CN113687258A - 一种直流电源供电系统及其直流电弧检测方法和装置 - Google Patents

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张忠彪
黄志锋
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Abstract

本发明提供一种直流电源供电系统及其直流电弧检测方法和装置，其同时采集逆变器的交流信号和各路直流信号；由于逆变器交流侧有外界引入噪声时，该噪声能够通过逆变器串扰至其直流侧；且逆变器本身的运行也有可能会造成噪声，该噪声可能会同时出现在其两侧；所以，根据交流信号和各路直流信号，能够判断直流电源供电系统是否存在噪声干扰；若存在噪声干扰，则对拉弧检测数据进行去噪处理，进而使该拉弧检测数据能够根据系统实际噪声情况进行调节；然后再根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧；相比于现有技术能够降低误报率，提升检出率，可以适用于大功率逆变器或者逆变器带非线性负载等容易导致谐波恶化的情况。

Description

一种直流电源供电系统及其直流电弧检测方法和装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直流电源供电系统及其直流电弧检测方法和装置。
背景技术
光伏发电领域，光伏组件相互之间需要依靠大量接线端子相连，而接线端子松脱、老化、接触不良等原因，都会可能引发直流电弧；考虑到光伏发电系统特性，只要有光照，光伏发电系统直流端就会有源源不断的能量注入，因此，光伏发电的应用规模扩大，会使直流端电弧可能引发火灾事故的数量增加，这导致直流电弧检测系统越来越多的在光伏行业尤其是分布式光伏行业中使用。
目前光伏直流侧主流的电弧检测方式是：采样直流侧线缆上的交流电流信号，然后通过对其进行FFT(fast Fourier transform，快速傅里叶变换)或者小波变换等方式，来获取并处理相关频域值；再通过查看频域值变化率是否超出一定量，来判定是否发生直流电弧。
针对该电弧检测的方案，目前还会通过引入更精密的传感器和更高级的算法，来更好的采集数据和处理数据，进而实现检测优化。但是优化后的检测方案，在大功率逆变器或者逆变器带非线性负载等容易导致谐波恶化的情况下，仍然容易导致误报和漏报。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种直流电源供电系统及其直流电弧检测方法和装置，以降低误报率，提升检出率。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种直流电源供电系统的直流电弧检测方法，包括：
获取所述直流电源供电系统中逆变器的交流信号和各路直流信号；
根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰；
若所述逆变器存在所述噪声干扰，则对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理；
根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧。
可选的，所述交流信号和各路所述直流信号，均为所述逆变器的功率大于预设值时的相应检测信号；
对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理，包括：
降低所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重。
可选的，所述噪声干扰包括：交流侧负载噪声干扰，和/或，设备运行噪声干扰。
可选的，根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰，包括：
根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波；根据所述交流信号，确定所述逆变器的交流谐波；
判断所述交流谐波的干扰是否大于第一阈值，以及，各路所述直流谐波及所述交流谐波中是否出现同频段的关联谐波值；
若所述交流谐波的干扰大于所述第一阈值，和/或，至少一路所述直流谐波与所述交流谐波出现同频段的关联谐波值，则判定所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰；
若至少两路所述直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则判定所述逆变器存在所述设备运行噪声干扰。
可选的，若所述直流电源供电系统中包括多个交流侧并联连接的所述逆变器，则对于各所述逆变器均执行根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波的步骤之后，还包括：
判断不同所述逆变器之间的所述直流谐波中是否出现同频段的关联谐波值；
若不同所述逆变器之间存在至少两路所述直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则判定各所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰。
可选的，降低所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重，包括：
所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰时，对所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的各频段信号分别进行幅值和频率的处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重；
