CN110504918A - 电弧检测装置以及电弧检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧检测装置以及电弧检测方法。电弧检测装置用于检测带有光伏组件的光伏发电系统之中是否存在着直流电弧故障。电力线载波发送模块用于将其产生的载波信号通过载波的方式加载到串接起多个光伏组件的导电线缆上。电力线载波接收模块用于从导电线缆上感测载波信号。电力线载波发送模块设置成间歇性地向导电线缆上注入载波信号并且每次皆向导电线缆上注入频率不相同的一系列载波信号。电力线载波接收模块在侦测到一系列载波信号时，判断一系列载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征且在不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

Description

电弧检测装置以及电弧检测方法

技术领域

本发明主要涉及到光伏发电领域，更确切的说，涉及到应用于光伏发电系统的用于检测直流电弧现象的电弧检测装置以及相应的电弧检测方法。

背景技术

随着传统能源的短缺和电力技术的发展，光伏得到了越来越广泛的关注，光伏发电系统在电力运用上须满足安全规范。电弧是气体放电现象，电流流经诸如空气之类的绝缘介质所产生的火花即是气体放电的表现形式。检测电弧和积极采取应对措施是维持光伏发电系统处于安全规范下的关键要素。尽管业界竭力的试图寻找电弧现象的规律和共性以寻求电弧的精确检测手段，然而难以回避的疑虑是，当前在业界很难针对电弧给出合理并严格的检测机理亦很难设计出对应的精确检测仪器，市面上能够起到实际检测作用的量产电弧检测产品寥寥可数，甚至可认为真实有效的直流电弧检测产品所面对的是空白市场。

故障电弧的检测是十分必要的。线路绝缘老化破损或电气线路中存在的接线端子松动等非操作原因通常会引起故障电弧。故障电弧位置会吸收光伏系统产生的大部分能量进而转化成高温电离气体，这种持续的高温气体显然会烧毁电缆和电器设备。故障电弧放电时短时间内所释放的大量热量还会点燃光伏系统附近周围的其他易燃易爆品，引起局部区域的灾情及非预料性的停电事故，存在着财产安全和人员安全威胁。美国保险商实验室和美国电气制造商协会合作起草的UL1699国标早期对交流电弧做了规范，鉴于直流电弧频繁引发的事故及光伏直流电弧故障问题变得日益严峻，后续制定的UL1699B国标亦正式就光伏系统的直流电弧故障相关的检测装置提出了标准和规范。

按照电流性质划分电弧大致可分为直流电弧和交流电弧。熟知的交流电之应用时间较早以及交流故障电弧已经存在较为成熟的检测方法和商业化产品，然而光伏系统的起步时间较晚再加之直流电弧的本质特性与交流电相迥异，典型的例如直流电流并无交流电那样存在着过零点特征，因此光伏场合无法套用交流电弧的检测手段。影响直流电弧电学性质的变量原本就纷繁多样，又因光伏使用环境的不同更促使电弧复杂化。业界普遍认识到建立直流电弧的数学模型较为困难，尽管部分电弧模型被提及，但这些简化模型通常是基于电弧的某些单一特性或若干个非常有限的特性而进行的研究，事实上光伏环境中必然存在的噪声和电力系统的偶发性干扰极易误导电弧检测，造成错误的检测结果，动态变化的光照强度和环境温度及大量存在的开关噪声等都是误判漏判的干扰源。本申请之目标是检测出光伏系统中存在的真实直流电弧故障以避免故障电弧引发的火灾等事故。

发明内容

本申请涉及到一种电弧检测装置，用于检测带有光伏组件的光伏发电系统之中是否存在着直流电弧故障，主要包括：

电力线载波发送模块，用于将其产生的载波信号通过载波的方式加载到串接起多个光伏组件的导电线缆上；

电力线载波接收模块，用于从所述导电线缆上感测所述载波信号；

电力线载波发送模块设置成间歇性地向导电线缆上注入所述载波信号，并且每次皆向导电线缆上注入具有预期特征的所述载波信号；

电力线载波接收模块在侦测到所述载波信号时，判断所述载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征，在不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

