CN104049183B - 使用多个电流传感器的光伏串水平的直通电弧检测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用多个电流传感器的光伏串水平的直通电弧检测。提供了可将DC电弧和负载切换噪声区分开的检测DC电力系统中的电弧放电的系统和方法。所述系统和方法能够在多个预定时间间隔内至少确定每个预定时间间隔的脉冲数（PC）和每个预定时间间隔的脉冲持续时间（PD），其中PC和PD可分别对应于DC电力系统中可能的电弧放电事件的数量和强度。所述系统和方法能够采用一个或更多个电弧故障检测算法来处理PC和PD，从而更加可靠地区分DC电弧和负载切换噪声。

Description

使用多个电流传感器的光伏串水平的直通电弧检测
相关申请的交叉引用
本专利申请是2012年11月16日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS OFDISCRIMINATING DC ARCS AND LOAD SWITCHING NOISE”的美国专利申请No.13/679,039的部分继续申请（CIP）。
技术领域
本申请一般涉及对电路中的电弧放电的检测，更特别地涉及对直流（DC）电力系统中的电弧放电和负载切换噪声进行辨别的系统和方法。
背景技术
近年来，例如光伏（PV）系统之类的DC电力系统已经越来越多地用于从给电池充电到为交流（AC）电网供电的范围的家庭和工业应用中。这些PV系统可包括串联连接以构成一个或更多个PV串的多个PV模块（例如，太阳能面板）。多个PV串可以并联连接并布线通过汇流箱来最终驱动充电器或逆变器负载。在典型的PV系统中，每个PV模块可被配置为在50Vdc处产生高达约10安培的电流输出，并且根据PV串上连接的PV模块的数量，每个PV串可被配置为产生高达约1000Vdc或以上的电压输出。此外，并联连接的PV串可被配置为将典型PV系统的总电流输出提升至高达约200安培或以上。
由于诸如上述PV系统之类的DC电力系统可被配置为产生相对较高的电流和电压输出，因此需要用于检测这种电力系统中的电弧放电的系统和方法。例如，在其中电流输出和电压输出可以分别为200安培和1000Vdc的量级的典型PV系统中，断开PV电力线缆会产生串联电弧放电，短路PV电力线缆会产生并联电弧放电，将PV电力线缆短路接地会产生接地故障电弧放电。然而，迄今为止已知的检测电力系统中的电弧放电的系统和方法通常不能将串联电弧放电、并联电弧放电、接地故障电弧放电等与由充电器负载、逆变器负载、DC到DC负载切换、DC到AC负载切换、DC断路开关、射频（RF）拾波器、DC电力线通信等产生的噪声非常可靠地区分开来。
发明内容
根据本申请，公开了对DC电力系统中的电弧放电进行检测的系统和方法，其能够更加可靠地将DC电弧和负载切换噪声区分开。这样一种检测DC电力系统中的电弧放电的系统包括多个电流传感器，所述多个电流传感器操作为分别监视在直通（home run）线缆或者任意其它合适的布线路线（wiring run）之上提供的多个电流输出。所述多个电流传感器被并联、串联或者以并联/串联互连的任意合适组合方式配置及布置，以便提供组合电流输出信号。该系统还包括整流器、滤波器、比较器、脉冲积分器和处理器。该多个电流传感器分别监视诸如光伏（PV）系统之类的DC电力系统的多个电流输出，并提供包含高频AC电流信息的组合电流输出信号，该高频AC电流信息代表一个或更多个显著的di/dt事件，其有可能表示一个或更多个电弧放电事件。整流器从电流传感器接收包含AC电流信息的组合电流输出信号，并将整流后的该组合电流输出信号提供给滤波器以进行后续滤波。注意，可替代地包含AC电流信息的组合电流输出信号可在被整流前被滤波。比较器接收滤波后的信号，并响应于可能的电弧放电事件产生一个或更多个脉冲。脉冲积分器从比较器接收脉冲，并产生表示各个脉冲的持续时间的输出。处理器同样从比较器接收脉冲，并在多个预定时间间隔内确定每个预定时间间隔内的脉冲数（PC），其可与可能的电弧放电事件数量相对应。处理器还接收脉冲积分器产生的输出，并在各预定时间间隔内确定每个预定时间间隔中的脉冲持续时间（PD），其可与各可能的电弧放电事件的强度相对应。处理器随后采用一个或更多个电弧故障检测算法对PC和PD进行处理，以更好地区分DC电弧和负载切换噪声。
在一个方面，处理器在每个预定时间间隔结束时计算两个变量的值，即，平均脉冲数（APC）和平均脉冲持续时间波动值（APDF）。例如，处理器可在每个预定时间间隔结束时通过对最近一个时间间隔的PD与先于该最近一个时间间隔一个、两个或更多个时间间隔的时间间隔的PD之间的差取绝对值或者通过其他任何合适的技术来计算脉冲持续时间波动值（pulse duration fluctuation，PDF）。在每个时间间隔结束时，处理器还确定APDF/APC的比值是否超出第一指定阈值。在某个时间间隔结束时APDF/APC比值超过第一指定阈值的情况下，该时间间隔被视为期间可能发生了实际电弧放电事件的间隔。例如，如果处理器确定在某个时间间隔期间比值APDF/APC超出了第一指定阈值，其可产生输出“1”或任何其他合适的输出；否则，处理器可产生输出“0”或任何其他合适的输出。处理器对多个时间间隔内产生的输出（1或0）求平均，如果各输出的平均值超过第二指定阈值，则假定很可能发生了实际的电弧放电，且处理器产生表示这种电弧放电的另一输出。通过这种方式，处理器可以评估多个时间间隔内的PDF，并且，如果确定该多个时间间隔内的PDF为高，则处理器可以产生表示很可能已经发生了实际电弧放电的输出。
