用于检测与电气设备相关联的电气异常的传感器装置、系统、方法和计算机程序与流程

本公开内容涉及用于检测与电气设备相关联的电气异常的方法、计算机程序和系统。更具体地，本公开内容涉及如权利要求1、权利要求10和权利要求11的前序部分中所定义的用于检测与电气设备相关联的电气异常的方法、计算机程序和系统。

背景技术：

1、诸如火花、电弧和热量增加的电气异常可能与电气设备相关联地发生，例如由于各种故障或过电压。这种异常可能导致火灾，从而导致电气设备及其周围环境的严重损坏。为了检测异常并由此防止损坏，存在各种类型的警报系统和装置，所述警报系统和装置包括电压监控、光学传感器和/或声学传感器。然而，这些系统和装置中的大部分都非常复杂且昂贵。此外，当损坏已经发生或火灾已经开始时，这些系统中的许多系统对异常的反应太晚。

2、作为示例，us2020/0144806 a1公开了用于根据电弧的声学特征来检测电气系统中电弧的形成的方法和装置。该系统包括声学传感器，例如超声波传感器，该声学传感器被配置成检测电气系统中的声波。传感器可以布置在电气系统的壳体的壁上，或者与希望监控的电导体物理接触。

3、us10366596 bb公开了用于检测电气设备故障的监控系统。该系统包括超声波传感器，该超声波传感器安装在例如面对电气设备的机柜的门或壁的内侧上。超声波传感器可以用于设定阈值声级，该阈值声级表示从良好工作状态的电气设备辐射的超声波发射。在监控期间，因为声级将高于环境阈值，所以超声波传感器可以检测电弧、跟踪或电晕事件何时发生。

4、尽管根据现有技术的上述系统解决了与用于检测电气异常的系统相关联的问题中的一些问题，但是所述系统通常不能提供准确且可靠的监控，并且通常检测到潜在危险时太晚。因此，需要用于检测与电气设备相关联的电气异常的改进的方法和系统。

技术实现思路

1、本公开内容的目的是缓解、减轻或消除现有技术中的缺陷和缺点中的一个或更多个，并且解决当前问题中的至少一个问题。

2、本公开内容的特定目的是提供用于检测与电气设备相关联的电气异常的具有成本效益的、可靠的且稳健的方法和系统。

3、本公开内容的另一目的是提供用于检测电气异常的方法和系统，所述方法和系统通过准确且可靠的监控能够及时地发出警报，从而降低严重损坏的风险。

4、根据本公开内容的一方面，提供了一种用于检测与电气设备相关联的电气异常的方法。该方法包括以下步骤：在校准处理期间借助于声学传感器装置记录反映电气设备在其正常操作期间的声音的声信号；以及基于在校准处理期间记录的在至少一个频带内的声信号，确定在校准处理之后对电气设备的监控期间要监控的至少一个频带内的声信号的能量含量阈值。该方法还可以包括以下步骤：在由声学传感器装置在校准处理之后对电气设备的监控期间记录的声信号中检测在至少一个频带内的声脉冲；以及当声脉冲的能量含量超过至少一个频带的能量含量阈值时，将声脉冲分类为与电气设备相关联的电气异常。

5、这提供了一种具有成本效益的、可靠的且稳健的方式来监控电气设备，以检测电气异常，包括但不限于电气设备的火花形成、电弧、电晕放电、跟踪和温度突然升高。通过监听电气设备在其正常操作期间产生的背景声学噪声水平，并基于记录的在要监控的特定频带内的声信号来确定能量含量阈值，可以将阈值设定得相对较低，从而提高电气异常检测的灵敏度。

6、应当优选地选择频带以排除由电气设备在其正常操作期间生成的高能量含量声信号，即排除包含高水平背景噪声的频率。

7、在一些实施方式中，基于要监控的电气设备的类型和/或基于要监控的电气设备的电气环境来预设频带。以这种方式，频带可以根据通常由要监控的电气设备的类型和/或由要监控的电气设备的周围环境中的电器产生的声学噪声的已知频谱来预设。

8、在一些实施方式中，频带是基于由声学传感器装置在校准处理期间记录的声信号来确定的，所述声信号是由电气设备在其正常操作期间产生的，所述声信号表示由电气设备在其正常操作期间产生的背景噪声。

9、在一些实施方式中，该方法可以包括以下步骤：将在校准处理期间记录的不同频率的声信号的能量含量进行比较，并且基于该比较将要监控的频带确定为具有相对低能量含量的频带。

10、频带应当优选地足够窄，以排除由电气设备在其正常操作期间生成的高能量含量声信号。优选地，频带应当具有至多100hz、优选地至多75hz、甚至更优选地至多50hz的带宽。