上述的电弧检测装置，其中：

所述指定参数包括所述载波信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障。

上述的电弧检测装置，其中：

所述指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

检测到所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。

上述的电弧检测装置，其中：

所述直流电弧故障包括串联型或并联型的直流电弧故障。

上述的电弧检测装置，其中：

电力线载波发送模块以串联或并联的方式将产生的载波信号加载到导电线缆上。

本申请涉及到一种电弧检测方法，主要包括：

间歇性地将电力线载波形式的载波信号加载到串接多个光伏组件的导电线缆上，每次向导电线缆上加载的所述载波信号具有事先设计好的预期特征；

持续性地从带有所述光伏组件和所述导电线缆的支路上监测所述载波信号；

侦测到所述载波信号时，判断所述载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征：

在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障；

在指定参数满足预期特征的前提下判断不存在直流电弧故障。

上述的方法，其中：

所述指定参数包括所述载波信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障。

上述的方法，其中：

所述指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

检测到所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。

本申请涉及到另一种电弧检测方法，主要包括：

主动向带有光伏组件的光伏发电系统中注入电力线载波形式的载波信号；

在光伏发电系统中需要检测电弧的位置监测所述载波信号；

判断监测到的所述载波信号的被测量的第一和第二项指定参数是否满足预期特征：在第一和第二项指定参数不满足各自的预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

上述的方法，其中：

第一项指定参数包括所述载波信号的幅度大小，第一项指定参数的预期特征包括预设的幅度值；

第二项指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布，第二项指定参数的预期特征包括预设的频谱分布点；

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值、以及所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合时判断出存在着直流电弧故障。

本申请还涉及到另一种电弧检测方法，主要包括：

主动向带有光伏组件的光伏发电系统中注入具有预期特征的高频信号；

在光伏发电系统中需要检测电弧的位置监测所述高频信号；

判断监测到的所述高频信号的被测量的指定参数是否满足预期特征：在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

上述的方法，其中：

所述指定参数包括所述高频信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述高频信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障。

上述的方法，其中：

所述指定参数包括一系列所述高频信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

检测到一系列所述高频信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。

附图说明

为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的特征和优势将显而易见。

图1是光伏组件串联再并联后为汇流箱及逆变器供电的光伏发电系统。

图2是电力线载波发送模块以并联的模式向导电线缆上注入载波信号。

图3是电力线载波发送模块以串联的模式向导电线缆上注入载波信号。

图4是频率不同的一系列载波信号叠加后的幅度应该具有的预期特征。

图5是频率不同的一系列载波信号叠加后的波形实际展现的幅度大小。

图6是频率不同的一系列载波信号在频域方面应该具有的频谱分布点。

图7是频率不同的一系列载波信号在频域方面实际展示出的频谱分布。

图8是直流电弧故障通常包括基本的串联型或并联型的直流电弧故障。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本发明的方案进行清楚完整的阐述，所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。

参见图1，光伏组件阵列是光伏发电系统从光能到电能转换的基础。图示的光伏组件阵列中安装有电池组串。关于电池组串：每一个电池组串由多个相互串联连接的光伏组件串接构成，光伏组件还可以替换成燃料电池或化学电池等直流电源。多个不同的电池组串它们之间是并联连接的关系：虽然每一个电池组串由多个光伏组件构成而且内部的多个光伏组件是串联的关系，但是多个不同的电池组串的彼此之间是相互并联的连接关系并共同向光伏逆变器INT之类的能源收集装置提供电能。在某个电池组串中本申请以串联型的多级光伏组件PV1-PVN为例，它们各自的输出电压相互叠加后将总的具有较高电势的串级电压提供给逆变器INT，即母线电压，逆变器INT汇聚串联的多级光伏组件各自的输出功率后进行直流电到交流电的逆变，N是大于1的自然数。为逆变器提供直流电源的直流母线之间连接有大容量的电容，母线电容在光伏发电系统中还须承担逆变器恒定的输入功率和波动的输出功率之间的解耦。实际应用场合，多个不同的电池组串的彼此之间是相互并联的连接关系并它们共同由汇流箱CBB进行汇流后再向逆变器供电。

参见图1，目前对于光伏发电系统直流侧电弧故障检测的方法主要有两类。第一类是基于电压电流波形变化的检测方法。在电弧故障发生时电弧两端的电流会瞬间下降而电弧两端的电压会瞬间提高。此类方法的优点是检测方法的原理容易理解，且电压和电流是能轻易检测和测量的对象，故而是普遍采用的方案。但由于光伏发电系统受光照强度和环境温度等因素的影响较大，输出电流和电压的幅值天然的就具有不稳定性，例如阴影遮挡或光照的忽强忽弱都会产生电流和电压的瞬时变化。因此此类方法的弊端是很难区分电流和电压的变化是由环境原因造成的还是由于电弧故障引起的变化。更棘手的弊端还在于发生电弧情况下的直流母线上的母线电压与正常时的标准电压相差不大，因为逆变器直流侧的直流母线电容掣肘了母线电压的波动，难以使用母线电压波动检测到故障电弧。