在另一方面，处理器在每个预定时间间隔结束时计算三个变量的值，即，APC、APDF、以及平均脉冲持续时间调制值（average pulse duration modulation，APDM）。例如，处理器可通过在每个预定时间间隔期间取相隔四分之一时间间隔的四个PD测量值PD1、PD2、PD3、PD4并按如下方式在每个时间间隔结束时计算APDM，或者通过其他任何合适的技术，来计算APDM：
APDM=|APD1+APD2-APD3-APD4|+|APD1-APD2-APD3+APD4|，
其中“APD1”是在多个预定时间间隔内的“PD1”测量值的平均值，“APD2”是在多个预定时间间隔内的“PD2”测量值的平均值，“APD3”是在多个预定时间间隔内的“PD3”测量值的平均值，“APD4”是在多个预定时间间隔内的“PD4”测量值的平均值。在每个时间间隔结束时，处理器还确定比值APDF/APC是否超过第一指定阈值，以及比值APDF/APDM是否超过第二指定阈值。在确定在某个时间间隔结束时比值APDF/APC超过了第一指定阈值并且比值APDF/APDM超过了第二指定阈值的情况下，该时间间隔被视作期间可能发生了实际电弧放电事件的间隔。例如，如果处理器确定各时间间隔期间比值APDF/APC超过了第一指定阈值并且比值APDF/APDM超过了第二指定阈值，则其可产生输出“1”或任何其他合适的输出；否则，处理器可产生输出“0”或任何其他合适的输出。处理器计算多个时间间隔内产生的输出（1或0）的平均值，如果各输出的平均值超过第三指定阈值，则假定很可能发生了实际的电弧放电，并且处理器产生表示这种电弧放电的另一输出。通过这种方式，处理器可以更加可靠地区分实际电弧放电和大噪声负载（诸如并网（grid-tied）逆变器负载）。
在又一方面，处理器在每个预定时间间隔结束时计算五个变量的值，即，APC、APDF、APDM、平均脉冲持续时间（APD）、以及平均脉冲数波动值（APCF）。例如，处理器可通过对最近一个时间间隔的PC与先于该最近一个时间间隔一个、两个或更多个间隔的时间间隔的PC之间的差取绝对值或者通过其他任何合适的技术来计算APCF。在每个时间间隔结束时，处理器还确定比值APDF/APC是否超过第一指定阈值，比值APDF/APDM是否超过第二指定阈值，比值APCF/APC是否超过第三指定阈值，比值APDF/APD是否超过第四指定阈值，APC是否超过第五指定阈值，以及APD是否超过第六指定阈值。在某个时间间隔结束时确定比值APDF/APC超过第一指定阈值，比值APDF/APDM超过第二指定阈值，比值APCF/APC超过第三指定阈值，比值APDF/APD超过第四指定阈值，APC超过第五指定阈值，以及APD超过第六指定阈值的情况下，该时间间隔被视作期间可能发生了实际的电弧放电事件的间隔。因此处理器可产生输出“1”或任何其他合适的输出；否则，处理器可产生输出“0”或任何其他合适的输出。处理器计算多个时间间隔内产生的输出（1或0）的平均值，如果各输出的平均值超过第七指定阈值，则假定发生了实际的电弧放电，处理器产生表示这种电弧放电的另一输出。通过这种方式可以确保在DC电力系统中存在表示电弧放电对比(versus)负载噪声的归一化平均波动的某个最小水平。
通过在多个预定时间间隔内至少确定每个预定时间间隔的脉冲数（PC）和每个预定时间间隔的脉冲持续时间（PD），其中PC和PD可分别对应于DC电力系统中可能的电弧放电事件的数量和强度，然后采用一个或更多个电弧故障检测算法来处理PC和PD，公开的检测DC电力系统中的电弧放电的系统和方法可更加可靠地区分DC电弧和负载切换噪声。
从下文的详细描述可以清楚地得到本发明的其他特征、功能和方面。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本文所述的一个或更多个实施例，并且其与详细描述一起解释了这些实施例。图中：
图1a示出了典型光伏（PV）系统的框图；
图1b示出了图1a的PV系统，进一步指出了各种类型的电弧放电的可能位置；
图1c示出了图1a的PV系统，进一步指出了用于检测图1b所示各类电弧放电的电弧故障检测器的可能位置；
图2示出了根据本申请的用于检测DC电力系统中的电弧放电的示范性系统的框图；
图3a示出了采用图2的系统检测DC电力系统中的电弧放电的第一示范性方法的流程图；
图3b示出了采用图2的系统检测DC电力系统中的电弧放电的第二示范性方法的流程图；
图3c示出了采用图2的系统检测DC电力系统中的电弧放电的第三示范性方法的流程图；
图4a-4d示出了采用图2系统的在启动逆变器负载期间和连续的逆变器噪声存在时的电弧放电期间可以产生的示范性脉冲流数据的图；
图5a-5c示出了采用图2系统的可以被测量和计算作为时间间隔数量的函数的示范性变量的图；
图6a-6c示出了采用图2系统的用于将DC电弧与负载切换噪声区分开的示范性技术的图；以及
图7示出了根据本申请的用于检测DC电力系统中的串联电弧的示例性系统的框图。
