WO2019127440A1 - 一种直流电弧的处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种直流电弧的处理方法及装置。该方法可包括获取第一电流(801),第一电流为与光伏电池系统连接的直流线缆的直流输入电流;获取第二电流(802),第二电流为直流线缆的直流共模电流或者交流线缆的交流共模电流;计算第一电流的频域分量和第二电流的频域分量之间的相关系数(803);当确定第一电流满足电弧存在条件且相关系数大于或等于预设系数阈值时,不发出直流电电弧故障警告(805)。该方法及装置通过相关系数来反应第二电流产生的共模噪声的占比,并设定一预设系数阈值,如果该相关系数大于该系数阈值,则表示第一电流满足电弧存在的条件是由于共模噪声较大而产生,而此情形下,不需要发出告警,减少对逆变器正常工作的干扰,提升产品性能。

Description

一种直流电弧的处理方法及装置 技术领域
本申请涉及光伏领域,具体涉及一种直流电弧的处理方法及装置。
背景技术
随着光伏发电的大规模应用,多个地区陆续发生光伏系统火灾事件,造成一定的经济损失并且危害人身安全,事后对这类事故调查发现多数电气火灾的原因都指向直流端故障电弧。光伏发电系统直流端一旦产生故障电弧,由于没有交流故障电弧的过零点特征,因此判断较难,且由于阳光持续照射,故障电弧中有源源不断的能量注入,会导致接触部分温度急剧升高,并伴随着高温碳化周围器件,轻者熔断保险、线缆,重者烧毁组件和设备引起火灾。
目前发现直流电弧故障会使光伏系统直流线缆中的电流噪声增大,因此现有的直流电弧故障检测方法的主要思路就是基于电流噪声与直流电弧故障的间接关系,根据所述直流线缆中电流噪声的大小来判断直流电弧故障的有无。对于直流线缆中电流噪声的获取方法为先对直流线缆的电流进行采样,对采样的结果再进行FFT或小波变换来获取对应的噪声频率电流分量。
但在光伏系统中,由于光伏电池板面积较大会形成较大的对地电容从而存在明显的对地漏电流回路,因此在直流线缆中,不仅有故障电流,还同时存在较大的共模电流,若共模电流噪声偏大,在实际并没有发生直流电弧故障的情况下对电弧检测系统造成影响,产生误告警,影响光伏系统正常运行。
发明内容
本申请实施例提供了一种直流电弧的处理方法及装置来解决光伏系统中共模电流噪声偏大带来的误告警影响光伏系统正常运行的问题。
本申请实施例的第一方面提供一种直流电弧的处理方法,该方法中,首先会获取到第一电流,该第一电流为为与所述光伏电池系统的光伏电池板连接的直流线缆的直流输入电流,接着再获取第二电流,该第二电流为第二电流为与所述光伏电池系统的逆变器的直流端口侧的直流线缆的直流共模电流或者所述逆变器的交流端口侧的交流线缆的交流共模电流,完成电流的获取后,即可根据第一电流的频域分量和第二电流的频域分量的来计算二者之间的相关系数,接着再进行条件判断,如果发现第一电流满足电弧存在条件并且计算出的相关系数大于预设系数阈值时,便不会发出直流电弧故障警告。
可以看出,由于能够判断出在第一电流满足电弧存在的条件下,仍有一些情况并不需要进行警告,电流虽然总噪声比较大,但是差模噪声其实比较小,共模噪声较大,而由于共模噪声实际对电路的影响非常小,从而电路是正常运行的状态;在本申请实施例中通过计算出的第一电流和第二电流的频域分量的相关系数来反应第二电流产生的共模噪声的占比,并设定一预设系数阈值,如果该相关系数大于该系数阈值,则表示第一电流满足电弧存在的条件是由于共模噪声较大而产生,而此情形下,不需要发出告警,从而避免了此情 形下误警告的发生,从而减少对逆变器正常工作的干扰,提升产品性能,此外,计算相关系数所用的直流电缆电流和共模电流可以进行同步采样,均为同一工况下的采样结果,因此可以减少光伏发电系统运行工况变化对检测结果造成的影响。
在一些实施例中,确定所述第一电流满足电弧存在条件可以是首先通过对所述第一电流进行频域分解得到第一频率范围,该第一频率范围为电弧噪声所在频段;接着便计算所述第一频率范围内的电流频率值的标准差;接下来便获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N,当所述N大于第二阈值次时,确定所述第一电流满足电弧存在条件,N为大于或等于零的整数。通过对次数的判断能够较为准确的确定第一电流是否具有直流电弧的情况。
在一些实施例中,获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N是通过滑动窗口计数获取的,通过此方式能够获得较为准确的次数N。
在一些实施例中,计算第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数可以采用如下方式,首先分别计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的标准差;接着,计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的协方差;最后根据所述标准差和所述协方差便可计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数。该相关系数即可反应出二者的频域分量的相关程度,将该相关程度作为条件即可较为准确的对系统是否警告作出判断。
在一些实施例中,第一电流x的频域分量的标准差s x通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000001
其中,n为所述第一电流的频域分量的采样次数;
所述第二电流y的频域分量的标准差s y通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000002
其中,n为所述第二电流的频域分量的采样次数;
所述一电流和所述第二电流的频域分量的协方差s xy通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000003
第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数r xy通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000004
