AFCI产品出现。由于各种AFCI都以不同的方式使用的，建立各种AFCI之间的层次结构变得异常重要。例如，当一个便携式AFCI连接到电源插座，而此电源插座也带有AFCI设备。这种情况下，这个AFCI结构就包括了两级AFCI。对于一个无层次结构AFCI来说，拥有多级AFCI可以给设施提供好的智能保护。如图1.1所示：图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s11插座头式的AFCI，插座式AFCI，断路器式AFCI在本文中我们将对多级AFCI的必要性和可行性展开讨论：1〕必要性：主要讨论是否有必要在多级使用AFCI，在多少级使用AFCI是适宜等问题。2〕可行性：主要分析多级AFCI对算法上的要求，是否需要对硬件进行修改，以及多级AFCI对于级数上的上限。各AFCI的通讯原理是怎么样的。且会分析其与智能电网融合的可能。下节我们将对智能电网做单独论述。智能电网智能电网是人类对现有电网系统的反思，本文在此提及智能电网是为了将AFCI融入其中，使之更好的发挥其成效，为人类效劳。在20世纪，电力系统就成为了人类所获得的最辉煌的工程技术成就之一。但是，进入21世纪以来，随着生产力的开展，电力系统呈现出线路扩容困难，不断老化，系统效率低，节能减排等环保压力增大的问题。人类对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高，大容量的风力发电，光伏发电等可再生能源发电接入电力系统的要求日益增强，特别是大面积停电的灾变事故频发，使传统电力系统已经不能满足现在信息社会开展的需求。与此同时，通信技术、计算机技术，电力电子技术和传感技术的不断开展和日益成熟，为电网的现代化提供了技术手段，以美国为首的兴旺国家提出了“电网现代化〞的号召，从而在全世界范围内掀起了一股研究“智能电网〞的热潮[3]。纵观21世纪科技和经济的开展，智能电网的提出和开展不是偶然的，它开展的内在动力来源于以下几个方面：提高设备利用效率，减少输出电拥堵的需要提高供电可靠性和电能质量的需要提供多种多样的电力赠值效劳，增加电力用户互动性的需要。节能和环保的大势所趋，减少温室气体的排放的需要大量可再生能源接入电网的需要国家能源平安和综合资源优化配置的需要：可见，智能电网的开展是21世纪科学技术和经济社会开展的必然要求。智能电网与传统电网的主要区别主要表达在用户互动、发电和储能、市场化和自愈性等方面，详见表1.1表STYLEREF1\s1.SEQ表\*ARABIC\s11智能电网与传统电网的区别

特征传统电网智能电网用户互动性电价不透明，缺少实时电价，用户选择少充分的电价信息，实时定价，有许多方案个电价可供选择发电/储能集中发电占优，少量的分布式发电，储能或可再生能源大量即插即用的分布式发电，微电网，补助集中发电，高效节能/环保/电力市场有限的趸售市场，未很好集成成熟、健壮、很好集成的趸售市场电能质量关注停运，不关心电能质量电能质量有保证，有各种质量/价格方案可选择资产优化很少记及资产管理电网的智能化与资产优化管理程度集成自愈性扰动发生是保护资产〔继电保护〕防止断电，减少对用户的影响抵御攻击对抵御自然灾害和恐怖袭击的能力脆弱具有快速恢复能力通信能力没有或单向双向检测仪表机电式数字式网络结构辐射状网状智能电网主要由4局部组成，如图1.2所示：图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s12智能电网结构图高级量测体系〔AdvancedMeteringInfrastructure，AMI〕高级配电运行〔AdvancedDistributionOperation,ADO〕高级输电运行〔AdvancedTransmissionOperation,ATO〕高级资产管理〔AdvancedAssetManagement,AAM〕AMI主要功能是授权给用户，使系统同负荷建立起来练习，使用户能够支持电网的运行。ADO的技术组成和功能主要包括：高级配电自动化；高级保护与控制；配电快速仿真与模拟；新型电力电子装置；DER运行；AC/DC微网运行；运行管理系统〔带有高级传感器〕。ADO主要的功能是使系统可治愈。为了实现治愈，电网应具有灵活的可重构的配电网络拓扑和实时监视、分析系统目前状态的能力。后者既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。而在系统中安放大量的监视传感器并把它们连接到一个平安的通信网上去，是做出快速预测和响应的关键。快速仿真与模拟〔fastsimulationandmodeling,FSM〕是ADO的核心软件，其中包括风险评估、自愈控制与优化等高级软件系统，为智能电网提供数学支持和预测能力，以期到达改善电网的稳定性、平安性、可靠性和运行效率的目的。配电快速仿真与模拟〔DFSM〕需要4个主要的治愈功能：网络重构；电压与无功控制；故障定位、隔离和恢复供电；当系统拓扑结构发生变化时继保再整定。多级AFCI在智能上的作用主要就在此，AFCI的作用就是要保护电路，防止电气火灾，而多级AFCI更是在单级AFCI的根底上进行的多AFCI协同工作，使之可以适用于智能电网高级配电运行的要求。智能电网要求电网可以有自我治愈的能力，当AFCI检测到故障时，AFCI可以不仅仅能为一个报告者，在有了网络作为其支持后，更可以能为一个决策者，起到保护电网的作用。