CN109596956B

CN109596956B - 直流串联电弧检测方法及装置

Info

Publication number: CN109596956B
Application number: CN201910016836.3A
Authority: CN
Inventors: 刘志豪; 朱光辉; 陈贶
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: CN109596956A

Abstract

本公开提供一种直流串联电弧检测方法及装置，该方法包括：实时获取待检测电路中的负载电压；将所述负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值；根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值；以及在所述第一电压值大于阈值电压时，确认所述待检测电路中发生直流串联电弧。本公开的直流串联电弧检测方法及装置，能够提高电弧故障的检测精度、速度、灵敏度以及抗干扰性，提高电路系统的安全性、可靠性与经济性。

Description

直流串联电弧检测方法及装置

技术领域

本公开涉及电气技术领域，尤其涉及一种直流串联电弧检测方法及装置。

背景技术

在电力系统中，由于触点老化，振动，组装不良或损坏导致的连接器块在任何具直流总线的直流系统的任意位置会发生直流串联电弧故障，电弧通道与复杂的外特性和高阻抗相关联，导致故障电流低于标称电流。传统的电流保护设备无法识别电弧故障。直流串联电弧的随机性和不稳定性使其难以检测，并且由于在正常工作条件下直流电流没有过零点，直流串联电弧很难自动熄灭，如果没有检测到电弧故障并且及时熄灭电弧，电弧故障将对电源和控制电路造成不利影响甚至引发火灾危害并危及整个系统。

因此，检测电力系统中的电弧故障至关重要，尽管直流串联电弧故障由于其随机性，间歇性和混乱性而难以检测和定位。现有技术中，直流串联电弧检测的研究主要集中在时域和频域。

通过检测电流变化，噪声，红外辐射和电磁辐射，使用电流下降作为直流电弧发生的前兆标志，因此可以在形成气隙之后并且甚至在电弧故障发展之前立即防止它。电压或电流随时间的斜率的快速变化被认为是电弧发生的标志。目前已经进行了许多时域检测方法的研究，但基于时域的电弧检测方法要求其使用的传感器具有高灵敏度，但环境中的噪音干扰严重破坏了这类方法的可靠性。

目前已经开发了一些基于频率分析的直流串联电弧检测方法。这些检测方法关注直流电弧的特性，但在噪声识别、计算时间减少或与负载变化的区别等问题无法得到适当处理时，还会将其他问题引入到电弧检测工作中来。

现有技术中，另一种办法是采用统计方法通过研究电弧电压和电流信号的变化来识别电弧，利用电路中两个不同位置的电压和电流传感器来检测由直流电弧引起的异常。然而，这类解决方案需要特殊的设备设计和附加组件，这些组件易受周围电磁环境的影响。

许多基于直流电弧频率特性的直流电弧检测方法。反向传播神经网络分析与快速频率变换(FFT)方法一起用于检测航天器系统中的直流电弧，具有定位特性的小波包分析应用于基于电弧检测的中。通过使用每个频带中的重建系数，将不同子带中的直流电弧能量量化为一个变量。然而，虽然避免了传感器中的问题，但是在直流分配中，由于用于多源和负载的大范围的开关电源电路一起工作，所以不能直接应用这种简单的方法。多个电源和负载的操作可能使电弧故障检测器混淆并可能导致误报。

因此，需要一种新的直流串联电弧检测方法及装置。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

有鉴于此，本公开提供一种直流串联电弧检测方法及装置，能够提高电弧故障的检测精度、速度、灵敏度以及抗干扰性，提高电路系统的安全性、可靠性与经济性。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开实施例的第一方面，提出一种直流串联电弧检测方法，该方法包括：实时获取待检测电路中的负载电压；将所述负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值；根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值；以及在所述第一电压值大于阈值电压时，确认所述待检测电路中发生直流串联电弧。

在本公开的一种示例性实施例中，实时获取待检测电路中的负载电压包括：通过逆变器实时获取待检测电路中的负载电压；和\或通过变流器实时获取待检测电路中的负载电压。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值包括：计算所述第一滤波值与所述第二滤波值的差值，以输出第一电压值。

在本公开的一种示例性实施例中，将所述负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值包括：将所述负载电压输入第一低通滤波器，以输出第一滤波值；以及将所述负载电压输入第二低通滤波器，以输出第二滤波值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一低通滤波器的时间常数为1s。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二低通滤波器的时间常数为0.1s。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：根据所述待检测电路的实际负载压降确定所述阈值电压。

