智能守護，安全無憂：恩智浦MCX N系列NPU電弧檢測技術(shù)解析

隨著全球光伏儲能市場的不斷發(fā)展，光伏及儲能逆變器和也在不斷進行技術(shù)升級和創(chuàng)新。作為ESS技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，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)的故障檢測具有很高的應(yīng)用價值，對光伏或者儲能系統(tǒng)的早期故障能夠有效檢測，大大減少火災(zāi)發(fā)生的機率。恩智浦MCX N系列NPU的電弧檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種需要電弧檢測的場合，如：

■ 電力系統(tǒng)：用于監(jiān)測和檢測電力系統(tǒng)中的電弧故障，及時采取措施防止故障擴大。

■ 工業(yè)控制：在工業(yè)自動化和機器人控制系統(tǒng)中，用于檢測潛在的電弧風險，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軟硬件方案及數(shù)據(jù)采集訓練軟件可大大加速用戶電弧檢測產(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)的運算。提高電弧故障檢測的實時性。

基于AI的故障電弧檢測實現(xiàn)過程分為數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)訓練，模型量化，模型的驗證及部署五個過程，均可以通過NXP所搭配的一站式上位機軟件來完成。

如下圖所示，根據(jù)UL1699B要求搭建測試平臺，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，檢測故障電弧產(chǎn)生的交流信號。通過采集板采集，MCXN947所集成的ADC，具備16bit 分辨率，同時在16bit分辨率下可支持高達2Mbps的采樣速率，使其非常適合電弧信號的采集，信號通過ADC采樣進入MCU進行處理。

NXP提供的采集板目前支持兩路電弧信號的同時檢測，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，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，直流電流在10KHz-100kHz頻段范圍內(nèi)的諧波能量會明顯增大。所以所設(shè)計的電路使用帶通濾波處理輸入信號。其頻帶特性如下圖所示：

根據(jù)標準要求,每個電壓和電流等級下測試：

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

同時，在頻域檢測方法的應(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行分析、檢測。

在原理上，利用FFT進行諧波計算，取2048點為分段，進行FFT運算，MCXN947內(nèi)部帶有PowerQuad模塊，可加速FFT的運算。其計算結(jié)果，量化后給到MCXN947所帶的NPU進行處理。得到最終的分類結(jié)果。從而有效辨識出有電弧的場景。

實時運行過程中，通過串口打印檢測結(jié)果，目前當檢測到電弧發(fā)生時，串口輸出如圖所示，同時輸出識別匹配度為99%。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，恩智浦MCX N系列NPU的電弧檢測技術(shù)將進一步提升智能化水平和檢測精度。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)定運行和智能化發(fā)展做出更大貢獻!