CN103245897A - 一种使用多重判据的光伏系统直流故障电弧检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用光伏系统直流故障电弧检测的方法，在光伏系统中，一旦产生直流故障电弧，若不采取及时有效的防护措施，会产生3000℃以上的高温，进而引发火灾。2011年美国电工法规®（NEC®）规定光伏系统中应配备检测故障电弧的检测装置与断路器。美国保险商实验室（UL）也推出相应的开发测试方法与机制。本发明提出的一种应用多重判据的光伏系统直流故障电弧的检测方法，针对光伏系统直流故障电弧时域与频域的特性，提取出区别于环境噪声与其他系统动作的综合特征，从而提高检出率，减少误检率，在保障生命财产安全的情况下，确保检测设备不因误检而阻断光伏系统的正常运行。
Description
技术领域
本发明属于光伏电气故障检测领域，具体涉及一种使用多重判据的光伏系统直流故障电弧检测方法。
背景技术
电弧是一种气体放电现象，指电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花，是一种气体放电现象。弧光放电是一种自持放电，区别于其他类型放电的特征是弧光放电的维持电压很低。目前很难给弧光放电下一个严格的定义，单纯从放电的电特性来说，弧光放电是一种阴极位降低，电流密度大的放电，一般说来具有负的伏安特性。
按照电流性质，电弧可分为直流电弧和交流电弧。其中由于交流电的应用较早较广，目前针对交流故障电弧已有成熟的检测方法和商业化的产品。但是由于光伏系统起步较晚，加之直流电弧与交流电弧的性质有很大不同，最大的区别是直流电流无过零点，因此不能直接套用交流电弧的检测方法。
在光伏系统中，故障电弧一旦产生，若不采取及时有效的防护措施，持续的直流电弧会产生3000℃以上的高温，进而引发火灾。近年来欧美陆续发生多起由故障电弧引发的火灾事故，造成程度不一的设备损坏。2011年美国电工法规®（NEC®）规定光伏系统中应配备检测故障电弧的检测装置与断路器。美国保险商实验室（UL）也推出相应的开发测试方法与机制。
由于影响电弧性质的环境变量复杂多样，其数学模型的建立较为困难。目前常用的是Cassie和Mayr提出的简化电弧模型，从宏观的角度研究电弧的外特性。从能量平衡原理出发，可得
，式中，为单位长电弧弧柱中能量的变化；
为单位弧长的功率；
为电弧电流；为弧柱中电场强度；
为单位长的功率损失。经变化，Cassie定义的电弧数学模型方程可表述为
，式中，
表示电弧单位长度的电导；为 Cassie方程中定义的电弧时间常数，为电弧的电压梯度。Mayr的电弧数学模型方程为，式中，
为Mayr方程中定义的电弧时间常数，其他参数与Cassie方程中定义相同。由该模型可总结电弧的负阻特性，结合实验数据可进一步确定直流电弧的时域特性阈值。此外，研究发现光伏系统的直流故障电弧产生时特定频段的噪声显著增加，该特征可使用快速傅里叶变换（FFT）算法实现，结合光伏系统的特性进一步确定频域特性阈值。
目前多数研究者提出的检测方法针对电弧的单一特性进行检测，其缺点在于易受环境噪声和其他系统动作的干扰造成误检测，误检测一旦出现就会造成整个光伏系统的停运，带来不必要的损失。
本发明提出了一种应用多重判据的光伏系统直流故障电弧的检测方法，针对光伏系统直流故障电弧时域与频域的特性，提取出区别于环境噪声与其他系统动作的综合特征，从而提高检出率，减少误检率，在保障生命财产安全的情况下，确保检测设备不因误检而阻断光伏系统的正常运行。
发明内容
本发明的目的在于通过研究光伏系统直流故障电弧时域与频域的特性，提出一种使用多重判据的光伏系统直流故障电弧检测方法，用以检测光伏系统在运行中是否产生了可能引发火灾的直流故障电弧，以便及时对故障电弧予以阻断，确保光伏系统的安全运行。
本发明主要采用以下的技术方案实现，使用多重判据的光伏系统直流故障电弧检测方法，具体步骤如下：
步骤一：采集光伏系统的实时电流数字信号，具体为：光伏阵列输出直流电流，若干条直流电流支路通过汇流箱并联汇流，汇流后总的直流电流经逆变器后转变为交流电输送至电网，其中：完成电流采集的位置位于在汇流箱和逆变器之间；