在本公开的一种示例性实施例中，所述阈值电压的取值范围为6至10V。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：在确认所述待检测电路中发生直流串联电弧时，通过逆变器和\或变流器发出报警信号和\或控制信号。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：基于所述报警信号和\或控制信号，所述待检测电路的电力电子控制器按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。

根据本公开实施例的第二方面，提出一种直流串联电弧检测装置，该装置包括：一种直流串联电弧检测装置，其特征在于，包括：待检测电路，包括负载侧；逆变器，用于实时获取待检测电路中的负载电压；和\或变流器，用于实时获取待检测电路中的负载电压；滤波器，用于对所述负载电压进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值；差压计算模块，用于根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值；以及判断模块，用于在所述第一电压值大于阈值电压时，确认所述待检测电路中发生直流串联电弧。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：电力电子控制器，用于在确认所述待检测电路中发生直流串联电弧时，按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。

根据本公开的直流串联电弧检测方法及装置，能够提高电弧故障的检测精度、速度、灵敏度以及抗干扰性，提高电路系统的安全性、可靠性与经济性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测方法的流程图。

图2是根据另一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测方法的流程图。

图3是根据另一示例性实施例示出的一种直流微电网的等效电路图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测装置的框图。

图5是根据另一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测装置的框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图仅为本发明的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

下面结合附图对本发明示例实施方式进行详细说明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测方法的流程图。直流串联电弧检测方法10至少包括步骤S102至S108。

如图1所示，在S102中，实时获取待检测电路中的负载电压。其中，待检测电路为直流电路系统，可例如但不限于为直流微电网系统等，直流微电网是由直流构成的微电网，是智能配用电系统的重要组成部分，其可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。负载电压为待检测电路中其负载侧的电压。

在一个实施例中，通过逆变器实时获取待检测电路中的负载电压；和\或通过变流器实时获取待检测电路中的负载电压。逆变器是把直流电能转变成交流电的设备，变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。

在S104中，将负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值。其中，滤波器可为带通滤波器，也可为多个滤波器组成的类带通滤波器。带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。本步骤的滤波器可充分屏蔽由电网电压波动导致的电压变化或电力电子器件开关引入的噪声干扰等产生的无关频率信号。第一滤波值与第二滤波值可分别为两个滤波器的滤波输出值。

在一个实施例中，将负载电压输入第一低通滤波器，以输出第一滤波值；以及将负载电压输入第二低通滤波器，以输出第二滤波值。第一低通滤波器与第二低通滤波器具有不同的时间常数，以区分第一滤波值与第二滤波值。

在一个实施例中，第一低通滤波器的时间常数为1s。

在一个实施例中，第二低通滤波器的时间常数为0.1s。在上述时间常数的选择与配合下，本步骤的滤波器可检测到由电弧电压造成的被极小损耗的相关频率的信号，但此处仅为示例，本公开中滤波器的时间常数并不以此为限。

在S106中，根据第一滤波值与第二滤波值确定第一电压值。在一个实施例中，计算第一滤波值与第二滤波值的差值，以输出第一电压值。

在S108中，在第一电压值大于阈值电压时，确认待检测电路中发生直流串联电弧。其中，阈值电压为验证待检测电路中发生直流串联电弧时负载侧压降的临界电压。

在一个实施例中，根据待检测电路的实际负载压降确定阈值电压。其中，具有恒定电阻负载的直流电路系统中其负载侧点啊和电弧随时间斜率的快速变化可认为是电弧发生的标志，通过设定阈值电压与压降临界值(即阈值电压)相比较，可判断待检测电路中是否发生了直流串联电路。

在一个实施例中，阈值电压的取值范围为6至10V，但此处仅为示例，本公开对阈值电压的具体取值范围并不作特殊限定。

在一个实施例中，还包括：在确认待检测电路中发生直流串联电弧时，通过逆变器和\或变流器发出报警信号和\或控制信号。报警信号用于通知相关操作人员，以在发生危险事故时可及时进行相关抢救操作，控制信号可用于发送至待检测电路中可控制消除电弧的电子器件或设备，以便待检测电路根据控制信号执行消除电弧的相关操作。

在一个实施例中，还包括：基于报警信号和\或控制信号，待检测电路的电力电子控制器按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。其中，预定速率为可能的不会对负载造成严重损伤的最快速率。当发生电弧故障的待检测电路中无电流通过时，将无法支撑电弧故障，从而消除电弧故障。

根据本公开的直流串联电弧检测方法，通过对负载电压进行测量与滤波处理，并根据滤波值检测直流串联电弧，能够提高电弧故障的检测精度、速度、灵敏度以及抗干扰性，提高电路系统的安全性、可靠性与经济性。