和/或，
所述逆变器存在所述设备运行噪声干扰时，对各对所述关联谐波值的频段信号的幅值和频率进行处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重。
可选的，所述交流信号和各路所述直流信号，均为所述逆变器的功率小于等于预设值时的相应检测信号；
对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理，包括：
对相应路所述拉弧检测数据的噪声初始值进行修订。
可选的，根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰，包括：
根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波；根据所述交流信号，确定所述逆变器的交流谐波；
判断所述交流谐波的干扰是否大于第二阈值，以及，各路所述直流谐波的干扰是否大于第三阈值；
若所述交流谐波的干扰大于所述第二阈值，则判定逆变器的交流侧存在运行前噪声干扰；
若存在至少一路所述直流谐波的干扰大于所述第三阈值，则判定所述逆变器的直流侧相应路存在运行前噪声干扰。
可选的，对相应路所述拉弧检测数据的噪声初始值进行修订，包括：
若所述交流谐波的干扰大于所述第二阈值，则根据所述交流谐波，确定交流噪声干扰值；和/或，若存在至少一路所述直流谐波的干扰大于所述第三阈值，则根据相应所述直流谐波，确定相应路的直流噪声干扰值；
以所述直流噪声干扰值和/或所述交流噪声干扰值，与噪声预设值求和，作为相应路的所述噪声初始值。
可选的，所述交流噪声干扰值正比于：所述交流谐波中各频率值的实际频域值与预设频域值之差的全部和；
所述直流噪声干扰值正比于：相应路所述直流谐波中各频率值的实际频域数值与预设频域数值之差的全部和。
可选的，获取所述直流电源供电系统中逆变器的交流信号和各路直流信号，包括：
在所述逆变器的功率小于等于预设值时，获取所述逆变器的所述交流信号和各路所述直流信号；以及，
在所述逆变器的功率大于所述预设值时，再获取所述逆变器的所述交流信号和各路所述直流信号。
可选的，根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧，包括：
对所述数据结果进行时域频域变换，在其相关频域值变化率超过阈值时，确定所述逆变器的直流侧相应路发生拉弧。
本发明第二方面还提供了一种直流电源供电系统的直流电弧检测装置，包括：控制单元、至少一个直流侧检测装置以及至少一个交流侧检测装置；
所述直流侧检测装置用于采集所述直流电源供电系统中逆变器的相应路直流信号；
所述交流侧检测装置用于采集所述逆变器的交流信号；
所述控制单元用于执行如权利要求1-12任一项所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法。
可选的，所述交流侧检测装置为：电弧互感器或者霍尔传感器。
可选的，所述逆变器的交流侧各相线缆上分别设置有一个相应的所述交流侧检测装置；或者，所述逆变器为三相逆变器，其所带负载为单相负载，则仅其带所述单相负载的一相线缆上设置有所述交流侧检测装置。
本发明第三方面还提供了一种直流电源供电系统，包括：至少一个逆变器、至少一个直流电源以及至少一个如上述第二方面任一段落所述的直流电源供电系统的直流电弧检测装置；其中：
所述逆变器的交流侧用于连接电网和/或负载；
所述逆变器的直流侧各路分别连接相应的直流电源；
所述直流电弧检测装置中的控制单元，与所述逆变器中的控制单元通信连接。
可选的，所述逆变器的个数大于1时，各所述逆变器的交流侧并联连接，且各所述逆变器所接的直流电源分别为：光伏组串和/或储能电池。
可选的，所述逆变器的主电路包括：逆变电路和n个DCDC变换电路；n为正整数；
各个DCDC变换电路的输入端，分别连接各自对应的至少一个直流电源；
各个DCDC变换电路的输出端，通过直流母线，并联连接于所述逆变电路的直流侧；所述直流母线的正负极之间设置有母线电容；
所述逆变电路和各个所述DCDC变换电路均受控于所述逆变器中的控制单元。
可选的，所述直流电弧检测装置设置于相应所述逆变器的内部。
本申请提供的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其在采集直流电源供电系统中逆变器各路直流信号时，还同时采集逆变器的交流信号；由于逆变器交流侧有外界引入噪声时，该噪声能够通过逆变器串扰至其直流侧；且逆变器本身的运行也有可能会造成噪声，该噪声可能会同时出现在其直流侧各路及交流侧；所以，根据交流信号和各路直流信号，能够判断直流电源供电系统是否存在噪声干扰；若存在噪声干扰，则对直流电源供电系统的拉弧检测数据进行去噪处理，进而使该拉弧检测数据能够根据系统实际噪声情况进行调节；然后再根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧；相比于现有技术能够降低误报率，提升检出率，可以适用于大功率逆变器或者逆变器带非线性负载等容易导致谐波恶化的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的直流电源供电系统的结构示意图；
图2、图3a、图3b和图4分别为本发明实施例提供的直流电源供电系统的直流电弧检测方法的四种流程图；
图5为本发明实施例提供的运行后无干扰情况下的直流线缆噪声频域图；
图6为本发明实施例提供的运行后有干扰情况下的直流线缆噪声频域图；
图7为本发明实施例提供的运行后无干扰情况下的交流线缆噪声频域图；