步骤二：对采集的实时电流数字信号进行分析，分别得到1组或1组以上的时域特性和频域特性，并将此实时的时域特性和频域特性与故障电弧的时域特性和频域特性进行对比；
所述时域特性为下述中一种或一种以上时即判定为故障电弧的时域特性：
1) 直流故障电弧发生时，电流的平均值会发生瞬间的突变ΔIave，突变表现为减小，ΔIave的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
2) 直流故障电弧发生时，一定时间Δt内电流的最大值与最小值之差ΔIm会发生突变，突变表现为增大，Δt的大小依安全等级要求的检测速度而定，ΔIm的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
3) 直流故障电弧发生时，电流极性发生改变；
4) 直流故障电弧发生时，电流变化率的绝对值|di/dt |会发生突变，突变表现为增大，突变的大小依具体的光伏系统配置参数而定。
所述频域特性为下述中一种或一种以上即判定为故障电弧的时域特性：
1) 直流故障电弧发生时，电流特定频段fa-fb内的高频分量较未发生故障电弧时增加ΔIf，fa、fb和ΔIf的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
2) 直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与直流分量的比R1发生突变，突变表现为增大，具体频段范围与R1的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
3) 直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与总交流分量（电流中除去直流分量的部分）的比R2发生突变，突变表现为增大，具体频段范围与R2的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
根据光伏系统的实际安全等级需要和电弧检测器的运算能力在电弧的时域特性和频域特性中选择合适的特性以及特性个数N和K作为故障电弧的时域特性和频域选择性；
步骤三：判断步骤二中各故障电弧特性的时域特性和频域特性的特征阈值是否与预设值相符；若符合，向下一步骤的逻辑判断中输出1；否则输出0。
步骤四：对步骤三中的输出做逻辑运算，该运算的目的是分别综合时域和频域下各个特性的判定结果。对于时域特性，当时域特性的N个特性中有至少一个特性与发生直流故障电弧的特性相符（或门逻辑输入中存在至少一个1）时，就判定时域特性中存在直流故障电弧特性（或门逻辑输出为1）。这种运算可以有效地避免因目标特性单一而造成的故障电弧漏检情况的发生。对于频域特性，当频域特性的K个特性中有至少一个特性与发生直流故障电弧的特性相符（或门逻辑输入中存在至少一个1）时，就判定频域特性中存在直流故障电弧特性（或门逻辑输出为1）。
步骤五：对步骤四中的输出做逻辑运算。该运算的目的是综合时域和频域特性的判定结果。由于光伏系统中的环境噪声和其他系统动作具有与直流故障电弧类似的特性，因此只有当时域特性与频域特性的判定都为直流故障电弧特性（与门逻辑的输入都为1）时，才判定光伏系统中存在直流故障电弧（与门逻辑输出为1）。
步骤六：对步骤五中的输出做判断。若输入为0，返回步骤一；若输入为1，判定光伏系统中产生了直流故障电弧，继续下一步骤。
步骤七：若步骤六中判定光伏系统中产生了直流故障电弧，则启动报警机制。报警机制包括对光伏系统采取保护动作、及时向管理员发出警报等。
本发明的有益效果在于：本发明针对光伏系统直流故障电弧时域与频域的特性，提取出区别于环境噪声与其他系统动作的综合特征，从而提高检出率，减少误检率，在保障生命财产安全的情况下，确保检测设备不因误检而阻断光伏系统的正常运行。
附图说明
图1是本发明的光伏系统直流故障电弧检测实时电流采集位置示意图；