在一些实施例中,除了第一电流满足电弧存在条件并且计算出的相关系数大于预设系数阈值时,便不会发出直流电弧故障警告之外,还会在确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数小于预设系数阈值时,发出直流电电弧故障警告。从而正常的直流电弧故障警告会在条件判断通过后发出,不会影响系统的警告性能。
在一些实施例中,第一电流为采样所述直流线缆的正母线或者负母线获得的电流;所述第二电流为采样所述逆变器的交流端口侧的所有交流线缆获得的电流。即第一电流为直 流输入电流,第二电流为交流共模电流。
在一些实施例中,若第一电流为直流输入电流,第二电流为交流共模电流,在计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的计算相关系数之前还会对第一电流进行电弧分析,只有在第一电流满足电弧存在条件时,即仅根据第一电流确定有可能发生直流电弧故障时,才进行相关系数的计算,否则,无需计算相关系数。
在一些实施例中,若第一电流为直流输入电流,第二电流为交流共模电流,且当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,且所述第二电流满足电弧存在条件时,不发出直流电电弧故障警告。
在一些实施例中,当第一电流为直流输入电流,第二电流为交流共模电流,且当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值,且所述第二电流不满足电弧存在条件时,发出直流电电弧故障警告。
在一些实施例中,所述第一电流为采样所述直流线缆的正母线或者负母线获得的电流;所述第二电流为采样所述逆变器的直流端口侧的所有直流线缆获得的电流。即第一电流为直流输入电流,第二电流为直流共模电流。
在一些实施例中,若第一电流为直流输入电流,第二电流为直流共模电流,则计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数之后,若发现相关系数小于预设系数阈值时,执行对所述第一电流进行电弧分析。
本申请实施例第二方面还提供一种直流电弧检测装置,该装置包括电弧故障处理模块,与所述处理单元连接的第一采样模块和第二采样模块;该第一采样模块用于采样获得第一电流,该第二采样模块用于采样获得第二电流,第一采样模块和第二采样模块在光伏电池系统中的位置设置可以有两种情况,第一种是第一采样模块和第二采样模块均在直流线缆处;第二种是第一采样模块在直流线缆处,但是第二采样模块在逆变器的交流端口侧的交流线缆处;接着,电弧故障处理模块会接收到该第一电流和第二电流,并执行相应的判断逻辑,首先会计算得到第一电流的频域分量和第二电流的频域分量,接着,计算两个频率分量之间的相关系数,该频域分量为电流在频域上出现在预设频段内的频率值,所述相关系数反映所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间相关关系密切程度;最后进行条件判断,当所述电弧故障处理模块确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,所述电弧故障处理模块不发出直流电电弧故障警告。
在一些实施例中,第一采样模块为直流线缆电流采样模块,该第一电流为所述直流线缆电流采样模块对所述直流线缆的正母线或者负母线采样获得的直流输入电流;第二采样模块为共模电流采样模块,当所述共模电流采样设置所述逆变器的直流端口侧的直流线缆处时,所述共模电流采样模块对所有直流线缆采样获得直流共模电流;当所述共模电流采样设置所述逆变器的交流端口侧的交流线缆处时,所述共模电流采样模块对所有交流线缆采样获得交流共模电流。
在一些实施例中,直流线缆电流采样模块有多种实现方式,其中一种是该直流线缆电流采样模块包括第一采样线圈和第一采样控制单元,所述第一采样线圈内穿有所述直流线缆的正母线或者负母线,所述采样控制单元用于将所述第一采样线圈采样的电流转化为所 述的直流输入电流。
在一些实施例中,共模电流采样模块有多种实现方式,其中一种是该共模电流采样模块包括第二采样线圈和第二采样控制单元,当所述共模电流采样模块对所述直流线缆采样时,所述第二采样线圈内穿有所有直流线缆;当所述共模电流采样模块对所述交流线缆采样时,所述第二采样线圈内穿有所有交流线缆。
在一些实施例中,电弧故障处理模块确定所述第一电流满足电弧存在条件可以是首先通过对所述第一电流进行频域分解得到第一频率范围,该第一频率范围为电弧噪声所在频段;接着便计算所述第一频率范围内的电流频率值的标准差;接下来便获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N,当所述N大于第二阈值次时,确定所述第一电流满足电弧存在条件,N为大于或等于零的整数。通过对次数的判断能够较为准确的确定第一电流是否具有直流电弧的情况。
在一些实施例中,电弧故障处理模块获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N是通过滑动窗口计数获取的,通过此方式能够获得较为准确的次数N。
在一些实施例中,电弧故障处理模块计算第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数可以采用如下方式,首先分别计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的标准差;接着,计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的协方差;最后根据所述标准差和所述协方差便可计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数。该相关系数即可反应出二者的频域分量的相关程度,将该相关程度作为条件即可较为准确的对系统是否警告作出判断。
在一些实施例中,第一电流x的频域分量的标准差s x通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000005
其中,n为所述第一电流的频域分量的采样次数;
所述第二电流y的频域分量的标准差s y通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000006
