CN211556860U - 一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，采样电感串连在汇流箱输出到逆变器的线路上，电容串联电流互感器一次侧绕组后并联在采样电感两端，电流互感器的二次侧绕组采集直流侧电弧的特征交流信号后输送给滤波放大电路，经过滤波放大电路的放大处理后的电流信号输送给数字信号处理器，进行直流故障电弧判断，输出判断结果经过无线通讯器传输到电气控制器。采集光伏系统直流侧交流电流信号，提取出频域的信号特征，对上述信号进行预判断，经过模式识别判断直流故障电弧并发送警报信息使连接的相应脱扣装置启动，断开汇流支路和交流电网的连接，使故障电路处于断电状态，达到了保障光伏发电系统安全运行，避免并网对电网造成损害的目的。

Description

一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种光伏直流故障电弧检测技术，具体涉及一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统。

背景技术

光伏发电系统作为一种绿色环保的新能源产品，近年来在全世界范围内得到了快速的发展和广泛的应用。随着由大量太阳能板构成的大型“太阳能场”不断向越来越多的更小型住宅和商业安装的演变，越来越需要建立安全措施以避免发生与高电压相关的灾难性事件，这些事件通常是由故障电弧导致的。当线路或电气接头出现故障时，高电压直流线路可能会产生电弧，这些电弧可使装置带电，可能会使接触装置的人触电，甚至是引发火灾造成大范围财产损失。

目前用于光伏系统的检测直流故障电弧的方法主要可以分为以下三种：

基于电弧物理特性的检测方法：主要有视觉、热变化等物理方法，视觉和热变化的方法是通过俯视角度观察光伏阵列和观察探测器颜色的变化来检测电弧。由于该方法需要使用热成像仪或其他阵列前端的设备，在实际应用中需安装在故障电弧的发生点附近，且成本较高，不适合大面积推广使用。

基于电弧数学模型的检测方法：目前的电弧模型主要分为两类，一类是物理数学模型，该类模型考虑了湍流、非平衡热力学效应、辐射等实际因素的影响，导致系统求解条件复杂，建立模型后需要耗费较长时间来求解，因此，在实际工程中难以得到广泛地应用。另一类是黑盒模型，只考虑模型中电弧与外部相关参数所存在的关系，通过合理的简化与科学抽象的途径，便能简单直接地反映出电弧与实际电路拓扑和工作条件的关系，在实际分析中占主要地位。

基于电压、电流信号时频域特性的检测方法：根据线路产生电弧时的电流、电压变化来检测电弧。由于直流串行电弧故障电流波形一般情况下幅值小于正常工作时的电流幅值；某个时段波形会变陡峭，即在某时刻di/dt变化过大；而且电弧故障的电压、电流波形中存在高频噪声分量；故障电弧产生后有一个瞬间压降等的电弧故障特点，如果电弧检测电路检测到回路中的电流电压满足以上全部或者一定数量的特征，则认为回路发生了电弧故障。基于电流电压波形变化的检测方法简单，且检测位置受限制较小，只需要在逆变器上安装一个电弧检测装置就可以精确地检测到故障电弧，成为目前的主流方法。但是这种方法也存在很大的不足，由于光伏系统受光照和温度变化的影响，输出电流和电压的幅值不稳定，容易造成检测器的误判。

实用新型内容

本实用新型是针对上述问题而进行的，目的在于提供一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统。

为解决上述问题，本实用新型采用了如下技术方案：

一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，用于检测包括光伏阵列、汇流箱以及逆变器的向交流电网输电的光伏系统的直流侧是否发生电弧故障并依此控制光伏系统供电的通断，其特征在于，包括：信号采集电路，连接在光伏系统的直流侧，对经过汇流箱后的直流电流中的交流分量信号进行采集并处理，得到处理后的电流信号，然后输送给控制电路；以及控制电路，其输入端与信号采集电路连接，输出端与光伏系统连接，可以根据处理后的电流信号判断是否发生电弧故障，从而控制光伏系统供电的通断。

本实用新型提供了一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，还可以具有这样的特征，其中，信号采集电路包括：采样电感、电容、电流互感器以及滤波放大电路。采样电感一端与汇流箱连接，另一端与逆变器连接，电容串联电流互感器一次侧绕组后并联在采样电感两端，用于采集光伏系统输出的直流电流中的交流分量信号，电流互感器的二次侧绕组与滤波放大电路连接，对采集到的交流分量信号进行滤波和放大，得到处理后的电流信号。

