一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法

1.本发明涉及光伏系统的电弧故障检测方法，尤其是一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法。


背景技术：

2.光伏系统在发电过程中，直流侧电弧故障可能会导致系统的损坏和火灾事故，从而影响系统的安全性和可靠性。因此，针对光伏系统直流侧的电弧故障检测方法一直是研究的热点，研究人员提出了许多基于不同特征和方法的电弧故障检测技术。z.wang,s.mc connell等人基于小波变换进行电弧故障检测，通过分析电流信号在不同尺度上的小波系数，提取电弧故障的特征信息。然而，这种方法对信号的突变敏感，容易受到环境干扰。赵晨时，马琪等人基于多特征融合的方法进行电弧故障检测，通过融合多种特征，如波形因数、希尔伯特-黄变换(hht)的时频域特征等，提高了故障检测的准确性。然而，当光伏系统受到外界干扰时，仍然会出现误报漏报的可能。
3.为了克服上述方法的缺点，本发明提出了一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法。该方法结合了电流信号的有功能量和无功能量的变化，以及能量守恒定律，有效降低了误报的可能性，提高了光伏系统直流侧电弧故障检测的准确性和可靠性。


技术实现要素：

4.基于以上技术问题，本发明提出一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，首先通过数据采集器进行电流数据采集，包含直流信号和交流信号，经过滤波器将直流信号和交流信号分离，然后根据公式计算直流信号的能量和交流信号的能量，最后根据直流信号和交流信号计算的结果与正常工作状态下信号能量相比较。由于光伏系统直流侧产生电弧故障时，并没有外部的能量引入，因此发生电弧故障时的总能量较未发生电弧故障时，不会存在明显变化。在发生电弧故障时，直流信号的能量相比于未发生电弧故障时有所降低，而交流信号能量相比于未发生电弧故障时有所升高，但同时直流信号能量与交流信号能量之和与未发生电弧故障时差别不大，则可判断为发生电弧故障。其余情况下，例如存在外部干扰时，交流信号能量增高，但是直流信号能量和交流信号能量之比正常工作时有明显增大，则认为是外部干扰引入了外部能量，从而不判定为电弧故障。
5.基于上述思路，本发明的实施方式可按以下步骤进行：
6.1.通过数据采集器进行电流数据采集：数据采集器实时监测光伏系统中的电流信号，包括直流信号和交流信号。数据采集器需要具有高精度和高速度的采样性能，以确保数据的准确性和实时性。
7.2.滤波器将直流信号和交流信号分离：将采集到的电流信号输入滤波器，通过低通滤波器和高通滤波器分别提取直流信号和交流信号。滤波器的设计和选择需要考虑到信号的特性和干扰抑制需求，以确保信号的质量。
8.3.根据公式计算直流信号的能量和交流信号的能量：对分离得到的直流信号和交流信号进行能量计算。直流信号能量和交流信号能量具体计算公式如下：
9.直流信号能量：
10.e
_dc
＝i 2
11.e
_dc
表示直流信号能量，i为其直流信号均值；该公式即表示将直流信号的均值平方作为直流信号能量值。
12.交流信号能量：
[0013][0014]e_ac
表示交流信号能量，i表示交流信号，n表示交流信号的采样点数，k表示能量比系数，为保证交流信号能量与直流信号能量处于同一数量级此处k取100；该公式即表示取交流信号n个点的平方和均值的k倍作为交流信号能量值。
[0015]
4.与正常工作状态下的信号能量进行比较：在光伏系统正常工作状态下，记录直流信号能量e
_dc_base
和交流信号能量e
_ac_base
作为基准值。在系统运行过程中，实时比较当前e
_dc
和e
_ac
与基准值e
_dc_base
和e
_ac_base
的差异。
[0016]
5.判断电弧故障：如果直流信号能量e
_dc
相比于正常工作状态下的能量e
_dc_base
降低，而交流信号能量e
_ac
相比于正常工作状态下的能量e
_ac_base
升高，且e
_dc
、e
_ac
之和与e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值在10以内，最终判断为发生电弧故障。
[0017]
6.区分环境干扰：若只有直流信号能量改变或者只有交流信号能量改变，且直流信号能量和交流信号能量之和与未发生电弧故障时相比有明显变化，即幅值相差超过10，不满足电弧故障的判断条件，则认为是环境干扰造成的结果。
[0018]
通过本发明的上述实施方式，本发明实现了基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测。该方法不仅提高了故障检测的准确性和可靠性，而且可以有效区分电弧故障和环境干扰，降低了误报的可能性。
