光伏直流系統(tǒng)故障電弧檢測(cè)方法研究綜述

李松濃,晏堯,向菲,呂小紅,王毅,譚聰

(1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 401123; 2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司數(shù)字化部,重慶 400015;3.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065)

0 引 言

隨著我國(guó)向國(guó)際社會(huì)正式提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)以來(lái),對(duì)持續(xù)推進(jìn)新能源安全的新戰(zhàn)略具有重大意義。其中,最主要的新能源是光伏發(fā)電,截止到2021年底,全國(guó)光伏電站累計(jì)裝機(jī)量為277.82 GW,集中式為183.83 GW、分布式為93.99 GW,分布式占比達(dá)33.83%。此外,我國(guó)還制定了GB/T 35727-2017《中低壓直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓指南》標(biāo)準(zhǔn),以擴(kuò)大直流電源的使用范圍[1]。但近年來(lái),國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起光伏火災(zāi),其中有40%的光伏電站火災(zāi)是由直流故障電弧引起的。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)每年發(fā)生的電氣火災(zāi)事故超10萬(wàn)起,全國(guó)70%的重特大火災(zāi)是電氣火災(zāi),電氣火災(zāi)中80%以上是由故障電弧引起的。然而,故障電弧,特別是串聯(lián)故障電弧,可能發(fā)生在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的松散連接結(jié)處,因?yàn)殚L(zhǎng)期風(fēng)化,老化效應(yīng),焊接故障,更大的直流工作電壓和電流水平,動(dòng)物咬合,維護(hù)不足等。不考慮其他接觸件以及絕緣部位,在一個(gè)10 MW的分布式電站中,光接觸點(diǎn)便超過(guò)了80 000個(gè),它們時(shí)刻存在發(fā)生直流故障電弧的可能性。電弧事故可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果,例如大規(guī)?；馂?zāi),對(duì)人類安全和工業(yè)/住宅物業(yè)構(gòu)成了重大威脅。為了安全可靠地向客戶提供電力,必須在早期階段檢測(cè)電弧故障[2]。

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧的危害性,文獻(xiàn)[3-5]要求直流電壓高于80 V的屋頂光伏直流系統(tǒng)必須配備串聯(lián)直流故障電弧斷路器,在2014年這一要求被廣泛應(yīng)用于所有光伏直流系統(tǒng)以減少由于直流故障電弧引起的重大火災(zāi)事故[6]。同時(shí),2011年,UL發(fā)布了直流電弧故障檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)“光伏(PV)直流電弧故障電路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)”(UL-1699B)[7],用于對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測(cè)器、故障電弧斷路器進(jìn)行評(píng)估,以確保滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧有別于交流故障電弧,直流故障電弧沒有過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象,導(dǎo)致直流故障電弧難以撲滅,同時(shí),針對(duì)直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚,同時(shí),很難直接使用大多數(shù)現(xiàn)有的交流故障電弧檢測(cè)技術(shù)[8]。與交流故障電弧相比,直流故障電弧具有更大的危害性。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧的檢測(cè)技術(shù)的研究還處于起步階段,沒有形成安全可靠的保護(hù)策略。

光伏直流系統(tǒng)作為直流系統(tǒng)的一種,將光能轉(zhuǎn)換為直流電,在新型電力系統(tǒng)中起到了重要作用。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧特性以及檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,取得了許多成果。文中分析了直流故障電弧發(fā)生的機(jī)理和故障特征;其次,綜述了現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流故障電弧檢測(cè)、定位方法。對(duì)最近發(fā)表的論文進(jìn)行技術(shù)細(xì)節(jié)的總結(jié)和討論;最后,針對(duì)直流系統(tǒng),從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)指出了當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題,并展望了未來(lái)直流故障電弧檢測(cè)以及故障電弧定位的應(yīng)用場(chǎng)景和研究方向,有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)今后的安全可靠地運(yùn)行。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧及其特征