参见图1，第二类方法是基于频率特性的检测方法。电弧故障发生时伴随着某些高频杂波信号并体现电弧特征，而在正常工作情况下这些高频杂波信号并不会出现。因此这些信号的出现表明存在直流电弧故障。当前部分商家基于第二类方法的原理生产了专用的直流电弧故障检测器。以上两种电弧故障的检测均是在光伏组件和汇流箱或逆变器端即直流侧进行检测，是对整个光伏系统直流侧电弧故障检测而非光伏组件级的检测。当电弧故障出现时会出现火灾隐患，现有的方案无法快速定位故障点，需要运维人员对所有光伏组件和线缆再次排查，工作量巨大且效率低下，安全隐患较大。排除故障电弧的时间导致整个光伏系统的关停，不仅仅难以做到及时准确并快速的预警处理与事件响应，进一步还会造成电站发电收益的损失。传统电弧故障检测方案的最大疑虑是漏判和误判，光伏系统本身存在着大量的开关噪声和环境因素都会对真实电弧检测造成干扰。

参见图2，图示的可选电弧检测装置，用于检测带有光伏组件的光伏发电系统之中是否存在着直流电弧故障。电弧检测装置包括电力线载波发送模块MAS。电力线载波在业界是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯（Power Line Carrier）是指利用现有电力线通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，最大特点是不需要重新架设通信网络只要有电力线即可实现数据传递。电力线载波发送模块MAS可以是光伏发电系统原本就配置的通讯元器件，因为事实上大部分光伏发电系统原本就需要随时监控光伏组件的电流和电压等数据信息，电力线载波发送模块MAS的原始功能就是将此类数据信息以载波通信的方式发送出去。电力线载波发送模块MAS额外的辅助功能是利用发送的载波信号去检测直流电弧故障。若光伏发电系统原来没有配置任何视为通讯元器件的电力线载波发送模块MAS，如某些场合根本不检测光伏组件的数据，或数据传输是利用蓝牙或红外等无线通信模块或互联网模块则电力线载波发送模块MAS不是必须的，此时基于电弧检测目的是允许光伏发电系统再单独配置电力线载波发送模块MAS。作为范例电力线载波发送或接收模块可包括专用载波芯片、电力线载波发送或接收模块可包括装载有软件的微处理器以及配套的附属载波收发硬件、电力线载波发送或接收模块还可包括嵌入式电力线调制解调器或者是所谓的基于宽带电力载波通信技术的物联网微控制器。

参见图2，电力线载波发送模块MAS用于将产生的载波信号PLC通过载波的方式加载到串接起多个光伏组件PV1-PVN的导电线缆上，电力线载波接收模块SLV则用于从所述导电线缆上感测载波信号PLC。在载波接收模块的可选但非限制性的范例中可利用非接触式的信号采集端例如罗氏空心线圈来侦测载波信号：还包括电力线载波调制解调芯片和微处理器且微处理器的输入接收二进制数据信号，微处理器的输入耦合到电力线载波调制解调芯片的特定输出端口如串行外设接口，空心线圈的输出经由滤波器和放大器后再接到电力线载波调制解调芯片的解调模块。载波信号被侦测后由电力线载波调制解调芯片将解调得到的二进制数据经串口输给微处理器。在载波发送模块的可选但非限制性的范例中可用接触或非接触式的信号发送端来发送载波：用于数据传输的隔离变压器或空心线圈等耦合元件均属于信号发送端的典型范例，还包括电力线载波调制解调芯片和微处理器且电力线载波调制解调芯片例如是内置功率放大的FSK载波收发器，微处理器将要发送的数据进行分帧处理，允许在数据流中添加帧头帧尾及校验和数据纠错等编码。微处理器将打包好的数据通过与电力线载波调制解调芯片之间的串口发送给电力线载波调制解调芯片从而进行载波调制，调制方式例如是FSK方式而载波频率可选。调制后的信号经过电力线载波调制解调芯片内部实施功率放大后再驱动耦合元件将载波耦合到导电线缆上以完成基本的载波信号发送过程。前述内容是载波生成和接收的可选范例。图示的范例是电力线载波发送模块MAS以串联的方式将产生的载波信号PLC加载到导电线缆上。

