CN112014701B - 一种直流系统的直流电弧检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流系统的直流电弧检测方法，属于直流能量传输技术领域，该方法利用5G通信的实时性，能够实时的检测电源端与负载端之间的电压差，根据电压差判断是否存在直流电弧，若存在，则进行降低电流至零的灭弧操作；风险消除后，为避免误判电弧，暂时不上报故障，过一段时间后进行确认，控制电源输出一个电源电压，再次检测并判断电源端和负载端之间的压差，根据该压差确认直流系统是否发生拉弧。本发明的直流电弧检测方法，原理简单，降低了检测复杂程度；同时，能够降低直流电弧的误判概率，避免直流电弧的漏检。

Description

一种直流系统的直流电弧检测方法

技术领域

本发明属于直流能量传输技术领域，具体涉及一种直流系统的直流电弧检测方法。

背景技术

在新能源发电、动力电池充放电、分布式光伏发电以及储能、UPS备用电源等直流能量传输领域，均广泛采用直流电流进行能量传输，在对直流电流进行大功率能量传输的时候，传输线缆和中间连接器都会流经非常大的电流，如果线缆破损或者连接器接触不良，就可能引起直流电弧，直流电弧很容易持续燃烧，持续燃烧必然导致设备损坏，且容易引起火灾。

当前直流电弧的检测主要是通过检测直流电流的频谱，预先设定一些条件，一旦检测到直流电流的频谱满足预先设定的条件，就认为发生了直流电弧。例如，公告号为CN107994866B的中国发明专利，提出了一种直流电弧故障检测的方法，在预先采集的光伏系统的电流信号内，选取第一预设个数的连续采样点进行快速傅里叶分析，以便得到所述连续采样点的频谱幅值的平方；提取预选频段内的快速傅里叶分析结果，并将所述预选频段划分为第二预设个数的子频段，求取各子频段内所有连续采样点的频谱幅值的平方和作为所述各子频段的频谱能量；根据各子频段的预设权重系数以及所述频谱能量，求取加权频谱能量；根据所述加权频谱能量以及预设频谱能量阈值的比较结果，判断所述光伏系统是否产生直流。

上述方法的缺点在于：此方法一方面受到周围环境的影响，当外围设备发射的传导电流噪声跟预设条件类似时，很容易导致误判；另一方面，由于直流电弧的频谱异常复杂繁多，预设的条件很难覆盖所有的直流电弧，存在漏检的风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流系统的直流电弧检测方法，用于解决现有的直流电弧检测方法复杂且容易误判和漏判的问题。

基于上述目的，一种直流系统的直流电弧检测方法的技术方案如下：

1)实时获取直流系统中电源侧的直流电压和负载侧的直流电压，获取电源侧的直流电压和/或负载侧的直流电压的方式为5G通信方式；

2)根据所述电源侧的直流电压的变化情况判断电源侧的电压稳定性，根据所述负载侧的直流电压的变化情况判断负载侧的电压稳定性；

3)当电源侧的直流电压和负载侧的直流电压均稳定时，计算电源侧和负载侧间的直流电压差，当该直流电压差大于设定的电压差限值时，判定直流系统中存在直流电弧，控制直流系统中的直流电流降低至零；

4)直流系统中的直流电流降低至零后，控制直流系统中的电源输出设定的电源电压，按照步骤1)、步骤2)和步骤3)中的内容进行再次判断，若电源侧和负载侧间的直流电压差大于设定的第二电压差限值，则判定直流系统中发生拉弧故障。

上述两个技术方案的有益效果是：

利用5G通信的实时性，能够实时的检测电源端与负载端之间的电压差，根据电压差判断是否存在直流电弧，若存在，则进行降电流至零的操作，风险消除后，为避免误判电弧，暂时不上报故障；过一段时间后进行判断确认，控制电源输出一个电源电压，再次检测并判断电源端和负载端之间的压差，根据该压差确认直流系统是否发生拉弧。本发明的直流电弧检测方法，原理简单，降低了检测复杂程度；同时，能够降低直流电弧的误判概率，避免直流电弧的漏检。