[0019]
在本发明中，基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法具有以下优点：
[0020]
1.结合了直流信号和交流信号，提高了故障检测的准确性：传统方法主要依赖交流信号进行故障检测，容易受到外界环境的影响而产生误报。本发明通过同时分析直流信号和交流信号，可以更全面地监测光伏系统的工作状态，从而提高故障检测的准确性。
[0021]
2.基于能量守恒定律，使得故障检测更加可靠：本发明利用能量守恒定律，当采集的光伏系统的直流信号能量降低而交流信号能量增大，且直流信号能量与交流信号能量之和与未发生电弧时的能量差别不大，则判断为电弧故障。这种方法更加符合实际物理规律，提高了故障检测的可靠性。
[0022]
3.降低了因环境干扰造成的误报可能性，提高了系统的安全性和稳定性：外界环境因素，如温度、湿度、光照等，容易对光伏系统产生干扰，导致误报。本发明通过结合直流信号和交流信号，并利用能量守恒定律进行故障判断，有效降低了环境干扰对故障检测的影响，提高了系统的安全性和稳定性。
[0023]
综上所述，本发明提供了一种基于能量守恒的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，通过结合直流信号和交流信号，以及利用能量守恒定律进行故障判断，可以有效提高故
障检测的准确性、可靠性和实时性，降低环境干扰造成的误报，从而提高光伏系统的安全性和稳定性。
附图说明
[0024]
图1为实验数据采集示意图；
[0025]
图2为电弧发生前后所采集数据；
[0026]
图3为10组交流信号的能量基准值与电弧发生后的能量值对比，交流信号能量基准值e
_ac_base
，交流信号能量e
_ac
；
[0027]
图4为10组直流信号的能量基准值与电弧发生后的能量值对比，直流信号能量基准值e
_dc_base
，直流信号能量e
_dc
；
[0028]
图5为电弧发生前后e
_dc
和e
_ac
对比图；
[0029]
图6为电网波动干扰发生前后e
_dc
和e
_ac
对比图；
[0030]
图7为光照强度降低前后e
_dc
和e
_ac
对比图。
具体实施方式
[0031]
设备准备：
[0032]
1.数据采集器：用于实时采集光伏系统的电流信号，包括直流信号和交流信号。数据采集器需要具有高精度和高速度的采样性能，以确保数据的准确性和实时性。
[0033]
2.滤波器：用于将直流信号和交流信号分离，包括低通滤波器和高通滤波器。滤波器的设计和选择需要考虑到信号的特性和干扰抑制需求，以确保信号的质量。
[0034]
3.处理器：用于计算直流信号能量、交流信号能量以及判断电弧故障。处理器可以是微处理器、数字信号处理器或者计算机等具备运算能力的设备。
[0035]
实施步骤：
[0036]
1.连接数据采集器至光伏系统，实时采集电流信号，如图1所示为实验数据采集示意图，如图2为电弧发生前后所采集数据。
[0037]
2.将采集到的电流信号输入滤波器，通过低通滤波器提取直流信号i
_dc
，通过高通滤波器提取交流信号i
_ac
。滤波器的截止频率需要根据光伏系统的特点进行选择，以达到良好的信号分离效果。
[0038]
3.对直流信号i
_dc
进行能量计算，得到直流信号能量e
_dc
。直流信号能量可以反映光伏系统的有效功率。
[0039]
4.对交流信号i
_ac
进行能量计算，得到交流信号能量e
_ac
。交流信号能量可以反映光伏系统的无效功率或损耗。
[0040]
5.在光伏系统正常工作状态下，记录直流信号能量e
_dc_base
和交流信号能量e
_ac_base
作为基准值。这些基准值可以作为电弧故障判断的参考依据。
[0041]
6.在系统运行过程中，实时比较e
_dc
和e
_ac
与基准值e
_dc_base
和e
_ac_base
的差异。如图3所示，采集了电弧发生前后电流信号各10组，并分别计算其直流信号能量，可以看出电弧发生后的直流信号能量e
_dc
相比电弧发生前的直流信号能量基准值e
_dc_base
普遍降低了；如图4所示，采集了电弧发生前后电流信号各10组，并分别计算其交流信号能量，可以看出电弧发生后的交流信号能量e
_ac
相比电弧发生前的交流信号能量基准值e
_ac_base
普遍升高了。
[0042]
7.若e
_dc
相比e
_dc_base
降低且e
_ac
相比e
_ac_base
升高，同时，e
_dc
、e
_ac
之和与e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值在10以内，则判断为发生电弧故障。若只有e
_dc
改变或者只有e
_ac
改变，且e
_dc
、e
_ac
