本發(fā)明涉及一種電弧檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種直流故障電弧檢測方法及系統(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，對周圍設(shè)備和工作人員的安全構(gòu)成威脅。
近年來，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。由于故障電弧對光伏電池輸出特性的影響較小，傳統(tǒng)的過壓過流斷路器和熱斷路器對預(yù)防系統(tǒng)故障電弧的發(fā)生無能為力，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)，若不采取及時有效的防護(hù)措施，將導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞，或大范圍財產(chǎn)損壞。近年來歐美等地陸續(xù)發(fā)生多起由故障電弧引發(fā)的火災(zāi)，給人們的生命財產(chǎn)帶來不同程度損失。2011年美國電工法規(guī)(nec)規(guī)定光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)配備檢測故障電弧的檢測裝置與斷路器，檢測和隔離引發(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。
目前此類電弧檢測方法大致分為兩種：一是依據(jù)電弧發(fā)生時電壓、電流等波形的變化判定電弧故障。但光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流電弧因為與交流電弧的性質(zhì)有很大不同，首先直流電弧是一種隨機(jī)不平穩(wěn)信號，沒有交流電流周期性的“平肩”部特征，此種基于波形的檢測方法雖然簡單但適用性低。二是通過檢測電弧發(fā)生時電流時域或者頻域的變化特征判定電弧產(chǎn)生。此類方法檢測對象是電流，適用性廣，光伏電源的伏安特性決定逆變器在正常工作時發(fā)生電弧，電流時域特征不明顯，且易受其他因素干擾，誤判率高。同時，僅對電流頻域特征的檢測方法由于判據(jù)單一也存在誤判率高的缺點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測方法及系統(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方法，包括：
對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)；
對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時域處理，獲得每一個檢測周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um；
與上一個檢測周期相比較，計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，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，則對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計算每個頻段的諧波能量和，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，對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計算每個頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間，包括：
對n個采集點的直流電壓數(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個頻段，計算每個頻段的諧波能量和w；
由n個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、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、測試，直到具備識別無電弧產(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、測試，直到具備識別電弧產(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，如果所述電壓方差的差值△σ小于第二閾值時，則確定為無電弧產(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，如果所述最大峰值差的差值△um小于第三閾值時，則確定為無電弧產(chǎn)生。
優(yōu)選的，還包括：在有電弧產(chǎn)生時，發(fā)送電弧故障報警信號。
本發(fā)明還提供一種直流故障電弧檢測系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及識別單元；
所述數(shù)據(jù)采集單元用于對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)處理單元用于對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時域處理，獲得每一個檢測周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um，并與上一個檢測周期相比較，計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，對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計算每個頻段的諧波能量和，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：報警單元；在有電弧產(chǎn)生時，所述識別單元觸發(fā)所述報警單元進(jìn)行報警。
優(yōu)選的，所述報警單元采用發(fā)送電弧故障報警信號的方式進(jìn)行報警。
本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測方法及系統(tǒng)，通過對光伏電池組輸出的電壓的時域特征和頻域特征的變化來檢測直流故障電弧，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。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明的具體實施例，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
圖1：是本發(fā)明提供的一種直流故障電弧檢測方法的示意圖。
具體實施方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實施例的方案，下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
針對當(dāng)前對光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測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方法及系統(tǒng)，通過對光伏電池組輸出的電壓的時域特征和頻域特征的變化來檢測直流故障電弧，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方法的示意圖。該方法包括以下步驟：
s1：對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：對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時域處理，獲得每一個檢測周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um；
s3：與上一個檢測周期相比較，計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，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，則對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計算每個頻段的諧波能量和，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，對于直流故障電弧檢測可采用智能匯流箱來進(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。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)點數(shù)為n，則電弧檢測周期為
在實際應(yīng)用中，對于第一閾值、第二閾值及第三閾值設(shè)定主要以實際需要為準(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，通過已訓(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)識的輸入樣本，對有無電弧產(chǎn)生進(jìn)行識別，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，確定為無電弧產(chǎn)生。
需要說明的是，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，對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)處理，計算每個頻段的諧波能量和，并構(gòu)成諧波能量和的特征向量空間，包括：
步驟1：對n個采集點的直流電壓數(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個頻段，計算每個頻段的諧波能量和w；
步驟3：由n個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時發(fā)生電弧，會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)對頻域特征的影響，需對采集到的電壓數(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、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、測試，直到具備識別無電弧產(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、測試，直到具備識別電弧產(chǎn)生能力。
在實際應(yīng)用中，對于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)過樣本訓(xùn)練和測試好的具有電弧和非電弧識別能力的檢測算法。經(jīng)過訓(xùn)練該bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已具備自動分類和識別電弧與無電弧狀態(tài)的識別能力，可作為在線識別是否有電弧產(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，則確定為無電弧產(chǎn)生。在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時，如果所述電壓方差的差值△σ小于第二閾值時，則確定為無電弧產(chǎn)生。在所述電壓平均值的差值△uavg大于第一閾值時，如果所述最大峰值差的差值△um小于第三閾值時，則確定為無電弧產(chǎn)生。
更進(jìn)一步，該方法還包括：在有電弧產(chǎn)生時，發(fā)送電弧故障報警信號。
可見，本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測方法，通過對光伏電池組輸出的電壓的時域特征和頻域特征的變化來檢測直流故障電弧，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)處理單元及識別單元。所述數(shù)據(jù)采集單元用于對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)處理單元用于對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行時域處理，獲得每一個檢測周期內(nèi)的電壓平均值uavg、電壓方差σ、最大的峰值差um，并與上一個檢測周期相比較，計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，對所述輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理，計算每個頻段的諧波能量和，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：報警單元；在有電弧產(chǎn)生時，所述識別單元觸發(fā)所述報警單元進(jìn)行報警。
更進(jìn)一步，所述報警送電時元采用發(fā)送電弧故障報警信號的方式進(jìn)行報警。
在實際應(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，識別模塊常采用具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的芯片實現(xiàn)。對于數(shù)據(jù)采集單元可采用ni公司的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。
可見，本發(fā)明提供一種直流故障電弧檢測系統(tǒng)，通過具有bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別功能的識別模塊來檢測直流故障電弧，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)圖示所示的實施例詳細(xì)說明了本發(fā)明的構(gòu)造、特征及作用效果，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明不以圖面所示限定實施范圍，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施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。