进一步的，所述电源电压的电压值与步骤2)中电源侧稳定的直流电压值不同，即控制电源输出一个与之前电压值大小不同的电压，再判断是否发生拉弧，以提高判断的可靠性。

进一步的，所述步骤3)中的第一电压差限值与步骤4)中的第二电压差限值相同或者不同。也就是这两个限值的大小设置可以不严格相等，接近即可。

进一步的，为了实现电源侧和负载侧的电压稳定性的判断，步骤2)中判断电源侧和负载侧的电压稳定性的步骤包括：

计算相邻两次电源侧的直流电压采样差值ΔU₁，比较该差值ΔU₁是否小于一个设定的电压波动限值U_lim1，若小于，即ΔU₁<U_lim1，则判定为电源侧的电压稳定；

计算相邻两次负载侧的直流电压采样差值ΔU₂，比较该差值ΔU₂是否小于电压波动限值U_lim1，即ΔU₂<U_lim1，则判定为负载侧的直流电压稳定。

作为其他实施方式，为了进一步提高电压稳定性判断的可靠性，步骤2)中判断电源侧和负载侧的电压稳定性的步骤包括：

对连续相邻两次电源侧的直流电压采样差值ΔU₁进行N次判断，N≥2，若均判断为直流电压采样差值ΔU₁小于电压波动限值U_lim1，则判定电源侧的直流电压稳定；

对连续相邻两次负载侧的直流电压采样差值ΔU₂进行N次判断，N≥2，若均判断为直流电压采样差值ΔU₂小于电压波动限值U_lim1，则判定负载侧的直流电压稳定。

进一步的，步骤3)中判定直流系统中存在直流电弧后，设置电弧标志位，根据该电弧标志位，关闭电源或者关闭负载，以降低直流系统中的直流电流至零。

附图说明

图1是本发明实施例1中应用直流电弧检测方法的直流系统示意图；

图2是本发明实施例1中的直流电弧检测方法流程图；

图3是本发明实施例2中的主机和从机之间的5G通信连接关系图；

图4是本发明实施例2中的主机在直流电弧检测方法中的流程图；

图5是本发明实施例2中的从机在直流电弧检测方法中的流程图；

图6是本发明实施例2中的主机在直流电弧的确认检测中的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1：

本实施例提出了一种直流系统的直流电弧检测方法，该方法的应用对象如图1所示的直流系统，包括直流电源和负载，直流电源通过正负极直流母线供电连接负载，检测装置分别通信连接直流电源侧和负载侧的直流电压采样模块，通信方式为5G通信，该检测装置是基于该5G通信进行的直流电弧的实时性检测，该检测装置实现的直流电弧检测方法流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，利用5G通信方式，与直流电源侧的直流电压采样模块实时通信，与负载侧的直流电压采样模块实时通信，分别获取直流电源侧的直流电压，负载侧的直流电压。

步骤二，判断直流系统上的直流电压是否稳定，涉及上面两种电压的稳定性判断，判断方法为：在某一时刻，若直流电源侧的直流电压稳定，且负载侧的直流电压稳定，则认为直流系统上的直流电压稳定。

关于直流电源侧和负载侧的直流电压是否稳定的判断方法，以判断直流电源侧的直流电压为例，一种具体的判断方法为，计算相邻两次直流电源侧的直流电压采样差值ΔU₁，比较该差值ΔU₁是否小于一个设定的电压波动限值U_lim1，若小于，即ΔU₁<U_lim1，则判定为该直流电源侧的直流电压是稳定的。负载侧的直流电压的稳定性判断方法，与上述方法类似，若相邻两次负载侧的直流电压采样差值ΔU₂小于电压波动限值U_lim1，即ΔU₂<U_lim1，则判定为负载侧的直流电压稳定。

作为其他实施方式，为了防止电压稳定性的误判，还可以对连续相邻两次直流电源侧的直流电压采样差值ΔU₁进行多次(两次及两次以上)判断，若均判断为小于电压波动限值U_lim1，则判定该直流电压是稳定的，以提高稳定性判断的准确性。同理，也可以采用上述方法对负载侧的直流电压进行稳定性判断，此处不再赘述。

步骤三，在直流系统上的直流电压稳定后，比较同一时刻下的直流电源侧的直流电压U₁和负载侧的直流电压U₂，计算二者的电压差ΔU，即ΔU＝∣U₁-U₂∣，判断该电压差ΔU与一个设定的电压差限值U_lim2的大小，若ΔU>U_lim2，则判定为直流系统中存在直流电弧，立即关断电源，控制直流电流降低至零。