图8为本发明实施例提供的运行后有干扰情况下的交流线缆噪声频域图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种直流电源供电系统的直流电弧检测方法，以降低误报率，提升检出率。
该直流电源供电系统如图1所示，逆变器的直流侧各路(如图1中所示的PV1、…、PVn)正极输入线缆上分别设置有直流侧检测装置CT1、…、CTn，逆变器的交流侧各相线缆上分别设置有交流侧检测装置CTa、CTb、CTc；图1以三相并网逆变器为例进行展示，如果是单相并网逆变器，那么交流侧只需一个拉弧传感器采集单相交流线缆上的信号即可；各个传感器分别输出检测得到的信号Sig 1、…、Sig n、Sig a、Sig b、Sig c至控制单元，比如电弧故障探测器AFD，该AFD对各个检测得到的信号进行分析和处理，通过拉弧检测算法判断直流侧各路是否出现直流电弧；若出现直流电弧，则通过通信通知逆变器中的控制单元对主电路进行封波操作。实际应用中，该AFD和各个传感器可以设置于逆变器内部，也可以独立设置于逆变器外部，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
参见图2，该直流电弧检测方法，包括：
S10、获取直流电源供电系统中逆变器的交流信号和各路直流信号。
考虑到当前越来越多的分布式和户用逆变器不经变压器，直接接入市电，而市电上其他负载的运行噪声会直接传导至逆变器直流侧，导致直流侧信号的信号质量变差，本方法在获取逆变器的各路直流信号的同时，对逆变器的交流信号也一并进行获取，以供后续步骤应用。而且，该获取过程可以是通过检测装置直接采集，也可以是通过通信方式来获取；另外，获取到的交流信号和直流信号，具体可以是电流、电压、功率等，此处并不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
S20、根据交流信号和各路直流信号，判断逆变器是否存在噪声干扰。
理想情况下，逆变器交流侧的交流信号频率应当为电网基波频率，直流侧各路应当无交流信号；当直流侧任意路出现电弧时，相应路会存在交流信号，通过直流侧检测装置的采集以及AFD的处理分析，能够检测出该电弧；但实际应用中，由于逆变器交流侧有外界引入噪声时，该噪声不仅能够被交流侧检测装置采集到，还能够通过逆变器串扰至其直流侧；且逆变器本身的运行也有可能会造成噪声，该噪声可能会同时出现在其直流侧各路及交流侧；所以，当获取得到交流信号和各路直流信号之后，便可对其进行比较判断，确定其中是否存在噪声干扰。
若存在噪声干扰，则应当执行步骤S30。
S30、对逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理。
确定存在噪声干扰之后，本实施例在进行拉弧检测时，对当前获取的各路直流信号进行去噪处理，也即在原有拉弧检测数据的基础之上对其进行去噪处理，以减弱这些噪声干扰对于拉弧检测的影响，来使对于拉弧检测数据的检测应用更贴近于系统运行的实际情况，进而能够降低误报率，提升检出率。然后即可执行步骤S40。
S40、根据去噪处理后的数据结果，判断逆变器是否发生拉弧。
实际应用中，在得到去噪处理后的数据结果之后，即可对其进行时域频域变换，并在其相关频域值变化率超过阈值时，确定逆变器的直流侧相应路发生拉弧。具体的，可以对实时或周期性采集得到的当前各路直流信号进行去噪处理后，再进行FFT或者小波变换等，来获取并处理相关频域值；再通过查看频域值变化率是否超出一定量，来判定是否发生直流电弧，进而完成对于逆变器直流侧各路的电弧检测。
当然，若直流电源供电系统不存在噪声干扰，则可以对当前采集的各路直流信号进行时域频域变换后，直接依据原本的各个数据，在其相关频域值变化率超过阈值时，确定逆变器的直流侧相应路发生直流电弧即可。
值得说明的是，现有技术中引入更精密的传感器和更高级的算法的方式，在大功率逆变器或者逆变器带非线性负载等容易导致谐波恶化的情况下，误报率和漏报率均较高；而本实施例在逆变器交流侧添加检测装置，AFD运行时同步采集交直流线缆上对应电流信号频谱数据，然后结合两方面数据，做电弧判断，即便是在大功率逆变器或者逆变器带非线性负载等容易导致谐波恶化的情况下，也能够降低误报率和漏报率。
另外，现有技术中还有一种方案是利用电弧的其他特征，如辐射特性，发光，发热特性，引入对应的设备，如红外相机等进行检测；但该方案价格太高，而且在分布式和户用的场景上安装和布置难度很大。而本实施例提供的直流电弧检测方法，仅增设了交流侧传感器，其硬件成本低，且安装布置简单易行，利于推广。
再者，本实施例提供的直流电弧检测方法，并不会恶化逆变器的底噪，而且能够弱化噪声对于电弧检测的影响，可靠性高。
在上一实施例的基础之上，实际应用中，该步骤S10中获取的该交流信号和各路直流信号，可以均为逆变器的功率大于预设值时的相应检测信号，即逆变器运行后的相应检测信号。由于并网运行和离网运行状态下，都有可能会对逆变器的直流侧拉弧检测产生影响，所以在逆变器离网运行后或者并网运行后执行步骤S10，此时，步骤S20中的噪声干扰包括：交流侧负载噪声干扰，和/或，设备运行噪声干扰。其中，该交流侧负载噪声干扰，是指由设置于交流侧的负载从外界引入的噪声干扰，其频率不同于电网频率；该设备运行噪声干扰，是指逆变器本身的运行所造成的噪声干扰，比如逆变器主电路中各个开关管的开关动作均有可能会带来相应频率的噪声干扰。
参见图3a，步骤S20具体包括：
S201、根据各路直流信号，分别确定逆变器的各路直流谐波；根据交流信号，确定逆变器的交流谐波。
S202、判断交流谐波的干扰是否大于第一阈值，以及，各路直流谐波及交流谐波中是否出现同频段的关联谐波值。