11、根据由要监控的电气设备和要监控的电气设备的周围环境中的电器产生的背景噪声，频带的合适中心频率可以为1khz或4.5khz。

12、已经发现，由上述类型电气异常产生的声脉冲具有非常短的持续时间。因此，为了通过防止其他声音被误认为电气异常而使该方法更加稳健，该方法可以包括以下步骤：确定声脉冲的脉冲持续时间，并且仅当脉冲持续时间在最大脉冲持续时间阈值以下时，才将声脉冲分类为电气异常。当被定义为声脉冲的能量含量超过能量含量阈值的时间段时，最大脉冲持续时间阈值可以例如被设定为15ms至50ms范围内的值。优选地，最大脉冲持续时间阈值应当为至多40ms，甚至更优选地至多30ms，并且最优选地至多20ms。

13、还发现，由上述类型电气异常产生的声脉冲在能量含量方面会非常突然增加和减少。因此，为了使该方法更加稳健，可以基于声脉冲的能量含量的增加率和/或减少率来执行将脉冲分类为电气异常。

14、在一些实施方式中，该方法可以包括以下步骤：确定指示声脉冲的能量含量的增加率的测量，并且仅当增加率的测量超过设定的阈值时，才将声脉冲分类为电气异常。这可以例如通过以下来实现：确定声脉冲的声能缓升时间，并且仅当声能缓升时间在最大声能缓升阈值以下时，才将声脉冲分类为电气异常。当被定义为从声脉冲的能量含量超过能量含量阈值的第一时间点到声脉冲的能量含量达到其最大值的第二时间点的时间段时，最大声能缓升阈值可以例如被设定为10ms至40ms范围内的值。优选地，最大声能缓升阈值应当为至多30ms，甚至更优选地至多20ms，并且最优选地至多10ms。

15、同样，在一些实施方式中，该方法可以包括以下步骤：确定指示声脉冲的能量含量的减少率的测量，并且仅当减少率的测量超过设定的阈值时，才将声脉冲分类为电气异常。这可以例如通过以下来实现：确定声脉冲的声能缓降时间，并且仅当声能缓降时间在最大声能缓降阈值以下时，才将声脉冲分类为电气异常。当被定义为从声脉冲的能量含量达到其最大值的第一时间点到脉冲的能量含量下降到能量含量阈值以下的第二时间点的时间段时，最大声能缓降阈值可以例如被设定为10ms至40ms范围内的值。优选地，最大声能缓降阈值应当为至多30ms，甚至更优选地至多20ms，并且最优选地至多10ms。

16、该方法还可以包括以下步骤：响应于将声脉冲的发生分类为电气异常而生成警报信号和/或自动地关断电气设备。以这种方式，可以向用户通知电气设备中电气异常的发生，以及/或者在检测到电气异常时可以关断电气设备，从而防止或至少减轻对电气设备和电气设备的周围环境的严重损坏的风险。

17、该方法可以用于检测与任何类型的电气设备相关联的电气异常，该电气设备包括但不限于电气柜、保险丝盒、配电盘和机架中的电气设备、家用电器、电连接器和电缆。电气设备的声音可以例如由声学传感器装置从以下各项中拾取：声学传感器装置安装在其上的用于电气设备的安装导轨、声学传感器装置安装在其上的电缆或声学传感器装置安装在其上或集成到其中的电连接器。

18、上述方法通常是计算机实现的方法，该计算机实现的方法可以在由用于检测与电气设备相关联的电气异常的系统的一个或更多个处理器执行计算机程序时执行。

19、因此，根据本公开内容的另一方面，提供了一种包括计算机可读指令的计算机程序，所述计算机可读指令在由用于检测与电气设备相关联的电气异常的系统的至少一个处理器执行时，使该至少一个处理器执行以下步骤：

20、-接收反映所述电气设备在其正常操作期间的声音的声信号，所述声信号由可操作地耦接至至少一个处理器的声学传感器装置在校准处理期间记录；

21、-基于在校准处理期间记录的在频带内的声信号，确定在校准处理之后对电气设备的监控期间要监控的该频带内的声信号的能量含量阈值；

22、-在由声学传感器装置在校准处理之后对电气设备的监控期间记录的声信号中检测在所述频带内的声脉冲，以及

23、-当声脉冲的能量含量超过能量含量阈值时，将声脉冲分类为与电气设备相关联的电气异常。

24、计算机程序还可以包括用于使系统的至少一个处理器执行上述方法的方法步骤中的任何一个或任何组合的指令。

25、计算机程序可以完全驻留在声学传感器装置中，或者该计算机程序可以是部分地驻留在声学传感器装置中并且部分地驻留在声学传感器装置可通信地连接至的网络服务器中的分布式计算机程序。计算机程序可以包括被配置成执行上述方法的不同步骤的若干计算机程序部件。例如，计算机程序可以包括：驻留在声学传感器装置中用于数据处理和通信的第一程序部件或应用；驻留在网络服务器中用于数据分析和数据通信的第二程序部件或应用；以及驻留在用户的电子装置中用于呈现数据和与用户交互的呈客户端应用形式的第三程序部件或应用。客户端应用可以例如以被配置成在移动电子装置例如移动电话或平板计算机上运行的移动应用(app)的形式来实现。

