恩智浦MCX N系列NPU电弧检测技术解析

随着全球光伏储能市场的不断发展，光伏及储能逆变器和也在不断进行技术升级和创新。作为ESS技术发展的重要趋势，光伏系统发电的安全性可靠性也越来越得到重视，直流系统的故障检测具有很高的应用价值，对光伏或者储能系统的早期故障能够有效检测，大大减少火灾发生的机率。 恩智浦MCX N系列NPU的电弧检测技术广泛应用于各种需要电弧检测的场合，如：

电力系统：用于监测和检测电力系统中的电弧故障，及时采取措施防止故障扩大。

工业控制：在工业自动化和机器人控制系统中，用于检测潜在的电弧风险，确保生产安全。

智能家居：在智能家居系统中，用于监测电路中的电弧情况，提高家庭用电的安全性。

恩智浦推出电弧检测软硬件方案及数据采集训练软件可大大加速用户电弧检测产品的开发速度。其中MCX N系列MCU内部集成了NPU，可达到业界领先的4.8Gops的推理速度，可加速卷积神经网络的运算。提高电弧故障检测的实时性。

基于AI的故障电弧检测实现过程分为数据采集，数据训练，模型量化，模型的验证及部署五个过程，均可以通过NXP所搭配的一站式上位机软件来完成。

如下图所示，根据UL1699B要求搭建测试平台，PV模拟源输出经过电弧发生装置后，输入到光伏逆变器的直流PV输入端。通过串联其中的互感器，检测故障电弧产生的交流信号。通过采集板采集，MCXN947所集成的ADC，具备16bit 分辨率，同时在16bit分辨率下可支持高达2Mbps的采样速率，使其非常适合电弧信号的采集，信号通过ADC采样进入MCU进行处理。

NXP提供的采集板目前支持两路电弧信号的同时检测，采集板作为子卡插接在FRDM-MCXN947板子上。

关于采集电路设计，在理论研究中，通过分析频域特性，我们通常发现直流故障电弧发生时，直流电流在10KHz-100kHz频段范围内的谐波能量会明显增大。所以所设计的电路使用带通滤波处理输入信号。其频带特性如下图所示：

根据标准要求,每个电压和电流等级下测试：

试验 编号	电弧电流A	最大功率点电压V	最大功率点电流A	分离速度（mm.s-1）	开路电压V	电极间隙mm
1	2.5	312	3.0	2.5	480.0	0.8
2	7	318	8.0	5.0	490.0	0.8
3	14	318	16.0	5.0	490.0	1.1
4	7	607	8.5s	5.0	810.0	2.5

采样板输入的信号如下图所示，所采集到的交流信号混杂了逆变器本身的谐波干扰及发生直流电弧信号。

同时，在频域检测方法的应用中，为了尽量避免直流故障电弧特征频段与光伏系统因自身控制等导致的谐波畸变频段之间产生相互耦合、干扰，选取了10kHz-100kHz频段作为直流故障电弧的特征频段进行分析、检测。

在原理上，利用FFT进行谐波计算，取2048点为分段，进行FFT运算，MCXN947内部带有PowerQuad模块，可加速FFT的运算。其计算结果，量化后给到MCXN947所带的NPU进行处理。得到最终的分类结果。从而有效辨识出有电弧的场景。

实时运行过程中，通过串口打印检测结果，目前当检测到电弧发生时，串口输出如图所示，同时输出识别匹配度为99%。

随着技术的不断发展，恩智浦MCX N系列NPU的电弧检测技术将进一步提升智能化水平和检测精度。未来，该技术有望在更多领域得到应用，为电力系统的安全稳定运行和智能化发展做出更大贡献!

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