ATO强调阻塞管理和降低大规模停运的风险，ATO同AMI，ADO和AAM的密切配合，可以实现输电系统的〔运行和资产管理〕优化。输电网是电网的骨干，它在智能电网中的重要性毋容置疑，其技术组成和功能如下：变电站自动化；输电的地理信息系统；广域量测系统；高速信息处理技术；高级保护与控制；模拟、仿真和可视化工具；高级的输电网络元件，如电力电子〔灵活交流输电，固态开关等〕、先进的导体和超导装置；先进的区域电网运行，如提高系统平安性，适应市场化和改善电力规划和设计的标准与标准〔特别注意电网模型的改良，如集中式的发电模型以及受配电网络和有源电力用户影响的负荷模型〕。AMI、ADO和ATO同AAM的集成将大大改良电网的运行效率[4]。实现智能电网的要求，需要在系统中装设大量可以提供系统参数和设备“健康〞状况的高级传感器，而AFCI就可以成为其中的一个重要组件，能在智能电网的保护、监控等方面发挥重要的作用。本文的一大目标就是要为多级AFCI融入智能电网找寻一个适宜的方法。开展前景在这里我们对AFCI未来的开展做了一些展望，很多地方的思想不是很成熟，请大家谅解。AFCI应用前景

在未来一段时期中，由于智能电网概念的提出，AFCI将会向着多级架构，协同工作和智能联网的方向开展，智能电网要求我们建立的一个可靠，平安，高效的电力传输网络，也要求这个网络是可以自愈的，允许不同方式接入的。这就使未来的AFCI开发面临着多种的选择，AFCI产品的种类也必然会越来越多。接入方式的改变，允许用户自我发电，还可以将自家发电输送到电网系统。这就使AFCI不仅要保证下行输电的平安，更有可能需要保证上行电路。网络的自愈性要求网络自身可以排除故障，在作者理解就是将输电线路网状化，而不是单独的树形结构，当一条线路发生电弧故障时，可以使用其他电路对其保证供电，不影响人们的正常使用，AFCI将网络化，可以根据算法准确的计算出故障电弧的位置，并直接连接到电网的控制中心，再于控制中心指派人员进行相应的维修。基于这些考虑，我认为未来的AFCI系统应具有以下一些主要特征：1〕多级化：首先要做到的是AFCI的多级连接，包括其硬件连接方法与算法的实现。2〕网络化：在多级化的根底上，将AFCI连接成网络，使之使用共同的处理单元协同工作。3〕双向化：实现双向的AFCI检测，而不是现在的单向检测。4〕智能化：实现与智能电网的融合，最终成为其一局部。智能电网中多级AFCI的优势假设能实现多级AFCI在智能电网中的应用，其优势显而易见，1〕平安性：各AFCI分工合作可以使AFCI的平安保障性大幅度提高，以往AFCI只能依靠单个的AFCI实施检测，现在可以依靠多级的AFCI协同响应以提高其平安性2〕准确性：现在可以更准确的描述故障电弧发生的位置，包括故障电弧的相对位置，如可以知道电弧发生在第几级网络的第几个AFCI上；以及通过算法得知电弧的绝对物理位置，可以帮助维修人员准确的找到故障位置。3〕可拓展性：多级的AFCI具有可拓展性，也就是说，AFCI网络是可以无限扩大的，当然随着网络的扩大，相应的算法与处理能力也要做相应的改变，其约束条件我们也将在下文中提及。4〕智能化：大型的AFCI网络应具有智能化理念，故障电弧信息应集中到中央处理单元集中处理，这里指大型网络应是形成网状结构的电力输送网络，而不是单纯的树形结构，因为电弧发生后无法自主的排除故障，必须依靠人工排除，所以当一条输送线路被切断以后，应智能分配另一条线路保证供电稳定。5〕可融合性：多级AFCI网络应可以和以后的智能电网系统进行融合，最终成为智能电网的一局部。主要研究内容研究内容主要分为单级AFCI研究与多级AFCI研究单级AFCI研究的重点：1〕对电弧的检测：电弧检测算法，检测过程，简单的试验流程，对误检测的判定等。2〕对单级电弧的简单建模在单级AFCI的理论上我们就可以继续对多级AFCI进行研究：1〕多层次AFCI问题进行了详细分析。2〕提出一个解决方案来解决电弧故障多检测的多层次之间使用常规AFCI系统的协作沟通AFCI问题。3〕了解多级AFCI其规格和协议：时间响应，流程图，通讯传输协议，多级协同测定的方法等。最后在多级AFCI的根底上给出其在智能电网上的应用模型。单级AFCI理论模型UL1699协议AFCI技术在家电领域的应用是由UL1699标准来标准的。UL1699开展于上世纪90年代，用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护，然而研究发现在没有过电流发生的情况下由小电流引起的错误电弧也有足够的能量引发花火从而引起火灾。UL1699最初是用于标准AFCI技术在家用断路器、墙式安装插座、以及便携式AFCI插座的应用。关于断路器的标准可分为两局部：针对支路分配的根本要求和针对组合器件的严格要求。今天许多最早符合UL1699标准的家用断路器已不能满足现今的标准，这是因为早先的技术已不能满足越来越严格UL1699的要求，尤其对各种不同的负载所产生的非错误电弧不能有误动作这一点有更严格的要求。ULl699的标准可分成三种电弧测试方式：电弧检验测试，误动作测试，和负载起动测试[5]。最初ULl699起草时，重点是防止普通负载(如电机、灯、电子控制系统等)在非错误电弧发生时的误动作。如今随着AFCI技术强制在家用空调电源插头上的应用，使得AFCI技术既要能符合ULl699的平安标准，同时又要能满足空调运行条件的要求(我们称之为产品适用性)，然而目前ULl699对于产品适用性这一点并无要求，但在产品实际使用中这点却非常重要。