应清楚地理解，本公开描述了如何形成和使用特定示例，但本公开的原理不限于这些示例的任何细节。相反，基于本公开公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

图2是根据另一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测方法的流程图。图2示出的直流串联电弧检测方法20是对本申请应用于直流微电网的描述。如图2所示，直流串联电弧检测方法20至少包括步骤S202至S214。

在具有恒定电阻负载的直流微电网系统中，电弧从产生的初始时刻，负载电压具有一个初始压降，其对应的电弧电流也具有一个初始的电流下降。电弧燃烧过程中，负载电压和电弧电流将保持稳定不变。直流微电网的等效电路如图3所示，其为两条并联支路的复杂直流微电网系统，等效电路的状态空间方程可以推导为如下所示：

I_dc＝I_{b_1}+I_{b_2} (6)

公共点电压可以推导为以下公式：

公式中的时间常数分别为：

和

在恒功率负载的情况下，可有以下公式成立：

在S202中，使用电压测量装置对直流微电网系统中的负载电压V_load进行实时测量，实际情况下由逆变器或变流器完成相关的实时测量。

在S204中，将测量得到的负载电压通过两个不同时间常数的低通滤波器(LPF)进行滤波，如公式(9)和公式(10)所示为具有拉普拉斯变换的传递函数方程。

慢速低通滤波器(SLPF)和快速低通滤波器(FLPF)的时间常数的选择极为重要。SLPF和FLPF组成的“类带通滤波器”，可以充分屏蔽由电网电压波动导致的电压变化或电力电子器件开关引入的噪声干扰等产生的无关频率信号，并实时检测由电弧电压造成的被极小损耗的相关频率的信号，也就是说，只有电弧电压瞬时跌落的频率信号可以高质量通过此种“类带通滤波器”。

在S206中，负载电压通过SLPF和FLPF，输出值分别为V_slp和V_flp，并将两者进行比较，如公式(11)所示，得到压差值。

ΔV＝V_slp-V_flp (11)

在S208中，根据电弧产生的接触材料的不同，选择相应的阈值电压设定值(Vtrigger)，来保证电弧故障检测的可靠性。

在S210中，当压差值(ΔV)≤阈值电压的设定值(V_trigger)时，表明此信号由其他系统电压波动造成，无直流串联电弧故障发生；

当压差值(ΔV)＞阈值电压的设定值(V_trigger)时，表明系统中有直流串联电弧故障发生。

在S212中，检测到系统中有电弧故障发生后，逆变器或变流器将发出报警信号和控制信号。

在S214中，负载侧电气设备通过相关控制逻辑及控制器对所发生故障的系统部分进行相关操作及控制。电力电子开关受控后以适当的速率(不对负载造成严重损伤)将负载电流降至零，使故障系统中无电流通过以支撑电弧故障，从而以可能的最快速度消除直流串联电弧故障，以便将故障部分与电网其他正常系统部分进行隔离，不影响其他正常运行的系统，以避免造成更严重的损坏。

根据本公开的直流串联电弧检测方法，为滤波器选择适当的时间常数，以实时检测由电弧电压造成的被极小损耗的相关频率的信号，能够提高电弧故障检测的精度与靠干扰性。

根据本公开的直流串联电弧检测方法，选择合适的阈值电压以配合电弧故障的判断，能够提高电弧故障检测的速度与与灵敏度。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤被实现为由CPU执行的计算机程序。在该计算机程序被CPU执行时，执行本公开提供的上述方法所限定的上述功能。所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开装置实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。

图4是根据一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测装置的框图。参照图4，直流串联电弧检测装置40至少包括：待检测电路402、逆变器和\或变流器404、滤波器406、差压计算模块408以及判断模块410。

在直流串联电弧检测装置中，待检测电路402包括负载侧，相对地，其还包括供电侧。待检测电路402为直流电路，例如但不限于为直流微电网系统。

逆变器和\或变流器404于实时获取待检测电路402中的负载电压。负载电压为待检测电路402中负载侧的电压。逆变器是把直流电能转变成交流电的设备，变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。

滤波器406用于对负载电压进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值。其中，滤波器406可为带通滤波器，也可为多个滤波器组成的类带通滤波器。带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。滤波器406可充分屏蔽由电网电压波动导致的电压变化或电力电子器件开关引入的噪声干扰等产生的无关频率信号。第一滤波值与第二滤波值可分别为两个滤波器的滤波输出值。