图2是本发明的应用多重判据的光伏系统直流故障电弧的检测步骤流程图；
图3是本发明的检测方法在一特定光伏系统中的应用实例。
图中：1.光伏阵列；2.汇流箱；3.逆变器；4.交流电网；5.实时电流采集装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细说明，在此本发明的示意图以及说明用来解释发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：结合图1，对本发明的实时电流采集进行说明。
图1中的光伏阵列1输出直流电流，多条直流支路在汇流箱2中并联汇流，将总的直流电流输入逆变器3中，逆变器将直流电转变为交流电输送至电网4。考虑到成本，不宜在每条支路采集电流分析，因此实时电流采集装置5设计在汇流箱2之后，逆变器3之前。
结合图2，对本发明的光伏系统直流故障电弧判定步骤进行说明。
图2中步骤一描述了一特定光伏系统的实时电流数字信号采集，实时电流信号采集位置如图1所示，实时电流信号波形如图3(a)所示。
图2中步骤二描述了对该光伏系统采集的实时电流数字信号进行分析，分别得到1组或1组以上的时域特性和频域特性，并将此实时的该特性与故障电弧的该特性进行对比。
其中，对比的电弧时域特性包括：
1) 直流故障电弧发生时，电流的平均值会发生瞬间的突变ΔIave，突变表现为减小，如图3(b)所示。在此光伏系统中，当ΔIave大于0.5A时即判定系统产生了直流故障电弧；
2) 直流故障电弧发生时，一定时间内（选定Δt=10ms）电流的最大值与最小值之差ΔIm会发生突变，突变表现为增大，如图3(c)所示。在此光伏系统中，当ΔIm大于2A时即判定系统产生了直流故障电弧；
3) 直流故障电弧发生时，电流极性发生改变，如图3(d)所示；
4) 直流故障电弧发生时，电流变化率的绝对值|di/dt |会发生突变，突变表现为增大，如图3(e)所示。在此光伏系统中，当|di/dt |大于90A/ms时即判定系统产生了直流故障电弧。
对比的电弧频域特性包括：
1) 直流故障电弧发生时，电流特定频段内(0.1-3kHz)的高频分量较未发生故障电弧时增加ΔIf，如图3(f)所示。在此光伏系统中，当ΔIf大于0.02A时即判定系统产生了直流故障电弧；
2) 直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与直流分量的比R1发生突变，突变表现为增大，如图3(g)所示。在此光伏系统中，当R1大于1.5时即判定系统产生了直流故障电弧；
3) 直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与总交流分量（电流中除去直流分量的部分）的比R2发生突变，突变表现为增大，如图3(h)所示。在此光伏系统中，当R1大于0.05时即判定系统产生了直流故障电弧。
在此步骤中，应根据光伏系统的实际安全等级需要和电弧检测器的运算能力在电弧的时域特性和频域特性中选择合适的特性以及特性个数N和K。
图2中步骤三描述了判断步骤二中各故障电弧特性的特征阈值是否与预设值相符。若符合，向下一步骤的逻辑判断中输出1；否则输出0。
图2中步骤四描述了对步骤三中的输出做逻辑运算。该运算的目的是分别综合时域和频域下各个特性的判定结果。以时域特性为例，当时域特性的N个特性中有至少一个特性与发生直流故障电弧的特性相符（或门逻辑输入中存在至少一个1）时，就判定时域特性中存在直流故障电弧特性（或门逻辑输出为1）。这种运算可以有效地避免因目标特性单一而造成的故障电弧漏检情况的发生。
图2中步骤五描述了对步骤四中的输出做逻辑运算。该运算的目的是综合时域和频域特性的判定结果。由于光伏系统中的环境噪声和其他系统动作具有与直流故障电弧类似的特性，因此只有当时域特性与频域特性的判定都为直流故障电弧特性（与门逻辑的输入都为1）时，才判定光伏系统中存在直流故障电弧（与门逻辑输出为1）。
图2中步骤六描述了对步骤五中的输出做判断。若输入为0，返回步骤一；若输入为1，判定光伏系统中产生了直流故障电弧，继续下一步骤。