其中,n为所述第二电流的频域分量的采样次数;
所述一电流和所述第二电流的频域分量的协方差s xy通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000007
第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数r xy通过如下公式计算:
Figure PCTCN2017120040-appb-000008
在一些实施例中,除了第一电流满足电弧存在条件并且计算出的相关系数大于预设系数阈值时,电弧故障处理模块便不会发出直流电弧故障警告之外;电弧故障处理模块还会在确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数小于预设系数阈值时,发出直流电电弧故障警告。从而正常的直流电弧故障警告会在条件判断通过后发出,不会影响系统的警告性能。
在一些实施例中,当所述第二电流为交流共模电流时,电弧故障处理模块还会对第一电流进行电弧分析,接着进行判断,当第一电弧满足电弧存在条件时,才会对相关系数进行计算,即仅根据第一电流确定有可能发生直流电弧故障时,才进行相关系数的计算,否则,无需计算相关系数。
在一些实施例中,当第二电流为交流共模电流时,电弧故障处理模块当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,且所述第二电流满足电弧存在条件时,不发出直流电电弧故障警告。
在一些实施例中,当第一电流为直流输入电流,第二电流为交流共模电流,电弧故障处理模块还用于当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值,且所述第二电流不满足电弧存在条件时,发出直流电电弧故障警告。
在一些实施例中,当第二电流为直流共模电流,则电弧故障处理模块在计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数之后,若发现相关系数小于预设系数阈值时,执行对所述第一电流进行电弧分析。
附图说明
图1是光伏发电系统示意图;
图2a是一种直流电弧检测的示意图;
图2b是另一种直流电弧检测的示意图;
图3是相邻光伏支路差分抑制法的结构示意图;
图4是正负直流母线差分抑制法的结构示意图;
图5是三绕组或三柱变压器示意图;
图6是本申请实施例的直流电弧故障处理方法的架构示意图;
图7a是本申请实施例的架构中共模电流采样单元连接在直流端口侧的示意图;
图7b是本申请实施例的架构中共模电流采样单元连接在交流端口侧的示意图;
图8是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图;
图9是本申请实施例的直流电弧的处理方法中相关系数的计算方法示意图;
图10是本申请实施例的直流电弧的处理方法中电流满足电弧存在条件的方法示意图;
图11是本申请实施例的直流电弧的处理方法中滑动窗口的流程示意图;
图12是本申请实施例的直流电弧处理系统的架构示意图;
图13是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图;
图14是本申请实施例的直流电弧处理系统的架构示意图;
图15是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种直流电弧的处理方法及装置来解决光伏系统中共模电流噪声偏大带来的误告警影响光伏系统正常运行的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例进行描述。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”或“具有”及其任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
NEC公司在2011年推出了光伏系统必须增加故障电弧检测装置与断路器的规定,设定了光伏系统的行业标准,以此来保证光伏系统的稳定、安全、可靠运行。光伏系统直流电弧的起因随机性大,发生的位置和时间均不可预测,线缆线路严重风化、直流线路破损、电子元件老化、连接触点松动或者动物的啃咬等因素都能导致电弧故障的发生。较多的偶然因素使得无法准确建立数学模型来直接判断光伏系统是否存在直流电弧故障。
在已有的研究中,通过对大量实验结果的比对,研究人员发现直流电弧故障会使光伏系统直流线缆中的电流噪声增大,因此现有的直流电弧故障检测方法的主要思路就是基于电流噪声与直流电弧故障的间接关系,根据所述直流线缆中电流噪声的大小来判断直流电弧故障的有无。对于直流线缆中电流噪声的获取方法为先对直流线缆的电流进行采样,对采样的结果再进行FFT或小波变换来获取对应的噪声频率电流分量。但在光伏系统中,由于光伏电池板面积较大会形成较大的对地电容从而存在明显的对地漏电流回路,因此在直流线缆中,不仅有故障电流,还同时存在较大的共模电流,如图1所示,图1是光伏发电系统示意图。若共模电流噪声偏大,在实际并没有发生直流电弧故障的情况下对电弧检测系统造成影响,产生误告警,影响光伏系统正常运行。因此在光伏系统的直流电弧检测中,如何抑制共模电流的干扰从而提升检测系统的准确度是非常关键的问题。
目前用于检测直流电弧的技术主要两种体系,如图2a和图2b所示,图2a是一种直流电弧检测的示意图,图2b是另一种直流电弧检测的示意图。可以看出,图2a中,主要通过直流线缆电流采样单元进行直流线缆电流的采样,然后电弧故障判断单元就根据此直流线缆电流进行电弧故障的判断。而图2b中,相比对图2a,增加了一个差分计算单元对采样的电流进行处理后,再根据此直流线缆电流的差分计算结果进行电弧故障的判断。可以看出,均只利用同一种电流采样单元(数量随着光伏组串支路路数不同而不同),对采样结果进行直接故障诊断或是对采样结果进行差分计算(减少共模电流干扰)之后在进行故障诊断。在光伏系统中,图2a这种方法判断结果会受到共模电流干扰,图2b的方法由于难以做到精确计算因此也会受到共模电流干扰针对图2b方法进行分析,以说明其难以做到精确计算的原因。下面以已有的两种测量方法进行说明:
