智能守護(hù)，安全無憂：恩智浦MCX N系列NPU電弧檢測(cè)技術(shù)解析

隨著全球光伏儲(chǔ)能市場(chǎng)的不斷發(fā)展，光伏及儲(chǔ)能逆變器和也在不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和創(chuàng)新。作為ESS技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，光伏系統(tǒng)發(fā)電的安全性可靠性也越來越得到重視，直流系統(tǒng)的故障檢測(cè)具有很高的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)光伏或者儲(chǔ)能系統(tǒng)的早期故障能夠有效檢測(cè)，大大減少火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率。恩智浦MCX N系列NPU的電弧檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種需要電弧檢測(cè)的場(chǎng)合，如：

■ 電力系統(tǒng)：用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)電力系統(tǒng)中的電弧故障，及時(shí)采取措施防止故障擴(kuò)大。

■ 工業(yè)控制：在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人控制系統(tǒng)中，用于檢測(cè)潛在的電弧風(fēng)險(xiǎn)，確保生產(chǎn)安全。

■ 智能家居：在智能家居系統(tǒng)中，用于監(jiān)測(cè)電路中的電弧情況，提高家庭用電的安全性。

恩智浦推出電弧檢測(cè)軟硬件方案及數(shù)據(jù)采集訓(xùn)練軟件可大大加速用戶電弧檢測(cè)產(chǎn)品的開發(fā)速度。其中MCX N系列MCU內(nèi)部集成了NPU，可達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的4.8Gops的推理速度，可加速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算。提高電弧故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

基于AI的故障電弧檢測(cè)實(shí)現(xiàn)過程分為數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)訓(xùn)練，模型量化，模型的驗(yàn)證及部署五個(gè)過程，均可以通過NXP所搭配的一站式上位機(jī)軟件來完成。

如下圖所示，根據(jù)UL1699B要求搭建測(cè)試平臺(tái)，PV模擬源輸出經(jīng)過電弧發(fā)生裝置后，輸入到光伏逆變器的直流PV輸入端。通過串聯(lián)其中的互感器，檢測(cè)故障電弧產(chǎn)生的交流信號(hào)。通過采集板采集，MCXN947所集成的ADC，具備16bit 分辨率，同時(shí)在16bit分辨率下可支持高達(dá)2Mbps的采樣速率，使其非常適合電弧信號(hào)的采集，信號(hào)通過ADC采樣進(jìn)入MCU進(jìn)行處理。

NXP提供的采集板目前支持兩路電弧信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)，采集板作為子卡插接在FRDM-MCXN947板子上。

關(guān)于采集電路設(shè)計(jì)，在理論研究中，通過分析頻域特性，我們通常發(fā)現(xiàn)直流故障電弧發(fā)生時(shí)，直流電流在10KHz-100kHz頻段范圍內(nèi)的諧波能量會(huì)明顯增大。所以所設(shè)計(jì)的電路使用帶通濾波處理輸入信號(hào)。其頻帶特性如下圖所示：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,每個(gè)電壓和電流等級(jí)下測(cè)試：

采樣板輸入的信號(hào)如下圖所示，所采集到的交流信號(hào)混雜了逆變器本身的諧波干擾及發(fā)生直流電弧信號(hào)。

同時(shí)，在頻域檢測(cè)方法的應(yīng)用中，為了盡量避免直流故障電弧特征頻段與光伏系統(tǒng)因自身控制等導(dǎo)致的諧波畸變頻段之間產(chǎn)生相互耦合、干擾，選取了10kHz-100kHz頻段作為直流故障電弧的特征頻段進(jìn)行分析、檢測(cè)。

在原理上，利用FFT進(jìn)行諧波計(jì)算，取2048點(diǎn)為分段，進(jìn)行FFT運(yùn)算，MCXN947內(nèi)部帶有PowerQuad模塊，可加速FFT的運(yùn)算。其計(jì)算結(jié)果，量化后給到MCXN947所帶的NPU進(jìn)行處理。得到最終的分類結(jié)果。從而有效辨識(shí)出有電弧的場(chǎng)景。

實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，通過串口打印檢測(cè)結(jié)果，目前當(dāng)檢測(cè)到電弧發(fā)生時(shí)，串口輸出如圖所示，同時(shí)輸出識(shí)別匹配度為99%。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，恩智浦MCX N系列NPU的電弧檢測(cè)技術(shù)將進(jìn)一步提升智能化水平和檢測(cè)精度。未來，該技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和智能化發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)!