CN116660701A - 一种电弧检测方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及故障电弧检测技术领域，具体涉及一种电弧检测方法及***，获取当前采样时刻的光伏***的输出信号，提取输出信号中的特征值，作为当前特征量；根据当前特征量与当前特征阈值，确定是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则进行相应的保护措施；其中，当前特征阈值是根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态调整；所述MPPT状态包括最大功率点的功率和电压。即本发明的方案能够避免光伏***产生误动以及能够准确地进行电弧故障的检测。

Description

一种电弧检测方法及***
技术领域
本发明一般地涉及故障电弧检测技术领域。更具体地，本发明涉及一种电弧检测方法及***。
背景技术
电弧是指流经大电流的导体，由于接头的不可靠连接或接头、导线绝缘退化，导致的接触不良，触点之间或触点与其他导体之间的不可靠连接而形成的放电现象。电弧是直流***中导致火灾的主要原因，及时准确的侦测电弧的发生，直接影响直流***的安全性和可靠性。
对于电弧的检测，如申请公布号为CN 115308549 A，发明名称为“电弧检测方法、电子设备及逆变器”，公开了判断光伏***的光伏组串的输出电压是否进行调整，若在光伏***的光伏组串的输出电压进行调整时，停止电弧检测，在光伏组串的输出电流满足预设条件时，根据光伏组串的输出电压和光伏组串的输出电流确定电弧特征值，进而根据电弧特征值确定电弧检测结果。
上述现有技术中考虑到了光伏组串的输出电压和输出电流突变对电弧检测的干扰的问题，但是其并未涉及外界环境变化或偶发因素令光照变化引发***工作点及***电量变动的情形，尤其是，对于非正常光照条件下，MPPT算法便动态调节光伏***工作点，光伏***的电量均较正常时偏低，相应输出特性曲线及***电量也较正常时的偏低，此时一旦发生故障电弧，采集到的特征量往往无法达到设定阈值，令正常光照下设定的故障电弧判断特征量初始特征阈值失效，造成装置拒动，使得无法准确检测出故障电弧的问题，即会导致光伏***存在较大的潜在电弧故障威胁，且小电流故障电弧持续燃烧，也具备足够的能量损坏光伏***、引发火灾、带来生命财产损失。
发明内容
为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过采用最大功率点的功率和电压，进行电弧故障检测的初始特征阈值的调整，使得在复杂光照条件下，避免了PV状态产生误动的问题，同时也能够贴近故障发生时刻，准确地进行电弧故障的检测；为此，本发明在如下的两个方面中提供方案。
本发明提供的一种电弧检测方法，包括以下步骤：
获取当前采样时刻的光伏***的输出信号，提取输出信号中的特征值，作为当前特征量；
根据当前特征量与当前特征阈值，确定是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则进行相应的保护措施；
其中，当前特征阈值是根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态调整；所述MPPT状态包括最大功率点的功率和电压；
所述MPPT控制器设置有一个存储单元和一个缓存单元；在t0时刻，光伏***对应的最大功率点为m0的信息，当光照条件改变时，MPPT控制算法立即运行且自动寻找最大功率点，在MPPT算法未自动跟踪到最大功率点的过程中，所述存储单元存储的信息为m0的信息，所述MPPT状态从所述存储单元中直接读取；当在当前采样时刻t1时，MPPT算法自动跟踪到最大功率点，光伏***对应的最大功率点为m1的信息，所述存储单元存储的信息为m1的信息，其中m0的信息已被覆盖，所述MPPT状态从所述缓存单元中直接读取，其中，所述缓存单元用于在t1时刻以及t1至t1+T时刻之间缓存m0的信息，T为缓存设定时间。
可选地，在MPPT算法未启动时，所述当前特征阈值为所述初始特征阈值。
可选地，所述当前特征阈值为：
其中，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
可选地，所述当前特征阈值为：
当Vt0<V时，则
当Vt0≥V时，则
其中，β和μ分别为最大功率点的电压Vt0和功率Pt0的权重，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