若交流谐波的干扰大于第一阈值，和/或，至少一路直流谐波与交流谐波出现同频段的关联谐波值，则执行步骤S203；若至少两路直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则执行步骤S204。
S203、判定逆变器存在交流侧负载噪声干扰。
S204、判定逆变器存在设备运行噪声干扰。
需要说明的是，该直流电源供电系统中可以包括一个逆变器，也可以包括多个交流侧并联连接的逆变器；特殊的，在直流电源供电系统中包括多个逆变器时，若逆变器交流侧有外界引入噪声，即交流侧负载噪声干扰，则该噪声有可能会分别通过各个逆变器串扰至其直流侧，使各个逆变器的直流侧出现同频共振的情况；此时，可以在步骤S201之后，增加：
S205、判断不同逆变器之间的直流谐波中是否出现同频段的关联谐波值。
若不同逆变器之间存在至少两路直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则执行步骤S206。
S206、判定各逆变器存在交流侧负载噪声干扰。
实际应用中，对于步骤S202和S204中的各个判断内容，可以同时执行，也可以先后执行，比如先判断交流谐波的干扰是否大于第一阈值，再判断各路直流谐波中是否出现同频段的关联谐波值；最后判断各路直流谐波中，是否有至少一路直流谐波与交流谐波出现同频段的关联谐波值。视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
而且，若交流谐波的干扰小于等于第一阈值，各路直流谐波与交流谐波中未出现同频段的关联谐波值，且不同逆变器之间各路直流谐波中也未出现同频段的关联谐波值，则判定逆变器不存在交流侧负载噪声干扰和设备运行噪声干扰，且不执行步骤S30(图中未展示)。
另外，当步骤S10是在逆变器运行后执行的，此时，步骤S30具体是：降低拉弧检测数据中噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重。实际应用中，对数据权重的降低结果，可以是将其降低为一个预设的固定值，或者将其降低为一个与相应频段信号的谐波幅值存在对应关系的取值，谐波幅值越大则相关数据权重越小，又或者可以将其直接降低为零，也即剔除该噪声干扰的频段信号的数据权重。视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
参见图3a，该步骤S30具体可以包括：S301和/或S302。
S301、逆变器存在交流侧负载噪声干扰时，对拉弧检测数据中噪声干扰的各频段信号分别进行幅值和频率的处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重。
运行后的交流谐波中，除电网基波频率以外，其他频率均为噪声带来的；比如，并网频率50Hz或者60Hz之外的信号都是噪声带来的异常信号或称干扰信号。只要拉弧检测算法中会涉及到，则相应频段信号的数据权重就需要弱化甚至是剔除。
S302、逆变器存在设备运行噪声干扰时，对各对关联谐波值的频段信号的幅值和频率进行处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重。
此外，实际应用中，该步骤S10中获取的该交流信号和各路直流信号，也可以均为逆变器的功率小于等于预设值时的相应检测信号，比如逆变器离网运行前或者并网运行前执行步骤S10，此时，参见图3b，步骤S20具体包括：
S211、根据各路直流信号，分别确定逆变器的各路直流谐波；根据交流信号，确定逆变器的交流谐波。
S212、判断交流谐波的干扰是否大于第二阈值，以及，各路直流谐波的干扰是否大于第三阈值。
以直流侧第m路为例，其所采集线缆上的交流电流中可能会有多个频率的直流谐波，以i表示该直流谐波中的某一频率值时，且X≤i≤Y，单位Hz，可以以Ndc(f)i表示采集得到的直流侧第m路线缆上的交流电流中在频率f＝i的频域数值；若以Ndc(f0)i表示预设的在频率f＝i的频域数值，则Ndc(f)i-Ndc(f0)i可以表示该直流谐波中频率f＝i的实际频域数值与预设频域数值之间的差值，对该直流谐波中各个频率的上述差值求和，可以得到该直流谐波的干扰；当
Figure BDA0003256578320000111
成立时，说明直流谐波的干扰小于等于第三阈值R。
对于直流侧各路而言，交流谐波均相同，且所采集的交流线缆上的交流电流中也可能会有多个频率的交流谐波，以i表示该交流谐波中的某一频率值时，且X≤i≤Y，单位Hz，可以以Nac(f)i表示采集得到线缆上的交流电流中在频率f＝i的频域值；若以Nac(f0)i表示预设的在频率f＝i的频域值，则Nac(f)i-Nac(f0)i可以表示该交流谐波中频率f＝i的实际频域值与预设频域值之间的差值，对该交流谐波中各个频率的上述差值求和，可以得到该交流谐波的干扰；当
Figure BDA0003256578320000112
成立时，说明该交流谐波的干扰小于等于第二阈值R。
实际应用中，该第二阈值和第三阈值的取值可以相等，比如均取值为上述提及的R，也可以不等，不做具体限定；另外，可以先判断交流谐波的干扰是否大于第二阈值，再判断直流谐波的干扰是否大于第三阈值，但实际应用中并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可。
若交流谐波的干扰大于第二阈值，则执行步骤S213。若存在至少一路直流谐波的干扰大于第三阈值，则执行步骤S214。
S213、判定逆变器的交流侧存在运行前噪声干扰。
S214、判定逆变器的直流侧相应路存在运行前噪声干扰。
若交流谐波的干扰小于等于第二阈值，且各路直流谐波的干扰均小于等于第三阈值，则判定逆变器的交流侧和各路直流侧均不存在运行前噪声干扰，且不执行步骤S30(图中未展示)。