参见图3，电力线载波发送模块MAS以并联的方式将产生的载波信号PLC加载到导电线缆上以取代前述并联的方式。在光伏发电系统中实现光伏组件级别的电弧检测之机制是载波信号能够输送到每个组件位置处。对比图2和图3的范例：图2是在导电线缆的主回路处检测电弧而图3则是在每个组件处检测电弧。图2中信号采集端被设置在起到直流母线作用的主导电线缆位置处，而图3中信号采集端则被设置在位于光伏组件的正负极附近的导电线缆位置处即子回路处。针对传统的电弧检测方法而言，由于很难直接定位发生故障电弧的特定光伏组件，本范例中载波信号PLC既可以传播到单独的光伏组件个体位置处又可以在主要的直流母线上传播，相当于细化了故障电弧的检测位置。

参见图3，电力线载波发送模块MAS产生的载波信号输入至隔离变压器T这类耦合元件的原边，隔离变压器T的副边则直接连接在导电线缆上。载波信号PLC输入至隔离变压器的原边并借助副边将载波信号PLC耦合到导电线缆上。

参见图3，为了和传统的故障电弧检测手段予以区别开，可先行了解传统方案中关于电弧频率特性的检测原理：首选需要撷取逆变器直流侧的电流信号并根据电流信号提取电流信号的频谱特征，然后判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征，若电流信号的频谱特征具有电弧频谱特征则大概率存在电弧故障。根据电流信号获得电流信号的频谱特征的手段主要包括：将电流信号转换为数字信号、对数字信号进行快速傅里叶变换以得到电流信号的频谱特征。判断电流信号的频谱特征是否具有电弧频谱特征包括：从电流信号的频谱特征中选取一特定频段的频谱特征、判断特定频段的频谱特征与电流信号的基础频谱特征相比，是否超过一定义好的功率阈值、如果超过功率阈值则判断电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征。由于逆变器不同的工况，对直流组串侧上的电流和电压干扰也不同并且这个干扰也与逆变器的交流侧有关，这类不确定性的干扰给电弧检测带来了巨大的挑战因为很难提取到十分精确的电流信号。利用载波信号检测直流电弧故障则是完全不同于传统方案的革新性措施，无须撷取电流信号也无须执行复杂的运算。

参见图3，电力线载波发送模块MAS设置成间歇性向导电线缆上注入载波信号并且每次皆向导电线缆上注入频率不相同的一系列载波信号PLC，图2亦如此。电力线载波接收模块SLV在侦测到一系列载波信号PLC时判断一系列载波信号PLC的被测量的指定参数是否满足预期特征，在不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。注意这里提及的指定参数可以包括多类别的参数或者单类别的参数，既可以利用单类别的参数比对其相应的预期特征来识别是否发生故障电弧，又可以综合考虑多类别的参数是否同时满足它们各自的预期特征来识别是否发生故障电弧。在可选的范例中电力线载波发送模块亦设置成间歇性地向导电线缆上注入载波信号PLC，每次皆向导电线缆上注入具有预期特征的载波信号PLC，注意注入的是单一预定频率下的载波信号PLC而并非是不同频率的众多载波信号的叠加信号，电力线载波接收模块在侦测到载波信号PLC时，首选需要判断载波信号PLC的被测量的指定参数是否满足预期特征，在不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。例如指定参数包括载波信号PLC的幅度大小，预期特征包括预设幅度值则载波信号PLC的幅度大小低于预设幅度值时判断存在直流电弧故障。例如指定参数包括载波信号PLC在频域下的频谱分布，预期特征包括预设的频谱分布点，检测到载波信号PLC实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合、存在频谱分布点缺失时判断存在直流电弧故障。如果载波信号在向各个子支路的传输过程中保持稳定，那么检测到的载波信号的特征就会维持稳定不变。但是当光伏组串出现电弧故障时，此载波信号的回路特性就会受到较大的影响，检测到的载波信号的特征就会剧烈的变化。

