主动式光伏组串电弧故障检测方法及系统与流程

本发明涉及电弧故障检测技术领域，具体地，涉及一种主动式光伏组串电弧故障检测方法及系统。

背景技术：

近年来，随着我国环境保护要求力度的提升、可再生能源发电技术进步，清洁能源利用规模得以加大、发展迅速。例如，截至2019年，我国光伏发电累计装机容量已达到204gw，处于世界第一位。但是，由于光伏组串电弧故障，造成光伏电站火灾事故频发，造成巨大经济损失，且人身安全隐患严重，已为业界所关注。目前，针对光伏组串电弧故障检测技术主要有两种：一是基于电弧发展过程中相关的声、光、热等物理性质变化的检测方法；二是基于电弧电信号的时频检测方法。

然而，这些技术仍然存在着许多问题。前一种方法，即基于声、光、热等物理性质变化的检测方法，其缺陷在于所采用的传感器一般成本均较高，同时，易受环境中声、光、热等因素的影响，不易区别是否因光伏组串电弧故障所产生的，引起误判。后一种方法基于检测电弧电信号的时频信号，该方法稳定，能直接从电信号中判别电弧是否发生，但是，依赖单一时域或频域判据，检出率低、误判率高，而混合时频判据尚不成熟。与此同时，电弧信号特征还不可避免地会受到外界条件，诸如逆变器噪声、不同工况等的影响，引起误判。

专利文献cn107181460a公开了一种用db6小波进行4层变换的算法来减小逆变器开关频率的干扰，从而降低误判率；专利文献cn104601105a公开了一种非正常光照条件下光伏系统故障电弧检测方法；《光伏系统直流电弧故障特征及检测方法研究》(牟龙华，王伊健，蒋伟，等，中国电机工程学报，2016，36(19)：5236-5244)公开了一种结合3种有效的时频域判据优势的混合判断方法，同时考虑了不同电压、功率和负载电流对检测的影响；《光伏系统直流串联故障电弧特征及识别技术研究》一文中(季淑洁，辽宁工程技术大学，2017)将时域和频域分析相结合,研究光伏系统串联电弧故障问题，基于光伏系统正常运行和发生串联故障电弧时电流峰峰值和电流平均值的特征差异,分析电流时域特征在串联故障电弧识别方面的可行性，结论为光伏系统发生串联故障电弧时电流三层小波分解低频系数标准差和高频系数标准差较正常状态有所升高。这些发明均关注如何增强对于某种特定外部条件的适应性，如克服逆变器噪声等对检测结果的影响。但是，无法适应多个环境因素共同作用的情况，在涉及多种影响因素变化时不能保证具有较高可靠性。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种主动式光伏组串电弧故障检测方法及系统。

根据本发明提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测方法，包括：主动注入信号步骤：主动产生高频信号，通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号；电流信号采集步骤：在光伏组串侧的直流母线上测量电流信号并记录，获取光伏组串侧直流母线上电流信号信息；电弧故障判断步骤：根据光伏组串侧直流母线上电流信号信息，进行小波变换处理，分析小波变换处理后信号特征，将小波变换处理后信号特征与输入高频信号比较，判断光伏组串是否发生电弧故障，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

优选地，所述主动注入信号步骤：第一频段设置步骤：由信号发生器产生高频信号，设置信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～10v；所述信号发生器产生高频信号采用正弦波。

优选地，所述主动注入信号步骤：第二频段设置步骤：将线圈耦合到光伏组串侧的高频信号，使得线圈耦合到光伏组串侧的高频信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～2v；所述线圈耦合到光伏组串侧的高频信号采用正弦波。

优选地，电流信号采集步骤：电流信号测量步骤：在光伏组串侧直流母线上测量电流信号，并记录所用的采样频率，电流信号经电流信号放大单元、a/d转换单元处理之后被记录存储；其中，所述采样频率大于或者等于200khz。