步骤四，直流电流降低至零后(即关闭电源后)，延时一段时间，待直流电弧随着电流降低而自然熄灭，控制直流系统中的直流电源输出一个电源电压U_s2，该电源电压的大小与直流系统正常工作时的电源电压值U_s1不同，然后根据上述步骤二中的内容，再次判断直流系统上的电压是否稳定，待直流系统上的直流电压稳定后，按照上述步骤三的内容，再次判断直流电源侧与负载侧间的电压差ΔU，判断此时的电压差与设定的电压差限值U_lim3的大小，若此时的ΔU>U_lim3，则判定直流系统中发生拉弧故障，立即上报故障；若ΔU≤U_lim3，则判定为直流系统出现扰动，未发生拉弧。

跟传统的检测方法相比，本发明的直流电弧检测方法具有以下优点：

(1)，原理简单，利用的是在直流系统上的电压稳定时，如果没出现直流电弧，则电源侧和负载侧的直流电压应该相等(不考虑传输线路上的压降)；如果出现直流电弧，则电源侧和负载侧的直流电压相差较大(增大几十伏特)的原理，降低了检测复杂程度，不需要复杂的电流信号采样电路、信号调理电路、复杂的电流谐波分解算法以及基于电流谐波的电弧判断算法；同时能够降低直流电弧的误判概率，和避免直流电弧的漏检，可靠性高。

(2)，检测速度更快，由于直流电弧的危害主要是电弧发热产生高温，高温传导至周围可燃物导致火灾，根据UL的标准，为了避免直流拉弧导致的火灾，需要限制电弧持续时间，功率越大的电弧，持续时间应该越短，当前直流系统内，直流电弧的持续时间要限制在0.1至1秒的时间以内，而本发明的方法在获取直流电源侧和负载侧的直流电压时，利用的是5G通信方式，由于5G通信具备低至1ms的网络延时，能够很好保证获取电压信息的实时性，以实现直流电弧的实时检测。

实施例2：

本实施例提出一种直流电弧检测方法，该方法可应用具有供电连接关系的直流系统中，直流系统包括电源和负载，电源供电连接负载，电源侧的控制装置为主机，该主机通过直流接口采样连接电源侧的电压采集模块，负载侧的控制装置为从机，从机通过其直流接口采样连接负载侧的电压采集模块，主机和从机之间通过5G通信方式进行实时通信，如图3所示。本实施例中，需要主机和从机相配合，以主机为主、从机为辅，共同实现直流系统的直流电弧检测。

对于主机而言，该主机内包括储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现以下步骤：

如图4所示，先查询主机的直流接口的电压，即电源侧的直流电压，根据该直流电压的变化情况判断电压是否稳定，判断方法为：计算本次循环主机的直流接口电压与上次循环获取电压的差值，判断该差值是否小于一个电压设定阈值，即“阈值1”，若小于，则判定电压稳定。若电源侧的直流电压稳定，进而能够判断出主机稳定；若电源侧的直流电压不稳定，无法判断出直流电弧，本次循环结束，不再进行下一步的判断。

在判断出电源侧的直流电压稳定后，通过5G通信向从机发送查询命令，获取从机发送的直流接口电压，即负载侧的直流电压；如图5所示，从机收到主机的查询命令后，根据负载侧的直流电压的变化情况判定电压是否稳定，判断方法为：计算本次循环从机的直流接口电压与上次循环的电压差值，判定该电压差值是否小于一个电压设定阈值，即“阈值3”，若小于，则判定电压稳定。若负载侧的直流电压稳定，进而能够断定出从机稳定，向主机发送从机的直流接口电压。若负载侧的直流电压不稳定，则结束本次循环，不发送从机的直流接口电压。

如图4所示，当主机接收到从机发送的稳定的直流接口电压后，为了防止从机对负载侧的直流电压的误判，由主机再次对该直流电压的稳定性进行确认判断，判断方法与从机的稳定性判断方法相同。若负载侧的直流电压稳定，则进行下一步判断；若负载侧的直流电压不稳定，则无法判断出直流电弧，本次循环结束，不再进行下一步判断。

当主机判断出从机的直流接口电压稳定后，进行直流电弧的判断，判断方法为：计算主机的直流接口电压与从机的直流接口电压的差值，比较该差值与设定的“阈值2”的大小，若该差值大于“阈值2”，考虑传输线缆上的压降和直流电压采样误差，以及电弧电压一般是几十伏特，“阈值2”的设置范围是，大于传输线缆上的压降、直流电压采样误差之和，小于传输线缆上的压降、直流电压采样误差、电弧电压之和，(例如“阈值2”可以设置为传输线缆的压降+直流电压采样误差+10伏特)(，判定存在直流电弧，置位电弧标志为1。