本实用新型提供了一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，还可以具有这样的特征，其中，滤波放大电路包括：电压跟随器、带通滤波器以及运算放大器。电压跟随器一端与电流互感器的二次侧绕组连接，另一端与带通滤波器连接，带通滤波器与运算放大器串联连接。

本实用新型提供了一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，还可以具有这样的特征，其中，带通滤波器为串联连接的有源高通滤波器和有源低通滤波器，有源高通滤波器与电压跟随器连接，有源低通滤波器与连接。

本实用新型提供了一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，还可以具有这样的特征，其中，控制电路包括：数字信号处理器、无线通信器、电气控制器以及脱扣装置。数字信号处理器与信号采集电路连接，接收信号采集电路处理后的电流信号并判断是否产生电弧，然后发出判断信号，无线通信器与数字信号处理器连接，接收判断信号然后将判断信号进行无线传输，电气控制器与脱扣装置连接，脱扣装置一端与逆变器连接，另一端与交流电网连接，电气控制器根据无线传输接收到的判断信号控制脱扣装置对光伏系统供电的通断进行控制。

实用新型作用与效果

根据本实用新型的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，采样电感串连在汇流箱输出到逆变器的线路上，电容串联电流互感器一次侧绕组后并联在采样电感两端，电流互感器的二次侧绕组采集直流侧电弧的特征交流信号后输送给滤波放大电路，经过滤波放大电路的放大处理后的电流信号输送给数字信号处理器，进行直流故障电弧判断，输出判断结果经过无线通讯器传输到电气控制器。采集光伏系统直流侧交流电流信号，提取出频域的信号特征，对上述信号进行预判断，经过模式识别判断直流故障电弧并发送警报信息使连接的相应脱扣装置启动，断开汇流支路和交流电网的连接，使故障电路处于断电状态，达到了保障光伏发电系统安全运行、避免并网对电网造成损害的目的。

附图说明

图1是本实用新型的光伏系统直流侧电弧故障检测系统结构示意图；

图2是本实用新型的光伏系统直流故障电弧电流信息采集模块中的滤波放大电路结构框图；

图3是本实用新型的基于生成式对抗网络的光伏系统直流侧故障电弧检测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例来说明本实用新型的具体实施方式。

<实施例>

本实用新型实施例提供的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，用于检测包括光伏阵列11、汇流箱12以及逆变器13的向交流电网40 输电的光伏系统10的直流侧是否发生电弧故障并依此控制光伏系统供电的通断。

图1是本实用新型的光伏系统直流侧电弧故障检测系统结构示意图。

如图1所示，本实施例提供的光伏系统直流侧电弧故障检测系统200包括信号采集电路20以及控制电路30。

光伏系统10，用于向交流电网供电。

光伏系统10包括光伏阵列11、汇流箱12以及逆变器13。

光伏阵列11的多条直流支路与汇流箱12的输入端连接，将光伏阵列11输出的直流电流在汇流箱12中并联汇流。光伏阵列的多条直流支路与汇流箱的输入端之间设有开关，用于人为控制光伏系统供电的通断。汇流箱12的输出端与逆变器13的输入端连接，逆变器13 的输出端与交流电网40连接。逆变器13将经过汇流箱12汇流后的直流电流转变为交流电流并输送至电网40。

信号采集电路20包括采样电感21、电容22、电流互感器23以及滤波放大电路24。

采样电感21一端串联在汇流箱12输出到逆变器13的线路上。

电容22串联电流互感器23一次侧绕组后并联在采样电感21两端，用于采集光伏系统输出的直流电流中的交流分量信号。

电容22具有通交流阻直流的特性，能够使得电弧的特征交流信号通过并传递给电流互感器23，同时阻断了线路中较大的直流电流通过，保护电流互感器工作在安全的电流范围内。

电流互感器23的二次侧绕组与滤波放大电路24连接，对采集到的交流分量信号进行滤波和放大，只保留特定频段的电流信号，得到处理后的电流信号。

本实施例中，保留的特定频段的电流信号为40kHz-100kHz以内频段信号，因为在该频域范围内，低于100kHz发生电弧故障的电流拥有更多的谐波且整体幅值高于正常情况，高于40kHz的电流信号可以避开逆变器噪声干扰。