此外，目前一些已出现的新型负载和操作条件发现并未列入UL1699标准内，如电源线连接装置、风扇速度控制器和其他一些应用。这也对AFCI技术在适用性方面提出更高的要求。UL1699要求，在AC线路上，当AFCI在0.5s内发觉到8个半周的故障电弧，断路器执行脱扣，切断AC线路。脱扣时间因在0.2s内，且UL1699规定应防止正常工作电弧而断开电路的误动作。电弧检测算法本节中需要对AFCI中故障电弧检测的方法进行讨论，以便对下文中多级的AFCI检测算法提供支持，可以肯定的是单级AFCI检测方法的差异必然会影响到多级AFCI的检测。AFCI在制造中需要定义其电弧检测的方法，基于对现有AFCI的认识，国内外对于电弧检测的方法主要有3种：1〕建立故障电弧的模型，通过检测电弧响应的参数来检测出故障电弧2〕根据电弧的一些声、光、电等物理现象来判断电弧3〕根据电弧发生时产生的电流电压等电信号判定第一种方法基于电弧数学模型,这里可以罗列出诸多模型，例如：Cassie模型和Mayr模型[6]，二维MHD电弧数学模型、三维MHD电弧数学模型、器壁侵蚀型电弧数学模型等。这些模型主要应用于检测和设计本质平安型电路研究，建立各种伏安特性曲线模型以及电流线性衰减模型[7]。但是由于电弧数学模型使用的限制、检测参数相对较多,目前利用电弧数学模型进行故障电弧检测进展得十分缓慢,仅停留在仿真阶段[8]。所以在本文中不予采用。第二种方法基于电弧物理现象，此种方案需要采集电弧发生时的声光电信号，表现为高温、高压、噪声和强烈的电弧光。这种也已有诸多的方案：如利用压力分区话筒、红外线接收器及回路天线检测电弧放电时的噪声、热量及电磁辐射等,亦可使用分光照相机等光学仪器进行分析[9]。在国际上已有相关产品如德国Moeller公司用于低压开关柜的故障电弧保护系统、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等。都是基于检测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据,提供快速而平安的保护但是可以发现此类产品有很大的局限性，首先传感器的灵敏度较高，造成误检测的概率较高，其次检测点必须靠近电弧发生点，然而电弧的发生位置有极大的随机性，第三，此类产品对于好弧的区分能力不强，容易产生误判。第三种方法基于电流电压波形来进行判断，居于对电弧的电流电压的研究，可以得出以下一些交流电弧的性质：根据相关研究，交流电弧有以下一些主要特征，如图2.1所示：图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11交流电弧特征①电压和电流波形具有高频噪声。②发生电弧时电压幅值会跌落。③由于电压跌落，发生电弧时电流会比不发生电弧时要小。④电流上升速率通常要比不发生电弧大。⑤在每半个周期内电弧会在电流降为零之前熄灭，同时又会在过零点后重新点燃，这样就会出现零电流附近一段接近平坦的波形，称之为肩平局部。⑥电压波形看起来更像矩形。⑦电弧发生一般是随机不规那么发生的，一般会在正常电流中间突然出现几个电弧波形[10]。利用这些性质，就可以对电弧发生时的电流与电压进行采样，采样频率是基于各种算法的要求，如傅立叶分解、小波分析、神经网络等算法，在这些算法的根底上还可以进一步细分出快速傅立叶，短时傅立叶，各种小波算法等，从算法上分析，傅里叶是一种频域算法，而小波属于时域-频域算法。对于算法的原理，本文不做具体说明，我们将单个AFCI作为一个黑盒进行研究。利用电弧的电流电压检测故障电弧易于实现,且检测位置受限制较小,已成为目前的研究热点。在本文中AFCI均定义使用此种方法，使用前两种方法作为检测方法的AFCI不在本文讨论范围。单级AFCI模型在讨论二级AFCI前，先应该对单级的AFCI做一个定性分析，这里我们提出了一个理论性的背景用来描述当电弧发生是单级的AFCI是如何工作的：正常情况下单级AFCI电路图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12单级AFCI电路模型图2.2〔a〕中显示了一个220V交流的无电弧发生时的电路，电流、电压和呈现出以下的关系：V0=其中i0和V0是AFCI0的电压和电流。阻抗Z02.电弧发生时单级AFCI电路图2.2〔b〕显示出一个发生电弧的电路。有关于电压的等式表示为：V从图2.2〔b〕中可以看出，V0'，i0'，V0尽管Zarc也是一个时变的系统，但是我们可以用Zarc来代替i进而推导出i0i使用Karc代替Z0Zi0'=图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s13电弧电流与正常电流比拟图显然，当电弧产生的时候，在AFCI检测到电弧产生的异常电流，如图2.3所示，这种电流拥有“平肩部〞的特征且带有高频噪声，AFCI可以区分出这些异常电流[11]。多级AFCI理论模型二级AFCI模型当我们定性了单级AFCI的工作过程后，就可以引入多级的概念，来解释为什么多级的AFCI不能很好的工作，在这里需要使用一个两级的AFCI系统，上级一个AFCI并联下级四个AFCI。