优选地，所述电弧故障判断步骤包括：判断光伏组串是否发生电弧故障；若是，则获取电弧故障发生信息；若否，则获取电弧故障未发生信息；根据电弧故障发生信息、电弧故障未发生信息，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

根据本发明提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测系统，包括：主动注入信号模块：主动产生高频信号，通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号；电流信号采集模块：在光伏组串侧的直流母线上测量电流信号并记录，获取光伏组串侧直流母线上电流信号信息；电弧故障判断模块：根据光伏组串侧直流母线上电流信号信息，进行小波变换处理，分析小波变换处理后信号特征，将小波变换处理后信号特征与输入高频信号比较，判断光伏组串是否发生电弧故障，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

优选地，所述主动注入信号模块：第一频段设置模块：由信号发生器产生高频信号，设置信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～10v；所述信号发生器产生高频信号采用正弦波。

优选地，所述主动注入信号模块：第二频段设置模块：将线圈耦合到光伏组串侧的高频信号，使得线圈耦合到光伏组串侧的高频信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～2v；所述线圈耦合到光伏组串侧的高频信号采用正弦波。

优选地，电流信号采集模块：电流信号测量模块：在光伏组串侧直流母线上测量电流信号，并记录所用的采样频率，电流信号经电流信号放大单元、a/d转换单元处理之后被记录存储；其中，所述采样频率大于或者等于200khz。

优选地，所述电弧故障判断模块包括：判断光伏组串是否发生电弧故障；若是，则获取电弧故障发生信息；若否，则获取电弧故障未发生信息；根据电弧故障发生信息、电弧故障未发生信息，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用主动检测的方式，对电路回路的特性改变比较敏感，相比于被动方式，其抗干扰性较强，同时也更加准确；

2、本发明在判断故障时采用比较判别的方式，可有效降低检测装置的误判率；

3、本发明在光伏组串侧进行检测，从根本上解决了逆变器噪声、不同运行工况对检测的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中的主动式光伏组串电弧故障检测流程示意图。

图2为本发明实施例中的主动式光伏组串电弧故障检测系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-2所示，根据本发明提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测方法，包括：主动注入信号步骤：主动产生高频信号，通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号；电流信号采集步骤：在光伏组串侧的直流母线上测量电流信号并记录，获取光伏组串侧直流母线上电流信号信息；电弧故障判断步骤：根据光伏组串侧直流母线上电流信号信息，进行小波变换处理，分析小波变换处理后信号特征，将小波变换处理后信号特征与输入高频信号比较，判断光伏组串是否发生电弧故障，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

本发明采用主动式检测方法，对电路回路特性的改变比较敏感。相比于被动方式，其抗干扰性和环境适应性更强。

本发明通过注入一定特征的高频信号，耦合到光伏组串侧的高频信号频段为10khz～100khz、幅值为0～2v的正弦波，适用于电弧检测；在故障判断方法上，采用比较判别的方式，即比较输入信号与输出信号的特征差异，而非固定阈值的方式，有效降低了检测装置的误判率；采用在光伏组串侧进行检测方式，有效抑制逆变器噪声的影响。

优选地，所述主动注入信号步骤：第一频段设置步骤：由信号发生器产生高频信号，设置信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～10v；所述信号发生器产生高频信号采用正弦波。

优选地，所述主动注入信号步骤：第二频段设置步骤：将线圈耦合到光伏组串侧的高频信号，使得线圈耦合到光伏组串侧的高频信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～2v；所述线圈耦合到光伏组串侧的高频信号采用正弦波。

优选地，电流信号采集步骤：电流信号测量步骤：在光伏组串侧直流母线上测量电流信号，并记录所用的采样频率，电流信号经电流信号放大单元、a/d转换单元处理之后被记录存储；其中，所述采样频率大于或者等于200khz。