1.1 直流故障電弧產(chǎn)生機(jī)理

電弧是一種氣體放電現(xiàn)象,電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)(例如空氣)所產(chǎn)生的瞬間火花,且多數(shù)載流子為發(fā)生一次電子發(fā)射(電子從物體逸入到周圍媒質(zhì)的現(xiàn)象)所產(chǎn)生的電子,一般伴隨著電極的部分揮發(fā)[3]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,由于老化、破損、碳化、接觸不良等因素所產(chǎn)生的故障電弧極易引發(fā)停電事故或火災(zāi)。

光伏直流系統(tǒng)和其他直流系統(tǒng)同屬于直流電,電源性質(zhì)一致,在直流故障電弧的產(chǎn)生和檢測(cè)方法上沒有什么差異性。在直流供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電弧可分為正常電弧和非正常電弧兩種。斷路器的正常關(guān)斷等操作所引起的電弧屬正常電弧;而電線老化、接觸不良等故障引起的電弧屬于非正常電弧,這就代表著電弧檢測(cè)要正確地區(qū)分好弧和壞弧。因?yàn)閷?shí)際環(huán)境中往往存在著比較復(fù)雜的因素,給故障電弧檢測(cè)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn),同時(shí)也給檢測(cè)方式和算法提出了更高的要求。

根據(jù)故障電弧與負(fù)載連接方式的不同,可以劃分為串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧和接地故障電弧,如圖1～圖3所示。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,較為常見的是串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧。并聯(lián)電弧通常是由電線或設(shè)備老化導(dǎo)致絕緣擊穿引起,熔斷器大多可以排除此類故障。由于線路老化,或者接觸不良、絕緣破損、受潮或者其它原因?qū)е轮绷鞔?lián)故障電弧發(fā)生,此類故障電弧發(fā)生后,回路電流減小,且極具隱蔽性。兩種故障電弧都具有很高的能量,引起的溫度即可高達(dá)數(shù)千攝氏度,當(dāng)線路發(fā)生故障電弧時(shí),如果不進(jìn)行人工干預(yù),容易導(dǎo)致線路系統(tǒng)的損壞,甚至引起火災(zāi),因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,線路中的故障電弧需要額外的關(guān)注。

圖1 串聯(lián)故障電弧類型

圖2 并聯(lián)故障電弧類型

圖3 接地故障電弧類型

1.2 直流故障電弧特征

現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧檢測(cè)研究大多集中在串聯(lián)故障電弧。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下搭建的典型直流故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。故障電弧發(fā)生裝置是用來(lái)模擬真實(shí)場(chǎng)景下的故障電弧。

圖4 典型直流故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下通過(guò)使用電阻當(dāng)負(fù)載時(shí),其典型的直流故障電弧輸出波形[9]如圖5所示。由電流輸出波形可知,當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時(shí),電流輸出波形比較穩(wěn)定,一旦出現(xiàn)故障電弧的燃弧,電流輸出波形波動(dòng)較大。由電弧的物理特性,當(dāng)電弧趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)相當(dāng)于在回路中扮演了一個(gè)阻抗,因此波動(dòng)較小[10]。

圖5 典型的直流故障電弧電流輸出波形

如圖5所示,可以發(fā)現(xiàn)(a)、(b)兩圖的電流輸出波形不一致。如圖(a)所示,實(shí)際中會(huì)存在故障電弧發(fā)生前后回路電流并沒有明顯減少,僅表現(xiàn)為比較劇烈的上下波動(dòng),這是由于光伏電源的輸出電壓電流特性在一段區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為恒流源導(dǎo)致的。如圖(b)所示,一般情況下,當(dāng)回路中發(fā)生故障電弧時(shí),回路中的電流大小會(huì)降低,在波形上表現(xiàn)為上下劇烈的波動(dòng),這是由于故障電弧發(fā)生前后光伏電源的工作點(diǎn)由恒流源區(qū)域轉(zhuǎn)為非恒流區(qū)域,或者故障電弧發(fā)生前后光伏電源的工作點(diǎn)一直在非恒流區(qū)域?qū)е碌亩霈F(xiàn)波形不一致的主要原因是回路中發(fā)生故障電弧前后光伏電源(或直流電源)的工作點(diǎn)是在恒流源區(qū)域還是非恒流源區(qū)域?qū)е碌腫9]。