在一个实施例中，滤波器406包括第一低通滤波器以及第二低通滤波器。第一低通滤波器用于将负载电压输入第一低通滤波器，以输出第一滤波值；第二低通滤波器用于将负载电压输入第二低通滤波器，以输出第二滤波值。第一低通滤波器与第二低通滤波器具有不同的时间常数，以区分第一滤波值与第二滤波值。

在一个实施例中，第一低通滤波器的时间常数为1s。

在一个实施例中，第二低通滤波器的时间常数为0.1s。在上述时间常数的选择与配合下，滤波器406可检测到由电弧电压造成的被极小损耗的相关频率的信号，但此处仅为示例，本公开中滤波器的时间常数并不以此为限。

差压计算模块408用于根据第一滤波值与第二滤波值确定第一电压值。其中，差压计算模块408用于计算第一滤波值与第二滤波值的差值，差值即为第一电压值。

判断模块410用于在第一电压值大于阈值电压时，确认待检测电路402中发生直流串联电弧。其中，其中，阈值电压为验证待检测电路中发生直流串联电弧时负载侧压降的临界电压。

在一个实施例中，判断模块410用于根据待检测电路的实际负载压降确定阈值电压。

在一个实施例中，还包括电力电子控制器，用于确认待检测电路中发生直流串联电弧时，按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。其中，预定速率为可能的不会对负载造成严重损伤的最快速率。当发生电弧故障的待检测电路中无电流通过时，将无法支撑电弧故障，从而消除电弧故障。

根据本公开的直流串联电弧检测装置，通过对负载电压进行测量与滤波处理，并根据滤波值检测直流串联电弧，能够提高电弧故障的检测精度、速度、灵敏度以及抗干扰性，提高电路系统的安全性、可靠性与经济性。

图5是根据另一示例性实施例示出的一种直流串联电弧检测装置的框图。图5示出的直流串联电弧检测装置50是对本申请应用于直流微电网的描述，如图5所述，直流串联电弧检测装置50至少包括：分压器502、微控制器504以及示波器506。

在直流串联电弧检测装置50中，分压器502用于测量直流微电网系统中其负载侧的电压。微控制器504中包括模数转换器以及嵌入式处理器。微控制器504用于对负载电压进行处理，例如模数转换处理以及滤波处理；微控制器504还用于判断直流微电网中是否有直流串联电弧发生。示波器506用于展示监测信号例如第一电压值等的波形图，相应地，示波器506还可用于展示报警信号或控制信号，以在发生直流串联电弧时用于报警或通知相应设备采取措施。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims

1.一种直流串联电弧检测方法，其特征在于，包括：

实时获取待检测电路中的负载电压；

将所述负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值；

根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值；以及

在所述第一电压值大于阈值电压时，确认所述待检测电路中发生直流串联电弧；

其中，将所述负载电压输入滤波器进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值包括：将所述负载电压输入第一低通滤波器，以输出第一滤波值；以及将所述负载电压输入第二低通滤波器，以输出第二滤波值；

根据所述第一滤波值与所述第二滤波值确定第一电压值包括：计算所述第一滤波值与所述第二滤波值的差值，以输出第一电压值；

所述方法还包括：根据所述待检测电路的实际负载压降确定所述阈值电压。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实时获取待检测电路中的负载电压包括：

通过逆变器实时获取待检测电路中的负载电压；和\或

通过变流器实时获取待检测电路中的负载电压。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一低通滤波器的时间常数为1s。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二低通滤波器的时间常数为0.1s。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值电压的取值范围为6至10V。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在确认所述待检测电路中发生直流串联电弧时，通过逆变器和\或变流器发出报警信号和\或控制信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述报警信号和\或控制信号，所述待检测电路的电力电子控制器按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。

8.一种直流串联电弧检测装置，其特征在于，包括：

待检测电路，包括负载侧；

逆变器，用于实时获取待检测电路中的负载电压；和\或

变流器，用于实时获取待检测电路中的负载电压；

滤波器，用于对所述负载电压进行滤波，以获取第一滤波值与第二滤波值；

差压计算模块，用于根据所述第一滤波值与所述第二滤波值的差值确定第一电压值；以及

判断模块，用于在所述第一电压值大于阈值电压时，确认所述待检测电路中发生直流串联电弧；

其中，所述滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，所述第一低通滤波器用于对所述负载电压进行滤波，输出所述第一滤波值；所述第二低通滤波器用于对所述负载电压进行滤波，以输出所述第二滤波值；

所述直流串联电弧检测装置还包括：电力电子控制器，用于在确认所述待检测电路中发生直流串联电弧时，按照预定速率降低负载电流，以消除直流串联电弧。