具体实施方式
图1a描述了一种典型的DC电力系统，具体地说为光伏（PV）系统100。这种PV系统已被越来越多地用于从给电池充电到为AC电网供电的范围的家庭和工业应用中。PV系统100包括多个PV模块（例如，太阳能面板）101.1-101.n、103.1-103.m、105.1-105.p，汇流箱（combiner box）104，以及负载106。如图1a所示，PV模块101.1-101.n串联连接以形成第一PV串102.1，PV模块103.1-103.n串联连接以形成第二PV串102.2，PV模块105.1-105.n串联连接以形成第三PV串102.3。此外，第一、第二和第三PV串102.1、102.2、102.3可并联连接，并且可布线通过汇流箱104以最终驱动负载106，负载106可以是充电器负载、逆变器负载或其他任何合适的负载。如图1a进一步所示，汇流箱104可包括用于每个PV串的串熔断器（string fuse）108、以及电涌保护器110。PV系统100还可包括DC断路开关112。注意PV系统100可替代地可被配置为包括其他任何合适的数量的PV模块，其串联连接以形成其他任何合适的数量的PV串。
图1b描述了PV系统100内可能发生电弧放电的多个示范性位置121-129。例如，串联电弧放电可能发生在位置121、125、129处，并联电弧放电可能发生在位置122、126处，接地故障电弧放电可能发生在位置123、124、127、128处。此外，图1c描述了在PV系统100内可放置电弧故障检测器（AFD）132、134、136以检测这种可能的电弧放电的若干个示范性位置。例如，AFD132、134可位于汇流PV串的汇流箱104内，AFD136可放置在负载106附近。注意可采用其他任何合适的数量的AFD来检测PV系统100内其他任何合适的位置处的电弧放电。
图2描述了根据本申请的用于检测DC电力系统中的电弧放电的示范性系统200。例如，系统200可以在例如PV系统100中的AFD132、134、136的一个或更多个AFD中被实施以更加可靠地区分DC电弧和负载切换噪声。如图2中所示，系统200包括电流传感器202、整流器204、滤波器206、比较器208、脉冲积分器210和处理器212。电流传感器202可以被实施为用于监视DC电力系统的电流输出的电流互感器（transformer）。例如，实施为电流互感器的电流传感器202可与正（+）DC电力线或负（-）DC电力线串联连接。电流传感器202提供包含表示一个或更多个显著的di/dt事件的高频AC电流信息的信号，其可以指示一个或更多个可能的电弧放电事件。可以被实现为全波整流器的整流器204从电流传感器202接收包含AC电流信息的信号，并将该信号全波整流后提供给滤波器206以进行后续的高通滤波。
比较器208接收滤波后的信号，并响应于可能的电弧放电事件在线路214上产生一个或更多个脉冲。脉冲积分器210从比较器208接收脉冲，并在线路216上产生表示各脉冲持续时间的输出。可被实现为微控制器的处理器212也从比较器接收线路214上的脉冲。在多个预定时间间隔内，处理器212确定每个时间间隔中的脉冲数（PC），其可以对应于可能的电弧放电事件数量。处理器212还接收脉冲积分器210在线路216上产生的输出，并在各预定时间间隔内确定每个时间间隔中的脉冲持续时间（PD），该脉冲持续时间可以对应于各可能的电弧放电事件的强度。如本文进一步所述，通过采用一个或更多个电弧故障检测算法，处理器212接着至少对PC和PD进行处理以更好地区分DC电弧和负载切换噪声，并至少在某些时间产生电弧故障指示218作为输出。
参考图3a和图2，下文对检测DC电力系统中的电弧放电的第一示范性方法300a进行了描述。使用方法300a，系统200可以评估多个预定时间间隔内的PD的波动，如果其确定各时间间隔内PD的波动为高，则系统200可产生电弧故障指示218，从而指示很可能已经发生了实际的电弧放电。例如，每个预定时间间隔可等于任何合适的时间间隔。在一些实施例中，预定时间间隔可等于AC电网周期的大约一半，以便最小化与AC电力线的电磁耦合并减少并网逆变器负载产生的切换噪声。如步骤302所述，处理器212在每个时间间隔结束时计算两个变量的值，即，平均脉冲数（APC）和平均脉冲持续时间波动值（APDF）。例如，可通过使用一阶低通滤波器来在不需要过多的存储器的情况下保持变量值，来实现这种平均化。注意，由于所谓的溅射电弧可以比连续的电弧放电数量少但强度大，因此这种平均化允许更好地将溅射电弧和更连续电弧放电与其他噪声源区分开来。这种平均化的时间常数的范围可以是从约20毫秒到200毫秒，或者其他任何合适的时间值范围。