之和与e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相比相差幅值超过10，则认为是环境干扰造成的结果。此时，可以对系统进行进一步监测和诊断，以排除其他潜在的故障因素。
[0043]
实施例：
[0044]
假设某光伏系统正常工作状态下所采集的直流信号为10a，根据直流信号能量公式：
[0045]e_dc
＝i2，
[0046]
得该光伏系统正常工作状态下的直流信号能量基准值e
_dc_base
为100。
[0047]
其正常工作状态下所采集的交流信号根据交流信号能量公式：
[0048][0049]
进行计算，得出交流信号能量基准值e
_ac_base
为25。
[0050]
同时可知e
_dc_base
与e
_ac_base
之和为125。
[0051]
1.若在系统运行过程中，某时刻采集到的直流信号能量e
_dc
为64，交流信号能量e
_ac
为50，e
_dc
与e
_ac
之和为114。由于e
_dc
降低了36，而e
_ac
升高了25，且e
_dc
、e
_ac
之和与e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值在10以内，满足电弧故障的判断条件：e
_dc
相比e
_dc_base
降低且e
_ac
相比e
_ac_base
升高，因此判断为发生电弧故障；如图5所示，采集了电弧发生前后电流信号各10组，分别计算其直流信号能量和交流信号能量，可以看出发生电弧后的直流信号能量e
_dc
相比发生电弧后的直流信号能量e
_dc_base
普遍降低了，而发生电弧后的交流信号能量e
_ac
相比发生电弧后的直流信号能量e
_ac_base
普遍升高了，且可以看出直流与交流总能量(e
_dc
、e
_ac
之和)与直流与交流总能量基准值(e
_dc_base
、e
_ac_base
之和)相差幅值在10以内，10组电弧发生后数据全部满足电弧故障的判断条件，因此可全部正确判断成发生电弧故障。
[0052]
2.若在系统运行过程中，某时刻采集到的直流信号能量e
_dc
为102，交流信号能量e
_ac
为60，e
_dc
与e
_ac
之和为162。由于e
_dc
未有较大改变，e
_ac
升高了，且e
_dc
、e
_ac
之和比e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值超过10，不满足电弧故障的判断条件，因此判断为外部干扰，如电网波动干扰可以造成直流信号能量基本不变，而交流信号能量增加；如图6所示，采集了电网波动干扰前后电流信号各10组，分别计算其直流信号能量和交流信号能量，可以看出发生电弧后的直流信号能量e
_dc
相比发生电弧后的直流信号能量e
_dc_base
未有较大改变，而发生电弧后的交流信号能量e
_ac
相比发生电弧后的直流信号能量e
_ac_base
普遍升高了，且可以看出直流与交流总能量(e
_dc
、e
_ac
之和)与直流与交流总能量基准值(e
_dc_base
、e
_ac_base
之和)相差幅值超过10，引入了外部能量，10组电网波动干扰后数据全部不满足电弧故障的判断条件，因此可全部正确判断为外部干扰。
[0053]
3.若在系统运行过程中，某时刻采集到的直流信号能量e
_dc
为66，交流信号能量e
_ac
为25，e
_dc
与e
_ac
之和为91。由于e
_dc
降低了，e
_ac
未有改变，且e
_dc
、e
_ac
之和比e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值超过10，不满足电弧故障的判断条件，因此判断为外部干扰，如阳光强度降低可以造成直流信号能量降低，而交流信号能量基本不变；如图7所示，采集了阳光强度降低前后电流信号各10组，分别计算其直流信号能量和交流信号能量，可以看出发生电弧后的直流信号能量e
_dc
相比发生电弧后的直流信号能量e
_dc_base
普遍降低了，而发生电弧
后的交流信号能量e
_ac
相比发生电弧后的直流信号能量e
_ac_base
未有较大改变，且可以看出直流与交流总能量(e
_dc
、e
_ac
之和)与直流与交流总能量基准值(e
_dc_base
、e
_ac_base
之和)相差幅值超过10，10组阳光强度降低后数据全部不满足电弧故障的判断条件，因此可全部正确判断为外部干扰。
[0054]
通过本实施例，实现了基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测。该方法不仅提高了故障检测的准确性和可靠性，而且可以有效区分电弧故障和环境干扰，降低了误报的可能性。此外，该方法还具有较高的实时性，能够在发生故障时迅速作出响应，避免设备损坏和火灾等严重后果。因此，本发明在光伏系统的安全运行和维护中具有重要的应用价值。