图2中步骤七描述了当步骤六中判定光伏系统中产生了直流故障电弧时，启动报警机制。报警机制包括对光伏系统采取保护动作、及时向管理员发出警报等。
Claims (1)
1.一种使用多重判据的光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：采集光伏系统的实时电流数字信号，具体为：光伏阵列输出直流电流，若干条直流电流支路通过汇流箱并联汇流，汇流后总的直流电流经逆变器后转变为交流电输送至电网，其中：完成电流采集的位置位于在汇流箱和逆变器之间；
步骤二：对采集的实时电流数字信号进行分析，分别得到1组或1组以上的时域特性和频域特性，并将此实时的时域特性和频域特性与故障电弧的时域特性和频域特性进行对比；
所述时域特性为下述中一种或一种以上时即判定为故障电弧的时域特性：
1)直流故障电弧发生时，电流的平均值会发生瞬间的突变ΔIave，突变表现为减小，ΔIave的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
2)直流故障电弧发生时，一定时间Δt内电流的最大值与最小值之差ΔIm会发生突变，突变表现为增大，Δt的大小依安全等级要求的检测速度而定，ΔIm的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
3)直流故障电弧发生时，电流极性发生改变；
4)直流故障电弧发生时，电流变化率的绝对值|di/dt |会发生突变，突变表现为增大，突变的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
所述频域特性为下述中一种或一种以上即判定为故障电弧的时域特性：
1)直流故障电弧发生时，电流特定频段fa-fb内的高频分量较未发生故障电弧时增加ΔIf，fa、fb和ΔIf的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
2)直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与直流分量的比R1发生突变，突变表现为增大，具体频段范围与R1的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
3)直流故障电弧发生时，电流的特定频段分量与总交流分量（电流中除去直流分量的部分）的比R2发生突变，突变表现为增大，具体频段范围与R2的大小依具体的光伏系统配置参数而定；
根据光伏系统的实际安全等级需要和电弧检测器的运算能力在电弧的时域特性和频域特性中选择合适的特性以及特性个数N和K作为故障电弧的时域特性和频域选择性；
步骤三：判断步骤二中各故障电弧特性的时域特性和频域特性的特征阈值是否与预设值相符；若符合，向下一步骤的逻辑判断中输出1；否则输出0；
步骤四：对步骤三中的输出做逻辑运算，该运算的目的是分别综合时域和频域下各个特性的判定结果；对于时域特性，当时域特性的N个特性中有至少一个特性与发生直流故障电弧的特性相符或门逻辑输入中存在至少一个1时，就判定时域特性中存在直流故障电弧特性或门逻辑输出为1；这种运算可以有效地避免因目标特性单一而造成的故障电弧漏检情况的发生；对于频域特性，当频域特性的K个特性中有至少一个特性与发生直流故障电弧的特性相符或门逻辑输入中存在至少一个1时，就判定频域特性中存在直流故障电弧特性或门逻辑输出为1；
步骤五：对步骤四中的输出做逻辑运算；该运算的目的是综合时域和频域特性的判定结果；由于光伏系统中的环境噪声和其他系统动作具有与直流故障电弧类似的特性，因此只有当时域特性与频域特性的判定都为直流故障电弧特性或与门逻辑的输入都为1时，才判定光伏系统中存在直流故障电弧或与门逻辑输出为1；
步骤六：对步骤五中的输出做判断；若输入为0，返回步骤一；若输入为1，判定光伏系统中产生了直流故障电弧，继续下一步骤；
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