方法一、请参阅图3,图3是相邻光伏支路差分抑制法的结构示意图,该方法中,通过对相邻光伏电池板支路的直流线缆的电流进行采样,然后将采样之后的相邻支路的电流送入差分单元,进行差分计算以抵消测量电流中的共模电流成分,最终将计算得到的不包含共模电流成分的直流线缆电流送入电弧故障判断单元,去进行噪声检测,来判断系统中是否存在直流电弧故障。
而这种方式有两个较为明显的缺点,其一是,只适用于有多路光伏输入的光伏发电系统,即集中式光伏发电系统。如果光伏系统中仅有一个组串,则不存在相邻光伏电池板支路,则无法获取多路检测电流来进行差分计算,例如无法应用于组串式光伏发电系统以及家用小型光伏发电系统,应用场景非常有限。其二是,对于相邻支路的电流进行实时差分计算在实际应用中存在很大的难度并且精确度很低。相邻光伏组串的工作状态很可能因为阴影、遮蔽、朝向以及光伏板自身的不一致性而存在很大差异,造成相邻光伏组串上流过的共模电流大小不一,并且光伏发电系统本身由于光照变化的原因造成系统工作点的变化,可以说整个系统状态都在实时变化,这些情况都为差分计算带来了很大难度,需要很精确的实时平衡差分增益。
方法二、请参阅图4和图5,图4是正负直流母线差分抑制法的结构示意图,图5是三绕组或三柱变压器示意图,该方法中,通过对光伏电池板直流母线的正负母线电流进行采样,然后将采样之后的相邻支路的电流送入差分单元,进行差分计算以抵消测量电流中的共模电流成分,最终将计算得到的不包含共模电流成分的直流线缆电流送入电弧故障判断单元,去进行噪声检测,来判断系统中是否存在直流电弧故障。差分单元有不同的实施方式,有采用差分计算单元在采样部分进行抵消的,也有采用如图5所示的三绕组或三柱变压器来直接进行磁路抵消的方式。
该方法在常规电源系统中较为适用,然而在光伏系统中,由于光伏电池系统的安装方法存在正母线接地、负母线接地以及不接地等多种形式,造成共模电流回路中直流正负母线各自的等效共模阻抗不一致,从而共模电流也不一致,进而为差分计算带来困难。实际应用中遇到的问题与现有技术一相似,光伏发电系统工作状态受外界因素影响较大,实时变化,因此差分计算过程中难以平衡增益,使得计算的精确度比较低。
从上述几种方式可以看出,总的解决思路为通过数值计算去获取比较精确的不包括共模电流成分的直流线缆电流,进而判断其中是否存在电流电弧故障。但由于实际光伏系统运行状况存在较大变化,因为使得精确的数值计算方法难以实现,计算误差较大。
有鉴于上述问题,针对偶然因素较多的光伏发电系统,本申请中提出一种直流电弧检测方法,该方法基于相关性理论,主要基于统计学理论,计算相关性所使用的不同变量可实现同步采样,因此对光伏系统实际工况的变化不敏感,从而精确度会高于现有精确的数值计算方法。
下面对本申请实施例所采用架构进行说明,请参阅图6,图6是本申请实施例的直流电弧故障处理方法的架构示意图,该方法中,采用了两个采样单元,获取两种不同的采样电流,即直流线缆电流采样单元和共模电流采样单元,其中,直流线缆电流采样单元主要采样直流线缆电流,而共模电流采样单元主要采样共模电流的数据,该共模电流采样单元可以连接在逆变器的直流端口侧采样直流共模电流或者是交流端口侧采样交流共模电流,具体可参见图7a和图7b,图7a是本申请实施例的架构中共模电流采样单元连接在直流端口侧的示意图,图7b是本申请实施例的架构中共模电流采样单元连接在交流端口侧的示意图;再通过电弧故障处理单元计算二者的相关性,最后在发现直流线缆电流满足电弧存在的条件下需要结合相关性结果才最终判断是否需要进行告警。
此外,为了减小由于光伏电池板使用环境、朝向、遮挡以及接地方式等影响,导致共模电流采样单元无法精确获取实际共模电流的具体数值;本申请实施例中,可选的,通过获取共模电流采样值的变化趋势来减小这些影响。
下面对直流线缆电流进行分析,是否存在电弧的情况可大致模糊化为以下四种,如表1所示:
表1
Figure PCTCN2017120040-appb-000009
其中,情况1中,虽然有共模噪声干扰,但是由于总体噪声比较小,因此通常故障检测算法不会触发直流电弧故障判断条件,因此不容易触发误告警;
在情况2中,总噪声比较大,因此通常会触发直流电弧故障判断条件,会产生直流电弧告警,但此时差模噪声其实比较小,实际情况是正常运行,因此这种情况下很容易产生误告警;
在情况3中,总噪声比较大,同时共模噪声很小,因此触发直流电弧告警并且系统中确实很有可能存在直流电弧故障,误告警几率很低;
在情况4中,虽然共模噪声比较大,但是差模噪声也比较大,虽然共模噪声会存在一定干扰,但是此时电路中确实可能存在直流电弧故障,因此误告警几率也比较低。
从上述分析可以看出,仅有情况2的误警告几率比较大,其余三种情况虽然也有干扰,但是误告警的几率其实是较低的。因此,重点需要解决情况2中的高几率误告警的问题。从而情况2中,可以看出,直流线缆电流中主要噪声成分是共模噪声,这与此时光伏发电系统中的共模电流存在一定的相关性,具有较为相似的变化趋势,虽然无法通过精确计算一一对应,但是根据统计学的方法能够计算其线性相关性。此时的直流线缆电流与光伏系统共模电流的相关性较高,因此本申请实施例中将这两类电流的相关系数设置为一个判断条件,以此降低系统误告警的几率。下面对本申请实施例的直流电弧的处理方法进行说明。
本申请实施例中,请参阅图8,图8是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图,该方法可包括:
801、获取第一电流。
其中,所述第一电流为通过与光伏电池板连接的直流线缆获取的电流,所述第一电流为直流输入电流,所述直流线缆用于所述光伏电池板将直流电输出到逆变器,该直流输入电流即光伏电池板输出到逆变器的直流电流。
802、获取第二电流。
其中,所述第二电流为通过所述逆变器的直流端口侧的直流线缆获取或者通过所述逆 变器的交流端口侧的交流线缆获取的电流,所述第二电流为共模电流,所述交流线缆用于所述逆变器输出交流电。可以理解的是,第二电流的获取方式有两种。如图7a和图7b所示,图7a中,是从逆变器的直流端口侧获取;而图7b则是从逆变器的交流端口侧获取,从直流端口侧获取的第二电流为直流电,从交流端口获取的第二电流为交流电。
需要说明的是,步骤801和步骤802的第一电流以及第二电流的采样过程是持续的,每隔一周期便会采样一次,不同周期可以是相同的时长也可以是不同的时长;该采样会持续预设时间段,该预设时间段包括至少一个周期,后续计算相关系数所采用的数据为该预设时间段内采集的所有数据。
