多串电弧故障检测装置的改进的噪声传播抗扰性的制作方法
【专利说明】多串电弧故障检测装置的改进的噪声传播抗扰性
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请是2013年3月15日提交的、标题为“HOME RUN ARC DETECT1N ATTHE PHOTOVOLTAIC STRING LEVEL USING MULTIPLE CURRENT SENSORS” 的美国专利申请13/836,345的部分继续申请(CIP)，该美国专利申请13/836，345是2012年11月16日提交的、标题为“SYSTEMS AND METHODS OF DISCRIMINATING DC ARCS AND LOAD SWITCHINGNOISE”的美国专利申请13/679，039的CIP0
技术领域
[0003]本申请通常涉及检测电气电路中的电弧，更具体地涉及改进用于具有多个光伏(PV)串的PV系统中的电弧故障检测装置中的噪声传播抗扰性的系统和方法。
【背景技术】
[0004]近年来，诸如光伏(PV)系统的直流电力系统已经逐渐地应用于范围从为电池充电到为交流电流(AC)电网提供电力的家庭和工业应用中。这种PV系统可以包括串联连接以形成一个或者多个PV串的多个PV模块(例如，太阳能板)。多个PV串可以并联连接，并且通过用于最终驱动充电器或者逆变器负载的汇线箱路由。在典型PV系统中，每个PV模块可以被配置为以50Vdc生成高达大约10安培的电流输出，并且根据PV串上连接的PV模块数量，每个PV串可以被配置为产生高达大约100Vdc或者更高的电压输出。此外，并联连接的PV串可以被配置为提升典型PV系统的总电流输出直至大约200安培或者更大。
[0005]由于诸如上述PV系统的直流电力系统可以被配置为生成相对高的电流和电压输出，因此需要检测这种电力系统中电弧的系统和方法。例如，在典型PV系统中，其中电流输出和电压输出可以分别为200安培和100Vdc的量级，可能通过断开PV电力电缆产生串联电弧，可能由于使PV电力电缆短路而产生并联电弧，并且可能由于将PV电力电缆短接至接地而产生接地故障电弧。然而，迄今为止，检测电力系统中电弧的已知系统和方法通常没有能力以高水平的可靠性将串联电弧、并联电弧、接地故障电弧等等与由充电器负载、逆变器负载、直流-直流负载开关、直流-交流负载开关、直流断开开关、射频(RF)拾波器、直流电力线路通信等等生成的噪声区分开。
【发明内容】
[0006]根据本申请，公开了检测直流电力系统中电弧的系统和方法，其可以提供改进的噪声传播抗扰性。一个用于检测直流电力系统中电弧的这种系统包括分别操作监控至少两个电流输出的至少两个电流传感器，该至少两个电流输出通过家庭运行电缆或者任何其它合适的布线运行提供。至少两个电流传感器具有相反的极性(例如，〃北〃和“南”极)，并且并联、串联或者并联/串联互连的任何合适组合地配置和布置以提供组合电流输出信号。系统还包括整流器、滤波器、比较器、脉冲积分器和处理器。至少两个电流传感器分别操作监控直流电力系统的至少两个电流输出，该直流电力系统可以是光伏(PV)系统。至少两个电流输出可以被提供用于由相应电流传感器通过分别与PV系统内的至少两个相邻PV串相对应的至少两个导体监控。如果电弧发生在与PV串中的第一个(“第一 PV串”)相对应的导体上的位置处，那么具有如同第一 PV串上的电弧的电弧电流特征的电弧(例如，串联电弧)可以发生在与邻近第一PV串的至少一个PV串相对应的导体上的位置处。可以在与相邻PV串相对应的导体上发生的这种电弧在此也称为“相邻导体串扰”。系统被配置为有效地消除光伏(PV)系统内的这种相邻导体串扰，从而按照PV串水平提高用于检测电弧的电弧故障检测装置的性能。系统还可以提供这种具有对逆变器负载噪声改进的抗扰性的电弧故障检测装置。
[0007]在公开的系统内，由相应电流传感器提供的组合电流输出信号可以包括表示一个或者多个重大di/dt事件的高频交流电流信息，该高频交流电流信息可以潜在地指示一个或者多个电弧事件。整流器2从电流传感器2接收包括交流电流信息的组合电流输出信号，并且向用于后续滤波的滤波器提供组合电流输出信号的整流形式。注意，可以可选地在整流之前对包括交流电流信息的组合电流输出信号进行滤波。比较器接收滤过的信号，并且响应于潜在电弧事件，生成一个或者多个脉冲。脉冲积分器从比较器接收脉冲，并且生成指示各个脉冲的持续时间的输出。处理器还从比较器接收脉冲，并且在多个预定预定时间间隔内确定每个预定时间间隔的脉冲计数(PC)，该脉冲计数可以与潜在电弧事件的数量相对应。处理器还接收由脉冲积分器生成的输出，并且在相应预定时间间隔内确定每个预定时间间隔的脉冲持续时间(ro)，该脉冲持续时间可以与各个潜在电弧事件的强度相对应。处理器接着使用一个或者多个电弧故障检测算法处理PC和ro以更好地将直流电弧与负载开关噪声区分开。在一个方面中，处理器在每个预定时间间隔的结尾处计算两个变量的值，即，平均脉冲计数(APC)和平均脉冲持续时间波动(APDF)。例如，处理器可以在每个预定时间间隔结尾处通过取最近时间间隔的ro与在最近时间间隔之前的一个、两个或者更多个时间间隔出现的时间间隔的ro之间差的绝对值计算脉冲持续时间波动(PDF)。