本發(fā)明涉及一種電弧檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種直流故障電弧檢測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電氣的熱插拔和觸頭開關(guān)的通斷都可能產(chǎn)生電弧，但這類電弧一般不會(huì)引起電氣故障，電弧按電流分為直流電弧和交流電弧，電弧放電現(xiàn)象常蘊(yùn)含巨大的能量，對(duì)周圍設(shè)備和工作人員的安全構(gòu)成威脅。
近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，尤其是光伏電池板在建筑物屋頂和外墻的大規(guī)模應(yīng)用，且大多數(shù)光伏陣列的安裝，利用的都是長(zhǎng)串的高電壓直流電源，這增加了與電弧有關(guān)的安全問題。由于故障電弧對(duì)光伏電池輸出特性的影響較小，傳統(tǒng)的過(guò)壓過(guò)流斷路器和熱斷路器對(duì)預(yù)防系統(tǒng)故障電弧的發(fā)生無(wú)能為力，而光伏發(fā)電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障電弧，這些電弧可使裝置帶電，導(dǎo)致支架系統(tǒng)也帶電，可能會(huì)使接觸裝置的任何人觸電，威脅工作人員的生命安全，另外，持續(xù)的直流電弧將產(chǎn)生高溫，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)，若不采取及時(shí)有效的防護(hù)措施，將導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞，或大范圍財(cái)產(chǎn)損壞。近年來(lái)歐美等地陸續(xù)發(fā)生多起由故障電弧引發(fā)的火災(zāi)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)不同程度損失。2011年美國(guó)電工法規(guī)(nec)規(guī)定光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配備檢測(cè)故障電弧的檢測(cè)裝置與斷路器，檢測(cè)和隔離引發(fā)設(shè)備損壞和火災(zāi)隱患的直流故障電弧成了必須解決的問題。
目前此類電弧檢測(cè)方法大致分為兩種：一是依據(jù)電弧發(fā)生時(shí)電壓、電流等波形的變化判定電弧故障。但光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電弧因?yàn)榕c交流電弧的性質(zhì)有很大不同，首先直流電弧是一種隨機(jī)不平穩(wěn)信號(hào)，沒有交流電流周期性的“平肩”部特征，此種基于波形的檢測(cè)方法雖然簡(jiǎn)單但適用性低。二是通過(guò)檢測(cè)電弧發(fā)生時(shí)電流時(shí)域或者頻域的變化特征判定電弧產(chǎn)生。此類方法檢測(cè)對(duì)象是電流，適用性廣，光伏電源的伏安特性決定逆變器在正常工作時(shí)發(fā)生電弧，電流時(shí)域特征不明顯，且易受其他因素干擾，誤判率高。同時(shí)，僅對(duì)電流頻域特征的檢測(cè)方法由于判據(jù)單一也存在誤判率高的缺點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測(cè)方法及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流故障電弧檢測(cè)不準(zhǔn)確、易受干擾、誤判率高的問題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
一種直流故障電弧檢測(cè)方法，包括：
對(duì)光伏電池輸出的直流電壓按設(shè)定采樣頻率進(jìn)行采集，得到輸出電壓數(shù)據(jù)；
對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域處理，獲得每一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um；
與上一個(gè)檢測(cè)周期相比較，計(jì)算得到電壓平均值的差值△uavg、電壓方差的差值△σ、最大峰值差的差值△um；
在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述電壓方差的差值△σ大于第二閾值或所述最大峰值差的差值△um大于第三閾值，則對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間；
利用預(yù)先訓(xùn)練的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和所述特征向量空間，確定是否有電弧產(chǎn)生
優(yōu)選的，對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間，包括：
對(duì)n個(gè)采集點(diǎn)的直流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，得到電壓頻譜；
根據(jù)奈奎斯特頻率，均分n個(gè)頻段，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和w；
由n個(gè)頻段的諧波能量和構(gòu)成特征向量空間[w1、w2、w3、……wn]。
優(yōu)選的，
所述方法還包括：按照以下方式訓(xùn)練所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：
確定所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
分別采集光伏發(fā)電系統(tǒng)在突然啟動(dòng)、負(fù)載突變、不同光照、不同直流電壓條件下的電壓數(shù)據(jù)，構(gòu)成第一類學(xué)習(xí)樣本；
將所述第一類學(xué)習(xí)樣本輸入到所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、測(cè)試，直到具備識(shí)別無(wú)電弧產(chǎn)生的能力；
分別采集光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同直流電壓條件下不同的電弧發(fā)生位置發(fā)生電弧的電壓數(shù)據(jù)，構(gòu)成第二類學(xué)習(xí)樣本；
將所述第二類學(xué)習(xí)樣本輸入到所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、測(cè)試，直到具備識(shí)別電弧產(chǎn)生能力。
優(yōu)選的，還包括：如果所述電壓平均值的差值△uavg小于第一閾值，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。
優(yōu)選的，還包括：在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述電壓方差的差值△σ小于第二閾值時(shí)，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。
優(yōu)選的，還包括：在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述最大峰值差的差值△um小于第三閾值時(shí)，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。