需要说明的是,步骤801和步骤802中通过直流线缆或者交流线缆采样电流的方式有多种.;但是都遵循从采样到调理再到控制的过程。对于采样过程,包括多种,例如:
第一种,电流互感器方式采样,即通过将要采集的线缆置于设置的线圈中,根据电磁感应定律,将线圈缠绕在被测电流流经的线缆上,该线缆被作为一次绕组,而测量线圈作为二次绕组;具体的线缆通电后产生电磁场,从而在线圈中产生感应电流,通过对该感应电流进行一些数学运算的中间调理环节即可得到线缆中的电流,例如将感应电流与实际电流之间通过实验得到预设对应关系,在实际采集中即可通过感应电流得到线缆中的电流。如图7a和图7b中的共模电流采样单元即采样的此方式。
第二种,小阻值无感采样,即通过在电路中串联至回流电路中,测量小阻值电阻两端的电压差,再根据欧姆定律,电压除以电阻得到被测电流。需要注意的是,该方法中,采样电阻阻值的选取,功率要足够大,同时电阻的电感要小,以排除感抗在电阻两端引起的电压降。
第三种,霍尔电流传感器采样,此方式主要采用霍尔效应进行采样,当电流垂直于外磁场通过导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。
对于调理步骤,由于采样环节获得的与被测电流信号相关的数学信号通常存在高频噪声,并且幅值和控制环节所需的信号相比偏大或偏小,因此需要在采样环节和控制环节之间加入调理环节对测量得到的结果进行补偿和校正。常见的调理环节有滤波器和运算放大器等。
最后,控制环节即本申请实施例的直流电弧的处理方法所处的环节,需要得到调理完成的电流值才可进行控制。
803、计算第一电流的频域分量和第二电流的频域分量之间的相关系数。
其中,所述频域分量为电流在频域上出现在预设频段内的频率值;由于本申请主要研究直流电弧的预警,因此本申请实施例中的频域分量是位于产生电弧时的高频电流所在的频段,例如30kHz至80kHz之间。另外。不论直流电还是交流电,只要是能够产生电弧的电流均会产生频域分量,电弧对应的电流均以高频不稳定的方式体现。对于直流电,是将直流电流不断变化的幅值通过傅里叶展开等方式模拟为高频分量;对于交流电,则表现为非正弦周期的交流电。另外,相关系数是著名统计学家卡尔·皮尔逊设计了统计指标;相对于只能反映两个变量之间的相互关系及其相关方向,但无法确切地表明两个变量之间相 关的程度的相关表和相关图,相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。相关系数是按积差方法计算,同样以两变量与各自平均值的离差为基础,通过两个离差相乘来反映两变量之间相关程度;着重研究线性的单相关系数。
需要说明的是,相关关系是一种非确定性的关系,相关系数是研究变量之间线性相关程度的量。由于研究对象的不同,相关系数有如下几种定义方式。
1、简单相关系数:又叫相关系数或线性相关系数,一般用字母P表示,是用来度量变量间的线性关系的量。
2、复相关系数:又叫多重相关系数。复相关是指与多个自变量之间的相关关系。例如,某种商品的季节性需求量与其价格水平、职工收入水平等现象之间呈现复相关关系。
3、典型相关系数:是先对原来各组变量进行主成分分析,得到新的线性关系的综合指标,再通过综合指标之间的线性相关系数来研究原各组变量间相关关系。
本本申请实施例中的相关系数主要以后两种方式来体现。
本实施例中,在完成对第一电流和第二电流的获取后,便可以对二者的频域分量之间的相关系数进行计算,具体的计算第一电流和第二电流的频域分量的相关系数可参见图9所示,图9是本申请实施例的直流电弧的处理方法中相关系数的计算方法示意图,其中,该步骤803可包括:
8031、分别计算第一电流的频域分量和第二电流的频域分量的标准差。
其中,对于采集到的多个第一电流,计算其某一频域分量的标准差,具体的,可采用如下公式(1)对第一电流x的频域分量的标准差s x进行计算;
Figure PCTCN2017120040-appb-000010
其中,n为所述第一电流的频域分量的采样次数,x i为第i个周期采样得到的第一电流x的值。
接着,对于采集到的多个第二电流,采用如下公式(2)计算第二电流y的频域分量的标准差s y
Figure PCTCN2017120040-appb-000011
其中,n为所述第二电流的频域分量的采样次数,y i为第i个周期采样得到的第一电流y的值。可以看出,第一电流x和第二电流y的采样数据次数是一致的,均为n次。
8032、计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的协方差。
其中,在步骤8031中完成第一电流x和第二电流y的标准差后,便可通过如下公式(3)计算第一电流x和第二电流y的协方差s xy
Figure PCTCN2017120040-appb-000012
8033、计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数。
其中,在完成协方差s xy的计算后,便可计算第一电流和第二电流的频域分量的相关系数r xy,具体可通过如下公式(4)进行计算;
Figure PCTCN2017120040-appb-000013
其中,可以看出,相关系数r xy实际是用协方差s x与第一电流x的标准差s x与第二电流y的标准差s y的乘积的比值,在比值能够反映第二电流所产生的共模噪声在总噪声中的占比,因此可以作为判断是否为表1中的情况2的依据。该总噪声由第二电流所产生的共模噪声以及光伏系统的差模噪声叠加得到。
804、判断第一电流是否满足电弧存在条件,以及所述相关系数是否小于预设系数阈值,当第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,执行步骤805。
下面对判断第一电流是否满足电弧存在条件进行说明,请参阅图10,图10是本申请实施例的直流电弧的处理方法中电流满足电弧存在条件的方法示意图。首先是获取要判断的第一电流或者是第二电流,以第一电流为例;接着,对该第一电流进行频域分解,并通过滤波方式选取其中一定频段,例如选取30kHz至80kHz的范围,选择该范围的主要目的在于,该范围是主要电弧电流噪声所在频段。完成选取后,便计算第一电流的标准差,接着用该标准差与标准差阈值(即第一阈值)进行比较,若大于该标准差阈值,则计数加一,完成一次标准差的计算过程;统计一段时间内选取的第一电流的标准差大于标准差阈值的次数N;最后,对计算出的N与第二阈值进行判断,当该N大于该第二阈值时,则表示第一电流满足电弧存在条件,若是该N不大于第二阈值时,则表示该第一电流不满足电弧存在条件。
