CN111983400A - 主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统及方法，包括：高频信号发生与注入器、线路信号测量仪和电弧故障分析模块。本发明准确定位电弧故障发生的位置，便于故障排查和光伏电站快速恢复运行，减小逆变器、现场电缆布线以及运行环境对电弧故障检测和故障定位精度的影响，克服了常规被动检测方式检测电压电流特征的方法容易受外部干扰、电弧故障检测精度低和误判率高的不足。

Description

主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统及方法
技术领域
本发明涉及光伏系统电弧检测技术领域，具体地，涉及一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统及方法。
背景技术
近些年来，我国光伏产业快速发展。到2019年底，全国光伏发电累计并网装机容量已达到204GW。其中分布式光伏62.6GW，同比增长24.2％，增长特别迅速。但是，光伏系统由于线路老化、连接线松动、进水腐蚀等而导致直流电弧故障，易发生电气火灾。光伏直流电弧在限流特性和光照电流独立特性的共同影响下可以创造稳定的燃烧条件，如不及时诊断与切除，往往会使电弧长时间持续燃烧，对设备造成大面积损坏，甚至引发电气火灾。
当前，对于光伏系统的直流电弧故障检测方法主要有两类。一是基于声、光、热等物理性质变化的检测方法；二是基于电信号的时频检测方法。目前，较被广泛认同的是基于时频特性的检测方法。时域研究下，采用电压电流波形变化特征来对直流电弧进行分析；频域研究采用傅里叶变换、小波变换等数学方法来获得频域特征从而对直流电弧进行分析。
目前，光伏组串电弧故障检测主要采用被动方式，即通过检测分析光伏组串的电流或电压高频特征，从而判断系统中是否存在电弧故障。但是，实际的光伏系统中存在诸多不利因素使得该方法实现起来非常困难：光伏系统中有诸多的干扰源，尤其是逆变器的干扰，逆变器的工况不同，对直流组串侧的电流和电压干扰也不同，且逆变器的交流侧也会产生一定干扰。干扰信号的存在给电弧检测带来了巨大的困难；一般情况下，直流电弧非常稳定，其电流或电压的变化幅度很小，增大了通过电流或电压特征来识别电弧故障的难度；每个光伏电站的现场布线方式、运行环境等都不同，导致形成一套统一的电弧故障识别数据非常困难。
专利文献CN201921237770(申请号201921237770.2)通过采集光伏系统直流侧的交流电流分量来对故障电弧进行预判断，以检测直流故障电弧是否发生；专利文献CN201811059114(申请号201811059114.8)公开了一种光伏系统直流电弧故障及类型的辨识方法，该方法采用图形、时域和频域三判据算法，实时采集直流母线电压、电流数据，并通过运算得出功率，采用图像处理的故障检测算法、多路复用算法，检测出光伏系统是否发生直流故障电弧并辨识其故障类型。这些发明都是基于光伏系统直流母线上原有的电压电流情况来对线路是否产生了电弧故障进行判别，采用的是阈值比较法，存在易受外部环境干扰，需要大量复杂计算值，存在一定的直流电弧故障误检率等不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统及方法。
根据本发明提供的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，包括：高频信号发生与注入器、线路信号测量仪和电弧故障分析模块；
所述高频信号发生与注入器用于产生高频信号，并将高频信号注入光伏组串直流母线中；
所述线路信号测量仪用于检测注入的高频信号的输出响应信号，并对输出响应信号进行滤波处理；
所述电弧故障分析模块用于处理经过滤波后的输出响应信号，并与注入的高频信号进行比较，检测光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。
优选的，所述高频信号发生与注入器包括高频信号发生器和相应的信号耦合装置，高频信号的频段为30kHz～100kHz。
优选的，所述线路信号测量仪通过高频电流互感器采集光伏组串直流侧母线上的电流信号，采样频率为200kHz，并通过高通滤波器滤除直流及低频噪声信号。
根据本发明提供的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，包括：
高频信号发生注入步骤：通过高频信号发生与注入器产生并向光伏组串直流侧母线注入预设的高频信号；
线路信号测量步骤：通过高频电流互感器测量得到光伏组串直流侧母线的电流测量信号，并进行高通滤波滤除直流及低频噪声信号；
信号分析处理步骤：将经过滤波处理所得的光伏组串直流侧母线电流测量信号与高频信号发生器所产生的高频信号经高斯窗函数加权后进行快速傅里叶变换，取得两个信号在相应频段的特征值；
输入输出特征对比步骤：对比两个信号在相应频段的特征值，判断光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。
优选的，所述信号分析处理步骤和输入输出特征对比步骤包括：
步骤1：将DSP每采集到的512个输入电流测量数据作为一组数据簇，将DSP每采集到的512个输出电流测量数据作为另一组数据簇；
步骤2：对输入与输出的每一组电流测量数据簇进行高斯窗函数加权处理；
步骤3：使用快速傅里叶变换对加权后的输入与输出电流测量数据加窗簇进行频谱变换，获得输入与输出电流测量信号的频点频谱；
步骤4：计算输入与输出电流测量信号每个频点上的平均值Iavg和频点频谱标准偏差的平方S2；
步骤5：计算方差齐性检验F的方差比率F值；
步骤6：根据F值判断光伏组串是否出现直流电弧故障，并采取对应措施。
优选的，
Figure BDA0002628058650000031
Figure BDA0002628058650000032
式中，n为采集的数据簇的个数，p为n个数据簇中的第p个数据簇，p＝1，2，…，n；q为该数据簇中的第q个频点，q＝1，2，…，512；
Figure BDA0002628058650000033
表示第p个数据簇中的第q个频点经过快速傅里叶变换后的电流测量值。