处理器212可在每个预定时间间隔结束时通过对最近一个时间间隔的PD与先于最近一个时间间隔一个、两个或更多个时间间隔的时间间隔的PD之间的差取绝对值或者通过其他任何合适的技术，来计算脉冲持续时间波动值（PDF）。如步骤304中所述，在每个时间间隔结束时，处理器212确定比值APDF/APC是否超出第一指定阈值C1。在某个时间间隔结束时比值APDF/APC超过了第一指定阈值C1的情况下，该时间间隔被视为期间可能发生了实际电弧放电事件的间隔。例如，如果在某个时间间隔期间处理器212确定比值APDF/APC超过了第一指定阈值C1，则其可产生输出“1”或其他任何合适的输出，如步骤306中所述。否则，处理器212可产生输出“0”或其他任何合适的输出，如步骤308所述。如步骤310中所述，处理器212计算多个预定时间间隔内产生的输出（1和/或0）的平均值。例如，可在多个时间间隔内采用低通滤波器、现行和（running sum）或事件计数器，或采用其他任何合适的技术来执行这种平均化。此外，该平均化的时间常数的范围可以从0.1秒到1.0秒，以允许任何可能的电弧故障指示在合理的时间内发生。如步骤312中所述，处理器212随后确定各输出的平均值是否超过指定阈值输出值C0。如果各输出的平均值超过指定阈值输出值C0，则假定已经发生了实际的电弧放电，并且处理器212产生电弧故障指示218，如步骤314所述。否则，方法300a循环回到步骤302。
以下参考图3b和图2描述了检测DC电力系统中的电弧放电的第二示范性方法300b。采用方法300b，系统200能够更可靠地将实际电弧放电与诸如并网逆变器负载之类的大噪声负载区分开。如步骤316所述，在每个预定时间间隔结束时，处理器212计算三个变量的值，即，APC，APDF和平均脉冲持续时间调制值（APDM）。例如，处理器212可以通过在每个时间间隔期间取相隔四分之一个时间间隔的四个PD测量值PD1、PD2、PD3、PD4并按如下方式在每个时间间隔结束时计算APDM或者通过其他任何合适的技术来计算APDM，
APDM=|APD1+APD2-APD3-APD4|+|APD1-APD2-APD3+APD4|，（1）
其中“APD1”是多个时间间隔内的各“PD1”测量值的平均值，“APD2”是多个时间间隔内的各“PD2”测量值的平均值，“APD3”是多个时间间隔内的各“PD3”测量值的平均值，“APD4”是多个时间间隔内的各“PD4”测量值的平均值。例如，可在多个时间间隔内采用低通滤波器来进行每个四分之一间隔测量值的这种平均化。另外，每个时间间隔可以为或接近AC电网周期的一半，诸如60Hz或50Hz的AC电网的1/(2*55Hz)。如步骤318中所述，在每个时间间隔结束时，处理器212确定比值APDF/APC是否超过第一指定阈值C1以及比值APDF/APDM是否超过第二指定阈值C2。在确定在某个时间间隔结束时比值APDF/APC超过了第一指定阈值C1并且比值APDF/APDM超过了第二指定阈值C2的情况下，该时间间隔被视为期间可能发生了实际电弧放电事件的间隔。例如，如果处理器212确定在时间间隔期间的比值APDF/APC超过了第一指定阈值C1并且比值APDF/APDM超过了第二指定阈值C2，则其可产生输出“1”或任何其他合适的输出，如步骤320中所述。否则，处理器212可产生输出“0”或任何其他合适的输出，如步骤322中所述。如步骤324中所述，处理器212计算多个时间间隔内产生的输出（1和/或0）的平均值。如步骤326中所述，处理器212随后确定各输出的平均值是否超过指定阈值输出值C0。如果各输出的平均值超过了指定阈值输出值C0，则假定已经发生了实际的电弧放电，并且处理器212产生电弧故障指示218，如步骤328中所述。否则，方法300b循环回到步骤316。
以下参考图3c和图2描述了检测DC电力系统中的电弧放电的第三示范性方法300c。方法300c提供了一种方式来确保在DC电力系统中存在表示电弧放电对比负载噪声的归一化平均波动的某个最小水平。如步骤330中所述，在每个预定时间间隔结束时，处理器212计算五个变量的值，即，APC、APDF、APDM、平均脉冲持续时间（APD）和平均脉冲数波动值（APCF）。例如，处理器212可通过对最近一个时间间隔的PC与先于该最近一个时间间隔一个或两个间隔的时间间隔的PC之间的差取绝对值或者通过其他任何合适的技术来计算APCF。如步骤332中所述，在每个时间间隔结束时，处理器212确定比值APDF/APC是否超过第一指定阈值C1，比值APDF/APDM是否超过第二指定阈值C2，比值APCF/APC是否超过第三指定阈值C3，比值APDF/APD是否超过第四指定阈值C4，APC是否超过第五指定阈值C5，以及APD是否超过第六指定阈值C6。在确定在某个时间间隔结束时比值APDF/APC超过第一指定阈值C1，比值APDF/APDM超过第二指定阈值C2，比值APCF/APC超过第三指定阈值C3，比值APDF/APD超过第四指定阈值C4，APC超过第五指定阈值C5，以及APD超过第六指定阈值C6的情况下，该时间间隔被视作期间可能发生了实际的电弧放电事件的间隔。因此处理器212产生输出“1”或任何其他合适的输出，如步骤334中所述。否则，处理器212产生输出“0”或任何其他合适的输出，如步骤336中所述。如步骤338中所述，处理器212计算多个时间间隔内产生的输出（1和/或0）的平均值。如步骤340中所述，处理器212随后确定各输出的平均值是否超过指定阈值输出值C0。如果各输出的平均值超过指定阈值输出值C0，则假定发生了实际的电弧放电，处理器212产生电弧故障指示218，如步骤342中所述。否则，方法300c循环回到步骤330。