優(yōu)選的，還包括：在有電弧產(chǎn)生時(shí)，發(fā)送電弧故障報(bào)警信號(hào)。
本發(fā)明還提供一種直流故障電弧檢測(cè)系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及識(shí)別單元；
所述數(shù)據(jù)采集單元用于對(duì)光伏電池輸出的直流電壓按設(shè)定采樣頻率進(jìn)行采集，得到輸出電壓數(shù)據(jù)，并發(fā)送給所述數(shù)據(jù)處理單元；
所述數(shù)據(jù)處理單元用于對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域處理，獲得每一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um，并與上一個(gè)檢測(cè)周期相比較，計(jì)算得到電壓平均值的差值△uavg、電壓方差的差值△σ、最大峰值差的差值△um；在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值、并且所述電壓方差的差值△σ大于第二閾值或所述最大峰值差的差值△um大于第三閾值時(shí)，對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間；
所述識(shí)別單元用于利用預(yù)先訓(xùn)練的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和所述特征向量空間確定是否有電弧產(chǎn)生。
優(yōu)選的，還包括：報(bào)警單元；在有電弧產(chǎn)生時(shí)，所述識(shí)別單元觸發(fā)所述報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。
優(yōu)選的，所述報(bào)警單元采用發(fā)送電弧故障報(bào)警信號(hào)的方式進(jìn)行報(bào)警。
本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測(cè)方法及系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)光伏電池組輸出的電壓的時(shí)域特征和頻域特征的變化來(lái)檢測(cè)直流故障電弧，解決現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流故障電弧檢測(cè)不準(zhǔn)確、易受干擾、誤判率高的問題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。
圖1：是本發(fā)明提供的一種直流故障電弧檢測(cè)方法的示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例的方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
針對(duì)當(dāng)前對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測(cè)存在易受外部因素干擾、誤判率高的問題，本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測(cè)方法及系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)光伏電池組輸出的電壓的時(shí)域特征和頻域特征的變化來(lái)檢測(cè)直流故障電弧，解決現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流故障電弧檢測(cè)不準(zhǔn)確、易受干擾、誤判率高的問題。
如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種直流故障電弧檢測(cè)方法的示意圖。該方法包括以下步驟：
s1：對(duì)光伏電池輸出的直流電壓按設(shè)定采樣頻率進(jìn)行采集，得到輸出電壓數(shù)據(jù)；
s2：對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域處理，獲得每一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um；
s3：與上一個(gè)檢測(cè)周期相比較，計(jì)算得到電壓平均值的差值△uavg、電壓方差的差值△σ、最大峰值差的差值△um；
s4：在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述電壓方差的差值△σ大于第二閾值或所述最大峰值差的差值△um大于第三閾值，則對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間；
s5：利用預(yù)先訓(xùn)練的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和所述特征向量空間，確定是否有電弧產(chǎn)生。
具體地，對(duì)于直流故障電弧檢測(cè)可采用智能匯流箱來(lái)進(jìn)行，以一定的采樣頻率fs采集光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電壓數(shù)字信號(hào)。該匯流箱可為光伏組串匯流箱或光伏方陣匯流設(shè)備。如果采集的直流電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為n，則電弧檢測(cè)周期為
在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于第一閾值、第二閾值及第三閾值設(shè)定主要以實(shí)際需要為準(zhǔn)，可把第一閾值設(shè)為15，第二閾值設(shè)為0.2，第三閾值設(shè)為6。同時(shí)，通過(guò)已訓(xùn)練的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將所述特征向量空間作為所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)的輸入樣本，對(duì)有無(wú)電弧產(chǎn)生進(jìn)行識(shí)別，如果所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果為1，確定為有電弧產(chǎn)生，否則，確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。
需要說(shuō)明的是，最大峰值差指在采樣周期內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的最大電壓與最小電壓的差值。
進(jìn)一步，對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間，包括：
步驟1：對(duì)n個(gè)采集點(diǎn)的直流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，得到電壓頻譜；
步驟2：根據(jù)奈奎斯特頻率，均分n個(gè)頻段，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和w；
步驟3：由n個(gè)頻段的諧波能量和構(gòu)成特征向量空間[w1、w2、w3、……wn]。