不管上述哪種情況,回路中的電流波形在故障后都會(huì)出現(xiàn)劇烈的上下波動(dòng),與正常工作時(shí)都有明顯的區(qū)分。同時(shí),由文獻(xiàn)[9]的特征分析可知,發(fā)生故障前后電流波形的特征一致,且并沒有因?yàn)楣╇婋娫?光伏電源或直流電源)的不同而導(dǎo)致時(shí)域特征不一致。

2 直流故障電弧檢測(cè)、定位方法

目前,針對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧檢測(cè)的研究方法有很多。主要分為三個(gè)方面：基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測(cè)方法;基于電弧電流、電壓時(shí)頻域特性的檢測(cè)方法;基于模式識(shí)別學(xué)習(xí)算法的故障檢測(cè)方法。較為主流的檢測(cè)方法是采用時(shí)頻域故障判斷閾值的檢測(cè)方法。

2.1 基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測(cè)方法

故障電弧產(chǎn)生的同時(shí)伴有光、熱、聲音和電磁輻射等特性,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者就是根據(jù)這些特性來(lái)檢測(cè)故障電弧。主要是利用多種傳感器以及回路天線來(lái)接收故障電弧發(fā)出的聲、熱以及電磁輻射來(lái)檢測(cè)故障電弧。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于頻域穩(wěn)態(tài)模式的電弧故障序列檢測(cè)方法。利用電弧發(fā)出的電磁輻射(EMR)作為檢測(cè)依據(jù),計(jì)算結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)(SSIM)和6db帶寬箱(6db BWBs)等模式,提取穩(wěn)定燃燒電弧譜的相似性。該文提出的方法可以有效地為傳統(tǒng)方法進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)充;文獻(xiàn)[12-13]針對(duì)電弧燃弧起始階段,分析光伏直流故障電弧電磁輻射特性。研究光伏直流故障電弧電磁輻射測(cè)量方法,提出一種用于故障電弧電磁輻射測(cè)量的三階Hilbert分形天線設(shè)計(jì)方法。其中,文獻(xiàn)[13]還分析了測(cè)量距離對(duì)電弧電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度的影響,為故障電弧的定位研究奠定了基礎(chǔ);文獻(xiàn)[14]分析了直流電弧穩(wěn)態(tài)特性的影響因素,證明了電弧電流、電極間距是決定電弧特性的主要因素。為小電流直流電弧特性研究提供了新思路,為直流電弧的檢測(cè)及保護(hù)裝置的研究提供理論支持。

基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測(cè)方法主要研究的是電弧的輻射特性,根據(jù)頻譜特征進(jìn)行故障檢測(cè),但受復(fù)雜環(huán)境的影響較大,且還受到了傳感器的制約,局限性很大。