优选地，所述电弧故障判断步骤包括：判断光伏组串是否发生电弧故障；若是，则获取电弧故障发生信息；若否，则获取电弧故障未发生信息；根据电弧故障发生信息、电弧故障未发生信息，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

根据本发明提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测系统，包括：主动注入信号模块：主动产生高频信号，通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号；电流信号采集模块：在光伏组串侧的直流母线上测量电流信号并记录，获取光伏组串侧直流母线上电流信号信息；电弧故障判断模块：根据光伏组串侧直流母线上电流信号信息，进行小波变换处理，分析小波变换处理后信号特征，将小波变换处理后信号特征与输入高频信号比较，判断光伏组串是否发生电弧故障，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

优选地，所述主动注入信号模块：第一频段设置模块：由信号发生器产生高频信号，设置信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～10v；所述信号发生器产生高频信号采用正弦波。

优选地，所述主动注入信号模块：第二频段设置模块：将线圈耦合到光伏组串侧的高频信号，使得线圈耦合到光伏组串侧的高频信号的频段为10khz～100khz、幅值为0～2v；所述线圈耦合到光伏组串侧的高频信号采用正弦波。

优选地，电流信号采集模块：电流信号测量模块：在光伏组串侧直流母线上测量电流信号，并记录所用的采样频率，电流信号经电流信号放大单元、a/d转换单元处理之后被记录存储；其中，所述采样频率大于或者等于200khz。

优选地，所述电弧故障判断模块包括：判断光伏组串是否发生电弧故障；若是，则获取电弧故障发生信息；若否，则获取电弧故障未发生信息；根据电弧故障发生信息、电弧故障未发生信息，获取主动式光伏组串电弧故障检测结果信息。

具体地，在一个实施例中，一种主动式光伏组串电弧故障检测方法，包括如下步骤：主动注入信号步骤：产生高频信号，通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号；

电流信号采集步骤：在光伏组串侧直流母线上采样测量电流信号并记录；

电弧故障判断步骤：根据记录的光伏组串侧直流母线上的电流信号进行小波变换，分析处理其特征，与输入高频信号比较，判断光伏组串是否发生电弧故障；

所述电弧故障判断步骤包括：

所述电弧故障判断步骤详细为：

步骤s1、系统初始化；

步骤s2、将原始电流数据截取为4096个数据长度的电流信号；

步骤s3、对截取的原始数据进行小波变换，分析计算各频段的能量ei。进行归一化处理，即ei＝ei/∑ei。

步骤s4、无电弧故障时各频段的能量分布稳定。计算各频段的能量分布范围：根据预设值kmin和kmax计算无电弧故障时各频段的能量分布范围。所述预设值kmin给出下界和kmax给出上界。

步骤s5、与输入的高频信号比较，若选取的特征频段的能量偏离预设值，则判断发生电弧故障，进入步骤s6，所述预设值依据输入高频信号而定。若选取的特征频段的能量分布偏离上一时间段的稳定值，则判断发生电弧故障，进入步骤s6。

步骤s6、发出故障信号。

优选地，所述高频信号为频段为10khz～100khz、幅值为0～10v的正弦波；耦合到光伏组串侧的高频信号为频段为10khz～100khz、幅值为0～2v的正弦波。

优选地，所述电流信号采集步骤包括电流信号测量、电流信号放大、a/d转换和记录存储。其采样频率至少为200khz。

根据本发明提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测系统，包括：主动注入信号单元、电流信号采集单元和电弧故障判断单元，其中：

所述主动注入信号单元用于向光伏组串主动输出高频信号；

所述电流信号采集单元用于在光伏组串侧的直流母线上测量电流信号并记录；

所述电弧故障判断单元根据记录的电流信号进行小波变换，与输入的高频信号比较，用于判断光伏电弧故障是否发生，若是则发出故障信号。

优选地，所述主动注入信号单元包括信号发生器、耦合线圈和单片机。单片机控制信号发生器通过线圈耦合的方式主动在光伏组串侧输出高频信号并记录。

优选地，所述信号发生器产生的高频信号频段为10khz～100khz、幅值为0～10v的正弦波；耦合到光伏组串侧的高频信号为频段为10khz～100khz、幅值为0～2v的正弦波。