另外，当步骤S10是在逆变器运行前执行的，此时，步骤S30包括：对拉弧检测数据中相应路的噪声初始值进行修订。参见图3b，其具体包括：
S311、若交流谐波的干扰大于第二阈值，则根据交流谐波，确定交流噪声干扰值；和/或，若存在至少一路直流谐波的干扰大于第三阈值，则根据相应直流谐波，确定相应路的直流噪声干扰值。
其中：交流噪声干扰值正比于：交流谐波中各频率值的实际频域值与预设频域值之差的全部和。直流噪声干扰值正比于：相应路直流谐波中各频率值的实际频域数值与预设频域数值之差的全部和。
具体的，根据相应直流谐波，确定相应路的直流噪声干扰值，所采用的公式可以为：
Figure BDA0003256578320000121
其中，N(dc)m为直流侧第m路的直流噪声干扰值，Ndc(f)i为直流侧第m路线缆上的交流电流中在频率f＝i的频域数值；Ndc(f0)i为预设的在频率f＝i的频域数值；i为直流谐波中的某一频率值，且X≤i≤Y，单位Hz；j为第一系数。
而根据交流谐波，确定交流噪声干扰值，所采用的公式可以为：
Figure BDA0003256578320000122
其中，N(ac)为交流噪声干扰值，Nac(f)i为交流线缆上的交流电流在频率f＝i时的频域值；Nac(f0)i为预设的在频率f＝i时的频域值；i为交流谐波中的某一频率值，且X≤i≤Y，单位Hz；k为第二系数。
S312、以直流噪声干扰值和/或交流噪声干扰值，与噪声预设值求和，作为相应路的噪声初始值。
噪声预设值为N0，对于相应路的噪声初始值Nm的计算有下面几种情况：
(1)当
Figure BDA0003256578320000123
和
Figure BDA0003256578320000124
均成立时，相应路的噪声初始值Nm的计算公式为：Nm＝N0。
(2)当
Figure BDA0003256578320000125
和
Figure BDA0003256578320000126
均不成立时，相应路的噪声初始值Nm的计算公式为：Nm＝N(dc)m+N(ac)+N0。
(3)当
Figure BDA0003256578320000127
不成立，
Figure BDA0003256578320000128
成立时，相应路的噪声初始值Nm的计算公式为：Nm＝N(dc)m+N0。
(4)当
Figure BDA0003256578320000129
成立，
Figure BDA00032565783200001210
不成立时，相应路的噪声初始值Nm的计算公式为：Nm＝N(ac)+N0。
也即，噪声预设值N0的作用在于，当电网没有特殊干扰信号时，预设一个值N0作为判断电弧的标准，此时Nm＝N0；如果有干扰信号的话，每天机器上电后，噪声初始值Nm＝预设值+干扰部分，该干扰部分视具体情况，为N(dc)m和N(ac)中的至少一个。
需要说明的是，干扰部分N(dc)m和N(ac)的计算，都是求解一段频率范围内各频率的频域实际值与预设值之差的全部和，具体的频率选取范围[X，Y]可以根据实际应用环境而定，其中，X小于一个较小的预设阈值、可以等于0，Y大于一个较大的预设阈值、也可以是趋近于无穷大的值，均在本申请的保护范围内。
在上述实施例的基础之上，实际应用中，对于逆变器的交直流信号的采集，包括先在运行前执行的部分，和再在运行后执行的部分，此时，参见图4，该步骤S10可以分为两个具体步骤S101和S102；其中：
S11、在逆变器的功率小于等于预设值时，获取逆变器的交流信号和各路直流信号。
S12、在逆变器的功率大于预设值时，再获取逆变器的交流信号和各路直流信号。
不论直流电源供电系统中逆变器的个数是单台还是多台，运行前和运行后都会对各台逆变器分别进行相应的交直流信号的采集和获取。而且，上述两种情况下的两侧谐波信号均能够用于执行后续步骤，运行前执行的步骤S10，其对应的步骤S30中具体是：S31、对相应路拉弧检测数据的噪声初始值进行修订；而运行后执行的步骤S10，其对应的步骤S30中具体是：S32、降低拉弧检测数据中噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重。
也就是说，在确定存在噪声干扰之后，本实施例在原有拉弧检测数据的基础之上，通过修订相应路的噪声初始值，以及，降低噪声干扰的频段信号的数据权重，这两种方式中的至少一种，来使对于拉弧检测数据的检测应用更贴近于系统运行的实际情况，相比于现有技术中噪声初始值和数据权重均固定不变的情况，本申请能够降低误报率，提升检出率。
下面按照时间顺序，对该直流电弧检测方法的执行过程给出一个完整的说明：
在逆变器运行前，所需要执行的电弧检测过程如下：
步骤1:获取运行前采集到的交直流两侧谐波信号，也即交流信号和各路直流信号。
步骤2：判断交流侧谐波是否超出设定值，也即判断运行前交流谐波的干扰是否大于第二阈值，如果超出，进入步骤4；如果没超过，进入步骤3。
步骤3：判断直流侧谐波值是否超出设定值，也即运行前直流谐波的干扰是否大于第三阈值，如果是则进入步骤5，否则进入步骤6。
步骤4：交流异常谐波值数据送入拉弧检测算法，作为算法的噪声初始值。
步骤5：直流异常谐波值数据送入拉弧检测算法，作为算法的噪声初始值。
步骤6：拉弧检测算法的噪声初始值等于噪声预设值。
由上述内容可以得到，本方法可以在运行前，预先评估逆变器交流侧的谐波含量，将50Hz/60Hz之外的频域信号都认为是干扰信号，进而能够判断非线性负载或其他交流侧干扰对电弧检测的潜在影响；也可以判断直流侧是否有特殊的干扰信号，比如，正常的光伏组件被认为是没有干扰的，如果实际应用中以其他直流源代替光伏组件接入，那就有可能引入电流源的本身谐波干扰；另外，老化的光伏组件及其连接器也可能导致回路有非线性寄生参数，进而导致出现谐波干扰，也即也有可能引入电流源的本身谐波干扰；这些情况对直流侧而言，就认为有干扰。而且，通过上述过程，在运行前判断交流和直流有无干扰信号输入，根据是否有干扰信号以及干扰信号的大小来决定噪声初始值选什么值合适，也即通过收集并网之前的信息来决定拉弧检测算法的初始模型值。