优选的，
Figure BDA0002628058650000034
其中，
Figure BDA0002628058650000035
表示此次输出电流数据采样所计算的标准偏差的平方值，
Figure BDA0002628058650000036
表示此次输入电流数据采样所计算的标准偏差的平方值。
优选的，当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值无差异时，DSP判断光伏组串没有出现直流电弧故障，输出的高频信号与输入的高频信号特征差异稳定不变；
当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值产生较大的差异时，DSP判断光伏组串出现直流电弧故障，输出的高频信号的特征发生变化，向断路器发送关断信号指令，并根据F值差异的大小和电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性来定位电弧故障在光伏组串中的发生点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明从根本上避免逆变器、现场电缆布线以及运行环境对电弧检测的干扰，避免了被动的检测电压电流特征的方法容易受外部干扰、电弧检测难度大等缺点；
2、本发明由于是主动注入信号，检测电弧故障时对电路回路的特性改变比较敏感，抑制了被动方式检测电弧故障带来的干扰，对测量所得数据采用比较判别，不采用绝对值阈值判断，能有效避免前述缺陷，降低检测装置误判率，所以更容易准确检测电弧故障；
3、本发明根据光伏组串电弧故障检测的电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性，可以准确定位光伏组串电弧故障发生的位置，便于故障排查和光伏电站快速恢复运行；
4、本发明可以实现电弧的准确检测，且抗干扰性强；同时，本发明可以方便地与电力线载波通信集成，易于在组件级监控系统中实现，不会过多增加成本，成本甚至远低于采用高精度测量电路的传统被动检测方式。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的主动式光伏组串直流电弧故障检测与定位系统结构示意图；
图2为本发明提供的主动式光伏组串直流电弧故障检测与定位系统步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1所示，根据本发明所提供的一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，包括高频信号发生与注入器、线路信号测量仪以及电弧故障分析模块。高频信号发生与注入器用于产生一定特征的高频信号，并将该信号注入光伏组串直流侧母线中，使其与光伏组串直流侧的直流及其他噪声信号叠加，同时将所注入的高频信号特征反馈至故障电弧分析模块。线路信号测量仪通过高频电流互感器采集先前注入高频信号的输出响应信号，即前述多种信号的叠加综合信号，并通过高通滤波器滤除直流及低频噪声信号。电弧故障分析模块对线路信号测量仪所得光伏直流母线信号进行处理，并将处理结果与注入的高频信号特征进行比较，判断光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。
如图2所示，根据本发明提供的一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，包括：
高频信号发生注入步骤：高频信号发生与注入器产生一定特征的高频信号，并将该信号通过线圈耦合的方式注入光伏组串直流侧母线。线路信号测量步骤：利用高频电流互感器采集光伏系统直流母线上高频信号的输出响应信号。信号分析处理步骤：将采集的信号先行通过高通滤波器滤除直流及低频噪声信号，再经高斯窗函数加权后进行快速傅里叶变换(FFT)取得信号在相应频段的特征值。输入输出特征对比步骤：将处理完毕的线路输出响应信号的特征值与注入系统的高频信号特征值进行比较，判断光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。当光伏组串没有出现直流电弧故障时，经测量得到的输出高频信号与输入的高频信号特征差异就会稳定不变；当光伏组串出现直流电弧故障时，此时输出的高频信号的特征就会发生剧烈的变化。
所述信号分析处理步骤和输入输出特征对比步骤包括：
(1)将DSP每采集到的512个输入电流测量数据作为一组数据簇，将DSP每采集到的512个输出电流测量数据作为另一组数据簇；
(2)对输入与输出的每一组电流测量数据簇进行高斯窗函数加权处理；
(3)使用快速傅里叶变换对加权后的输入与输出电流测量数据加窗簇进行频谱变换，以获得输入与输出电流测量信号的频点频谱；
(4)计算输入与输出电流测量信号每个频点上的平均值Iavg和频点频谱标准偏差的平方S2，
Figure BDA0002628058650000051
Figure BDA0002628058650000052
式中n为采集n个数据簇，p为n个数据簇中的第p个数据簇(p＝1，2，…，n)，q为该数据簇中的第q个频点(q＝1，2，…，512)，
Figure BDA0002628058650000061
表示：第p个数据簇中的第q个频点经过快速傅里叶变换后的电流测量值；
(5)计算F检验(方差齐性检验)的F值(方差比率)，
Figure BDA0002628058650000062
其中，
Figure BDA0002628058650000063
代表此次输出电流数据采样所计算的标准偏差的平方值，
Figure BDA0002628058650000064
代表此次输入电流数据采样所计算的标准偏差的平方值；
(6)当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值无差异时，DSP可以判断光伏组串没有出现直流电弧故障，即输出的高频信号与输入的高频信号特征差异稳定不变；当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值产生较大的差异时，DSP可以判断光伏组串出现了直流电弧故障，即输出的高频信号的特征发生了剧烈的变化，进而向断路器发送关断信号指令，并根据F值差异的大小即电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性来定位电弧故障具体发生在哪一个光伏组串之中。