图2是本实用新型的光伏系统直流故障电弧电流信息采集模块中的滤波放大电路结构框图。

如图2所示，滤波放大电路24包括电压跟随器241、带通滤波器242以及运算放大器243。

电压跟随器241一端与电流互感器23的二次侧绕组连接，另一端与带通滤波器242连接。电压跟随器241用于对处理后的电流信号进行信号隔离和改善阻抗特性。

带通滤波器242包括有源高通滤波器2421以及有源低通滤波器 2422。有源高通滤波器2421与有源低通滤波器2422串联连接。

电压跟随器241输出先通过有源高通滤波器2421，对电流信号进行高通滤波，滤除信号中不需要的低频段部分。再经过有源低通滤波器2422，用于对电流信号进行低通滤波，滤除信号中不需要的高频段部分。

带通滤波器242与运算放大器243串联连接。运算放大器243将滤波后的电流信号进行适当放大。

控制电路30包括数字信号处理器31、无线通信器32、电气控制器33以及脱扣装置34。

数字信号处理器31与信号采集电路20中的滤波放大器24连接，接收处理后的电流信号并判断是否产生电弧。若判断发生电弧，则发送可以判断信号给无线通信器32。

无线通信器32与数字信号处理器31连接，接收判断信号然后将判断信号进行无线传输给电气控制器33。

电气控制器33与脱扣装置34连接，脱扣装置34一端与逆变器13 连接，另一端与交流电网40连接，电气控制器33根据无线传输接收到的判断信号控制脱扣装置34动作，断开供电电路10与交流电网40 的连接。

图3是本实用新型的基于生成式对抗网络的光伏系统直流侧故障电弧检测方法流程图。

如图3所示，对采集的电流信号进行预判断的方法如下：

步骤S1，数据采集，电流互感器23采集电流信号，然后进入步骤S1。

步骤S2，滤波放大处理，步骤S1中采集到的电流信号经过滤波放大电路24对电流信号进行滤波和放大，只保留特定频段的电流信号，然后进入步骤S3。

本实施例中，滤波放大电路21的输出端接数字信号处理器31的模数转换引脚，数字信号处理器31通过模数转换功能对电流信号进行采样。

本实施例中，当需要提高模数转换精度时，可以外扩高精度的模数转换芯片，将模数转换结果接至数字信号处理器31的数字I/O引脚。

本实施例中，为了保证等时间间距采样，数字信号处理器31采用定时器去触发ADC采样，程序一直查询ADC转换完成标志位，转换完成一次后将数据保存到RAM中，清除转换完成标志位接着下一个循环，直到采样完成规定长度的点数为止。

步骤S3，加窗FFT变换，数字信号处理器31将采样到的数字量进行加窗傅里叶变换分析，然后进入步骤S4。

本实施例中，设置DSP定时器每隔4μs触发一次数据采集器采用采样频率250kHz对电路中的电流进行数据采集，共采集124个数据为一组序列，并对总数为124的数据序列进行高斯窗函数加权处理。使用快速傅氏变换对加权后的数据加窗序列进行频谱变换，取转换后数据的前一半即共513频点。为了减小直流分量的影响，将第一个频点去除，此时得到512个频点构成特征向量的电流信号频谱，作为一组电流数据，作为下一步预判断识别的输入。

步骤S4，预判断，将经加窗FFT分析得到的512个频点电流信号模值进行预判断识别，选取设置对比方法，具体为采集的N组电流数据，经加窗傅里叶变换到频域后，每组频域中的数据表示为I_fft，计算每个频点上的均值u和标准差d以及此频点参考值A，计算公式为：

A＝99.73％(u+3d)

式中，j为第几个频点，共计512个频点(j＝1，2…512), i＝(1,2,L,…,N)。

每个频点的幅值可以认为是服从正态分布的，小于此频点处的参考值A时有99.73％的概率认为该频点的值是在正常运行时产生的，统计超过频点处A值的数量S，若S大于此频点的采样数的15％，即512个频点中有超过15％的频点为异常值，则预判断为直流故障电弧，记录判断向量为1，然后进入步骤S5；若S小于等于此频点的采样数的15％，则预判断无直流故障电弧，记录判断向量为0，然后进入步骤S1。

