CN117074889A - 一种直流电弧检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流电弧检测方法及装置，包括如下步骤：S1、采集电流数据，将电流数据转换为数字信号，并对数字信号进行数据处理；S2、实时监测处理后的数字信号，当检测到具有电弧特征的数字信号时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；S3、设置动态检测阈值，并根据动态检测阈值判断当前具有电弧特征的数字信号是否为故障电弧信号。本发明有益效果：通过动态阈值适应当前的工况，检测阈值随工作条件变化而变化，提高了检测方法的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于电路检测领域，尤其是涉及一种直流电弧检测方法及装置。
背景技术
随着可再生能源的发展，光伏发电技术得到了较大范围的推广；光伏发电系统的直流电弧危险也越来受到重视；大量光伏面板通过连接件连接在一起，光伏组件运行年限的增加将导致导线老化，户外地区动物的撕咬导致电线的裸露，这些因素极易导致导线之间断连，显著的增加了直流电弧产生的风险；当直流电弧产生时，由电弧产生的高热及火光，不仅损害光伏组件和逆变器系统，甚至造成火灾，影响光伏电站的正常运行，严重的将威胁人身安全，造成事故；所以设计准确和灵敏的检测直流电弧检测装置，在电弧发生时及时消灭电弧，可以最大程度的减少光伏组件的损害，降低损失，保证光伏系统的运行安全。
现有技术中存在如下的缺点：缺乏对逆变器上的直接实验验证，在实际场景中，逆变器工作时将带来大量的工作噪声，包括升压，逆变开关噪声，辅助电源和驱动电源等噪声以及MPPT调节噪声等；由于缺少对实际工作环境的研究，这些检测方案存在工作场景单一，无抗干扰能力，容易被这些噪声信号误触发；另外，这些检测方案的复杂度较高，比如大量文献采用了时频分布，波变换，甚至神经网络技术，这些计算和检测方法通常需要消耗大量的算力，难以在计算能力孱弱的MCU上实现。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种直流电弧检测方法及装置，以期解决上述部分问题中的至少之一。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明第一方面提供了，一种直流电弧检测方法，包括如下步骤：
S1、采集电流数据，将电流数据转换为数字信号，并对数字信号进行数据处理；
S2、实时监测处理后的数字信号，当检测到具有电弧特征的数字信号时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；
S3、设置动态检测阈值，并根据动态检测阈值判断当前具有电弧特征的数字信号是否为故障电弧信号。
进一步的，步骤S1的具体处理过程如下：
对电流数据进行采样操作，在处理电流数据的处理器的ad模块中，将模拟信号转换为数字信号；
使用数据处理算法对数字信号进行数据处理，将得到数据信号的特征，使用这些信号的特征进行故障电弧信号的识别。
进一步的，数据信号的特征包括时域特征和频域特征；
时域特征包括电流信号的标准差和电流信号的变化率，频域特征为FFT平均值；
检测到当前数字信号的上述三种特征，出现显著区别于正常信号的变化时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；
进一步的，所述时域特征的电流信号的标准差的计算方法如下：
；
；
其中为窗中电流采样值，为滑动窗口中电流的平均值；
所述时域特征的电流信号的变化率的计算方法如下：
；
其中为采样点间隔时间，为当前采样点电流，为上一采样点电流；
所述FFT平均值的计算方式如下：
；
其中，为对应频段的幅值，为频段的数量。
进一步的，设置电弧检测的触发条件，触发条件为时域特征的电流变化率为负值，且电流变化率的绝对值大于正常电流变化率绝对值的3倍；
触发电弧检测后，分别对数字信号的三种特征值进行持续检测，判断三种特征值中的任意一种是否处于动态检测阈值范围外，每种特征值在其阈值外时计数一次；
设置固定的检测时间100ms，当每种特征值计数都超过30次时，则判断当前电路中有故障电弧产生。
进一步的，分别对触发检测前的数字信号的三种特征值进行计算，得到相应的数
字信号的特征值的标准差和平均值，进而计算得到相应的动态检测阈值，当
特征值处于相应的阈值之外时，将当前特征值视为故障电弧特征。
本发明第二方面提供了，一种直流电弧检测装置；