本发明通过主动向光伏组串直流侧母线注入高频信号来检测系统是否发生直流电弧故障，并能准确有效地定位直流电弧故障点，便于故障排查和光伏电站快速恢复运行，有效避免了周围环境对电弧检测的干扰，无需复杂的程序算法，降低了检测装置的误判率，避免了逆变器在不同运行工况下对检测结果的影响。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，其特征在于，包括：高频信号发生与注入器、线路信号测量仪和电弧故障分析模块；
所述高频信号发生与注入器用于产生高频信号，并将高频信号注入光伏组串直流母线中；
所述线路信号测量仪用于检测注入的高频信号的输出响应信号，并对输出响应信号进行滤波处理；
所述电弧故障分析模块用于处理经过滤波后的输出响应信号，并与注入的高频信号进行比较，检测光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。
2.根据权利要求1所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，其特征在于，所述高频信号发生与注入器包括高频信号发生器和相应的信号耦合装置，高频信号的频段为30kHz～100kHz。
3.根据权利要求1所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，其特征在于，所述线路信号测量仪通过高频电流互感器采集光伏组串直流侧母线上的电流信号，采样频率为200kHz，并通过高通滤波器滤除直流及低频噪声信号。
4.一种主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，采用权利要求1所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位系统，包括：
高频信号发生注入步骤：通过高频信号发生与注入器产生并向光伏组串直流侧母线注入预设的高频信号；
线路信号测量步骤：通过高频电流互感器测量得到光伏组串直流侧母线的电流测量信号，并进行高通滤波滤除直流及低频噪声信号；
信号分析处理步骤：将经过滤波处理所得的光伏组串直流侧母线电流测量信号与高频信号发生器所产生的高频信号经高斯窗函数加权后进行快速傅里叶变换，取得两个信号在相应频段的特征值；
输入输出特征对比步骤：对比两个信号在相应频段的特征值，判断光伏组串是否发生直流电弧故障，若发生直流电弧故障则向断路器发送关断信号指令，并根据电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性对电弧故障发生点进行定位处理。
5.根据权利要求4所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，所述信号分析处理步骤和输入输出特征对比步骤包括：
步骤1：将DSP每采集到的512个输入电流测量数据作为一组数据簇，将DSP每采集到的512个输出电流测量数据作为另一组数据簇；
步骤2：对输入与输出的每一组电流测量数据簇进行高斯窗函数加权处理；
步骤3：使用快速傅里叶变换对加权后的输入与输出电流测量数据加窗簇进行频谱变换，获得输入与输出电流测量信号的频点频谱；
步骤4：计算输入与输出电流测量信号每个频点上的平均值Iavg和频点频谱标准偏差的平方S2；
步骤5：计算方差齐性检验F的方差比率F值；
步骤6：根据F值判断光伏组串是否出现直流电弧故障，并采取对应措施。
6.根据权利要求5所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，
Figure FDA0002628058640000021
Figure FDA0002628058640000022
式中，n为采集的数据簇的个数，p为n个数据簇中的第p个数据簇，p＝1，2，…，n；q为该数据簇中的第q个频点，q＝1，2，…，512；
Figure FDA0002628058640000023
表示第p个数据簇中的第q个频点经过快速傅里叶变换后的电流测量值。
7.根据权利要求5所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，
Figure FDA0002628058640000024
其中，
Figure FDA0002628058640000025
表示此次输出电流数据采样所计算的标准偏差的平方值，
Figure FDA0002628058640000026
表示此次输入电流数据采样所计算的标准偏差的平方值。
8.根据权利要求5所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值无差异时，DSP判断光伏组串没有出现直流电弧故障，输出的高频信号与输入的高频信号特征差异稳定不变；
当DSP计算出的F值与上一周期采样后DSP储存的经计算后的F值产生较大的差异时，DSP判断光伏组串出现直流电弧故障，输出的高频信号的特征发生变化，向断路器发送关断信号指令，并根据F值差异的大小和电弧特征值与电弧检测点的电缆距离的相关性来定位电弧故障在光伏组串中的发生点。
9.根据权利要求4所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，所述高频信号发生与注入器包括高频信号发生器和相应的信号耦合装置，高频信号的频段为30kHz～100kHz。
10.根据权利要求4所述的主动式光伏组串直流电弧故障检测和故障定位方法，其特征在于，所述线路信号测量仪通过高频电流互感器采集光伏组串直流侧母线上的电流信号，采样频率为200kHz，并通过高通滤波器滤除直流及低频噪声信号。
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