而在逆变器运行后，所需要执行的电弧检测过程如下：
步骤1：当机器运行后，持续获取采集到的交直流谐波，也即运行后的交流信号和各路直流信号。
步骤2：判断交流侧是否谐波超出设定值，也即运行后交流谐波的干扰是否大于第一阈值，若是，则进入步骤5，若否，则进入步骤3。
步骤3：判断直流侧是否有2个及以上的线缆出现同频段的关联谐波值，也即各路运行后直流谐波中是否出现同频段的关联谐波值，具体可以是判断A_Ndc(f)c＝S*B_Ndc(f)c是否成立；其中，A_Ndc(f)c表示A通道直流线缆在f＝c处的频域数值，B_Ndc(f)c表示B通道直流线缆在f＝c处的频域数值，A_Ndc(f)c＝S*B_Ndc(f)c表示A通道和B通道直流线缆在f＝c处出现关联谐波频域值。假设一台机有6路光伏输入PV，假如PV1到PV5都出现了5KHz的震荡，则认为这个噪声不是拉弧引入的噪声，是机器本体运行出现的干扰。如图5和图6所示，16KHz及其倍数的频域值高度同步，它们在多个直流线缆上都会出现，这就是逆变器本体运行的开关频率噪声，是正常的工作状态信号。若A_Ndc(f)c＝S*B_Ndc(f)c成立，进入步骤6，否则进入步骤4。
步骤4：判断交直流线缆是否出现同频段关联谐波值，也即各路运行后直流谐波中，是否有至少一路运行后直流谐波与运行后交流谐波出现同频段的关联谐波值，具体可以是判断A_Ndc(f)c＝S*B_Nac(f)c是否成立；其中，A_Ndc(f)c表示A通道直流线缆在f＝c处的频域值，B_Nac(f)c表示B通道直流线缆在f＝c处的频域值，A_Ndc(f)c＝S*B_Nac(f)c表示A通道直流线缆和B通道交流线缆在f＝c处出现关联谐波频域值。若A_Ndc(f)c＝S*B_Nac(f)c成立，进入步骤6，否则进入步骤7。
步骤5：判定交流侧有外界引入噪声，也即存在运行后噪声干扰，将异常的谐波数据，比如50Hz/60Hz之外的谐波数据，送入拉弧检测算法。
步骤6：判定交流侧有外界引入噪声或者机器本身运行引入的噪声，拉弧检测算法将降低此频段信号的权重，实际应用中，可以是降低器信号频率占比和频域幅值占比和非线性度占比等中的至少一种，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
步骤7：拉弧检测算法按照默认权重运行。
运行后，依靠此方法，可以识别直流振荡，或者识别交流侧干扰串扰至直流侧，造成电弧检测难以分辨是否发生持续燃弧。
图5所示为运行后无干扰情况下的直流线缆噪声频域图，图6所示为运行后有干扰情况下的直流线缆噪声频域图。比较图5和图6可以看出，两图中的8KHz、16KHz以及16KHz的倍数32KHz、48KHz、64KHz、80KHz是机器运行过程中产生的开关频率信号，每个直流侧线缆在以上频段处的频域值均较大，因此拉弧检测算法运行时直接剔除或弱化以上频段的电弧检测权重。而且对比图5和图6，可以看出图6中出现了24KHz和40KHz开关频率，这两个为干扰信号引入，因此拉弧检测算法在运行时，剔除或弱化这两个频段的电弧检测权重。
图7所示为运行后无干扰情况下的交流线缆噪声频域图，图8所示为运行后有干扰情况下的交流线缆噪声频域图。比较图7和图8可以看出，两图中均有50Hz及16KHz，其中，50Hz是电网频率，16KHz是逆变器开关频率。不同的是图8中出现了10KHz及其2倍频20KHz的交流侧干扰频率，因此拉弧检测算法在运行时，需剔除或弱化这个频段的电弧检测权重。
本实施例提供的该直流电弧检测方法，依靠交直流多个点的信号采集和信号分时处理方法，优化区分处理交流侧干扰信号、机器本身运行正常噪声和直流侧发生电弧时的噪声；可以在机器发生直流振荡造成干扰的情况下，有效减小干扰信号对电弧检测的影响，减少电弧误报率，提升检出率；并且当交流侧有非线性负载产生干扰的情况下，能够有效减小干扰信号对电弧检测的影响，减少电弧误报率，提升检出率；还可以根据交流侧谐波特征规律，判断电网质量，监控交流侧潜在故障；成本较低，技术简单可靠。
本发明另一实施例提供了一种直流电源供电系统的直流电弧检测装置，如图1所示，包括：控制单元、至少一个直流侧检测装置CT1、…、CTn以及至少一个交流侧检测装置CTa、CTb、CTc。
该控制单元可以是电弧故障探测器AFD，该直流侧检测装置一般为电弧互感器，该交流侧检测装置可以为：电弧互感器或者霍尔传感器，只要能识别到电弧的频率即可，均在本申请的保护范围内。
并且，其中，直流侧检测装置用于采集直流电源供电系统中逆变器的相应路直流信号；交流侧检测装置用于采集逆变器的交流信号；而AFD能够获取负载的运行情况，并对交直流侧检测装置的数据进行分类和数据处理，用于执行如上述任一实施例所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法；该方法的具体执行过程参见上述实施例即可，此处不再赘述。
实际应用中，逆变器的交流侧各相线缆上可以分别设置有一个相应的交流侧检测装置；比如图1中所述的三相逆变器，其各相线缆上分别设置有一个相应的交流侧检测装置，如CTa、CTb或CTc；采集得到三个通道的交流电流之后，经过比较，能够得到一个差模信号作为该交流信号。而如果是单相并网逆变器，那么交流侧只需一个拉弧传感器采集单相交流线缆上的信号即可得到该交流信号。
或者，实际应用中，当逆变器为三相逆变器，且其所带负载为单相负载时，则可以仅为其带单相负载的一相线缆上，设置一个相应的交流侧检测装置，直接采集得到该交流信号。