传感器电路拾取光伏发电系统的电流信号，将电流信号输送至放大电路中，放大电路放大电流信号后，将电流信号输送至滤波电路；
滤波电路对电流信号进行带通滤波处理，将电流信号中的开关噪声信号、低频直流信号、高频信号去除；
将经过滤波电路处理后的电流信号，输入处理器的adc采样端，处理器对电流信号采样后，执行电弧检测方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种直流电弧检测方法及装置具有以下有益效果：
1）本发明所述的一种直流电弧检测方法及装置，通过动态阈值适应当前的工况，检测阈值随工作条件变化而变化，提高了检测方法的抗干扰能力；
2）通过将频域特征与时域特征相结合，统计故障指标出现的次数，当达到固定数量时才认为故障电弧产生，提高了故障响应速度；触发检测后，同时对时域和频域的指标进行检测，当所有的检测指标都触发固定次数后则认为故障电弧发生，降低了故障检测的误检概率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种直流电弧检测方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述的一种直流电弧检测装置结构示意图；
图3为本发明实施例所述的正常电流与故障电流的波形示意图；
图4为本发明实施例所述的电流特征与动态阈值的波形示意图；
图5为本发明实施例所述的故障电弧的波形示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一：
如图1、图3所示：一种直流电弧检测方法，包括如下步骤：
S1、采集电流数据，将电流数据转换为数字信号，并对数字信号进行数据处理；
S2、实时监测处理后的数字信号，当检测到具有电弧特征的数字信号时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；
S3、设置动态检测阈值，并根据动态检测阈值判断当前具有电弧特征的数字信号是否为故障电弧信号。
步骤S1的具体处理过程如下：
对电流数据进行采样操作，在处理电流数据的处理器的ad模块中，将模拟信号转换为数字信号；
使用数据处理算法对数字信号进行数据处理，将得到数据信号的特征，使用这些信号的特征进行故障电弧信号的识别。
将特征数值与阈值进行比较，来确定特征数值是来自故障电弧还是正常电流，以此来实现故障电弧电流和正常电流的区分。
数据信号的特征包括时域特征和频域特征；
时域特征包括电流信号的标准差和电流信号的变化率，频域特征为FFT平均值；
检测到当前数字信号的上述三种特征，出现显著区别于正常信号的变化时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；
所述时域特征的电流信号的标准差的计算方法如下：
；
；
其中为窗中电流采样值，为滑动窗口中电流的平均值，m为滑动窗口中电流值的
数量；
所述时域特征的电流信号的变化率的计算方法如下：
；
其中为采样点间隔时间，为当前采样点电流，为上一采样点电流；
所述FFT平均值的计算方式如下：
；
其中，为对应频段的幅值，为频段的数量。
时域特征和频域的特征均可以实现检测，但是为了防止误触发，使用频域和时域相结合的方式进行检测，通过频域和时域相结合的方式可以克服两种方法的缺点，提高检测的准确性。
设置电弧检测的触发条件，触发条件为时域特征的电流变化率为负值，且电流变化率的绝对值大于正常电流变化率绝对值的3倍，正常电流变化率为光伏系统在未产生故障状态下的电流变化率；
触发电弧检测后，分别对数字信号的三种特征值进行持续检测，判断三种特征值中的任意一种是否处于动态检测阈值范围外，每种特征值在其阈值外时计数一次；
设置固定的检测时间100ms，当每种特征值计数都超过30次时，则判断当前电路中有故障电弧产生。
即触发检测后，持续对三特征值进行检测，每种特征值在其阈值（一种特征值一个阈值）外时计数一次，当每种特征值计数都超过30次时认为故障电弧发生。
通常为了实现故障电弧电流和正常电流的区分，需要设定阈值，通过将特征数据与阈值进行比较，来界定故障电弧和正常电流；阈值的设定通常要考虑到实际的工作条件，阈值过小时容易造成误检测，而过大则容易造成漏检测。
逆变器工作环境复杂，且存在多种工作状态，由于在不同状态下逆变器工作电流不同，导致电流信号幅值以及波动水平不同，这些因素将导致计算所得特征的不同，为了使检测方案能够适应不同的工况，具有一定的抗扰能力，提出了动态阈值方法，该方法将故障电弧的检测转化为概率问题，动态阈值法不是固定阈值，而是阈值随着时间不断进行更新的方法，当逆变器处于一个新的工作环境或工作状态的时候，阈值能够及时更新调整，避免阈值失效，出现误检测。