正常情况下的两级AFCI电路图3.1给出这个在220V正常工作的两级AFCI电路，可以用以下等式描述：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11正常情况下两级AFCI电路V0i0=1Z在6式中Z0是一个复合阻抗，通过观察AFCIVI根据1，4，7式，可以得出等式：i0两级AFCI中上级发生故障电弧图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12两级AFCI上级发生电弧故障如图3.2所示，给出了当两级AFCI上级电路发生电弧，从4至6式可以分析出AFCI0的各个数据关系是不变的，而分析AFCI1-4可以得出V1由于AFCI1-4的结构是相同的，所以我们就可以来分析AFCI0，因为在电弧发生时，会在上级和下级之间产生一个负载ZV利用2和4式，V0V我们可以说VI=ii根据3式中i0i将左右式除以Z1,就得到了ii===Z0等式10显示出当上级发生电弧时，下级的电弧检测器可以检测到电弧的发生。表3.1给出了当上级故障电弧产生时两级AFCI的故障电弧的检测可能性和应该被正确关断的AFCI。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11两级上级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCIV1-YYAFCIV1-YNAFCIV1-YNAFCIV1-YNAFCIV1-YN两级AFCI中下级发生故障电弧图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13两级AFCI上级发生电弧故障图3.3所示，给出了当两级AFCI下级电路发生电弧，我们假定AFCI1V0i0''1根据以上，可以得出AFCI1Vi1''在这里KarcK通过观察AFCI2-4V根据4和11式，电压和电流的关系为：Vi2''这就意味，只要AFCI2-4的电源供给充足，在AFCI现在让我们来看它会不会对AFCI0产生影响，使用12式减去5式，再通过14式去掉ii如果我们带入计算就可以得到ii=1-15式表示AFCI0可以检测到在发生AFCI1和Z1之间的故障电弧。但是如果AFCI0关断，就会使AFCI0覆盖整个区域断电，包括AFCI2，AFCI3表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12两级下级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCIV1-YNAFCIV1-YYAFCIViNNAFCIViNNAFCIViNN从实施的角度，当低级的AFCI检测到故障电弧时，高级的AFCI亦会检测到，低级AFCI应传送信号告知高级AFCI是否应关断电路。因此，通信功能和处理能力是必要的，用来处理及传送这些信号。两级AFCI的实施方法两级AFCI架构实现一个多级的AFCI，我们建立了一个单级AFCI嵌入式微控制器和其通信功能。也就是说我们将所有的AFCI建立在同一个平台上。我们使用一个MCU〔微处理单元〕作为处理核心，在此根底上与各个AFCI连接。如图3.4所示，显示了一种实现两级AFCI的软件流程图。YesYesNo关断电路开始初始化故障电弧检测类型等待时间计算与测算报告判断关断AFCI串联并联图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14两级AFCI软件流程图设计中各种假设和时间参数的定义如下：1〕电弧故障必须是负载电流生产的。如果负载电流不存在，AFCI不检测电弧故障。2〕几个电弧故障在同一时间发生的概率相当低。近乎于零。3〕当故障电弧发生在AFCI负载时，AFCI可以100％检测到它。4〕AFCI之间发生故障电弧时不会产生串扰。如图中流程，首先开始时，先应进行初始化，之后再开始进行电弧的检测，一旦检测到了故障电弧，首先判断故障电弧的类型，假设是并行故障电弧，那么可直接的切断电路，假设是串联故障电弧那么需要进行进一步的计算，及判断在何处发生了电弧，之后给需要关断的AFCI发送信息，指示其关断电路，需要动作的AFCI那么进行初始化等待下次电弧发生。根据对表的分析，我们可以找到以下规律：1〕在下级发生电弧时，只有当前AFCI和它上级AFCI可以检测到故障电弧信号2〕在上级发生电弧时，当前上级AFCI和它所辖的所有AFCI都可以检测到故障电弧信号这就给两级AFCI的提供了算法的可能性，即当上级发生故障电弧时，其下级所辖的所有AFCI都会发现电弧，而在某一个下级发生故障电弧，只有它的直接上级才会发现电弧，与它并联的其他下级AFCI并不会检测出。基于这种考虑，可以给出算法的概念Switch{Case(AFCI0=y||AFCI1=y||AFCI2=y||AFCI3=y||AFCI4=y):openAFCI0;Case(AFCI0=y||AFCI1=y||AFCI2=n||AFCI3=n||AFCI4=n):openAFCI1;Case(AFCI0=y||AFCI1=n||AFCI2=y||AFCI3=n||AFCI4=n):openAFCI2;Case(AFCI0=y||AFCI1=n||AFCI2=n||AFCI3=y||AFCI4=n):openAFCI3;Case(AFCI0=y||AFCI1=n||AFCI2=n||AFCI3=n||AFCI4=y):openAFCI4;Default:initialization;}当然这种算法仅适用于两级AFCI，也仅适用于树形结构的AFCI网络。算法根本各个AFCI于总处理单元相连接，且每个AFCI具有单独检测故障电弧的能力，只要各个AFCI将各自是否检测到故障电弧的信息报告给总处理单元，总处理单元就可以通过算法得出在何处发生了故障，从而进行正确的关断。