以下参考下述示例性示例和图1、2、3a、3b、4a-4d、5a-5c和6a-6c进一步描述了所公开的检测DC电力系统中的电弧放电的系统和方法。在第一示例中，证明串联电弧放电可造成DC电力系统中的脉冲持续时间波动值（PDF）和脉冲持续时间调制值（PDM）两者。图4a示出了负载106启动期间比较器208在线路214上产生的示范性脉冲流400，负载106可以是逆变器负载。在该第一示例中，这样的逆变器负载可连入AC电网，该AC电网的频率可等于约60Hz。如图4a所示，脉冲流400包括一系列脉冲群401、402、403、404，其通常代表逆变器负载启动期间产生的负载切换噪声。每个脉冲群401、402、403、404在1/(2*60Hz)或约8333μs的预定时间间隔内发生。图4b示出了一系列示范性的脉冲410，其可被包括在脉冲群401、402、403、404中的一个中。如图4b所示，各脉冲410的周期和持续时间两者一般是均匀的。
图4c示出了在连续逆变器负载噪声存在时的串联电弧放电期间比较器208在线路214上产生的示范性脉冲流420。如图4c所示，脉冲流420包括一系列脉冲群411、412、413、414，每个脉冲群在约8333μs的预定时间间隔内发生。如图4c中进一步所示，串联电弧放电导致在脉冲群412、413之间引入了额外的脉冲群416。注意，由串联电弧放电导致的额外脉冲群416不与由负载切换噪声引起的周期性脉冲群411、412、413、414同步。由于串联电弧放电在脉冲群412、413之间引入了额外的脉冲群416，因此这种串联电弧放电导致在脉冲流420内的一定程度上的每时间间隔的PDF。
图4d示出了一系列示范性的脉冲430，其可被包含在脉冲群411、412、413、414之一中。通过比较串联电弧放电期间产生的一系列脉冲430和逆变器负载启动期间产生的一系列脉冲410，可以看出串联电弧放电还导致该一系列脉冲430内的一定的PDM。注意，各脉冲430的宽度通常比脉冲410的宽度更窄，从而指示逆变器负载启动期间产生的脉冲410可以比在存在连续逆变器负载噪声时的串联电弧放电期间产生的脉冲430强度更大。尽管如此，可以看出，与更均匀的负载切换噪声相比，电弧放电的总体随机性可以产生更大的PDF和/或PDM。
在第二示例中，证明与连续逆变器噪声存在时的串联电弧放电期间相比，在逆变器负载启动期间，每个时间间隔的脉冲数（PC）和每个时间间隔的脉冲持续时间（PD）两者可以更大，因此仅仅对测量的每个时间间隔的PC和/或PD进行分析可能不足以可靠区分DC电弧和负载切换噪声。图5a示出了处理器212测量的编号为5到15的多个示范性时间间隔的脉冲数。如图5a所示，逆变器负载启动期间所测量出的每个时间间隔的PC通常在约20到30次的范围内，而除了时间间隔11外，串联电弧放电期间所测量出的每个时间间隔的PC通常在约10到20次的范围内，在时间间隔11中串联电弧放电期间所测量出的PC在20次到30次之间。图5b示出了处理器212测量的对于编号为5到15的示范性时间间隔的脉冲持续时间。如图5b所示，逆变器负载启动期间所测量出的每个时间间隔的PD通常在约200到300μs的范围内，而除了时间间隔11外，在串联电弧放电期间所测量出的每个时间间隔的PD通常在约0到100μs的范围内，在时间间隔11中串联电弧放电期间测量得到的PD在100μs到200μs之间。
图5c示出了处理器212计算得到的对于编号为5到15的示范性时间间隔的脉冲持续时间波动值（PDF）。如本文中关于第一示范性方法300a所描述的，处理器212可在每个预定时间间隔结束时通过对最近一个时间间隔的PD与先于最近一个时间间隔一个、两个或更多个时间间隔的时间间隔的PD之间的差取绝对值来计算PDF。如图5c所示，除时间间隔5、7、11和15之外，逆变器负载启动期间计算得到的PDF通常在0到10μs的范围内，在时间间隔5、7、11和15中计算得到的PDF分别为刚好超过20μs、约30μs、刚好超过约10μs、以及在10μs到20μs之间。如图5c中进一步所示，除时间间隔11、13、14和15外，串联电弧放电期间计算得到的PDF也通常在0到10μs的范围内，在时间间隔11、13、14和15中计算得到的PDF分别为刚好超过约40μs、在40μs到50μs之间、在10μs到20μs之间、以及约20μs。由此，基于图5c所示的计算得到的PDF，仅仅对计算得到的每个时间间隔的PDF进行分析可能也不足以可靠区分DC电弧和负载切换噪声。
在第三示例中，证明在每个时间间隔结束时至少对比值PDF/PC进行分析将足以可靠区分DC电弧和负载切换噪声。图6a示出了由处理器212确定得到的在编号为5到15的每个示范性时间间隔结束时的比值PDF/PC。如图6a所示，在串联电弧放电期间确定得到的比值PDF/PC通常明显大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值PDF/PC（例如参见对于时间间隔6和8到15的各比值PDF/PC）。注意，如果在各编号的时间间隔结束时确定比值APDF/APC（如本文中关于第一示范性方法300a的步骤304所描述的），则在串联电弧放电期间确定得到的这种比值APDF/APC也将明显大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值APDF/APC。此外，如果处理器212首先在各编号的时间间隔结束时计算APDF和APC，随后确定各编号的时间间隔的比值APDF/APC，则在串联电弧放电期间确定得到的这种比值APDF/APC将同样明显大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值APDF/APC。由此，基于图6a所示的比值PDF/PC，可以推断出在每个时间间隔结束时至少分析比值PDF/PC将足以更加可靠地区分DC电弧和负载切换噪声。