可选地，所述当前特征阈值为：
其中，△V为t0时刻的最大功率点的电压与正常光照下的额定电压的差值，即△V=Vt0-V，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
可选地，所述当前特征量是通过对采集的输出信号进行时域特性和频域特性的分析，并利用快速傅立叶变换和小波变换提取信号的特征值。
可选地，当发生故障电弧且连续N次发生，则采用相应保护措施。
本发明还提供了一种电弧检测***，包括：
处理器；以及
存储器，其存储有用于电弧检测的计算机指令，当所述计算机指令由所述处理器运行时，使得设备执行上述的一种电弧检测方法。
本发明的有益效果为：
本发明的方案根据MPPT状态对初始特征阈值进行调整，能够避免光伏***状态的误动问题。
进一步地，本发明通过在MPPT控制器中设置存储单元和缓存单元，能够在当前采样时刻MPPT算法未自动寻找到最大功率点时，从存储单元中直接读取最大功率点；在当前采样时刻MPPT算法自动寻找到最大功率点时，缓存单元中直接读取最大功率点；且该最大功率点始终是当前采样时刻之前的时刻对应的点，并进行电弧故障检测的特征阈值的调整，相比现有的采用MPPT控制算法中时刻变化的工作点的值的调整，能够使得在复杂光照条件下，避免了采用瞬时状态的工作点，光伏***的状态很大可能产生误动的问题，同时也能够贴近故障发生时刻，准确地进行故障电弧的检测。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是本实施例中的一种光伏***的结构框图；
图2是本实施例中的一种电弧检测方法的步骤流程图；
图3是不同光照、温度下的P-V特性曲线的示意图；
图4是不同光照、温度下的I-V特性曲线的示意图；
图5是本实施例中的一种电弧检测***的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
图1是用于本实施例的电弧检测的光伏***的结构框图。
如图1所示，本实施例的光伏***包括光伏发电装置、与所述光伏发电装置连接的蓄电池及负载；
其中，光伏发电装置包括光伏电池组件、DC-DC转换器、MPPT控制器以及电弧检测模块，光伏电池组件的输出端连接至DC-DC转换器的输入端；DC-DC转换器的输出端连接至蓄电池和负载，用于为蓄电池和所述负载提供相适配的电压。
其中，电弧检测模块与MPPT控制器连接，用于接收MPPT控制器发送的数据，同时还检测光伏电池组件是否出现故障电弧，并执行相应的保护措施；具体地，电弧检测模块用于采集光伏发电装置中的输出信号，并对输出信号进行分析，得到当前特征量，并比较当前特征量与当前特征阈值的大小，当当前特征量大于当前特征阈值时，则光伏***发生故障电弧，并采取相应的控制措施。
其中的输出信号包括但不限于电压信号、电流信号等。本实施例中的输出信号的采样的频率为10KHz-100KHz。
MPPT控制器与DC-DC转换器控制连接，用于根据电弧检测模块的故障检测结果，对DC-DC转换器进行控制。
其中，MPPT控制器的主要功能为：使光伏***始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。具体地，MPPT控制器通过不断检测光伏电池组件的电流电压变化，并根据其变化对DC-DC变换器的PWM驱动信号占空比实施调节，从而实现光伏电池组件的最大功率输出。那么，当MPPT算法动作时，则表明光伏电池组件未维持初始的正常工作状态，其需要进行DC-DC变换器的PWM驱动信号占空比的调节。
需要说明的是，MPPT控制器在进行光伏发电装置的最大功率跟踪时，还同时在MPPT控制器的存储单元中存储实时跟踪的最大功率点的电压和功率。
MPPT控制器还包括缓存单元，用于缓存当前采样时刻之前的时刻对应的最大功率点。具体地，对于当前采样时刻t1来说，其是对t0时刻对应的最大功率点进行存储，且缓存时间从t1时刻持续到t1+T时刻不被覆盖为止，t0时刻为当前采样时刻t1之前的时刻，T为缓存设定时间。
电弧检测模块还可以获取MPPT控制器中缓存单元缓存的最大功率点，并根据最大功率点对初始特征阈值进行调整，得到当前特征阈值，便于更准确地进行光伏***的故障检测，使得光伏***能够更加稳定的运行。
基于上述光伏***，本发明提供了一种电弧检测方法，如图2所示，包括以下步骤：
获取当前采样时刻的光伏***的输出信号，提取输出信号中的特征值，作为当前特征量；