具體地，由于光伏電池在不同電壓等級(jí)時(shí)發(fā)生電弧，會(huì)引起電壓頻域不同頻段諧波含量發(fā)生變化，頻譜特征都不相同。為了保證各種情況下都能提取頻域特征，又降低負(fù)載高頻電力電子開關(guān)對(duì)頻域特征的影響，需對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，得到電壓頻譜。為降低負(fù)載電力電子開關(guān)諧波對(duì)頻譜分析的影響，將得到的電壓頻譜在奈奎斯特頻率，即
進(jìn)一步，所述方法還包括：按照以下方式訓(xùn)練所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：
步驟4：確定所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
步驟5：分別采集光伏發(fā)電系統(tǒng)在突然啟動(dòng)、負(fù)載突變、不同光照、不同直流電壓條件下的電壓數(shù)據(jù)，構(gòu)成第一類學(xué)習(xí)樣本；
步驟6：將所述第一類學(xué)習(xí)樣本輸入到所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、測(cè)試，直到具備識(shí)別無(wú)電弧產(chǎn)生的能力；
步驟7：分別采集光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同直流電壓條件下不同的電弧發(fā)生位置發(fā)生電弧的電壓數(shù)據(jù)，構(gòu)成第二類學(xué)習(xí)樣本；
步驟8：將所述第二類學(xué)習(xí)樣本輸入到所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、測(cè)試，直到具備識(shí)別電弧產(chǎn)生能力。
在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用通用結(jié)構(gòu)，包括：輸入層、隱含層及輸出層。bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)樣本訓(xùn)練和測(cè)試好的具有電弧和非電弧識(shí)別能力的檢測(cè)算法。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練該bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已具備自動(dòng)分類和識(shí)別電弧與無(wú)電弧狀態(tài)的識(shí)別能力，可作為在線識(shí)別是否有電弧產(chǎn)生。
進(jìn)一步，該方法還包括：如果所述電壓平均值的差值△uavg小于第一閾值時(shí)，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述電壓方差的差值△σ小于第二閾值時(shí)，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時(shí)，如果所述最大峰值差的差值△um小于第三閾值時(shí)，則確定為無(wú)電弧產(chǎn)生。
更進(jìn)一步，該方法還包括：在有電弧產(chǎn)生時(shí)，發(fā)送電弧故障報(bào)警信號(hào)。
可見，本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)光伏電池組輸出的電壓的時(shí)域特征和頻域特征的變化來(lái)檢測(cè)直流故障電弧，解決現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流故障電弧檢測(cè)不準(zhǔn)確、易受干擾、誤判率高的問題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性。
本發(fā)明還提供一種直流故障電弧檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及識(shí)別單元。所述數(shù)據(jù)采集單元用于對(duì)光伏電池輸出的直流電壓按設(shè)定采樣頻率進(jìn)行采集，得到輸出電壓數(shù)據(jù)，并發(fā)送所述數(shù)據(jù)處理單元。所述數(shù)據(jù)處理單元用于對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域處理，獲得每一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um，并與上一個(gè)檢測(cè)周期相比較，計(jì)算得到電壓平均值的差值△uavg、電壓方差的差值△σ、最大峰值差的差值△um；在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值、并且所述電壓方差的差值△σ大于第二閾值或所述最大峰值差的差值△um大于第三閾值時(shí)，對(duì)所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計(jì)算每個(gè)頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間；
所述識(shí)別單元用于利用預(yù)先訓(xùn)練的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和所述特征向量空間確定是否有電弧產(chǎn)生
進(jìn)一步，該系統(tǒng)還包括：報(bào)警單元；在有電弧產(chǎn)生時(shí)，所述識(shí)別單元觸發(fā)所述報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警。
更進(jìn)一步，所述報(bào)警送電時(shí)元采用發(fā)送電弧故障報(bào)警信號(hào)的方式進(jìn)行報(bào)警。
在實(shí)際應(yīng)用中，常把數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元及識(shí)別模塊都集成在智能匯流箱中，其中數(shù)據(jù)處理單元可采用單片機(jī)或mcu，識(shí)別模塊常采用具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的芯片實(shí)現(xiàn)。對(duì)于數(shù)據(jù)采集單元可采用ni公司的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。
可見，本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)具有bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能的識(shí)別模塊來(lái)檢測(cè)直流故障電弧，解決現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流故障電弧檢測(cè)不準(zhǔn)確、易受干擾、誤判率高的問題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性。
以上依據(jù)圖示所示的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的構(gòu)造、特征及作用效果，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明不以圖面所示限定實(shí)施范圍，凡是依照本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，或修改為等同變化的等效實(shí)施例，仍未超出說(shuō)明書與圖示所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。