动态阈值方法认为故障电弧的发生是异常事件，而异常事件的发生是小概率事件，如将正常电流的特征值绘制成频率分布图，则正常电流的特征值基本服从正态分布，特征值将集中分布在平均值附近，相反，与异常事件对应故障电弧的特征值应当处在正态分布中的边缘部分。
分别对触发检测前的数字信号的三种特征值（，，）进行计算，得到相应的数
字信号的特征值的标准差和平均值（即对，，三个值分别重复计算过程得到相应的
标准差和平均值），计算得到相应的动态检测阈值，当特征值处于相应的阈
值之外时，将当前特征值视为故障电弧特征。
实施例二：
如图2所示：一种直流电弧检测装置；
传感器电路拾取光伏发电系统的电流信号，将电流信号输送至放大电路中，放大电路放大电流信号后，将电流信号输送至滤波电路；
滤波电路对电流信号进行带通滤波处理，将电流信号中的开关噪声信号、低频直流信号、高频信号去除；
将经过滤波电路处理后的电流信号，输入处理器的adc采样端，处理器对电流信号采样后，执行电弧检测方法。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，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。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述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单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种直流电弧检测方法，其特征在于：
包括如下步骤：
S1、采集电流数据，将电流数据转换为数字信号，并对数字信号进行数据处理；
S2、实时监测处理后的数字信号，当检测到具有电弧特征的数字信号时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态；
S3、设置动态检测阈值，并根据动态检测阈值判断当前具有电弧特征的数字信号是否为故障电弧信号。
2.根据权利要求1所述的一种直流电弧检测方法，其特征在于：
步骤S1的具体处理过程如下：
对电流数据进行采样操作，在处理电流数据的处理器的ad模块中，将模拟信号转换为数字信号；
使用数据处理算法对数字信号进行数据处理，将得到数据信号的特征，使用这些信号的特征进行故障电弧信号的识别。
3.根据权利要求2所述的一种直流电弧检测方法，其特征在于：
数据信号的特征包括时域特征和频域特征；
时域特征包括电流信号的标准差和电流信号的变化率，频域特征为FFT平均值；
检测到当前数字信号的上述三种特征，出现显著区别于正常信号的变化时，根据后续数字信号判断当前发电系统状态。
4.根据权利要求3所述的一种直流电弧检测方法，其特征在于：
所述时域特征的电流信号的标准差的计算方法如下：
；
；
其中为窗中电流采样值，/>为滑动窗口中电流的平均值；
所述时域特征的电流信号的变化率的计算方法如下：
；
其中为采样点间隔时间，/>为当前采样点电流，/>为上一采样点电流；
所述FFT平均值的计算方式如下：
；
其中，/>为对应频段的幅值，/>为频段的数量。
5.根据权利要求1所述的一种直流电弧检测方法，其特征在于：
设置电弧检测的触发条件，触发条件为时域特征的电流变化率为负值，且电流变化率的绝对值大于正常电流变化率绝对值的3倍；
触发电弧检测后，分别对数字信号的三种特征值进行持续检测，判断三种特征值中的任意一种是否处于动态检测阈值范围外，每种特征值在其阈值外时计数一次；
设置固定的检测时间100ms，当每种特征值计数都超过30次时，则判断当前电路中有故障电弧产生。
6.根据权利要求5所述的一种直流电弧检测方法，其特征在于：
分别对触发检测前的数字信号的三种特征值进行计算，得到相应的数字信号的特征值的标准差和平均值/>，进而计算得到相应的动态检测阈值/>，当特征值处于相应的阈值之外时，将当前特征值视为故障电弧特征。
7.一种直流电弧检测装置，其特征在于：
传感器电路拾取光伏发电系统的输入电流信号，将电流信号输送至放大电路中，放大电路放大电流信号后，将电流信号输送至滤波电路；
滤波电路对电流信号进行带通滤波处理，将电流信号中的开关噪声信号、低频直流信号、高频信号去除；
将经过滤波电路处理后的电流信号，输入处理器的ADC采样端，处理器对电流信号采样后，执行如权利要求1-6任一所述的电弧检测方法。
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