根据当前特征量与当前特征阈值，确定是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则进行相应的保护措施；
其中，当前特征阈值是根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态调整；所述MPPT状态包括最大功率点的功率和电压。
其中的当前特征量可以是通过电流检测的方式对高通滤波得到的高频信号、低通滤波得到的低频信号进行特征值统计得到的；具体地，通过对输出的电流信号进行时域特性和频域特性的分析，利用快速傅立叶变换和小波变换提取故障电流的特征值，在故障判断时，当当前特征量大于当前特征阈值，则为发生电弧故障。由于当前特征量的获取为现有技术，此处不再过多赘述。
本实施例中在进行当前特征阈值调整之前，还包括判断MPPT控制器中的MPPT算法是否动作的步骤，具体地，在MPPT算法动作时，则获取最大功率点；根据初始特征阈值和最大功率点的功率和电压，确定当前特征阈值；在MPPT算法未动作时，则当前特征阈值为初始特征阈值。
上述中的判断MPPT算法是否动作的具体过程为：
获取MPPT控制器端口的电平信号，当电平信号为高电平信号并保持一段时间时，则MPPT控制器中的MPPT算法动作，反之，当电平信号为低电平信号并保持一段时间时，MPPT控制器中的MPPT算法未动作。
需要说明的是，MPPT控制器是否动作是依赖于光照条件的不同，即当光照处于正常光照条件下，光伏***的U-I输出特性曲线不变；一旦进入复杂光照条件（即为其他目标的遮挡、天气由晴转多云等短时光照变化的情况）下，此时光伏***的U-I输出特性曲线将随之发生变化，其必然较正常光照时的U-I输出特性曲线低，必然出现新的工作点，随之触动MPPT控制器动作，以调整工作点直至***输出功率最大。
本实施例中，电弧检测模块根据接收到的MPPT算法是否动作的信号，获取MPPT控制器中的MPPT状态，根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态，确定当前特征阈值。
上述实施例中的获取MPPT控制器中的MPPT状态为：根据MPPT控制器设置的一个存储单元和一个缓存单元，在当前采样时刻MPPT算法未自动寻找到最大功率点时，所述MPPT状态从所述存储单元中直接读取；在当前采样时刻MPPT算法自动寻找到最大功率点时，所述MPPT状态从所述缓存单元中直接读取。
示例性的，MPPT控制器中设置有存储单元A1和缓存单元A2，存储单元A1用于存储当前时刻的MPP点（最大功率点）信息。具体的，在t0时刻，假设光照条件为g0，光伏***对应的MPP点为m0，此时存储单元A1实时存储m0的信息，在光照条件改变时，MPPT控制算法立即运行，当运行完成后，且已自动跟踪到最大功率点，假设此时时刻为t1，光照条件为g1，光伏***对应的MPP点m1，那么存储单元A1中存储的MPP点为m1的信息，此时存储单元A1已将t0时刻的m0的信息覆盖。需要说明的是，由于MPP点为MPPT控制算法在运行过程中自动跟踪到的最大功率点，因此在t0至t1时刻之间，MPPT控制算法还未自动寻找到最大功率点，那么存储单元A1存储的仍然是m0的信息，那么，在处于t0至t1时刻之间，获取的MPPT状态为从存储单元A1中直接读取到的m0的信息；而在t1时刻，MPPT控制算法已找到此时对应的最大功率点，那么，在t1时刻以及t1至t1+T时段内，获取的MPPT状态为从缓存单元A2中直接读取的m0的信息；其中，缓存单元A2，在t1时刻以及t1至t1+T时刻之间缓存m0的信息，其中T为缓存设定时间。
对当前采样时刻之前的时刻的最大功率点进行缓存的方案，能够避免由于存储单元中的数据覆盖而造成之前的数据丢失，从而无法利用当前采样时刻之前的历史最大功率点进行初始特征阈值的调整，进而使得故障电弧的检测不准确的问题。
上述步骤中的初始特征阈值对应的是光伏***所处正常光照环境且光伏***工作处于额定状态（P,V），P和V为正常光照环境下的额定功率和额定电压。需要说明的是，若检测到故障电弧后，仅切断故障的光伏块而非整个光伏***，即剩余光伏电池组件仍正常工作，此时的初始特征阈值需依据此时光伏***输出工作点重新初始化。
需要说明的是，利用当前采样时刻之前的历史最大功率点对初始特征阈值进行调整：一方面，考虑到当前采样时刻的MPPT控制算法寻找当前MPP点的可能存在时间过长，无法保证立即能够寻找到当前采样时刻的新的MPP点；因此，如果当前采样时刻的MPPT控制算法正在寻找MPP点，那么为了快速实现故障电弧的检测，直接采用当前采样时刻之前的时刻的MPP点，其中MPP点即为最大功率点；