具体的,统计一段时间内选取的第一电流的标准差大于标准差阈值的次数N的方式可以是,通过滑动窗口计数获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N。请参阅图11,图11是本申请实施例的直流电弧的处理方法中滑动窗口的流程示意图,该滑动窗口技术的具体实现方式包括两个阶段,即初始化阶段和逻辑比较计算阶段,在初始阶段,将N 1数组全部置为零;接着,在逻辑比较计算阶段,将n设置为0,首先判断标准差是否大于第一阈值,若是,则N 1[n]=1,若否,则N 1[n]=0;完成判断后,便对N 1数组进行求和,并将结果输出得到N,接着,便可以将N与第二阈值进行比对,若N大于第二阈值,则表示该电流满足电弧存在条件,若N不大于第二阈值,则表示该电流不满足电弧存在条件,该过程即在一个时间段内一次电弧存在条件的判断过程;完成该过程后,将n加1,继续执行下一时间段内电弧存在条件的判断过程。
805、不发出直流电电弧故障警告。
可以看出,由于能够判断出在第一电流满足电弧存在的条件下,仍有一些情况并不需要进行警告,电流虽然总噪声比较大,但是差模噪声其实比较小,共模噪声较大,而由于共模噪声实际对电路的影响非常小,从而电路是正常运行的状态;在本申请实施例中通过计算出的第一电流和第二电流的频域分量的相关系数来反应第二电流产生的共模噪声的占比,并设定一预设系数阈值,如果该相关系数大于该系数阈值,则表示第一电流满足电弧存在的条件是由于共模噪声较大而产生,而此情形下,不需要发出告警,因此,本申请实施例中,在发现第一电流满足电弧存在的条件并且该相关系数大于或等于预设阈值时,便不发出直流电流故障警告。
可选的,该方法还可包括:
806、发出直流电弧警告。
可选的,在步骤804中,还可以包括如下分支,例如,当第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数小于预设系数阈值时,执行步骤806,当然,第一电流不满足电弧存在条件时,不论该相关系数是否小于预设系数阈值,均执行步骤805。
需要说明的是,对于直流电弧存在条件的判断步骤以及相关系数的计算步骤并没有特定的顺序,下面分别对两种情况结合共模电流的采集方式的两种情况进行说明。
情形一,共模电流采样逆变器的交流端口侧的第二电流;先计算第一电流是否满足电弧存在条件,再计算第一电流和第二电流的相关系数。请参阅图12和图13,图12是本申请实施例的直流电弧处理系统的架构示意图,图13是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图,图12和图13采用的是电流互感方式,图12中,共模电流采样单元的第二线圈中穿有所有交流线缆,直流电流采样单元的第一线圈中穿有正母线或者负母线;如图13所示,该方法包括:
1301、采样直流线缆得到第一电流并且采样逆变器的交流线缆得到第二电流;
其中,该采样过程可参见图8所示实施例中步骤801和步骤802,此处不再赘述。
1302、判断第一电流是否满足电弧存在条件,若是,则执行步骤1303,若否,则执行步骤1301;
其中,第一电流是否满足电弧存在条件可以参见图8所示实施例中针对步骤804的说明,此处不再赘述。
1303、计算第一电流的频域分量与第二电流的频域分量之间的相关系数;
其中,该第一电流的频域分量与第二电流的频域分量中之间的相关系数可参见图8所示实施例中针对步骤803的说明,此处不再赘述。
1304、判断该相关系数是否小于预设系数阈值,若是,则执行步骤1305,若否,则执行步骤1306;
其中,该相关系数可参见图8所示实施例中针对步骤803的说明,此处不再赘述。
1305、发出直流电弧故障信号;
1306、对第二电流进行电弧分析;
其中,该电弧分析的过程可参见图8所示实施例中针对步骤804的说明,此处不再赘述。
1307、判断第二电流是否满足电弧存在条件,若是,则执行步骤1301,若否,则执行步骤1305。
其中,该方式中如果发现第一电流满足电弧存在条件,并且相关系数不小于预设系数阈值时,则认为直流线缆电流中共模电流成分较大,仅通过直流线缆电流是否满足电弧存在条件来判断的误判几率较高。此时再判断第二电流是否满足电弧存在条件,如满足,则认为直流线缆电流满足电弧存在条件是由于共模成分较大而产生的,则不发出告警,并返回执行步骤1301;如不满足,则为了减小检测盲区,则执行步骤1305发出直流电弧故障告警。
情形二,共模电流采样逆变器的直流端口侧的第二电流;先计算第一电流和第二电流的相关系数,再计算第一电流是否满足电弧存在条件。请参阅图14和图15,图14是本申 请实施例的直流电弧处理系统的架构示意图,图15是本申请实施例的直流电弧的处理方法的一个实施例图,图14中,直流电流采样单元的第一线圈中穿有正母线或者负母线,共模电流采样单元的第二线圈中穿有正母线和负母线;如图15所示,该方法包括:
1501、采样直流线缆得到第一电流并且采样逆变器的交流线缆得到第二电流;
其中,该采样过程可参见图8所示实施例中步骤801和步骤802,此处不再赘述。
1502、计算第一电流的频域分量与第二电流的频域分量之间的相关系数;
其中,该第一电流的频域分量与第二电流的频域分量之间的相关系数可参见图8所示实施例中针对步骤803的说明,此处不再赘述。
1503、判断该相关系数是否小于预设系数阈值,若是,则执行步骤1504,若否,则执行步骤1501;
其中,该相关系数可参见图8所示实施例中针对步骤803的说明,此处不再赘述。
1504、对第一电流进行电弧分析;
其中,该电弧分析的过程可参见图8所示实施例中针对步骤804的说明,此处不再赘述。
1505、判断第一电流是否满足电弧存在条件,若是,则执行步骤1506,若否,则执行步骤1501;
其中,该电弧分析的过程可参见图8所示实施例中针对步骤804的说明,此处不再赘述。
1506、发出直流电弧故障信号。