参见图4，载波信号PLC的被测量的指定参数包括一系列载波信号PLC叠加后的幅度大小也即用曲线101表示。横坐标表示频率而纵坐标表示波形的幅度。载波信号的幅度随着频率的逐步增加会先增大但频率再增大载波信号的幅度却降低。本范例中指定参数的预期特征包括预设的幅度值A：在一系列载波信号PLC之中滤出处于选定频率范围内的部分也即得到介于频率F1-F2之间的那部分载波信号，当这部分载波信号它们叠加后的幅度大小低于预设的幅度值A时判断存在着直流电弧故障。换言之原本从电力线载波发送模块MAS输出的载波信号PLC之频率是多样的，电力线载波接收模块SLV接收到的自然也是频率不同的诸多载波信号PLC。诸多载波信号PLC在发射端的波形是事先设计好的并具有较为确定的幅度和频率，在接收端整体分析载波信号PLC的幅度就会发现如果存在电弧干扰，载波信号PLC并非按照预期那样具有明确的波形特征。捕获真实故障电弧极度困难的困扰点之一是：电弧故障发生位置处的电弧两端的电流虽然会瞬间下降而电弧两端的电压会瞬间提高，若电弧两端的距离略微拉远或靠近，电弧两端的电流和电弧两端的电压会产生较大程度的变化，光伏系统中实际情况是无法保证电弧故障发生位置处的两个电弧端之间的距离具有绝对唯一性，因为电弧本身就存在随机性，所以依赖于检测故障电弧带来的电压电流变化来甄别和发现电弧是非常不可靠的。即使试图获取光伏逆变器直流侧的电流信号并根据电流信号获得电流信号的频谱特征，若电弧两端的距离略微拉远或靠近则电流信号的频谱特征也会变动，那么在判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征的阶段就会产生较大程度的误差，所以将电流信号被测量的频谱特征和电弧频谱特征相比较的方案来甄别和发现电弧也是非常不可靠的。载波信号被测量的指定参数允许包括单一预定频率下的载波信号PLC的幅度大小，即载波信号PLC并非是频率不同的诸多载波信号的叠加而是只包括预定频率下的某一种载波信号，同样载波信号的幅度随着预定频率的逐步增加会先增大但预定频率再增大载波信号的幅度却降低。即使使用非叠加信号而是单一的载波信号PLC作为电弧侦测手段，载波信号PLC的预定频率亦可以设置成大小可调的模式以适应对直流故障电弧的检测需求。若预定频率设置成固定模式则很难利用固定的预定频率去识别不同光伏发电系统的电弧故障，因为每个光伏电站的现场布线方式和运行环境等条件都不同，预定频率之频率大小值有必要随时调整。预定频率之频率大小值可设为处于选定的频率范围F1至F2之间。

参见图5，在系列载波信号PLC中滤出选定频率范围F1-F2内的部分，为了避免误差需要滤掉低于频率F1的载波信号和高于频率F2的载波信号，经过该遴选原则过滤得到的位于频率范围F1-F2的那部分载波信号PLC属于研究对象。这里过滤还有另外的效果就是滤除其他杂波源的干扰。虚线曲线101表示无电弧干扰下载波信号PLC的被测量的指定参数即系列载波信号PLC叠加后的幅度大小，作为对比实线曲线102则表示电弧干扰下载波信号PLC的指定参数即系列载波信号PLC叠加后的幅度大小，指定参数的预期特征包括预设的幅度值A。介于选定频率F1-F2范围之间的那部分载波信号叠加后的幅度大小若低于预设的幅度值A则判断存在着直流电弧故障。频率F1-F2之间的幅度波形在曲线102上表现出低于预设幅度值A的特性。作为可选的范例但不构成任何限制条件例如可以设定频率F1不低于1KHZ而频率F2不高于100KHZ。前文提到若电弧两端的距离略微拉远或靠近会影响到电弧两端的电流和电压的测量精度，亦影响到电流信号的实际频谱特征所以针对故障电弧的直接检测存在不精确和不确定性。在判断载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征时，由于并非直接以电压值和电流值或电流信号的频谱特征作为测量对象，即便电弧发生处两端的距离略微拉远或靠近，即使故障电弧发生位置存在较大的随机性，也不会对判断指定参数是否满足预期特征带来过多误差。在可选范例中电力线载波发送模块每次皆向导电线缆注入单一频率下的载波信号PLC，载波信号被测量的指定参数允许是具有某单一预定频率的载波信号PLC的幅度大小：预定频率下的载波信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断存在着直流电弧故障。

参见图5，电弧检测方法包括间歇性地将电力线载波形式的载波信号PLC加载到串接多个光伏组件的导电线缆上，每次向导电线缆加载的一系列载波信号PLC的频率可设为不相同。持续性地从带有光伏组件和导电线缆的支路上监测载波信号PLC且每当侦测到系列载波信号PLC时，判断系列载波信号PLC的被测量的指定参数是否满足预期特征且在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障、在指定参数满足预期特征的前提下判断不存在直流电弧故障。指定参数包括系列载波信号PLC叠加后的幅度大小而预期特征包括预设的幅度值，系列载波信号PLC之中滤出处于选定频率范围内的部分且它们叠加后的幅度大小低于预设的幅度值时判断存在直流电弧故障。或将电力线载波形式的具有预定频率的单一载波信号加载到串接多个光伏组件的导电线缆上，每次向导电线缆上加载的载波信号具有事先设计好的预期特征，侦测到载波信号时当判断载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征，不满足预期特征时判断存在直流电弧故障。

