基于实时测量多频段频率分量占比判断直流电弧故障的方法

摘要

本发明涉及基于实时测量多频段频率分量占比判断直流电弧故障的方法。随着光伏发电的大规模应用，特别是光伏电池板在建筑物屋顶和外墙的广泛应用，多地多处发生了由于光伏发电系统所导致的火灾。通过分析发现，这类火灾基本是由光伏发电系统的直流电弧故障引起的，因此检测和隔离引发设备损坏及火灾隐患的直流电弧故障就成为必须解决的问题，但由于光伏系统直流电弧故障的特殊性，常规的基于故障波形的电弧故障检测原理并不适用于光伏系统直流电弧故障。本发明的核心思想是基于故障电弧引发火灾危害的本质是由于电弧中蕴含能量过大，通过检测电压电流波形中的多个频率段的频谱分量能量占总频谱的能源比这一方法，可不受系统中其他噪音影响，快速可靠的检测出可能引发火灾的直流电弧故障，确保光伏系统的安全。

说明书

技术领域

本发明属光伏电气故障检测技术领域，更准确地说本发明涉及一种基于实 时测量电压电流中多个频段的频率分量占比，判断光伏系统中是否发生了直流 电弧故障的方法。

背景技术

电弧故障保护并不是一个新的事物，研究发现在没有过电流发生的情况下 由小电流引起的故障电弧也有足够的能量引发打火从而引起火灾，从二十世纪 九十年代开始，在北美，交流系统中配备电弧故障保护器成为一个安全性的强 制性标准。随着光伏发电的大规模应用，特别是光伏电池板在建筑物屋顶和外 墙的广泛应用，多地多处发生了由于光伏发电系统所导致的火灾。通过分析发 现，这类火灾基本是由光伏发电系统的直流电弧故障引起的，因此检测和隔离 引发设备损坏及火灾隐患的直流电弧故障就成为必须解决的问题。但以往的电 弧故障保护器应用在光伏系统中，有两个方面是不一致的：第一、这种电弧故 障是由直流引发的；第二、这种电弧故障产生地点可能在远端，距离电弧检测 设备安装位置之间可能隔有正常发电的光伏电池板。这两方面的因素导致常规 的交流电弧故障保护器并不能应用在这种场合，必须研制一种新型的直流电弧 故障保护设备以满足光伏系统的需要。目前常规的电弧故障检测原理是根据对 负载电流和电压的模数转换采样，在短时间内检测出电弧的产生，之后根据当 时电压和电流的关系，采用傅立叶变换法则，得到负载的相位角状态，进而获 得负载类型，并与已知的绝大多数负载电弧特征曲线与电弧特征比较，同时采 用自学习方式，实时更新运行状态产生的正常电弧，并与之比较，进行判断得 出结论，确定是负载运转所产生的正常电弧还是负载在非正常状态所产生的故 障电弧。这种方式运用在交流低压系统中还是具有可行性的，但在光伏直流系 统中，由于光伏发电特性是随时间和环境不可预测变化的；各类逆变器干扰波 形也是不同且随负载变化；电弧故障发生地点和检测点之间还有不等数量的发 电光伏板间隔，造成故障电弧波形的畸变也是不可预测变化的，因此前述的与 已知故障特性比较和自学习两种模式都不适用于光伏发电系统中的直流电弧故 障检测。

本发明通过研究故障电弧的本质，检测电压电流波形中的多个频率段的频 谱分量能量占总频谱的能源比这一方法，创新性的开拓了一种新的直流电弧故 障检测方法，可快速可靠的检测出可能引发火灾的直流电弧故障，确保光伏系 统的安全。

发明内容

本发明目的是：通过检测电压电流波形中的多频率段的频谱分量能量占总 频谱的能量比，确认系统中是否产生了可能引发火灾的直流电弧故障，确保光 伏系统的安全运行，防止故障电弧引起的火灾发生。

电弧故障可能引发火灾的原因是在于其电弧中蕴含能量比较大，从电弧波 形中分析，其主要能量分布在一个或多个较宽的频率带中。因此本发明通过检 测光伏发电系统中的直流分量与其他高次频谱的能量比率关系来作为区分直流 电弧故障的主要依据。

本发明采用以下的技术方案来实现，包括下述步骤：

1)实时采集电压值和电流值，并通过1Hz低通数字滤波得到电压直流分量 U_DC和电流直流分量I_DC；通过1Hz高通数字滤波得到其他频率分量的噪音电压 U_HY与噪音电流I_HY。

2)实时计算直流分量功率S_DC＝U_DC*I_DC及其他频谱功率S_HY＝U_HY*I_HY。

3)实时计算电弧功率比系数K_arc＝S_HY/S_DC，当K_arc小于预先设定的定值 K_Normal，则判断此时光伏系统处于正常状态，返回到步骤1)；如果K_arc大于预先 设定的定值K_Normal，则判断此时光伏系统处于电弧故障检测状态，转向步骤4)， 并保存此时的S_DC为S_DCNormal。

4)当光伏系统处于电弧故障检测状态时，每5kHz设一个数字带通滤波器， 左右带宽各为2.5kHz，实时计算1-1MHz频率范围内的各频率段的电压值和电 流值，并根据功率计算公式S＝U*I，得到有功功率值S_HY1，S_HY2，...S_HY200，并 计算得到每个频段功率值与正常状态下直流功率值比K_HY1＝S_HY1/S_DCNormal，K _HY2＝S_HY2/S_DCNormal，...K_HY200＝S_HY200/S_DCNormal。

5)设定值K_string＝1+N_string/100，N_string为一串光伏阵列板中的光伏板总数量(一 般为10至21个)；计算浮动门槛值K_ARC＝K_string*(K_HY1+K_HY2+...+K_HY200)/200。