26、根据本公开内容的另一方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储有上述计算机程序的至少一种计算机可读介质例如非易失性存储器。

27、根据本公开内容的另一方面，提供了一种用于检测与电气设备相关联的电气异常的系统。该系统包括用于记录反映电气设备的声音的声信号的声学传感器装置，以及可操作地耦接至声学传感器装置的至少一个处理器。所述至少一个处理器被配置成：

28、-接收由声学传感器装置在校准处理期间记录的声信号；

29、-基于在校准处理期间记录的在频带内的声信号，确定在校准处理之后对电气设备的监控期间要监控的该频带内的声信号的能量含量阈值；

30、-在由声学传感器装置在校准处理之后对电气设备的监控期间记录的声信号中检测在所述频带内的声脉冲，以及

31、-当声脉冲的能量含量超过能量含量阈值时，将声脉冲分类为与电气设备相关联的电气异常。

32、如以上所讨论的，应当优选地选择频带以排除由电气设备在其正常操作期间生成的高能量含量声信号，即排除包含高水平背景噪声的频率。优选地，频带应当具有至多100hz、优选地至多75hz、甚至更优选地至多50hz的带宽。在一些应用中，频带的合适中心频率可以为约1khz或4.5khz。

33、频带可以由至少一个处理器基于由声学传感器装置在校准处理期间记录的声信号来预设或确定。

34、在一些实施方式中，至少一个处理器被配置成将由声学传感器装置在校准处理期间记录的不同频率的声信号的能量含量进行比较，并且基于该比较将要监控的频带确定为具有相对低能量含量的频带。

35、至少一个处理器还可以被配置成确定声脉冲的脉冲持续时间，并且仅当脉冲持续时间在最大脉冲持续时间阈值以下时，将声脉冲分类为电气异常。例如，至少一个处理器可以被配置成将脉冲持续时间确定为声脉冲的能量含量超过能量含量阈值的时间段，其中，最大脉冲持续时间阈值可以被设定在15ms至50ms的范围内。优选地，最大脉冲持续时间阈值应当为至多40ms，甚至更优选地至多30ms，并且最优选地至多20ms。

36、处理器还可以被配置成基于声脉冲的能量含量的增加率和/或减少率将声脉冲分类为电气异常。

37、在一些实施方式中，至少一个处理器被配置成确定指示声脉冲的能量含量的增加率的测量，并且仅当增加率的测量超过设定的阈值时，才将声脉冲分类为电气异常。为此，至少一个处理器可以被配置成确定声脉冲的声能缓升时间，并且仅当声能缓升时间在最大声能缓升阈值以下时，才将声脉冲分类为电气异常。至少一个处理器可以被配置成将声能缓升时间确定为从声脉冲的能量含量超过能量含量阈值的第一时间点到声脉冲的能量含量达到其最大值的第二时间点的时间段，并且使用10ms至40ms范围内的最大声能缓升阈值。优选地，最大声能缓升阈值应当为至多30ms，甚至更优选地至多20ms，并且最优选地至多10ms。

38、同样，在一些实施方式中，至少一个处理器可以被配置成：确定指示声脉冲的能量含量的减少率的测量，并且仅当减少率的测量超过设定的阈值时，才将声脉冲分类为电气异常。为此，至少一个处理器可以被配置成：确定声脉冲的声能缓降时间，并且仅当声能缓降时间在最大声能缓降阈值以下时，才将声脉冲分类为电气异常。至少一个处理器可以被配置成将声能缓降时间确定为从声脉冲的能量含量达到其最大值的第一时间点到脉冲的能量含量下降到能量含量阈值以下的第二时间点的时间段，并且使用10ms至40ms范围内的最大声能缓降阈值。优选地，最大声能缓降阈值应当为至多30ms，甚至更优选地至多20ms，并且最优选地至多10ms。

39、至少一个处理器还可以被配置成响应于将声脉冲分类为电气异常而生成警报信号和/或自动地关断电气设备。在一些实施方式中，警报可以由声学传感器装置例如以听觉和/或视觉警报的形式本地生成，以警告本地用户。作为本地警报的替代方案或附加方案，至少一个处理器可以被配置成生成经由用户的电子装置向用户提供的警报信号，该电子装置例如经由网络服务器可操作地耦接至声学传感器装置。在一些实施方式中，警报信号可以经由移动应用提供给用户，以用于检测与电气设备相关联的电气异常，该电气设备被配置成在用户的移动电子装置例如移动电话或平板计算机上运行。

40、在一些实施方式中，声学传感器装置可以被配置成从以下各项中拾取电气设备的声音：声学传感器装置安装在其上的用于电气设备的安装导轨、声学传感器装置安装在其上的电缆或声学传感器装置安装在其上或集成到其中的电连接器。

41、根据下面给出的详细描述，本公开内容将变得明显。详细描述和具体示例仅通过说明的方式公开了本公开内容的优选实施方式。本领域技术人员从详细描述中的指导中理解，可以在所附权利要求的范围内进行更改和修改。