参见图6，载波信号PLC被测量的指定参数含系列载波信号PLC在频域下的频谱分布即用竖向带箭头的直线表示。横坐标表示频谱分布而纵坐标表示波形的幅度。本范例中诸多载波信号PLC在发射端是事先设计好的并具有较为确定的幅度和频率，所以载波信号在频域下具有较为明确的频谱分布，在接收端整体分析载波信号PLC的频谱会发现如果存在电弧干扰，载波信号PLC并非按照预期那样具有明确的频谱分布特征。如果检测到系列载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合，载波信号通常是存在较大范围的频谱分布点缺失时则判断出存在着直流电弧故障。

参见图7，载波信号PLC被测量的指定参数含系列载波信号PLC在频域下的用竖向带箭头的直线表示的实际频谱分布，因故障电弧的干扰，载波接收端侦测的载波信号并非是事先设计的具有较为明确的频谱分布反而存在频谱分布点缺失。指定参数包括一系列载波信号PLC在频域下的频谱分布，预期特征包括预设的频谱分布点。如图6表示无故障电弧干扰下载波信号PLC在频域下应当具有的频谱分布，作为对比图7则表示故障电弧干扰下检测到的载波信号PLC的实际频谱分布，会发现实际频谱分布与图6之预设的频谱分布点不吻合，根据存在的频谱分布点缺失来判断出存在着直流电弧故障。在可选的范例中检测到系列载波信号PLC实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。在可选的范例中考察频段F3-F4范围内系列载波信号PLC实际的频谱分布是否与频段F3-F4内预设的频谱分布点相吻合，实际频谱分布与预设的频谱分布点不吻合时判断出存在着直流电弧故障，频段F3-F4是事先定义的频率范围而且受故障电弧的影响较大，可以更精确的甄别故障电弧。

参见图7，传统方案中电弧检测装置是被动的等待故障电弧的触发、直至故障电弧发生时才由故障电弧触发电弧检测装置来做出响应，电弧检测装置绝不会主动去检查电弧因为电弧检测装置的原理是根据电弧信号特征来识别电弧。本范例则是主动的检视故障电弧并在故障电弧不太严重时就能响应和做出警示反馈。电弧检测方法包括主动向带有光伏组件的发电系统中注入电力线载波形式的载波信号PLC，在光伏发电系统中需要检测电弧的位置监测载波信号PLC，判断监测到的载波信号PLC的被测量的第一和第二项指定参数是否满足预期特征：在第一和第二项指定参数不满足各自的预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。第一项指定参数包括系列频率不同的所述载波信号叠加后的幅度大小以及第一项指定参数的预期特征包括预设的幅度值。第二项指定参数包括系列频率不同的载波信号在频域下的频谱分布，第二项指定参数的预期特征包括预设的频谱分布点。在系列载波信号之中滤出处于选定频率F1-F2范围内的部分，这部分载波信号它们叠加后的幅度大小低于预设的幅度值A、系列载波信号PLC实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合时判断出存在着直流电弧故障。综合考虑更有益于甄别真实的电弧。

参见图7，电弧检测方法包括间歇性地将电力线载波形式的载波信号PLC加载到串接多个光伏组件的导电线缆上，每次向导电线缆上加载的一系列载波信号PLC的频率设为不相同。持续性地从带有光伏组件和导电线缆的支路上监测载波信号PLC且每当侦测到系列载波信号PLC时，判断系列载波信号PLC的被测量的指定参数是否满足预期特征且在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障、在指定参数满足预期特征的前提下判断不存在直流电弧故障。指定参数包括一系列所述载波信号在频域下的频谱分布而预期特征包括预设的频谱分布点，检测到系列载波信号PLC实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断存在直流电弧故障。譬如在回路中对原本输出的多路载波信号进行监测，每路载波信号具有唯一的预定频率，以至于多路载波信号它们各自的预定频率均不相同，这亦是多路载波信号叠加的实施例。发现回路中所监测到的实际频谱分布中至少存在部分载波信号的缺失，换而言之，具体数目的多路载波信号和它们的预定频率相当于决定了预设的频谱分布点，但是所监测到的实际频谱分布并非是多路载波信它们各自的预定频率的完整分布，某些具有唯一预定频率的载波信号的特定预定频率在实际频谱分布中是缺失的。即多路载波信号的实际频谱分布和原本应该具有的预设频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失，这是直流故障电弧造成的。在可选但非限制性的实施例中载波信号的预定频率和直流电弧天然具有的频段存在重合关系。在可选但非限制性的实施例中载波信号的预定频率避开光伏系统中存在的开关噪声的频段。