2.2 基于電弧電流、電壓時(shí)頻域特性的檢測(cè)方法

基于故障電弧電流、電壓時(shí)頻域特性的檢測(cè)方法是目前直流故障電弧檢測(cè)方法中較為主流的方法。國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者在該方法領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[15]根據(jù)直流電弧故障的伏安特性,廣泛地分析了直流故障電弧引起的線路電流和電源電壓的變化。提出了一種綜合利用線路電流和電源電壓信息的直流串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法,利用檢測(cè)電流的下降率、電流平均變化率、線路電流和電源電壓交流分量的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)檢測(cè)直流故障電弧;文獻(xiàn)[16]提出一種有源光伏直流故障電弧檢測(cè)方法,基于Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真平臺(tái)。通過(guò)小波變換分析高頻信號(hào)有源注入下直流母線電流信號(hào)響應(yīng)的特性,識(shí)別光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧;文獻(xiàn)[17]一種針對(duì)不同操作條件的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法。利用雙樹復(fù)小波變換(DT-CWT)將電流信號(hào)分解然后利用改進(jìn)的矩陣構(gòu)造方法提取每個(gè)小波分量的奇異值,從而有效降低了構(gòu)建高維特征的計(jì)算成本;文獻(xiàn)[18]提出了基于在頻譜和時(shí)間序列上對(duì)電流變化的相對(duì)比較的故障電弧檢測(cè)算法。此外,利用小信號(hào)模型對(duì)故障電弧的阻抗進(jìn)行研究,可以得到在低頻范圍內(nèi)的故障電弧條件下的諧振頻率。從阻抗模型中,可以設(shè)計(jì)出頻率分析范圍,以避免逆變器的開關(guān)噪聲;文獻(xiàn)[19]從時(shí)域方法入手分析了不同材料的故障電弧電流之間的差異,討論了不同材料的故障電弧現(xiàn)象差異;然后,采用小波變換方法,從時(shí)頻域的角度對(duì)故障電弧檢測(cè)特性進(jìn)行對(duì)比,最后,針對(duì)不同的材料給出了相關(guān)建議;文獻(xiàn)[20]從歸一化直流端電壓的高頻分量中提取故障電弧特征,利用逆變器開關(guān)特征的周期性,通過(guò)最大互相關(guān)值的滯后減去調(diào)整后的數(shù)據(jù)窗來(lái)除去逆變器開關(guān)特征干擾,采用低頻分量的功率與電弧信號(hào)的功率之比(或信噪比)來(lái)進(jìn)行故障電弧的檢測(cè);文獻(xiàn)[21]提出一種基于小波分析的奇異值分解(WASVD)算法,并輔以電流幅值歸一化(CAN)來(lái)增強(qiáng)微弱故障電弧的檢測(cè)。對(duì)于微弱電弧的增強(qiáng)研究,孟羽等人研究了隨機(jī)共振方法對(duì)不同直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的故障電弧特征增強(qiáng)效果,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨機(jī)共振可以有效地增強(qiáng)故障電弧的特征[22]。同時(shí),文獻(xiàn)[23]也分析微弱故障電弧信號(hào)的信號(hào)特征,提出了一種基于電流小波能量熵的直流串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法。通過(guò)計(jì)算信號(hào)的脈沖因子,利用閾值比較法來(lái)檢測(cè)故障電弧;文獻(xiàn)[24]根據(jù)故障電弧的高頻特性,獲取了組串輸入端濾波電容支路電流信號(hào),基于樣本熵和標(biāo)準(zhǔn)差建立了串聯(lián)故障電弧檢測(cè)算法,主要是基于逆變器實(shí)現(xiàn)的組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)直流串聯(lián)故障檢測(cè)和保護(hù)方法;文獻(xiàn)[25]首先利用快速傅里葉變換(FFT)提取電流信號(hào)的三個(gè)不同特征頻段,然后分別對(duì)不同的頻段的幅值取最大值、總和以及標(biāo)準(zhǔn)差作為特征量,最后進(jìn)行雙重加權(quán)差分來(lái)進(jìn)行閾值判斷故障電弧;文獻(xiàn)[26]采集了多種電弧情況下直流母線處的電弧噪聲信號(hào),得到了對(duì)應(yīng)故障電弧的特征,分別從時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域這3方面對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的電弧信號(hào)進(jìn)行研究分析,從而實(shí)現(xiàn)故障電弧的對(duì)比分析研究。最后驗(yàn)證了基于時(shí)頻域的檢測(cè)方法受電弧類型和發(fā)生位置的影響不大,更適合故障電弧的全面分析;文獻(xiàn)[27]針對(duì)故障電弧時(shí)域檢測(cè)準(zhǔn)確性差的問(wèn)題,首先用閾值法濾除干擾噪聲,分別從電流有效值變化、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本熵進(jìn)行分析,最后提出了直流串聯(lián)電弧故障的保護(hù)策略。