另一方面，即使寻找到当前采样时刻的MPP点，也采用当前采样时刻的当前采样时刻之前的某一时刻的MPP点，这样能够与故障发生时刻更加契合，更加靠近故障发生的时刻，使得故障电弧检测的判断更加准确。同时，相比现有技术的根据MPPT控制器的动态调整的工作点修正的特征量阈值，能够避免光伏***误动，且利用最大功率点进行初始特征阈值的调整，使得光伏***的运行更加的稳定。
本实施例中，根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态，确定当前特征阈值，有以下几个实施方式：
其中一个实施方式为：根据最大功率点的功率，得到当前特征阈值为：
αt1=α0（Pt0/P）
其中，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，αt1为当前采样时刻t1对应的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻先于t1时刻。
进一步地，为了更准确地进行故障电弧的检测，另一个实施方式为：根据最大功率点的功率和电压，得到当前特征阈值，具体地：
设置最大功率点的功率和电压的权重，分别为β和μ；
计算当前特征阈值，为：
当Vt0<V时，则
当Vt0≥V时，则
其中，β和μ分别为最大功率点的电压Vt0和功率Pt0的权重，Pt0为当前采样时刻t1之前的t0时刻最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为当前采样时刻t1之前的t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值。
需要说明的是，β和μ的取值分别为0.4和0.6；当然β和μ的取值还需要根据实际情况调整权重，一般来说μ的取值应该大一些。
同时，上述实施方式中，需要考虑选取的最大功率点的电压与正常光照下的电压的大小，即最大功率点的电压可能会比正常光照的额定电压大，这是与温度因素有关，具体见图3和图4，那么当出现这种情况时需要对当前特征阈值的公式进行调整。
另一个实施方式为：根据最大功率点的功率以及电压的乘积，确定当前特征阈值，为：
其中，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值。
另一个实施方式为：根据最大功率点的功率、电压与额定电压的差值，确定当前特征阈值，具体地：
其中，△V为t0时刻的最大功率点的电压与正常光照下的额定电压的差值，即△V=Vt0-V，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值。
上述的三个实施方式中均引入了最大功率点的电压，使得当前特征阈值能够从功率以及电压这两个两维度下进行综合分析，以实现初始特征阈值的调整，进而能够更准确地实现故障电弧的检测。
本实施例中，响应于当前特征量大于当前特征阈值，则发生故障电弧，反之，不发生故障电弧，即可确定当前采样时刻的光伏***是否发生故障电弧。
本实施例中，在判断出发生故障电弧时，还需连续进行N次判断，即当连续N次发生故障，则采用相应保护措施。其中N取值范围为大于等于3；本实施例中N的取值为3，即当故障判断的次数连续达到3次时，则证明故障电弧一直发生，故障并不会消失，此时应该进行相应的保护措施；通过连续多次故障电弧的检测，避免单次故障电弧发生的偶然性，提高故障电弧检测的准确性。
本发明的技术方案在不同的光照条件下，采用MPPT的最大功率点的功率和电压，对初始特征阈值进行调整，相比现有的采用MPPT控制器算法中时刻变化的工作点的值，在复杂光照条件下，避免了当采用瞬时状态的工作点，PV状态很大可能产生误动的问题，同时也能够更贴近故障发生时刻，准确地进行电弧故障的检测。
图5是根据本发明实施例的用于一种电弧检测***的结构框图。
本发明还提供了一种电弧检测***。如图5所示，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现根据本发明第一方面所述的一种电弧检测方法。
所述装置还包括通信总线和通信接口等本领域技术人员熟知的其他组件，其设置和功能为本领域中已知，因此在此不再赘述。