参见图7，在可选的范例中电力线载波发送模块MAS亦可以设置成每次皆向导电线缆注入单一预定频率下的载波信号PLC，载波信号PLC并非是频率不同的诸多载波信号的叠加而是只包括具有预定频率的某一种载波信号。电力线载波接收模块SLV在侦测到载波信号时首选要判断载波信号PLC被测量的指定参数是否满足预期特征，例如指定参数包括具有预定频率的载波信号PLC在频域下的频谱分布，预期特征包括预设的频谱分布点以及检测到载波信号PLC实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时判断存在直流电弧故障。因此在可选的范例中电力线载波发送模块每次皆向导电线缆上注入具有预定频率的单一载波信号PLC，载波信号PLC的被测量的指定参数允许是具有某单一预定频率的载波信号PLC在频域下的频谱分布，该指定参数的预期特征则包括预设的频谱分布点，具有预定频率的载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断存在直流电弧故障。譬如在回路中对原本输出的具有预定频率的载波信号进行监测但发现监测到的实际频谱分布中并无预定频率，此时预定频率充当了前述预设频谱分布点这类高频信号的特性，这也佐证了在载波信号传递的回路中直流电弧故障会致使载波信号的原始特性受到巨大的影响。

参见图8，光伏发电系统中对直流电弧故障有串联电弧和并联电弧之分。首先对串联电弧进行说明例如标记105所示的是典型的串联电弧。在接受了负载的电线电缆中产生意外的破损或切断时，在与其所连接的电路部分的前端之间形成电弧。串联电弧是在太阳能面板与太阳能面板之间、太阳能面板与开关之间、开关与功率调节器之间、破损的电线的前端之间等产生的电弧，由于电缆的老化、施工失误、螺丝的松动等而产生。接下来对并联电弧进行说明例如标记106所示的是典型的串联电弧，在极性不同的两个导体之间流过了意外的电流的情况下，会产生并联电弧。在动物咬到电线时、电线老化时或由于外部的力而电线损伤时等产生，引起绝缘体或保护功能的缺失，导致极性不同的金属部的接触从而形成电弧。产生串联电弧电弧和并联电弧时，大约会在1kHz-1MHz左右的高频频率范围中产生电弧噪声。前文记载的检测方案可对并联电弧和串联电弧做出响应。

参见图8，当前光伏电弧故障技术都是采用被动的检测技术。具体而言就是通过检测分析光伏组串的电流或电压的高频特征，来分辨系统中有没有电弧故障。光伏系统中有三大因素导致这种方法实现起来非常困难：第一点是光伏系统中有诸多的干扰源，尤其是逆变器的干扰，逆变器不同的工况，对直流组串侧上的电流和电压干扰也不同，且这个干扰也与逆变器的交流侧有关。这个不确定性的干扰给电弧检测带来了巨大的困难。第二点是许多情况下直流电弧非常稳定，对电流或电压的改变非常少，这样增加了通过电流或电压特征来识别电弧的难度。第三点是每个光伏电站的现场布线方式，运行环境等都不同从而导致找出统一的一套电弧故障的识别数据非常艰难。

参见图8，新技术方案在光伏组串上主动注入一定特征的高频信号，然后在从光伏组串上检测此高频信号的信号特征。如果系统没有电弧时输出的高频信号与检测到的高频信号特征差异就会稳定，因为此电缆回路的特性没有改变。如果输出的高频信号保持稳定那么检测到的高频信号特征就会稳定不变。当光伏组串出现电弧故障时，此高频信号的回路特性就会受到巨大的影响，此时检测到的高频信号的特征就会剧烈的变化。通过检测原始输出高频信号与被检测的高频信号的特征变化、及其稳定性就可以准确的检测出组串中有没有发生电弧故障。这里的高频信号例如采用载波信号时，同时可以起到电力线载波通信的作用并作为与组件级监控的通信手段。新技术方案的技术优点：主动式的电弧检测方法从根本是可以避免逆变器、现场电缆布线及运行环境对电弧检测的干扰，避免了被动的检测电压或电流特征的方法容易受外部干扰、电弧检测难度大等缺点。由于是主动注入高频信号和利用故障电弧对电路回路中高频信号特性的改变，不是被动的检测电弧带来的干扰所以比较容易识别电弧故障，通过以上提及的方案能够实现电弧检测准确和不容易受到干扰等特点。同时此项方案可以方便的与电力线载波通信集成，方便在组件级监控系统中实现而不增加过多的成本，比传统被动方式的高精度测量电路的成本要低很多。