两级AFCI时间分析在以上假设的根底上，我们定义以下时间参数：1〕关断时间：使用UL1699，AFCI必须在一个指定的时间内检测出电路故障并关断电路。2〕关断延迟时间：。在检测出电弧到断电实际所需的时间。3〕信号等待时间：这些剩余的时间，代表着AFCI检测到电弧故障后信号传输和处理的时间，它可以由关断延时时间减去关断时间计算得到。它的长短取决于各AFCI之间的协助，在信号等待时间之后，AFCI可以决定是否关断此电路。此外，根据对以上结果的分析，我们可以创立一个活动表，用来描述各个AFCI是否检测到了电弧故障，以及它们的工作情况。表三就显示出当AFCI1下负载发生电弧各个AFCI的工作情况。在这种情况下，AFCI0和AFCI1发现在同一时间出现电弧故障，但只有AFCI1被要求断开电路。针对两级的AFCI电路，我们还是遵循UL1699在检测出故障电弧后0.2s内关断故障电路的要求，现在市场上可以买到的断路器一般的物理跳闸时间为30ms或更短，而处理信号的时间根据算法的不同而有不同的响应时间，这里我们取一个比拟的中间值10ms作为处理时间，这里的处理时间指的是，单个AFCI处理一次故障电弧信号所需要的时间。我们先设UL标准关断上限为TUL=200ms，断路器物理关断时间为Toff=30ms,而处理时间TcalToff+Tcal这个理论值符合UL要求我们的200ms以内，但是值得注意的是，我们现在讨论的只是一个两级AFCI，对于多级AFCI的响应时间分析将在下文中提及。多级AFCI模型当讨论完两级AFCI电路，我们就可以继续向多级的AFCI进发，但是在此处，除了在两级AFCI提出的约束条件之外，还需要添加一个重要的约束条件，就是必须要在相同的电压下此处的多级AFCI才能得以实现，在这个条件下，我们就可以进行以下的讨论：基于对两级AFCI的讨论，可以采用上文的方法，在这里我们可以将两级AFCI以下的电路看作一体，两级AFCI下电路的阻抗可以定义成Z2-n,其中2代表它的级数，而n代表它的个数，它是一个根据用户用电需求不断变化的值，但是在一点时间内，可以把它看成是一个是时不变的系统，如图图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15三级AFCI电路模型可以看到3个两级AFCI同时并联在一个AFCI上，从而形成了一个三级AFCI系统，在这里可以按照上文的方法进行讨论正常工作的三级AFCI系统在正常的三级AFCI中，可以根据二级的思路得到以下一些等式Vi1其中Z3-1三级发生故障电弧的三级AFCI系统当三级处发生故障电弧时，根据上文对二级AFCI的讨论，我们对可以推出i2-1i===因为i2-2,i2-3与表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13三级上级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCIV1-YYAFCIV1-YNAFCIV1-YNAFCIV1-YN三级以下发生故障电弧的三级AFCI系统当三级以下发生电弧时，我们考虑到故障电弧可能发生在一级或是二级，在这里我们将下级看作一个系统进行讨论，防止的系统的复杂化，因为不管是一级或是二级发生故障电弧两级内的负载就都会发生变化，根据这个特性我们就可以参照二级模式给出等式：i在这里，i2-1,ii而i3-1i=这样我就可以得出在下三级以下发生电弧的结论，如表3.4所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s14三级下级AFCI发生电弧关断要求电压电流检测可能性正确关断AFCIV1-YNAFCIV1-YYAFCIViNNAFCIViNN至此，根据计算，我们可以发现，三级AFCI系统亦可以用两级AFCI取代得出，这就说明三级AFCI结构可以模仿二级系统的结构，进行操作，其算法也与两级算法有相似之处。我们需要将所有的AFCI〔包括三级，二级以及一级〕的信息汇总才能得出正确的信息，所以我们需要将AFCI引出一条通讯线汇总到总处理单元，经过算法得出在何处发生了故障电弧，理论上来说，只要不同时发生多个电弧故障，只需要关断一个AFCI就可以解决所有的问题。这里我们列出了可能性的总表，其中3-1管辖2-1、2-2、2-3，2-1管辖1-1、1-2、1-3，2-2管辖1-4、1-5、1-6，2-3管辖1-7、1-8、1-9，如表3.5所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s15三级AFCI关断可能性总表关断AFCI3-12-11-11-21-32-21-41-51-62-31-71-81-93-1yyyyyyyyyyyyy2-1yyyyy1-1yyy1-2yyy1-3yyy2-2yyyyy1-4yyy1-5yyy1-6yyy2-3yyyyy1-7yyy1-8yyy1-9yyy表中可以找到与二级AFCI相同的规律，即：1〕在下级发生电弧时，只有当前AFCI和它上级AFCI可以检测到故障电弧信号2〕在上级发生电弧时，当前上级AFCI和它所辖的所有AFCI都可以检测到故障电弧信号基于这两点，我们可以得出以下一些结论：1〕不管何处发生了故障电弧，必有一个根节点检测到2〕发生电弧时，3-1必然能检测到3〕必然有3个AFCI可以检测到，包括一个三级，一个两级，一个一级。