基于電弧電流、電壓時(shí)頻域特性的檢測(cè)方法是目前采用最多的直流故障電弧檢測(cè)方法。但在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中,場(chǎng)景復(fù)雜、組件繁多,正常的開關(guān)動(dòng)作、負(fù)載突變都可能導(dǎo)致誤判,且閾值無(wú)法隨環(huán)境自適應(yīng)變化,還有待進(jìn)一步展開深入地研究。

2.3 基于模式識(shí)別學(xué)習(xí)算法的檢測(cè)方法

近年來(lái),隨著模式識(shí)別的迅速發(fā)展,越來(lái)越多的學(xué)者開始利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)輔助直流故障電弧的檢測(cè)。文獻(xiàn)[28]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的串聯(lián)直流故障電弧診斷和電路行為預(yù)測(cè)方法。采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取每個(gè)時(shí)頻片上的靜態(tài)特征,并結(jié)合長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò),捕獲時(shí)頻片序列的動(dòng)態(tài)時(shí)變特征。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型顯示故障電弧診斷的總體準(zhǔn)確率為98.43%,并給出了類似于實(shí)際信號(hào)的時(shí)域預(yù)測(cè)結(jié)果;文獻(xiàn)[29]提出了基于域適應(yīng)的深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(DA-DCGAN)方法,其中DA-DCGAN首先從源域數(shù)據(jù)中智能學(xué)習(xí)正常到故障的轉(zhuǎn)換。然后,利用目標(biāo)域的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換生成虛擬電弧數(shù)據(jù),并采用域自適應(yīng)法,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)域魯棒的、可靠的故障診斷[29];針對(duì)直流系統(tǒng),文獻(xiàn)[30]提出一種基于改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)技術(shù)提取直流故障電弧時(shí)頻特征的方法,還有利用自適應(yīng)消諧波[31],然后采用支持向量機(jī)(SVM)算法進(jìn)行決策的檢測(cè)方法;文獻(xiàn)[32]利用EMD和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)算法結(jié)合進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)直流故障電弧檢測(cè);文獻(xiàn)[33]對(duì)時(shí)域特性和頻域特性進(jìn)行量化,以工作點(diǎn)變化、電流峰峰值、標(biāo)準(zhǔn)差以及傅里葉變換得到的頻率分量作為特征向量輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;文獻(xiàn)[34]利用平均值、中值、方差值、RMS值以及最大值和最小值的距離作為特征量,分別采用DNN、LSTM、GRU等各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行故障電弧檢測(cè),并做了檢測(cè)精度的對(duì)比;還有采用集成機(jī)器學(xué)習(xí)[35](EML)算法、利用PNN[36]算法訓(xùn)練多維特征樣本、采用遷移學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[37]進(jìn)行直流故障電弧檢測(cè)的研究。

基于模式識(shí)別學(xué)習(xí)算法的故障電弧檢測(cè)方法,能夠有效地提高故障電弧檢測(cè)精度,但在一定程度上依賴于樣本數(shù)量和質(zhì)量,且計(jì)算量較大,對(duì)硬件的要求較高。在實(shí)際應(yīng)用中還需要大量的驗(yàn)證和試驗(yàn)。