实际应用中，可以视具体情况而定选择合适的交流侧检测装置设置方式，均能够实现上述直流电弧检测方法。
本发明另一实施例还提供一种直流电源供电系统，如图1所示，包括：至少一个逆变器、至少一个直流电源以及至少一个如上述实施例所述的直流电源供电系统的直流电弧检测装置；其中：
逆变器的交流侧用于连接电网和/或负载。
逆变器的直流侧各路分别连接相应的直流电源，比如光伏组串(如图1中所示的PV1、…、PVn)或储能电池；而且，逆变器的直流侧每一路分别可以连接一路或多路并联连接的光伏组串。
当系统中逆变器的数量大于1时，各逆变器的交流侧并联连接，且各逆变器所接的直流电源分别为：光伏组串和/或储能电池。实际应用中，不同的逆变器所接的直流电源可以相同也可以不同，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
直流电弧检测装置中的AFD，与逆变器中的控制单元通信连接，进而能够实现两者之间的双向通信。
该逆变器的主电路包括：逆变电路和n个DCDC变换电路；n为正整数；其中，各个DCDC变换电路的输入端，分别连接各自对应的至少一个直流电源；各个DCDC变换电路的输出端，通过直流母线，并联连接于逆变电路的直流侧；直流母线的正负极之间设置有母线电容；逆变电路和各个DCDC变换电路均受控于相应逆变器内部的控制单元。实际应用中，各个DCDC变换电路的输入端所接直流电源可以相同，也可以不同，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
并且，实际应用中，各个DCDC变换电路可以分别为图1中所示的BOOST电路1、…、BOOST电路n；但并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
如图1所示，n个BOOST电路并联输出至母线电容，经过逆变电路后送入三相电网。在直流侧PV1+至PVn+线缆上安装直流侧检测装置CT1-CTn，采集直流线缆上对应Sig1-Sign的噪声信号送入AFD；在交流侧三相出线电缆上安装交流侧检测装置CTa-CTc，采集Siga-Sigc信号送入AFD，AFD与逆变器的控制单元进行双向通信。直流电弧检测装置运行时，结合交直流两侧检测装置所采集信号做分析，综合判断线缆上是否发生直流电弧。
值得说明的是，该直流电弧检测装置，可以设置于逆变器内部，也可以独立于该逆变器进行设置；当系统内存在多台逆变器时，各个逆变器内部可以分别设置有自身的一个直流电弧检测装置，也可以共用同一个外部的直流电弧检测装置来分别实现对于各台逆变器的拉弧检测；视其具体的应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (19)

1.一种直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，包括：
获取所述直流电源供电系统中逆变器的交流信号和各路直流信号；
根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰；
若所述逆变器存在所述噪声干扰，则对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理；
根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧。
2.根据权利要求1所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述交流信号和各路所述直流信号，均为所述逆变器的功率大于预设值时的相应检测信号；
对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理，包括：
降低所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重。
3.根据权利要求2所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述噪声干扰包括：交流侧负载噪声干扰，和/或，设备运行噪声干扰。
4.根据权利要求3所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰，包括：
根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波；根据所述交流信号，确定所述逆变器的交流谐波；
判断所述交流谐波的干扰是否大于第一阈值，以及，各路所述直流谐波及所述交流谐波中是否出现同频段的关联谐波值；
若所述交流谐波的干扰大于所述第一阈值，和/或，至少一路所述直流谐波与所述交流谐波出现同频段的关联谐波值，则判定所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰；
若至少两路所述直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则判定所述逆变器存在所述设备运行噪声干扰。
5.根据权利要求4所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，若所述直流电源供电系统中包括多个交流侧并联连接的所述逆变器，则对于各所述逆变器均执行根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波的步骤之后，还包括：
判断不同所述逆变器之间的所述直流谐波中是否出现同频段的关联谐波值；
若不同所述逆变器之间存在至少两路所述直流谐波中出现同频段的关联谐波值，则判定各所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰。