在本发明中，前述的存储器可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，计算机可读存储介质可以是任何适当的磁存储介质或者磁光存储介质，比如，阻变式存储器RRAM（Resistive RandomAccess Memory）、动态随机存取存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）、静态随机存取存储器SRAM（Static Random-Access Memory）、增强动态随机存取存储器EDRAM（Enhanced Dynamic Random Access Memory）、高带宽内存HBM（High-Bandwidth Memory）、混合存储立方HMC（Hybrid Memory Cube）等等，或者可以用于存储所需信息并且可以由应用程序、模块或两者访问的任何其他介质。任何这样的计算机存储介质可以是设备的一部分或可访问或可连接到设备。本发明描述的任何应用或模块可以使用可以由这样的计算机可读介质存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。

Claims (8)

1.一种电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取当前采样时刻的光伏***的输出信号，提取输出信号中的特征值，作为当前特征量；
根据当前特征量与当前特征阈值，确定是否发生故障电弧；若发生故障电弧，则进行相应的保护措施；
其中，当前特征阈值是根据初始特征阈值与MPPT控制器中的MPPT状态调整；所述MPPT状态包括最大功率点的功率和电压；
所述MPPT控制器设置有一个存储单元和一个缓存单元；在t0时刻，光伏***对应的最大功率点为m0的信息，当光照条件改变时，MPPT控制算法立即运行且自动寻找最大功率点，在MPPT算法未自动跟踪到最大功率点的过程中，所述存储单元存储的信息为m0的信息，所述MPPT状态从所述存储单元中直接读取；当在当前采样时刻t1时，MPPT算法自动跟踪到最大功率点，光伏***对应的最大功率点为m1的信息，所述存储单元存储的信息为m1的信息，其中的m0的信息已被覆盖，所述MPPT状态从所述缓存单元中直接读取，其中，所述缓存单元用于在t1时刻以及t1至t1+T时刻之间缓存m0的信息，T为缓存设定时间。
2.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，在MPPT算法未启动时，所述当前特征阈值为所述初始特征阈值。
3.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，所述当前特征阈值为：
其中，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
4.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，所述当前特征阈值为：
当Vt0<V时，则
当Vt0≥V时，则
其中，β和μ分别为最大功率点的电压Vt0和功率Pt0的权重，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
5.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，所述当前特征阈值为：
其中，△V为t0时刻的最大功率点的电压与正常光照下的额定电压的差值，即△V=Vt0-V，Pt0为t0时刻的最大功率点的功率，P为正常光照下的额定功率，Vt0为t0时刻的最大功率点的电压，V为正常光照下的额定电压，αt1为当前采样时刻t1的当前特征阈值，α0为初始特征阈值，t0时刻为t1时刻之前的时刻。
6.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，所述当前特征量是通过对采集的输出信号进行时域特性和频域特性的分析，并利用快速傅立叶变换和小波变换提取信号的特征值。
7.根据权利要求1所述的一种电弧检测方法，其特征在于，当发生故障电弧且连续N次发生，则采用相应保护措施。
8.一种电弧检测***，其特征在于，包括：
处理器；以及
存储器，其存储有用于电弧检测的计算机指令，当所述计算机指令由所述处理器运行时，使得设备执行根据权利要求1-7的任意一项所述的一种电弧检测方法。
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