如图6所示，一旦电弧标志位置为1后，则由主机控制执行灭弧动作，关闭电源，用于将直流系统中的传输电流快速降至零，一段时间后，获取直流系统中的直流电流，判断该直流电流是否为零，若为零，控制电源输出一个电压值，此电压值参考负载当前时刻的电压值，设置为“阈值4”、负载当前时刻的电压值之和，“阈值4”大于或者等于“阈值2”，然后再次判断主机直流接口电压是否稳定，若稳定，读取从机的直流接口电压，判断主机直流接口电压与从机直流接口电压的差值是否大于“阈值4”，若大于，则判定发生拉弧故障，向控制中心上报该拉弧故障。

本实施例中，关于电源侧的电压稳定性判断，以及负载侧的电压稳定性判断，作为其他实施方式，还可采用实施例1中的步骤二中记载的判断方法，本实施不再赘述。

本实施例中，在电源侧设置主机，负载侧设置从机，实现了直流电弧的检测，作为其他实施方式，还可以在电源侧设置从机，负载侧设置主机，同样能够实现图4、图5和图6所述的直流电弧的检测过程。

本发明的直流电弧检测方法，利用5G通信的实时性，能够实时的检测电源端与负载端之间的电压差，根据电压差判断是否存在直流电弧，若存在，则进行降低电流至零的操作，过一段时间后，控制电源输出一个以之前电压值大小不同的电压，再次检测并判断电源端和负载端之间的压差，根据该压差判断直流系统是否发生拉弧。本发明的直流电弧检测方法，降低了检测复杂程度；同时能够降低直流电弧的误判概率，和避免直流电弧的漏检。

以上实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现直流电弧检测方法的流程。可提供这些计算机程序指令到主机或从机的处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实时获取直流系统中电源侧的直流电压和负载侧的直流电压，获取电源侧的直流电压和/或负载侧的直流电压的方式为5G通信方式；

2)根据所述电源侧的直流电压的变化情况判断电源侧的电压稳定性，根据所述负载侧的直流电压的变化情况判断负载侧的电压稳定性；

3)当电源侧的直流电压和负载侧的直流电压均稳定时，计算电源侧和负载侧间的直流电压差，当该直流电压差大于设定的第一电压差限值时，判定直流系统中存在直流电弧，控制直流系统中的直流电流降低至零；

4)直流系统中的直流电流降低至零后，控制直流系统中的电源输出设定的电源电压，按照步骤1)、步骤2)和步骤3)中的内容进行再次判断，若电源侧和负载侧间的直流电压差大于设定的第二电压差限值，则判定直流系统中发生拉弧故障；设定的电源电压大小与直流系统正常工作时的电源电压不同。

2.根据权利要求1所述的直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述电源电压的电压值与步骤2)中电源侧稳定的直流电压值不同。

3.根据权利要求1所述的直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述步骤3)中的第一电压差限值与步骤4)中的第二电压差限值相同或者不同。

4.根据权利要求1或2所述的直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，步骤2)中判断电源侧和负载侧的电压稳定性的步骤包括：

计算相邻两次电源侧的直流电压采样差值ΔU₁，比较该差值ΔU₁是否小于一个设定的电压波动限值U_lim1，若小于，即ΔU₁<U_lim1，则判定为电源侧的电压稳定；

计算相邻两次负载侧的直流电压采样差值ΔU₂，比较该差值ΔU₂是否小于电压波动限值U_lim1，即ΔU₂<U_lim1，则判定为负载侧的直流电压稳定。

5.根据权利要求1或2所述的直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，步骤2)中判断电源侧和负载侧的电压稳定性的步骤包括：

对连续相邻两次电源侧的直流电压采样差值ΔU₁进行N次判断，N≥2，若均判断为直流电压采样差值ΔU₁小于电压波动限值U_lim1，则判定电源侧的直流电压稳定；

对连续相邻两次负载侧的直流电压采样差值ΔU₂进行N次判断，N≥2，若均判断为直流电压采样差值ΔU₂小于电压波动限值U_lim1，则判定负载侧的直流电压稳定。

6.根据权利要求1所述的直流系统的直流电弧检测方法，其特征在于，步骤3)中判定直流系统中存在直流电弧后，设置电弧标志位，根据该电弧标志位，关闭电源或者关闭负载，以降低直流系统中的直流电流至零。