6.根据权利要求4所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，降低所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的频段信号在整个频段范围内的数据权重，包括：
所述逆变器存在所述交流侧负载噪声干扰时，对所述拉弧检测数据中所述噪声干扰的各频段信号分别进行幅值和频率的处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重；
和/或，
所述逆变器存在所述设备运行噪声干扰时，对各对所述关联谐波值的频段信号的幅值和频率进行处理分析，以降低其在整个频段范围内的数据权重。
7.根据权利要求1所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述交流信号和各路所述直流信号，均为所述逆变器的功率小于等于预设值时的相应检测信号；
对所述逆变器的拉弧检测数据进行去噪处理，包括：
对相应路所述拉弧检测数据的噪声初始值进行修订。
8.根据权利要求7所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，根据所述交流信号和各路所述直流信号，判断所述逆变器是否存在噪声干扰，包括：
根据各路所述直流信号，分别确定所述逆变器的各路直流谐波；根据所述交流信号，确定所述逆变器的交流谐波；
判断所述交流谐波的干扰是否大于第二阈值，以及，各路所述直流谐波的干扰是否大于第三阈值；
若所述交流谐波的干扰大于所述第二阈值，则判定逆变器的交流侧存在运行前噪声干扰；
若存在至少一路所述直流谐波的干扰大于所述第三阈值，则判定所述逆变器的直流侧相应路存在运行前噪声干扰。
9.根据权利要求8所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，对相应路所述拉弧检测数据的噪声初始值进行修订，包括：
若所述交流谐波的干扰大于所述第二阈值，则根据所述交流谐波，确定交流噪声干扰值；和/或，若存在至少一路所述直流谐波的干扰大于所述第三阈值，则根据相应所述直流谐波，确定相应路的直流噪声干扰值；
以所述直流噪声干扰值和/或所述交流噪声干扰值，与噪声预设值求和，作为相应路的所述噪声初始值。
10.根据权利要求9所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，所述交流噪声干扰值正比于：所述交流谐波中各频率值的实际频域值与预设频域值之差的全部和；
所述直流噪声干扰值正比于：相应路所述直流谐波中各频率值的实际频域数值与预设频域数值之差的全部和。
11.根据权利要求1-10任一项所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，获取所述直流电源供电系统中逆变器的交流信号和各路直流信号，包括：
在所述逆变器的功率小于等于预设值时，获取所述逆变器的所述交流信号和各路所述直流信号；以及，
在所述逆变器的功率大于所述预设值时，再获取所述逆变器的所述交流信号和各路所述直流信号。
12.根据权利要求1-10任一项所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法，其特征在于，根据去噪处理后的数据结果，判断所述逆变器是否发生拉弧，包括：
对所述数据结果进行时域频域变换，在其相关频域值变化率超过阈值时，确定所述逆变器的直流侧相应路发生拉弧。
13.一种直流电源供电系统的直流电弧检测装置，其特征在于，包括：控制单元、至少一个直流侧检测装置以及至少一个交流侧检测装置；
所述直流侧检测装置用于采集所述直流电源供电系统中逆变器的相应路直流信号；
所述交流侧检测装置用于采集所述逆变器的交流信号；
所述控制单元用于执行如权利要求1-12任一项所述的直流电源供电系统的直流电弧检测方法。
14.根据权利要求13所述的直流电源供电系统的直流电弧检测装置，其特征在于，所述交流侧检测装置为：电弧互感器或者霍尔传感器。
15.根据权利要求13或14所述的直流电源供电系统的直流电弧检测装置，其特征在于，所述逆变器的交流侧各相线缆上分别设置有一个相应的所述交流侧检测装置；或者，所述逆变器为三相逆变器，其所带负载为单相负载，则仅其带所述单相负载的一相线缆上设置有所述交流侧检测装置。
16.一种直流电源供电系统，其特征在于，包括：至少一个逆变器、至少一个直流电源以及至少一个如权利要求13-15任一项所述的直流电源供电系统的直流电弧检测装置；其中：
所述逆变器的交流侧用于连接电网和/或负载；
所述逆变器的直流侧各路分别连接相应的直流电源；
所述直流电弧检测装置中的控制单元，与所述逆变器中的控制单元通信连接。
17.根据权利要求16所述的直流电源供电系统，其特征在于，所述逆变器的个数大于1时，各所述逆变器的交流侧并联连接，且各所述逆变器所接的直流电源分别为：光伏组串和/或储能电池。
18.根据权利要求16或17所述的直流电源供电系统，其特征在于，所述逆变器的主电路包括：逆变电路和n个DCDC变换电路；n为正整数；
各个DCDC变换电路的输入端，分别连接各自对应的至少一个直流电源；
各个DCDC变换电路的输出端，通过直流母线，并联连接于所述逆变电路的直流侧；所述直流母线的正负极之间设置有母线电容；
所述逆变电路和各个所述DCDC变换电路均受控于所述逆变器中的控制单元。
19.根据权利要求16或17所述的直流电源供电系统，其特征在于，所述直流电弧检测装置设置于相应所述逆变器的内部。
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