参见图8，前文记载的高频信号是以用于通讯的载波信号为例。若高频信号不再使用专为通讯功能所设计的载波信号而是单独使用某些具有预定频率的高频段信号，则电力线载波发送模块需要被替换成高频信号产生模块，高频信号产生模块仍然要将其产生的高频信号加载注入到串接起多个光伏组件的导电线缆上。相对应的电力线载波接收模块需要被替换成高频信号接收模块，高频信号接收模块仍然从导电线缆上感测高频信号。高频信号产生模块设置成向导电线缆上注入具有预期特征的高频信号，高频信号接收模块侦测到高频信号时判断高频信号的被测量的指定参数是否满足预期特征，在不满足预期特征的前提下判断光伏发电系统中存在着直流电弧故障。电力线载波发送模块MAS是高频信号产生模块的典型范例，电力线载波接收模块SLV是高频信号接收模块的典型范例。

以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后各种变化和修正无疑将显而易见。因此所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (12)

1.一种电弧检测装置，用于检测带有光伏组件的光伏发电系统之中是否存在着直流电弧故障，其特征在于，包括：

电力线载波发送模块，用于将其产生的载波信号通过载波的方式加载到串接起多个光伏组件的导电线缆上；

电力线载波接收模块，用于从所述导电线缆上感测所述载波信号；

电力线载波发送模块设置成间歇性地向导电线缆上注入所述载波信号，并且每次皆向导电线缆上注入具有预期特征的所述载波信号；

电力线载波接收模块在侦测到所述载波信号时，判断所述载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征，在不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

2.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：

所述指定参数包括所述载波信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障。

3.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：

所述指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

检测到所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。

4.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：

所述直流电弧故障包括串联型或并联型的直流电弧故障。

5.根据权利要求1所述的电弧检测装置，其特征在于：

电力线载波发送模块以串联或并联的方式将产生的载波信号加载到导电线缆上。

6.一种电弧检测方法，其特征在于，包括：

间歇性地将电力线载波形式的载波信号加载到串接多个光伏组件的导电线缆上，每次向导电线缆上加载的所述载波信号具有事先设计好的预期特征；

持续性地从带有所述光伏组件和所述导电线缆的支路上监测所述载波信号；

侦测到所述载波信号时，判断所述载波信号的被测量的指定参数是否满足预期特征：

在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障；

在指定参数满足预期特征的前提下判断不存在直流电弧故障。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述指定参数包括所述载波信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

检测到所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。

9.一种电弧检测方法，其特征在于，包括：

主动向带有光伏组件的光伏发电系统中注入电力线载波形式的载波信号；

在光伏发电系统中需要检测电弧的位置监测所述载波信号；

判断监测到的所述载波信号的被测量的第一和第二项指定参数是否满足预期特征：在第一和第二项指定参数不满足各自的预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

第一项指定参数包括所述载波信号的幅度大小，第一项指定参数的预期特征包括预设的幅度值；

第二项指定参数包括所述载波信号在频域下的频谱分布，第二项指定参数的预期特征包括预设的频谱分布点；

在所述载波信号的幅度大小低于预设的幅度值、以及所述载波信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合时判断出存在着直流电弧故障。

11.一种电弧检测方法，其特征在于，包括：

主动向带有光伏组件的光伏发电系统中注入具有预期特征的高频信号；

在光伏发电系统中需要检测电弧的位置监测所述高频信号；

判断监测到的所述高频信号的被测量的指定参数是否满足预期特征：在指定参数不满足预期特征的前提下判断存在直流电弧故障。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

所述指定参数包括所述高频信号的幅度大小；

所述预期特征包括预设的幅度值；以及

在所述高频信号的幅度大小低于预设的幅度值时判断出存在着直流电弧故障；

或者

所述指定参数包括所述高频信号在频域下的频谱分布；

所述预期特征包括预设的频谱分布点；以及

在检测到所述高频信号实际的频谱分布与预设的频谱分布点不吻合而存在频谱分布点缺失时，判断出存在着直流电弧故障。