在该第三示例中，还证明，在每个时间间隔结束时至少分析比值PDF/PDM也将足以可靠区分DC电弧和大噪声负载（如并网逆变器负载）。图6b示出了处理器212测量得到的对于编号为5到15的示范性时间间隔的每四分之一时间间隔的PD。如图6b所示，每个时间间隔的大部分PD发生在各时间间隔的一部分内。例如对于每个编号的时间间隔，从大约250μs到300μs的范围内的大部分PD发生在接近相应间隔的开始的一部分时间间隔内。基于图6b示出的所测量出的每四分之一时间间隔的PD，可以推断出，在该第三示例中，可以以约两倍于电网频率（如，2×60Hz或120Hz）存在显著脉冲持续时间调制值（PDM）。
图6c示出了处理器212确定得到的对于编号为5到15的示范性时间间隔的比值PDF/PDM。如同APDM的计算，如本文中关于第二示范性方法300b所描述的，可通过在每个编号的时间间隔期间取相隔四分之一时间间隔的四个PD测量值PD1、PD2、PD3、PD4并在每个时间间隔结束时按如下方式计算PDM或通过其他任何合适的技术来计算PDM，
PDM=|PD1+PD2-PD3-PD4|+|PD1-PD2-PD3+PD4|，（2）
如图6c所示，在串联电弧放电期间确定得到的比值PDF/PDM通常显著大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值PDF/PDM（例如参见对于时间间隔6和8到15的各比值PDF/PDM）。注意，如果在每个编号的时间间隔结束时确定比值APDF/APDM（如本文中关于第二示范性方法300b的步骤318所描述的），则在串联电弧放电期间确定得到的这种比值APDF/APDM将同样明显大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值APDF/APDM。此外，如果处理器212首先在每个编号时间间隔结束时计算APDF和APDM，然后确定对于每个编号的时间间隔的比值APDF/APDM，则在串联电弧放电期间确定得到的这种比值APDF/APDM也将明显大于在逆变器负载启动期间确定得到的对应比值APDF/APDM。由此，基于图6c所示的比值PDF/PDM，可以推断出在每个时间间隔结束时至少对比值PDF/PDM进行分析将足以更加可靠地将DC电弧和负载切换噪声区分开。
上文已对所公开的检测DC电力系统中的电弧放电的系统和方法的示范性实施例进行了描述，也可给出其它可替代的实施例或变型。举例而言，如参见第三示范性方法300c，本文描述了处理器212可在多个预定时间间隔结束时确定比值APDF/APC是否超过第一指定阈值C1，比值APDF/APDM是否超过第二指定阈值C2，比值APCF/APC是否超过第三指定阈值C3，比值APDF/APD是否超过第四指定阈值C4，APC是否超过第五指定阈值C5，和/或APD是否超过第六指定阈值C6。在一些实施例中，对DC电力系统中的电弧放电的检测也可以是基于在各时间间隔结束时确定比值PDF/PC是否超过第一指定阈值C1，比值PDF/PDM是否超过第二指定阈值C2，比值PCF/PC是否超过第三指定阈值C3，比值PDF/PD是否超过第四指定阈值C4，PC是否超过第五指定阈值C5，和/或PD是否超过第六指定阈值C6。
本文还描述到电流传感器202可以被实现为用于监视DC电力系统的电流输出的电流互感器。在一些实施例中，电流传感器202可采用DC电流传感器来实现，其也可和合适的电路一起用作AC检测电流互感器。注意，DC电流传感器所提供的DC电流数据能增强高频AC电流信息以改进相对于电力系统噪声的电弧故障检测。另外，在一些实施例中，可监视DC电力系统的电压输出而不是电流输出来检测DC电力系统中的电弧放电。这种实施例可采用电力系统电压数据以及电力系统电流数据来更好地区分串联电弧放电和并联电弧放电。此外，在一些实施例中，电流传感器202可用可跨DC电力线连接的AC电压传感器来替代。这种AC电压传感器可以被实现为电容器耦合的电流互感器以用于在DC电力系统和一个或更多个AFD之间提供电气隔离。
本文还描述到PV系统100可包括DC断路开关112，该DC断路开关112可以被用来一旦检测到这种电弧放电就熄灭电弧放电。在一些实施例中，为了熄灭这种电弧放电，PV系统可包括位于一个或更多个PV模块中以用于断开一个或更多个PV面板的固态开关，位于汇流箱中以用于将一个或更多个PV串从负载断开的一个或更多个接触器或断路器，和/或用于开路/短路负载的一个或更多个机构。
本文还描述到PV系统100可包括汇流箱104。在一些实施例中，这种PV系统也可在没有汇流箱的情况下被实现，从而允许一个或更多个PV串直接连接至负载。