4〕所有子节点检测到电弧，说明其父节点以上发生电弧所以对于算法我们应该采取一种从下而上的寻址方法，首先我们应该先寻找一级中哪个AFCI发现了故障电弧，然后寻找这个AFCI这个的同父AFCI是否发现了电弧，假设所有同父AFCI都发现了电弧，那么可认为电弧没有发生在一级，可向上查找。这里还有一种特殊的情况，就是此一级AFCI并无其他的同父AFCI，只有它和二级AFCI形成串联，这种情况我们从实际平安角度上出发，因判定电弧没有发生在一级，因向上查找。假设所有同父AFCI都未发现了电弧，那么可认为电弧发生在一级。假设其他同父AFCI有的发现有的没发现，那么认为这个情况是错误的，因重新初始化计算。当一级检测完毕，报告电弧未发现在一级时，已经有一个二级AFCI被确定发生了电弧，此时类似与一级的方法，我们应去查找它的同父AFCI是否发生电弧，判定的方式与一级一致，即假设所有同父AFCI都发现了电弧，那么可知是三级AFCI区域发生电弧，假设所有同父AFCI都未发现了电弧，那么可认为电弧发生当前AFCI。算法流程图，如图3.6所示如下：二级中发生电弧二级中发生电弧开始初始化是否同父一级中发生电弧是否同父三级中发生电弧一级电弧故障二级电弧故障关断电路YesYesNoNo图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16三级AFCI算法流程图同理我们可以给四级AFCI的构建方法，以及以后多级AFCI的构建方法，但是这个方法只能应用于树形架构的网络，也就是说一个父AFCI可以连接多个子AFCI，而子AFCI不能连接到多个父AFCI，在这里就有一定的局限性，还有就是现在的讨论基于的是相同电压的条件。多级AFCI智能化在AFCI智能化的过程中，AFCI需要满足在未来智能电网中的各种要求，包括可自愈性，网状的输电结构，双向输电，网络通信等，本章就对在AFCI智能过程中遇到的问题展开讨论：网状结构可能性未来的技术要求电网需要进行网状的构建，要求电网可以双向的传输电力。本文的算法都是基于树形的输电结构，假设要将上文的算法应用到网状是有困难的，因为上文算法属于一种追溯算法，一旦有了多个父类就无法找到对象，所以在没有找到适宜的算法时，本文只能提出自己的一些想法，以供参考：首先我们可以想到的通过各AFCI接收到电弧信号的时间判断出其到故障电弧点的距离，当电网形成网状时，就需要记录下各个AFCI发生电弧的发生时间，由于各AFCI记录下的发生时间各不相同，我们就可以通过信号的传播速度计算出信号传播的距离，通过多点的综合的测距判断出电弧的发生位置。当然这种技术对于时间采集的要求相当高，亦需要所有AFCI的时间是同步的，如果传输到总处理单元的时间有出入，那么多点测算距离就是出现很大的偏差。在测算的时候，我们应该尽量保证多点的测算，点越多意味着测算的越精确，但也意味着算法的越复杂。网状的输电结构意味着AFCI关断可能不止一个，在树形电网结构中可以从上文得出结论每次电弧发生故障时只需要且只需要关闭一个AFCI就可以得到足够的保护，但在在网状的网络中，特别是在电网双向供电的情况下，关断一个AFCI可能就缺乏以给电网给以足够的保护。因此在设计算法的过程中，需要对关断多个AFCI进行优化，保证此条线路被完全的关断。例如在图4.1中所示：112435图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11网状结构电弧发生示意图假设所有的线路是互通的，如果在1点发生电弧，假设1点附近无AFCI，就需要将2，3点的AFCI同时关断来保护电路，相关算法应具有一定的寻址能力，用于寻找最简而有效的关断方法，在这种情况下，父子类的寻址方式显然是不适用的，应为各个AFCI建立与它们相关的AFCI列表，如表4.1所示表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11电弧相关AFCI列表电弧发生点相关AFCI12，321，331，2，4，543，553，4在相应点发生电弧时就可以根据列表中相关的AFCI的进行关断，当然在这里仅对这种最简单的结构进行了分析，在未来的电网中拓扑结构可能会更加复杂，特别是在遇到多级的网状结构时的算法依然有相当大的研究价值。不同电压下的多级AFCI在全网中实现多级的AFCI，就必须考虑到在不同的电压环境下实现正确的故障电弧检测，就我国考虑，在输电的过程中存在着220v，380v，10kv，35kv，110kv，220kv，500kv等诸多的输电电压等级，假设要在智能电网中全面的应用AFCI，势必要考虑到在不同的电压环境下AFCI是否会产生干扰。在变电的过程中，特别是在大型的变电站中，会经过复杂的变电过程，由故障电弧产生的异常电流在经过变电所后已经经过整流，不会被下级的AFCI所发现。而仅从变电所角度来看，更多的防止电弧的工作会交给销弧线圈等物理元件来进行，我们仅仅需要做到检测到电弧，然后报告给信息中心。即使是在380v转220v变电中，假设380v级发生了故障电弧，380v级的AFCI也发现了故障，但是在经过电压器的变压中，发生故障电弧信号的强度也会被削弱一半，会经过数次滤波，其信号缺乏以被220v的AFCI发现。可以得出以下的结论，多级AFCI应在不同的电压级上分别的建立。在电弧防护方面，主要应防护家庭级别的电弧故障，因为电气火灾一般发生于此，然后再逐级上升，建立有层次的AFCI防护网，最后到达智能电网的全面覆盖。