2.4 基于定位和硬件實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法

以上直流故障電弧檢測(cè)方法大多在理論上采用各種聲、光、電、時(shí)頻域以及模式識(shí)別算法進(jìn)行故障電弧檢測(cè)驗(yàn)證,針對(duì)直流故障電弧的定位以及硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)較少。文獻(xiàn)[38]提出了一種只需要兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面定位方法,通過(guò)天線陣和故障源形成一個(gè)水平三角形來(lái)定位故障,采用互相關(guān)技術(shù)對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行區(qū)分和提取;文獻(xiàn)[39]提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的時(shí)域技術(shù),稱為分解開閉交替序列(DOCAS),用于故障電弧的檢測(cè)和定位;文獻(xiàn)[40]介紹了一種基于卡爾曼濾波器(KF)的算法,該算法通過(guò)估計(jì)線路導(dǎo)納并因此檢測(cè)/定位串聯(lián)故障電弧來(lái)監(jiān)控直流微電網(wǎng)的運(yùn)行;文獻(xiàn)[41-42]在光伏板、電阻兩端并聯(lián)電容,通過(guò)這些電容器的電流特性進(jìn)行故障檢測(cè)和定位,期間還采用了羅氏線圈進(jìn)行輔助。文獻(xiàn)[43]提出的脈沖電流故障選線技術(shù)也可作為光伏直流故障電弧選線定位的參考技術(shù)。同時(shí),還有基于高性價(jià)比TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器的電弧故障檢測(cè)器[44](AFD)、數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片[45]、光伏樣機(jī)[46]等硬件實(shí)現(xiàn)直流故障電弧的檢測(cè)。

基于定位和硬件實(shí)現(xiàn)的故障電弧檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有重大意義,但目前相關(guān)研究較少,也沒有得到有效地應(yīng)用,在未來(lái)的研究中還需展開深入研究。

3 直流故障電弧檢測(cè)面臨的問(wèn)題

目前,分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測(cè)方法較多,在實(shí)際應(yīng)用也較多得到了運(yùn)用。但基于直流故障電弧檢測(cè)研究目前仍處于探索階段,還存在著一系列的問(wèn)題：(1)故障電弧檢測(cè)主要采用閾值法,但在實(shí)際應(yīng)用中閾值無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨環(huán)境自適應(yīng)變化,確定閾值比較困難;(2)大多時(shí)頻域方法對(duì)硬件要求較高,算法較為復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn);(3)模式識(shí)別分析算法的引入,對(duì)提取的特征信息要求較高,需要大量的數(shù)據(jù)樣本做支撐,計(jì)算復(fù)雜,相關(guān)研究也尚未深入。目前,對(duì)于分布式光伏發(fā)電,國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策,必須具備故障電弧檢測(cè)功能,但目前這一技術(shù)并不成熟,主要集成在逆變器上,對(duì)光伏進(jìn)行組串,尚未有合適的解決方案。

當(dāng)線路中連接大量用電設(shè)備,且各用電設(shè)備工作性質(zhì)不同時(shí),這將會(huì)導(dǎo)致線路中電流信號(hào)的多變,增加故障電弧的誤判率。同時(shí),當(dāng)主線路中工作電流較大,支路工作電流較小時(shí),一旦支路發(fā)生故障電弧,支路的電流信號(hào)會(huì)減小,其信號(hào)特征極易被主線路的工作電流所湮沒。且目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)直流故障電弧沒有建立一個(gè)完整可靠的直流故障電弧數(shù)據(jù)集,各學(xué)者只能根據(jù)己有的故障電弧數(shù)據(jù)進(jìn)行電弧檢測(cè)驗(yàn)證。

故障電弧電阻呈非線性,就同一個(gè)用電設(shè)備而言,在同樣的環(huán)境條件下產(chǎn)生的電弧電流變化很大,所以很難對(duì)故障電弧電流進(jìn)行統(tǒng)一定性,采用閾值法可能會(huì)產(chǎn)生誤判。在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下,電氣線路走線復(fù)雜,且故障電弧隨機(jī)性高、隱蔽性強(qiáng),對(duì)故障檢測(cè)、定位難度大,同時(shí)要求的軟硬件條件有限,算法不能太復(fù)雜,所以對(duì)故障電弧的檢測(cè)、定位的實(shí)現(xiàn)有難度。