技术特征：
1.一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.实时采集光伏系统的直流信号和交流信号；s2.利用直流信号和交流信号各自对应的能量公式，计算直流信号能量和交流信号能量，并记录光伏系统正常工作状态下的能量值作为基准值；s3.基于能量守恒的原则，将实时采集的直流信号的能量和实时采集的交流信号的能量与基准值进行比较，判断是否发生电弧故障。2.根据权利要求书1所述的一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，其特征在于，步骤s1，具体包括以下步骤：s11.采用数据采集器实时采集光伏系统的电流信号，包括直流信号和交流信号；s12.将采集到的电流信号输入滤波器，通过低通滤波器提取直流信号i
_dc
，通过高通滤波器提取交流信号i
_ac
。3.根据权利要求书1所述的一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，其特征在于，步骤s2，具体包括以下步骤：s21.对直流信号i
_dc
进行能量计算，得到直流信号能量e
_dc
，直流信号能量公式为：e
_dc
＝i 2
e
_dc
表示直流信号能量，i为其直流信号均值；该公式表示将直流信号的均值平方作为直流信号能量值；s22.对交流信号i
_ac
进行能量计算，得到交流信号能量e
_ac
，交流信号能量公式为：e
_ac
表示交流信号能量，i表示交流信号，n表示交流信号的采样点数，k表示能量比系数，为保证交流信号能量与直流信号能量处于同一数量级此处k取100；该公式即表示取交流信号n个点的平方和均值的k倍作为交流信号能量值；s23.在光伏系统正常工作状态下，记录直流信号能量e
_dc_base
和交流信号能量e
_ac_base
作为基准值。4.根据权利要求书1所述的一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，其特征在于，步骤s3，具体包括以下步骤：s31.在系统运行过程中，实时比较e
_dc
和e
_ac
与基准值e
_dc_base
和e
_ac_base
的差异；s32.基于能量守恒定律，若e
_dc
相比e
_dc_base
降低且e
_ac
相比e
_ac_base
升高，且e
_dc
、e
_ac
之和与e
_dc_base
、e
_ac_base
之和相差幅值在10以内，则判断为发生电弧故障；s33.若e
_dc
和e
_ac
的变化不满足电弧故障的判断条件，则认为是环境干扰造成的结果。

技术总结
本发明涉及一种基于能量守恒定律的光伏系统直流侧电弧故障检测方法，将光伏系统的直流信号能量和交流信号能量与其正常工作状态下的信号能量相比较，直流信号的能量相比于未发生电弧故障时有所降低，而交流信号能量相比于未发生电弧故障时有所升高，但同时直流信号能量与交流信号能量之和与未发生电弧故障时差别不大，则可判断为发生电弧故障；其余情况下，例如存在外部干扰时，交流信号能量增高，但是直流信号能量和交流信号能量之比正常工作时有明显增大，则认为是外部干扰引入了外部能量，从而不判定为电弧故障。本发明的方法能够有效区分电弧故障和环境干扰，提高故障检测的准确性和可靠性，降低误报的可能性。降低误报的可能性。降低误报的可能性。


技术研发人员：漆星 邱婷婷 曹文平
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/1