单线与双线结构的可能性在上文中提及，多级AFCI需要将电力传输线及数据传输线分置，采用双线的结构进行控制，所有的信号与控制命令都在数据传输线上进行传输。在两级的情况下，上级AFCI和下级AFCI同时引出一根数据传输线，将这些数据线同时接入中央处理单元，由中央处理单元决定应该关断哪个AFCI。当然也有可能性使AFCI的判断信号直接在电力的传输线上行走，也就是在电力传输线上完成电力和数据的单线传输，但这个方案需要在AFCI上加装一个信号的发射装置，这个发射装置的电压级应与传输电压保持在一个数量级上，在结构上，中央处理单元将与最高级的AFCI结合，如图4.2所示：AFCI1AFCI1AFCI4AFCI3AFCI2AFCI0MCU电力传输数据传输图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12双线传输示意图在检测到故障电弧时，下级的AFCI将发射一个类电弧信号的脉冲，通信协议需要重新定义，意为此处发现故障电弧，是否关断，请指示，最高级的AFCI通过其信号采集收集到所有的脉冲信号后，就可以通过上章中所示的方法进行判定，在树形结构中理论上只需要关断一个AFCI就可以到达保护电路的目的，所以只需要发射一个带有该AFCI的识别码的关断信号脉冲，该AFCI通过采集信号就可以判断出来，关断自己。可以看出单线AFCI系统可以很好的解决双线系统中重复的两次布线的麻烦，更加的灵活，更加的方便。当然单线的AFCI系统有很大的局限性，首先，单线系统需要加装一个信号的发射器，使AFCI可以在电力线上传输数据信号；其次，单线系统是不能与双线系统通用的，也是就是说在单线系统中不能有双线的多级AFCI存在，否那么就会影响系统的整体工作性能，单线系统必须是在一个封闭的系统中完整的应用。对单线系统的分析中可以发现单线系统使用在一个独立的系统中，这个系统应是较难进行二次布线且应是呈树形结构的，它在一个特定的系统中可以得到很好的应用。当然在未来的智能电网建设中，电网需要建立各种高级的检测体系，如智能电表，数字计量管理系统等，这些系统都要求电网需要高度的网络化，也就是说，双线系统的中的数据传输线不仅是传输AFCI的故障电弧信号，传输的内容可以是多样的，如电表的信息，各种其他故障的信息，以及各种综合管理信息等等。这样就可以得出结论，双线系统是以后AFCI开展的主要方向，因为它与未来智能电网需要智能化的数字计量与监控模式相一致，电网在传输过程中也需要大量的信息辅助；而单线系统虽然应用面比拟窄，但也有其立足之地，在一些不宜扩展，不宜两次布线的应用场景也可以发挥出很大的作用。对信号通讯的要求以及选择随着IPv6的技术的开展，它将原有的IPv4给与我们的IP地址增加的2的96次方倍，使得一物一IP的想法得到的开展，可能在不久的将来我们的许多事物都会被附上一个IP地址，不仅可以是一台电脑，一部等电子设备，还可能是一把钥匙，一个钱包，甚至是一棵树，一个人。基于这种一物一IP的想法，我们为什么不可以在我们的多级AFCI上打上一个IP的标记，IPv6的技术使我们可以为每一个AFCI附上一个专有的IP地址，而每一个AFCI完全是连接在互联网上的，当然可以根据不同的电压级组成虚拟的网络组群，而该电压级的总处理单元可以是单独设立的，也可以是某个AFCI的一局部，在这里信息的传输是基于IP传输协议的，信息的封装遵循IPv6协议。版本号：4位，IP协议版本号通信类别：8位，指示IPv6数据流通信类别或优先级。流标记：20位，IPv6新增字段，标记需要IPv6路由器特殊处理的数据流。该字段用于某些对连接的效劳质量有特殊要求的通信，诸如音频或视频等实时数据传输。在IPv6中，同一信源和信宿之间可以有多种不同的数据流，彼此之间以非“0〞流标记区分。如果不要求路由器做特殊处理，那么该字段值置为“0〞。负载长度：16位负载长度。负载长度包括扩展头和上层PDU，16位最多可表示65535字节负载长度。下一包头：8位，识别紧跟IPv6头后的包头类型，如扩展头〔有的话〕或某个传输层协议头。跳段数限制：8位，类似于IPv4的TTL〔生命期〕字段，用包在路由器之间的转发次数来限定包的生命期。包每经过一次转发，该字段减1，减到0时就把这个包丢弃。源地址：128位，发送方主机地址。目的地址：128位，在大多数情况下，目的地址即信宿地址。但如果存在路由扩展头的话，目的地址可能是发送方路由表中下一个路由器接口。在这里我们定义了多级AFCI需要的通讯协议的形式，下面我们来定义需要通讯传输的内容，在一般的情况下，这些通讯应是静止的，处于一种休眠的状态，因为故障电弧电弧发生因为是一个小概率事件，就是说，发生的概率很小，但并不意味着不会发生，因为一但发生就有可能造成巨大的人员和财务损失。所以，我们必须保证所有的AFCI是正常工作的，因此，笔者认为，在平常情况下各个AFCI应该定期的给主处理单元发生信息，以证明其在正常的监控中，这个周期应定义在10分钟至一个小时的范围内，太长的时间容易遗漏AFCI自身发生故障，而时间太短意味着信息过于频繁而浪费网络资源。当故障电弧发生时，位于下级的AFCI就应该给总处理单元发去信息，其发送顺序应是：1〕发现电弧：一发现电弧就直接消息给总处理单元，说我发现在电弧，但是电弧的类型未知，从而由主处理单元激活整个多级AFCI,进行联动的检测，而这个时候我们也并不知道，这个电弧是“好弧〞或是“坏弧〞。需要进一步进行检测。2〕发现故障电弧：在大概0.5s之后，我们就可以采集到足够的故障电弧波形，这个时间我们就可以将其判断为“坏弧〞，此时发送的消息就应该是“我发现了故障电弧〞。