此外，注意检测DC电力系统中的电弧放电的示范性方法300a、300b、300c中采用的比值通常不需要使用复杂的除法运算，而是可以通过例如在给指定阈值乘以各比值的分母后进行条件测试来执行。还注意，通过组合这些比值中的两个或更多个可以定义更复杂的测试。例如，APDF/APC和APDF/APDM这两个比值可以组合形成一个比值APDF2/APC/APDM。类似的，PDF/PC和PDF/PDM这两个比值可以组合形成一个比值PDF2/PC/PDM。还可采用这些比值的其他合适的组合来更好地区分DC电弧和负载切换噪声。
还注意，本文所述的一个或更多个实施例可包括用于调节DC到DC变换从而使得每个PV模块或PV串运行在其最大功率点的例如优化器之类的PV负载，用于调节DC到AC变化从而使得每个PV模块运行在其最大功率点的微逆变器，以及连接至一个或更多个PV串的DC到AC逆变器。本文所述的实施例还可与附接到每个PV模块的电弧故障检测器（AFD）组合，并可结合接地故障检测器使用。
另外，在此描述了用于检测DC电力系统中的电弧放电的系统200（参见图2）可以包括电流传感器202、整流器204、滤波器206、比较器208、脉冲积分器210和处理器212，并且电流传感器202可以被实施为用于监视DC电力系统的电流输出的电流互感器。在一些实施例中，用于检测DC电力系统中的电弧放电的系统可以包括多个这种电流传感器来提供对DC电力系统中的串联电弧的改善的检测。
图7描绘了用于检测DC电力系统中的直通线缆或者任意其它合适的布线路线上的电弧放电的示例性系统700。如图7所示，系统700包括多个电流传感器702.1-702.4、整流器704、滤波器706、比较器708、脉冲积分器710和处理器712。例如，多个电流传感器702.1-702.4可以均被实施为用于监视DC电力系统的电流输出的电流互感器。系统700的操作除了以下之外和系统200（参见图2）的操作一样，即，系统700使用四个电流传感器702.1-702.4来进行操作。注意图7出于例证的目的描绘了包括四个电流传感器702.1-702.4的系统700，而系统700可以替代地包括任意其它合适数量的这种电流传感器。
将参考以下示意性示例和图7进一步理解系统700。在这个示例中，四个电流传感器702.1-702.4被并联连接，以便分别监视直通线缆上的四个PV串，该直通线缆可以包括总共十二个这种PV串或者任意其它合适数量的这种PV串。此外，在这个示例中，假设串联电弧放电发生在具有约3安培(AC)的电流波动的直通线缆上。假设相同的阻抗，因此直通线缆上的十二个PV串中的每一个接收约3/12或0.25安培(AC)的电弧电流。关于由各个电流传感器702.1-702.4监视的四个PV串，电流传感器702.1监视的第一PV串接收约0.25安培(AC)的电弧电流I1，电流传感器702.2监视的第二PV串接收约0.25安培(AC)的电弧电流I2，电流传感器702.3监视的第三PV串接收约0.25安培(AC)的电弧电流I3，并且电流传感器702.4监视的第四PV串接收约0.25安培(AC)的电弧电流I4。然而，由于四个电流传感器702.1-702.4并联连接，因此提供给全波整流器704的组合的电弧电流为约4*0.25或1安培(AC)。
通过采用并联连接的四个电流传感器702.1-702.4来将增大水平的电弧电流提供给系统700（参见图7）内的全波整流器704，可以实现对直通线缆或者任意其它合适的布线路线上的串联电弧的改善的检测。注意，虽然图7描绘了并联连接的四个电流传感器702.1-702.4，但是任意合适数量的这种电流传感器可以被并联、串联或者以并联/串联互连的任意其它合适组合方式连接。还请注意，上面出于例证的目的讨论了具有约3安培（AC）的电流波动的这种串联电弧放电，并且系统700可以被用于检测任意其它合适水平的串联电弧放电。
显然，本文所述的一个或更多个实施例可以以多种不同形式的软件和/或硬件来实现。例如，本文所述的一个或更多个实施例可包括一个或更多个计算设备、硬件处理器和/或类似设备的适当配置以执行和/或支持本文所述的任一或全部系统和/或方法。此外，可对一个或更多个计算设备、处理器、数字信号处理器等进行编程和/或配置以实施本文所述的系统和方法。
本领域技术人员应当明白，在不脱离本文所公开的发明概念的情况下，还可对上述的检测DC电力系统中的电弧放电的系统和方法进行进一步更改和变化。因此除了由所附权利要求的范围和精神所限制的之外，本发明不应被看作是受限的。

Claims (19)

1.一种检测DC电力系统中的电弧放电的方法，所述DC电力系统包括多个电流输出，所述方法包括：
提供包括多个电流传感器、比较器以及处理器的电弧故障检测器；
将所述多个电流传感器分别连接到所述多个电流输出，电流传感器在相应的电流输出处感测DC电力系统中流动的多个电流；
通过所述多个电流传感器确定DC电力系统中流动的分别与所述多个电流相关的多个电流信号；
将所述多个电流信号组合以将组合电流信号提供给所述比较器；
响应于该组合电流信号随时间的至少一个变化di/dt，通过所述比较器产生一个或更多个脉冲，其中各个脉冲具有相关的持续时间；
通过所述处理器对各个脉冲进行处理以确定DC电力系统中的电弧放电的存在，其中对各个脉冲进行处理包括：
对至少一个预定时间间隔中的脉冲数量进行计数以提供该预定时间间隔的脉冲数；
测量该预定时间间隔中各脉冲的持续时间的波动值；
计算各脉冲的持续时间的波动值与脉冲数之间的第一比值；以及