处理器在每个时间间隔的结尾处还确定比率APDF/APC是否超过第一指定阈值。如果在各个时间间隔的结尾处比率APDF/APC超过第一指定阈值，那么该时间间隔被认为是可能已经发生实际电弧事件的间隔。例如，如果在各个时间间隔期间处理器确定比率APDF/APC超过第一指定阈值，那么它可以生成“I”的输出或者任何其它合适的输出。否则，处理器可以生成“O”的输出或者任何其它合适的输出。处理器算出多个时间间隔内生成的输出(I或者O)的平均值，并且如果相应输出的平均值超过第二指定阈值，那么认为可能发生了实际电弧，并且处理器生成指示这种电弧的另一个输出。以这种方法，处理器可以评估多个时间间隔内的HF，并且如果它确定多个时间间隔内的PDF很高，那么处理器可以生成指示可能发生了实际电弧的输出。
[0008]在另一个方面中，处理器在每个预定时间间隔的结尾处计算三个变量的值，即，APC、APDF和平均脉冲持续时间调制(APDM)。例如，处理器可以在多个预定时间间隔内通过在每个预定时间间隔期间，间隔预定时间间隔的四分之一取四个ro测量值ro1、PD2, PD3,PD4以及在每个预定时间间隔结尾处计算APDM或者通过任何其它合适技术计算APDM，如下，
[0009]APDM = IAPD1+APD2 - APD3 - APD4| +1APDl - APD2 - APD3+APD4
[0010]其中“APD1”是“roi”测量值的平均值，“APD2”是“PD2”测量值的平均值，“APD3”是“PD3”测量值的平均值，以及“APD4”是“PD4”测量值的平均值。处理器在每个时间间隔结尾处还确定比率APDF/APC是否超过第一指定阈值C，以及比率APDF/APDM是否超过第二指定阈值C。如果在各个时间间隔结尾处确定比率APDF/APC超过第一指定阈值，以及比率APDF/APDM超过第二指定阈值，那么该时间间隔被认为是可能已经发生实际电弧事件的间隔。例如，如果在各个时间间隔期间处理器确定比率APDF/APC超过第一指定阈值，并且比率APDF/APDM超过第二指定阈值，那么它可以生成“I”的输出或者任何其它合适的输出；否贝1J，处理器2可以生成“O”的输出或者任何其它合适的输出。处理器算出多个时间间隔内生成的输出(I或者O)的平均值，并且如果相应输出的平均值超过第三指定阈值，那么认为可能发生了实际电弧，并且处理器生成指示这种电弧的另一个输出。以这种方法，处理器可以更可靠地将实际电弧与诸如并网逆变器负载的非常嘈杂的负载区分开。
[0011]在另外的方面中，处理器在每个预定时间间隔的结尾处计算五个变量的值，即，APC、APDF、APDM、平均脉冲持续时间(APD)以及平均脉冲计数波动(APCF)。例如，处理器可以通过取最近时间间隔的PC与在最近时间间隔之前的一个、两个或者更多个间隔出现的时间间隔的PC之间差的绝对值或者通过任何其它合适技术计算APCF。处理器在每个时间间隔结尾处还确定比率APDF/APC是否超过第一指定阈值，比率APDF/APDM是否超过第二指定阈值，比率APCF/APC是否超过第三指定阈值，比率APDF/APD是否超过第四指定阈值，APC是否超过第五指定阈值，以及APD是否超过第六指定阈值。如果在各个时间间隔结尾处确定比率APDF/APC超过第一指定阈值，比率APDF/APDM超过第二指定阈值，比率APCF/APC超过第三指定阈值，比率APDF/APD超过第四指定阈值，APC超过第五指定阈值，APD超过第六指定阈值，那么该时间间隔被认为是可能已经发生实际电弧事件的间隔。因此，处理器可以生成“I”的输出或者任何其它合适的输出；否则，处理器可以生成"0〃的输出或者任何其它合适的输出。处理器算出多个时间间隔内生成的输出(I或者O)的平均值，并且如果相应输出的平均值超过第七指定阈值，那么认为可能发生了实际电弧，并且处理器生成指示这种电弧的另一个输出。以这种方法，可以保证在直流电力系统中存在指示电弧对负载噪声的某个最小水平的标准化平均波动。
[0012]通过在多个预定时间间隔内确定至少每个预定时间间隔的脉冲计数(PC)，以及每个预定时间间隔的脉冲持续时间(ro)，其中Pc和ro可以分别与直流电力系统中潜在电弧事件的数量和强度相对应，然后使用一个或者多个电弧故障检测算法处理Pc和ro，所公开的检测直流电力系统中电弧的系统和方法可以以增强的可靠性将直流电弧与负载开关噪声区分开。
[0013]通过下述详细描述，本发明的其它特征、功能和方面将变得显而易见。
【附图说明】
[0014]附图被并入并且构成本说明书的一部分，其图示了此处描述的一个或者多个实施例并且与详细说明一起解释这些实施例。在附图中:
[0015]图1a图示了典型光伏(PV)系统的框图；
[0016]图1b图不了图1a的PV系统，进一步地指不各种类型电弧的可能位置；
[0017]图1c图示了图1a的PV系统，进一步地指示了用于检测图1b中指示的各种类型电弧的电弧故障检测器的可能位置；
[0018]图2图示了根据本申请用于检测直流电力系统中电弧的示例性系统的框图；
[0019]图3a图示了使用图2的系统检测直流电力系统中电弧的第一示例性方法的流程图；
[0020]图3b图示了使用图2