3〕故障电弧的波形：在发送完故障电弧信号后，AFCI应将发现电弧时的波形发送到总处理单元，总处理单元会将这些电弧波形汇总、处理以及储存。在来看看总处理单元的信令流程：1〕首先在接受到发现电弧信号时，总处理单元会发回执给该AFCI，说你发送的信息我已经收到，接着翻开播送告诉所有的AFCI说：“在某IP的AFCI发现了电弧，请采集信号，进行检测〞，从而激活系统。2〕其后，当收到该AFCI确认其为故障电弧时，总处理单元亦会收到来自其他AFCI的故障电弧报告，通过对这些信息的分析，判断出电弧的具体位置，并发送给响应的AFCI，告知其关断电弧。3〕当收到具体的电弧波形时，总处理单元将进行相关的整理工作，智能的调整判断机制。同时分析并进行保存。某IP发现电弧收到请采集信号关断指令确认为故障电弧某IP发现电弧收到请采集信号关断指令确认为故障电弧AFCI总处理单元电弧波形传输图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s13通讯流程信令图对于响应时间的要求对于多级的响应时间分析，可以参照两级的时间响应模型来建立。首先可以确定的是，这些时间是不会改变的：UL标准关断上限为TUL=200ms，断路器物理关断时间为Toff唯一会改变的是总处理器，需要的处理时间Tlevel2,这里假设多级AFCI是一个树形的结构，一个父AFCI下面会连接3个子AFCI，这里一个两级AFCI的处理时间为TT以此类推可以得出N级AFCI的处理时间是：TT从等式中可以发现，总处理单元的处理时间是呈现出一个指数性的增长，三级为15ms，四级为45ms，五级为135ms，五级以内响应时间均可以满足UL定义的关断上限，但在五级之后，响应时间将会大大的超出，这种情况是不能被接受的。所以在五级AFCI应追求更优秀的算法可以将指数算法转换成其他可以接受的算法，以及更快速的处理器。但在目前情况在本文定义，最高级的AFCI网络不应高于五级，否那么就达不到保护电路防止电气火灾的目的。智能电网中多级AFCI应用模型智能电网AFCI总架构概念图鉴于上章的讨论，现在就可以给出在智能电网中的AFCI总架构图，在未来复杂的电力系统中，我们将采用相同电压下多级AFCI，如220v多级AFCI,380v多级AFCI等，也就是说在在一个电压在实现的多级AFCI连接，级数在二级到几十级不等，可以根据实际情况进行调节，同一电压下的所有AFCI可以自带处理单元，也可以仅进行数据采集，然后将故障电弧数据传输到总处理单元，同一电压在只设置一个总处理单元，进行对采集数据的分析，以及控制AFCI进行正确的关断，这将是一个多级AFCI的核心设备，它的计算能力会根据AFCI级数进行适当的增减，假设其他的AFCI具有算法分析能力，亦可分担总处理单元的分析工作。在这里我们采用一种双线的结构，即电力传输线与信号传输线相互别离，以满足未来智能电网双向通讯的需要。根据断路时间的需要，建议不应超过五级，过于复杂的网络结构，会导致误码率升高，从而导致总处理单元的判定结果出现偏差，从而使之前的工作前功尽弃。智能电网采用了网状的输电网络，应采用具有多路分析的算法，可以同时关断多个AFCI，关断在到达保护电路目的的同时，应保证限制在最小的范围内，不会影响其他的正常供电。当在同一电压上建立独立的多级AFCI系统后，每个系统具备独立的处理、关断电弧的能力，处理单元应具有良好的网络能力，将处理信息发送给智能电网的中央管理系统，中央管理系统定义为一个大型的计算机处理系统，负责配电，测量，输电，管理等诸多核心事宜，中央管理系统此时需要将各个多级AFCI系统的信息进行收集，收集内容包括电弧的位置，强度，时间，发生的原因，将这些内容发布预警，分别传输给相关部门，如消防局，亦会通知电力的维修部门进行实地的维修。如图5.1所示电力维修部门消防局电弧信息220V多级AFCI系统380V多级AFCI系统中央管理系统高压AFCI系统专门处理消防维修预警信息智能电网电力维修部门消防局电弧信息220V多级AFCI系统380V多级AFCI系统中央管理系统高压AFCI系统专门处理消防维修预警信息智能电网中央管理系统应具备多电弧发生时的并行处理能力，虽然故障电弧发生概率较小，但是在一个广域的范围内，不能排除多个AFCI系统同时发生电弧的情况，在这种情况下，管理系统就需要对多路的故障电弧进行管理，利用上章是所描述的全IP概念，可以将IP与现实中的地址相绑定来分辨电弧的发生点，从而并行处理多电弧发生。在智能电网中采用多级AFCI结构的必要性在智能电网中应用多级AFCI技术是符合智能电网在设计之初的要求的，高速双向通信系统的建成，智能电网通过连续不断地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其最重要的特征—自愈特征。为了实现这一重要特征，我们需要各种各样的技术作为辅助，其中包括传输技术，通讯技术，量测技术，设备技术，控制技术以及各种相关标准。智能电网主要由4局部组成：高级量测体系，高级配电运行，高级输电运行，高级资产管理。而AFCI在高级量测体系中扮演着重要的作用。AFCI的参加可以为智能电网提供完善的故障电弧保护，这里我们希望可以将AFCI作为电网全网的组件而不是作为一个近终端的防护设备出现，它应该是一个可以保护全网的平安的可靠的设备，AFCI的主要的作用是防止电气火灾，因为电弧的温度极高，足以引燃其他物体，所以在智能电网中AFCI的应用也可以具有指向性，首先