同時(shí),分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測(cè)的研究主要集中在理論層面,針對(duì)故障電弧進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證,很少有具體的故障定位檢測(cè)和硬件實(shí)現(xiàn)研究。目前能夠檢測(cè)直流故障電弧的設(shè)備也主要面向光伏場(chǎng)景,場(chǎng)景和負(fù)載較為單一,對(duì)多場(chǎng)景、多負(fù)載的直流故障電弧的研究還處于起步階段。

4 直流故障電弧檢測(cè)、定位技術(shù)的展望

隨著我國(guó)雙碳目標(biāo)、新型電力系統(tǒng)的提出,對(duì)于分布式光伏等直流系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多。目前國(guó)內(nèi)還沒有明確的直流故障電弧相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),主要根據(jù)美國(guó)的UL 1699B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估光伏直流系統(tǒng)的故障電弧檢測(cè)方法的有效性,且該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)逆變器等開關(guān)裝置作為負(fù)載條件,沒有考慮典型的家用直流負(fù)載等場(chǎng)景。針對(duì)多場(chǎng)景和多負(fù)載的直流故障電弧研究仍然是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng),應(yīng)用場(chǎng)景多元化,不應(yīng)局限于一種場(chǎng)景下的故障電弧檢測(cè),在模塊級(jí)、組串級(jí)和陣列級(jí)等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)下的故障電弧檢測(cè)、定位普適性也有待進(jìn)一步研究。

目前,針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流故障電弧檢測(cè)主要集中于低壓場(chǎng)景,隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,電壓等級(jí)也不斷攀升,因此,對(duì)高壓等級(jí)的光伏直流故障電弧的檢測(cè)、定位方法也有待進(jìn)一步深入研究。

對(duì)于近幾年的研究,針對(duì)微弱故障電弧的檢測(cè)方法已經(jīng)有了相關(guān)研究,對(duì)于微弱故障電弧的研究非常有意義,隨機(jī)共振、小波分析等方法有明顯的增強(qiáng)作用,在弱信號(hào)的檢測(cè)上還需進(jìn)一步研究自適應(yīng)地、有效地算法,同時(shí),不應(yīng)只局限在理論方法上,因?qū)⑵洳渴鸬接布蠎?yīng)用于實(shí)際直流故障電弧的檢測(cè)中。且大多數(shù)直流故障電弧都針對(duì)串聯(lián)型,對(duì)并聯(lián)型故障電弧研究較少,雖并聯(lián)型故障電弧發(fā)生幾率較小,也不可忽略。

現(xiàn)有的較多直流故障電弧檢測(cè)方法對(duì)于單一場(chǎng)景的故障電弧檢測(cè)精度高,卻很少涉及故障電弧的硬件實(shí)現(xiàn)和定位研究,西安交通大學(xué)的熊慶團(tuán)隊(duì)對(duì)于故障電弧的定位研究有較大的研究意義和參考價(jià)值。如何在較低成本的硬件條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)直流故障電弧的快速、高精度的檢測(cè)、定位值得深入研究。

突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸,采用多特征量的多源信息融合方法,提高抗干擾能力,建立高靈敏度的直流故障電弧檢測(cè)、定位技術(shù)方法是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主的直流應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展越來(lái)越迅速,同時(shí),也伴隨著越來(lái)越多的危害,其中直流故障電弧危害最大。如何高效地檢測(cè)、定位直流故障電弧是目前亟需解決的問(wèn)題。文中首先分析了直流故障電弧發(fā)生的機(jī)理和故障特征,有助于了解直流故障電弧特征;其次,綜述了近幾年光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流故障電弧檢測(cè)、定位方法。對(duì)最近發(fā)表的論文進(jìn)行技術(shù)細(xì)節(jié)的總結(jié)和討論;最后,針對(duì)直流系統(tǒng),從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)指出了當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題,并展望了未來(lái)直流故障電弧檢測(cè)以及故障電弧定位的應(yīng)用場(chǎng)景和研究方向。