至少部分地基于该第一比值来确定该DC电力系统中的电弧放电的存在；以及
通过处理器产生表示在该DC电力系统中存在电弧放电的输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤包括确定该第一比值超过第一指定阈值。
3.如权利要求1所述的方法，其中对脉冲数量进行计数的步骤包括对多个预定时间间隔中的每个时间间隔中的脉冲数量进行计数以提供各预定时间间隔的脉冲数，以及其中测量各脉冲的持续时间的波动值的步骤包括测量各预定时间间隔中的各脉冲的持续时间的波动值。
4.如权利要求3所述的方法，其中计算第一比值的步骤包括在每个预定时间间隔后计算脉冲数的平均值，在每个预定时间间隔后计算各脉冲的持续时间的波动值的平均值，以及基于各脉冲的持续时间的波动值的平均值和脉冲数的平均值计算第一比值。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过该处理器测量该预定时间间隔中的各脉冲的持续时间的调制值。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：
通过该处理器计算各脉冲的持续时间的波动值与各脉冲的持续时间的调制值之间的第二比值。
7.如权利要求6所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤包括至少部分地基于该第一比值和该第二比值来确定在该DC电力系统中存在电弧放电。
8.如权利要求7所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤包括确定该第一比值超过第一指定阈值，以及确定该第二比值超过第二指定阈值。
9.如权利要求6所述的方法，其中测量各脉冲的持续时间的波动值的步骤包括对于多个预定时间间隔测量各脉冲的持续时间的波动值，以及其中测量各脉冲的持续时间的调制值的步骤包括对于该多个预定时间间隔测量各脉冲的持续时间的调制值。
10.如权利要求9所述的方法，其中计算第二比值的步骤包括在每个预定时间间隔后计算各脉冲的持续时间的波动值的平均值，在每个预定时间间隔后计算各脉冲的持续时间的调制值的平均值，以及基于各脉冲的持续时间的波动值的平均值和各脉冲的持续时间的调制值的平均值计算第二比值。
11.如权利要求6所述的方法，还包括：
通过该处理器测量该预定时间间隔的脉冲数的波动值。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
通过该处理器计算脉冲数的波动值与脉冲数之间的第三比值和各脉冲的持续时间的波动值与各脉冲的持续时间之间的第四比值中的一个或更多个。
13.如权利要求12所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤包括至少部分地基于第二比值、第三比值和第四比值中的一个或更多个、以及第一比值来确定该DC电力系统中的电弧放电的存在。
14.如权利要求13所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤包括确定第一比值超过第一指定阈值，确定第二比值超过第二指定阈值，确定第三比值超过第三指定阈值，以及确定第四比值超过第四指定阈值。
15.如权利要求14所述的方法，其中确定电弧放电的存在的步骤还包括确定脉冲数超过第五指定阈值，以及确定各脉冲的持续时间超过第六指定阈值。
16.如权利要求15所述的方法，其中测量脉冲数的波动值的步骤包括对于多个预定时间间隔测量脉冲数的波动值，以及其中测量各脉冲的持续时间的波动值的步骤包括对于该多个预定时间间隔测量各脉冲的持续时间的波动值。
17.如权利要求16所述的方法，其中计算第三比值的步骤包括在每个预定时间间隔后计算脉冲数的波动值的平均值，在每个预定时间间隔后计算脉冲数的平均值，以及基于脉冲数的波动值的平均值和脉冲数的平均值计算第三比值。
18.如权利要求16所述的方法，其中计算第四比值的步骤包括在每个预定时间间隔后计算各脉冲的持续时间的波动值的平均值，在每个预定时间间隔后计算各脉冲的持续时间的平均值，以及基于各脉冲的持续时间的波动值的平均值和各脉冲的持续时间的平均值计算第四比值。
19.一种用于检测DC电力系统中的电弧放电的系统，所述DC电力系统包括多个电流输出，所述系统包括：
多个电流传感器，能够分别连接到所述多个电流输出，
其中所述多个电流传感器操作为确定分别与多个电流输出相关的多个电流信号，
其中所述多个电流传感器操作为将所述多个电流信号组合从而提供组合电流信号；
比较器，操作为响应于该组合电流信号随时间的至少一个变化di/dt产生一个或更多个脉冲，其中各脉冲具有相关的持续时间；以及
处理器，操作为：
通过以下来处理各脉冲以确定该DC电力系统中的电弧放电的存在：
对至少一个预定时间间隔中的脉冲数量进行计数以提供该预定时间间隔的脉冲数；
测量该预定时间间隔中各脉冲的持续时间的波动值；
计算各脉冲的持续时间的波动值与脉冲数之间的第一比值；以及
至少部分地基于该第一比值来确定该DC电力系统中的电弧放电的存在；以及
产生表示在该DC电力系统中存在电弧放电的输出。
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