步骤S5，判断是否产生电弧，根据电流频点特征信息，即一组长度512的一维向量，通过SVM二分类模型判断光伏系统直流侧是否产生故障电弧，若判断产生故障电弧则进入步骤S6，若判断未发生故障电弧则进入步骤S1。

本实施例中，主要评估参数包括电流信号频点电弧发生的次数、频度、持续时间，进而判断光伏系统直流侧是否产生故障电弧。

步骤S6，进行连续电弧判断并判断是否达到连续检测次数，若达到则进入步骤S6，若未达到则进入步骤S1。

步骤S7，报警动作，通过无线通信器32将发生故障信号传输至电气控制器33并报警，电气控制器33控制脱扣装置34启动，断开汇流支路和交流电网40的连接，使得光伏系统处于独立断电状态，从而实现保护光伏系统安全运行，避免光伏发电并网故障电弧对电网进一步的损害。

实施例作用与效果

根据本实施例的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，通过使用数字信号处理器分析直流电弧检测电路信号的特征，并结合预判断和 SVM二分类模型进行模式识别分类，进而判断光伏系统直流侧是否产生了故障直流电弧，根据电弧发生的次数、频度、持续时间建立故障电弧判断模型综合判断光伏系统直流侧是否发生故障，提高故障电弧检测的泛化性。

根据本实施例的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，通过无线通信器与光伏系统电气控制器相连，若发生故障则报警并可以使连接的相应脱扣装置启动，使故障电路处于断电状态，达到了保障光伏发电系统安全运行、避免并网对电网造成损害的目的。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (5)

1.一种光伏系统直流侧电弧故障检测系统，用于检测包括光伏阵列、汇流箱以及逆变器的向交流电网输电的光伏系统的直流侧是否发生电弧故障并依此控制光伏系统供电的通断，其特征在于，包括：

信号采集电路以及控制电路，

其中，所述信号采集电路连接在所述光伏系统的直流侧，对经过所述汇流箱后的直流电流中的交流分量信号进行采集并处理，得到处理后的电流信号，然后输送给所述控制电路

所述控制电路的输入端与所述信号采集电路连接，输出端与所述光伏系统连接，可以根据处理后的所述电流信号判断是否发生电弧故障，从而控制所述光伏系统供电的通断。

2.根据权利要求1所述的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，其特征在于：

其中，所述信号采集电路包括：采样电感、电容、电流互感器以及滤波放大电路，

所述采样电感一端与所述汇流箱连接，另一端与所述逆变器连接，

所述电容串联所述电流互感器一侧绕组后并联在所述采样电感两端，用于采集所述光伏系统输出的直流电流中的交流分量信号，

所述电流互感器的另一侧绕组与所述滤波放大电路连接，对采集到的所述交流分量信号进行滤波和放大，得到处理后的所述电流信号。

3.根据权利要求2所述的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，其特征在于：

其中，所述滤波放大电路包括：电压跟随器、带通滤波器以及运算放大器，

所述电压跟随器一端与所述电流互感器的二次侧绕组连接，另一端与所述带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述运算放大器串联连接。

4.根据权利要求3所述的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，其特征在于：

其中，所述带通滤波器为串联连接的有源高通滤波器和有源低通滤波器，所述有源高通滤波器与所述电压跟随器连接，所述有源低通滤波器与所述运算放大器连接。

5.根据权利要求1所述的光伏系统直流侧电弧故障检测系统，其特征在于：

其中，所述控制电路包括：数字信号处理器、无线通信器、电气控制器以及脱扣装置，

所述数字信号处理器与所述信号采集电路连接，接收所述信号采集电路处理后的所述电流信号并判断是否产生电弧，然后发出判断信号，

所述无线通信器与所述数字信号处理器连接，接收所述判断信号然后将所述判断信号进行无线传输，

所述电气控制器与所述脱扣装置连接，所述脱扣装置一端与所述逆变器连接，另一端与所述交流电网连接，所述电气控制器根据无线传输接收到的所述判断信号控制所述脱扣装置对所述光伏系统供电的通断进行控制。

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