本申请基于统计学方法,以直流线缆电流和共模电流的相关系数作为判据,可以避免不同工况对基于精确数值计算方法造成的误差,能够抑制由于共模电流引起的光伏逆变器直流电弧故障误报警,提升直流电弧故障检测的准确率,减少对逆变器正常工作的干扰,提升产品性能;
另外,计算相关系数所用的直流线缆电流和共模电流可以进行同步采样,均为同一工况下的采样结果,因此可以减少光伏发电系统运行工况变化对检测结果造成的影响;
此外,本申请实施例适用于三相逆变器以及单相逆变器产品,适用于组串式逆变器以及集中式逆变器产品,覆盖范围广。
在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时,可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统,装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统,装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,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。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
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单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的技术人员应当理解: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申请各实施例技术方案和范围。

Claims (20)

  1. 一种直流电弧的处理方法,用于光伏电池系统,其特征在于,包括:
    获取第一电流,所述第一电流为与所述光伏电池系统的光伏电池板连接的直流线缆的直流输入电流;
    获取第二电流,所述第二电流为与所述光伏电池系统的逆变器的直流端口侧的直流线缆的直流共模电流或者所述逆变器的交流端口侧的交流线缆的交流共模电流;
    计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数,所述频域分量为电流在频域上出现在预设频段内的频率值,所述相关系数反映所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间相关关系密切程度;
    当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,不发出直流电电弧故障警告。
  2. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定所述第一电流满足电弧存在条件包括:
    通过对所述第一电流进行频域分解得到第一频率范围,所述第一频率范围为电弧噪声所在频段;
    计算所述第一频率范围内的电流频率值的标准差;
    获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N,当所述N大于第二阈值次时,确定所述第一电流满足电弧存在条件,N为大于或等于零的整数。
  3. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数包括:
    分别计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的标准差;
    计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的协方差;
    根据所述标准差和所述协方差计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数。
  4. 根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第一电流x的频域分量的标准差s x通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100001
    其中,n为所述第一电流的频域分量的采样次数;
    所述第二电流y的频域分量的标准差s y通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100002
    其中,n为所述第二电流的频域分量的采样次数;
    所述一电流和所述第二电流的频域分量的协方差s xy通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100003
    所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数r xy通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100004
  5. 据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N包括:
    通过滑动窗口计数获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N。
  6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
    当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数小于预设系数阈值时,发出直流电电弧故障警告。
  7. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述第一电流为采样所述直流线缆的正母线或者负母线获得的电流;所述第二电流为采样所述逆变器的交流端口侧的所有交流线缆获得的电流。
  8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括,在所述计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的计算相关系数之前,所述方法还包括:
    执行对所述第一电流进行电弧分析;
    当所述第一电流满足电弧存在条件时,执行所述计算相关系数。
  9. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
    当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,且所述第二电流满足电弧存在条件时,不发出直流电电弧故障警告。
  10. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
    当确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值,且所述第二电流不满足电弧存在条件时,发出直流电电弧故障警告。
  11. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述第一电流为采样所述直流线缆的正母线或者负母线获得的电流;所述第二电流为采样所述逆变器的直流端口侧的所有直流线缆获得的电流。
  12. 根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数之后,所述方法还包括:
    当确定所述相关系数小于预设系数阈值时,执行对所述第一电流进行电弧分析。
  13. 一种直流电弧检测装置,其特征在于,包括电弧故障处理模块,与所述处理单元连接的第一采样模块和第二采样模块;
    所述第一采样模块设置在被检测的与光伏电池系统的光伏电池板连接的直流线缆处,用于对所述直流线缆采样得到第一电流;所述第二采样模块设置在所述光伏电池系统的逆变器的直流端口侧的直流线缆处或所述逆变器的交流端口侧的交流线缆处,用于对所述逆变器的直流端口侧的直流线缆处或所述逆变器的交流端口侧的交流线缆采样获取第二电流;
    所述电弧故障处理模块接收所述第一电流和所述第二电流后,根据所述第一电流获取所述第一电流的频域分量,还用于根据所述第二电流获取所述第二电流的频域分量,并计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数;所述频域分量为 电流在频域上出现在预设频段内的频率值,所述相关系数反映所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间相关关系密切程度;
    当所述电弧故障处理模块确定所述第一电流满足电弧存在条件且所述相关系数大于或等于预设系数阈值时,所述电弧故障处理模块不发出直流电电弧故障警告。
  14. 根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述第一采样模块为直流线缆电流采样模块,所述直流线缆电流采样模块对所述直流线缆的正母线或者负母线采样获得直流输入电流;所述第二采样模块为共模电流采样模块,当所述共模电流采样设置所述逆变器的直流端口侧的直流线缆处时,所述共模电流采样模块对所有直流线缆采样获得直流共模电流;当所述共模电流采样设置所述逆变器的交流端口侧的交流线缆处时,所述共模电流采样模块对所有交流线缆采样获得交流共模电流。
  15. 根据权利要求14所述的装置,其特征在于,所述直流线缆电流采样模块包括第一采样线圈和第一采样控制单元,所述第一采样线圈内穿有所述直流线缆的正母线或者负母线,所述采样控制单元用于将所述第一采样线圈采样的电流转化为所述的直流输入电流。
  16. 根据权利要求14或15所述的装置,其特征在于,所述共模电流采样模块包括第二采样线圈和第二采样控制单元,当所述共模电流采样模块对所述直流线缆采样时,所述第二采样线圈内穿有所有直流线缆;当所述共模电流采样模块对所述交流线缆采样时,所述第二采样线圈内穿有所有交流线缆。
  17. 根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述电弧故障处理模块确定所述第一电流满足电弧存在条件包括:
    通过对所述第一电流进行频域分解得到第一频率范围,所述第一频率范围为电弧噪声所在频段;
    计算所述第一频率范围内的电流频率值的标准差;
    获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N,当所述N大于第二阈值次时,确定所述第一电流满足电弧存在条件,N为大于或等于零的整数。
  18. 根据权利要求17所述的装置,其特征在于,所述电弧故障处理模块获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N包括:
    通过滑动窗口计数获取预设时间段内所述标准差大于第一阈值的次数N。
  19. 根据权利要求13所述的装置,其特征在于,所述电弧故障处理模块计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量之间的相关系数包括:
    分别计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的标准差;
    计算所述第一电流的频域分量和所述第二电流的频域分量的协方差;
    根据所述标准差和所述协方差计算所述相关系数。
  20. 根据权利要求19所述的装置,其特征在于,所述第一电流x的频域分量的标准差s x通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100005
    其中,n为所述第一电流的频域分量的采样次数;
    所述第二电流y的频域分量的标准差s y通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100006
    其中,n为所述第二电流的频域分量的采样次数;所述一电流和所述第二电流的频域分量的协方差s xy通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100007
    所述相关系数r xy通过如下公式计算:
    Figure PCTCN2017120040-appb-100008
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