优选地，所述电弧故障检测单元包括罗氏线圈、电流信号放大模块、a/d转换模块和存储模块。

优选地，所述电弧故障判断单元包括处理器。处理器将采集到的电流信号进行处理，判断光伏组串是否发生电弧故障，若是则发送故障信号。

具体地，在一个实施例中，如图1所示，根据本发明所提供的一种主动式光伏组串电弧故障检测方法，包括：

主动注入信号步骤：主动注入信号模块通过线圈耦合的方式在光伏组串侧主动输出高频信号，并记录所注入的高频信号的信。信号模块产生的高频信号频率为10khz～100khz、幅值为0～10v的正弦波。注入到光伏组串侧的高频信号频率为10khz～100khz、幅值为0～2v的正弦波。

电流信号采集步骤：电流信号采集模块采集光伏直流母线上的电流信号，先测量电流，再通过电流信号放大模块放大、a/d转换模块转换之后被记录存储。

电弧故障判断步骤：电弧故障判断模块依据电流信号采集模块记录的数据进行处理，与注入的高频信号特征进行比较，判断光伏组串是否发生电弧故障，若是则发送故障信号。

如果光伏组串没有出现电弧故障，测量得到的输出电流信号中高频信号就会稳定不变，其特征也会稳定不变。因此，无电弧故障是输出信号表现在一是与输入高频信号的特征差异稳定不变，二是自身的特征保持稳定。

所述电弧故障判断步骤详细为：

步骤s1、系统初始化；

步骤s2、将原始电流数据截取为4096个数据长度的电流信号；

步骤s3、对截取的原始数据进行小波变换，分析计算各频段的能量ei。进行归一化处理，即ei＝ei/∑ei。

步骤s4、无电弧故障时各频段的能量分布稳定。计算各频段的能量分布范围：根据预设值kmin和kmax计算无电弧故障时各频段的能量分布范围。所述预设值kmin给出下界和kmax给出上界。

步骤s5、与输入的高频信号比较，若选取的特征频段的能量偏离预设值，则判断发生电弧故障，进入步骤s6，所述预设值依据输入高频信号而定。若选取的特征频段的能量分布偏离上一时间段的稳定值，则判断发生电弧故障，进入步骤s6。

步骤s6、发出故障信号。

如图2所示，根据本发明所提供的主动式光伏组串电弧故障检测系统，包括：

主动注入信号单元、电流信号采集单元和电弧故障判断单元。主动注入信号单元由单片机所控制，信号发生器产生的高频信号频率为10khz～100khz、幅值为0～10v的正弦波。通过线圈耦合的方式注入到光伏组串侧的高频信号频率为10khz～100khz、幅值为0～2v的正弦波。单片机记录信号发生器产生的高频信号的信息。

电流信号采集单元包括罗氏线圈、电流信号放大模块、a/d转换模块和存储模块。罗氏线圈测量光伏组串侧的直流母线上的电流信号，经电流信号放大模块放大到a/d转换模块的输入要求，经a/d转换模块处理之后被记录存储。

电弧故障判断单元包括处理器，处理器将测量得到的电流信号依据本发明提供的主动式光伏组串电弧故障检测方法进行小波变换处理，分析其特征，与输入信号的特征比较，判断是否发生电弧故障，若是则发送故障信号。

本发明采用主动检测的方式，对电路回路的特性改变比较敏感，相比于被动方式，其抗干扰性较强，同时也更加准确；本发明在判断故障时采用比较判别的方式，可有效降低检测装置的误判率；本发明在光伏组串侧进行检测，从根本上解决了逆变器噪声、不同运行工况对检测的影响。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。