6)实时判断K_HY1，K_HY2，...K_HY200是否大于浮动门槛值K_ARC，当判断出 有K_HYi(i为1至200)大于K_ARC时，对该频段的S_HYi(i为1至200)进行时间累计， 获得该频段在T_ARC时间段内的超过浮动门槛值K_ARC的能量值W_ARCi(i为1至 200)，其中T_ARC为从步骤3判断出的非正常状态开始累计时间，最长到2000ms， 超过2000ms如果还没有进入步骤1正常状态或判断出电弧故障(步骤9)，则 T_ARC按时间反向递减至0，2000ms前S_HYi(i为1至200)累计的并计入W_ARCi(i 为1至200)的功率值依次减去。

7)根据S_DCNormal，虚拟计算得到在T_ARC时间内的累计的能量 W_DCNormal＝S_DCNormal*T_ARC。

8)实时判断K_HY1，K_HY2，...K_HY200中大于K_ARC的频段数，当等于或超过 5个时，即累加所有W_ARCi(i为1至200)，得到W_ARCSum＝∑W_ARCi，转向步骤9)； 如果大于K_ARC的频段数不到5个时，则转向步骤4)。

9)实时判断W_ARCSum是否大于W_ARCJUDGE＝K_kk*N_string/100*W_DCNormal，其中 K_kk为事前设定的判断电弧故障的可靠性系数，一般为0.8，当W_ARCSum大于 W_ARCJUDGE时，判断光伏系统发生了直流电弧故障，否则没有发生电弧故障，转 到步骤4)。

本发明中，披露了一种实现光伏系统中直流电弧故障的检测方法，该方法 基于能量守恒原理，通过计算光伏系统中高次频率频谱能量，以及与正常光伏 系统同时间内的发电能量之间比值关系，当高次频率频谱能量超过正常发电能 量一定比例时，认为光伏系统中发生了可能引发火灾的直流电弧故障。其中上 述步骤中低通/高通/带通数字滤波器的算法是已经成熟的工程应用算法，不在此 描述。

3、有益效果

该方法突破了传统的，利用电压电流波形拟合检测电弧故障的思路，从电 弧危害的能量本质上考虑检测算法，通过计算电弧故障能量占光伏正常发电能 量的比例关系，当电弧故障能量占比过大时，即可确认光伏系统中发生了有危 害的电弧故障。该方法原理简单，算法可靠，避免了直接从电压电流波形中检 测电弧故障的种种不确定因素。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明方法进行详细描述。

图1中步骤1描述的是通过数字滤波器，获得的电压直流分量U_DC和电流 直流分量I_DC及高次频率分量的电压U_HY与电流I_HY。

图1中步骤2描述的实时计算直流分量功率S_DC＝U_DC*I_DC及其他频谱功率 S_HY＝U_HY*I_HY。

图1中步骤3描述的实时计算电弧功率比系数K_arc＝S_HY/S_DC，当K_arc小于预 先设定的定值K_Normal，则判断此时光伏系统处于正常状态，返回到步骤1)；如 果K_arc大于预先设定的定值K_Normal，则判断此时光伏系统处于电弧故障检测状 态，转向步骤4)，并保存此时的S_DC为S_DCNormal。

图1中步骤4描述的当光伏系统处于电弧故障检测状态时，每5kHz设一个 数字带通滤波器，左右带宽各为2.5kHz，实时计算1-1MHz频率范围内的各频 率段的电压值和电流值，并根据功率计算公式S＝U*I，得到有功功率值S_HY1， S_HY2，...S_HY200，并计算得到每个频段功率值与正常状态下直流功率值比 K_HY1＝S_HY1/S_DCNormal，K_HY2＝S_HY2/S_DCNormal，...K_HY200＝S_HY200/S_DCNormal。

图1中步骤5描述的设定值K_string＝1+N_string/100，N_string为一串光伏阵列板中 的光伏板总数量(一般为10至21个)；并计算浮动门槛值K_ARC＝K_string*(K_HY1+ K_HY2+...+K_HY200)/200。

图1中步骤6描述的是实时判断K_HY1，K_HY2，...K_HY200是否大于浮动门槛 值K_ARC，当判断出有K_HYi(i为1至200)大于K_ARC时，对该频段的S_HYi(i为1至 200)进行时间累计，获得该频段在T_ARC时间段内的超过浮动门槛值K_ARC的能量 值W_ARCi(i为1至200)，其中T_ARC为从步骤3判断出的非正常状态开始累计时 间，最长到2000ms，超过2000ms如果还没有进入步骤1正常状态或判断出电 弧故障(步骤9)，则T_ARC按时间反向递减至0，2000ms前S_HYi(i为1至200) 累计的并计入W_ARCi(i为1至200)的功率值依次减去。

图1中步骤7描述的根据S_DCNormal，虚拟计算得到在T_ARC时间内的累计的 能量W_DCNormal＝S_DCNormal*T_ARC。

图1中步骤8描述的实时判断K_HY1，K_HY2，...K_HY200中大于K_ARC的频段数， 当等于或超过5个时，即累加所有W_ARCi(i为1200)，得到W_ARCSum＝∑W_ARCi， 转向步骤9)；如果大于K_ARC的频段数不到5个时，则转向步骤4)。

图1中步骤9描述的实时判断W_ARCSum是否大于 W_ARCJUDGE＝K_kk*N_string/100*W_DCNormal，其中K_kk为事前设定的判断电弧故障的可靠 性系数，一般为0.8，当W_ARCSum大于W_ARCJUDGE时，判断光伏系统发生了直流 电弧故障，否则没有发生电弧故障，转到步骤4)。