低壓直流串聯(lián)故障電弧研究綜述

摘"要：直流串聯(lián)故障電弧發(fā)生時(shí)隱蔽性較高、檢測(cè)難度大，是低壓直流系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)的重要原因。主要從低壓直流串聯(lián)故障電弧模型、電弧特征及其檢測(cè)方法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及裝置等3個(gè)方面進(jìn)行綜述?；陔娀》抡婺Ｐ土私怆娀⊙莼^程，分析常用故障電弧模型的原理、適用范圍和局限性;基于故障電弧的物理、電氣信號(hào)特征構(gòu)建及檢測(cè)方法，闡述不同特征檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn);最后對(duì)直流串聯(lián)故障電弧相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，并討論試驗(yàn)平臺(tái)及產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀和不足，展望未來低壓直流故障電弧相關(guān)領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞： 低壓直流電弧; 串聯(lián)故障電弧; 電弧模型; 電弧檢測(cè)算法; 電弧試驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)： TM501+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）08-0011-10

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.002

Review of Research on Low Voltage DC Series Fault Arc

WANG Yao1，"SHENG Dejie1，"LI Teng1，"LIU Yuying1，"LAN Tianle1，"BAO Zhizhou2，"ZHU Tongwei3

［1.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment

（Hebei University of Technology）， Tianjin 300401， China;

2.Zhejiang PEOPLE Electric Appliance Co.，Ltd.， Wenzhou 325600， China;

3.Zhejiang CHINT Electrics Co.，Ltd.， Wenzhou 325600， China］

Abstract：

DC series fault arc has high concealment and difficult detection，which is an important cause of fire in low voltage DC system.The model of low voltage DC series fault arc，arc characteristics and detection methods，detection standards and devices are reviewed mainly.Based on the arc simulation model is used to understand the arc evolution process，the principle，application range and limitations of the common fault arc model are analyzed.Based on the physical and electrical signal features geuerated by fault arc，construction and detection methods the advantages and disadvantages of different feature detection methods are exponded.Finally，the relevant standards of DC series fault arc are interpreted，and the current research status and shortcomings of the test platform and products are discussed.The future research direction of low voltage DC fault arc is prospected.

Key words：

low voltage DC arc; series fault arc; arc model; arc detection algorithm; arc test device

0"引"言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須依托新能源開發(fā)，其中以光伏發(fā)電的開發(fā)尤為重要。我國光伏發(fā)電開發(fā)潛力預(yù)計(jì)超50億kW［1］，光伏發(fā)電的開發(fā)對(duì)我國踐行能源安全大戰(zhàn)略具有重大意義。截至2024年3月底，全國光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到6.59億kW，其中集中式光伏3.79億kW、分布式光伏2.80億kW。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，電氣火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，光伏系統(tǒng)連接處長期老化容易發(fā)生串聯(lián)故障電弧，其溫度可達(dá)數(shù)千攝氏度，極易引燃周圍易燃物［2］。因此，必須對(duì)串聯(lián)故障電弧進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)動(dòng)作，防止其造成災(zāi)難性后果。

本文對(duì)直流故障電弧的仿真模型、電弧特征以及相應(yīng)的檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)和討論，對(duì)直流串聯(lián)故障電弧的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，并闡述試驗(yàn)平臺(tái)及產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀和不足［3-4］。

1"低壓直流串聯(lián)故障電弧仿真模型

電弧模型主要通過數(shù)學(xué)方程式來描述電弧的動(dòng)態(tài)演化過程。直流故障電弧模型分類如圖1所示。

國內(nèi)外提出的直流故障電弧模型主要有4種：磁流體動(dòng)力學(xué)模型、黑盒模型、U-I模型和電弧噪聲模型［5-7］。磁流體動(dòng)力學(xué)模型主要針對(duì)故障電弧的發(fā)生機(jī)理，研究電弧等離子體的放電演化過程，利用麥克斯韋方程組和有限元分析方法獲得電弧的電磁、溫度等物理特征，對(duì)電路仿真并不適用。黑盒模型、U-I模型和電弧噪聲模型主要針對(duì)電弧的電壓、電流、阻抗等電氣信號(hào)進(jìn)行分析與建模，適合電路仿真［8-9］。

1.1"黑盒模型

黑盒模型將故障電弧看作是一個(gè)“黑盒”，忽略電弧內(nèi)部的物理量演變過程，利用實(shí)驗(yàn)的方法研究電弧的外部特性，進(jìn)而確定故障電弧內(nèi)部的特性參數(shù)在不同條件下的變化規(guī)律［10］。Mayr模型和Cassie模型為故障電弧兩大經(jīng)典黑盒模型。Mayr模型是基于熱平衡原理建立的動(dòng)態(tài)電弧模型，適用于電弧剛發(fā)生時(shí)的小電流階段;Cassie模型依據(jù)基礎(chǔ)的弧隙能量平衡理論，假設(shè)電弧溫度恒定，電弧能量耗散速度與弧柱的橫截面積成正比，適用于小電阻、高電流等級(jí)下電弧的模擬，是現(xiàn)有直流故障電弧仿真中常用的電弧模型。雖然黑盒模型在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)基于時(shí)域與頻域特征的故障電弧仿真，但很難與直流配電系統(tǒng)強(qiáng)干擾條件下故障電弧真實(shí)時(shí)頻域信息準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，不利于分析帶有高頻噪聲的系統(tǒng)強(qiáng)干擾對(duì)故障電弧的影響。

何鋆等［11］提出適用于爆炸開關(guān)設(shè)計(jì)過程中的黑盒電弧模型，應(yīng)用參數(shù)掃描策略，研究電弧模型中參數(shù)取值規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證該模型的可行性。文獻(xiàn)［12］基于Cassie模型建立光伏直流電弧動(dòng)態(tài)仿真模型，提取故障特征頻帶以增強(qiáng)特征信息。文獻(xiàn)［13］基于Habedank模型提出光伏直流串聯(lián)故障電弧模型，在改變運(yùn)行工況時(shí)模型參數(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。江潤等［14］提出Mayr改進(jìn)模型，認(rèn)為電弧在穩(wěn)定燃弧階段可等效為一個(gè)穩(wěn)定的電阻，而燃弧起始階段則等效為時(shí)變電阻，彌補(bǔ)了經(jīng)典電弧模型在阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載下丟失一些原本電弧特征的不足。丁培等［15］利用KEMA模型將氣體電弧分為3個(gè)子電弧串聯(lián)的形式，綜合了Mayr模型和Cassie模型的特點(diǎn)，但缺乏電弧隨機(jī)特性的表征。文獻(xiàn)［16］在Mayr模型中加入隨機(jī)系數(shù)，改進(jìn)后的模型考慮了電弧熄滅和再燃的隨機(jī)發(fā)生時(shí)間。黑盒模型仿真電弧電流、電壓波形與實(shí)際電弧電流、電壓波形的對(duì)比如圖2所示。t0時(shí)刻表示故障電弧發(fā)生，tm時(shí)刻表示母線電流降低到最小。

1.2"U-I模型

隨著電流的增大，直流電弧電壓逐漸減小，呈負(fù)阻性。學(xué)者們通過實(shí)驗(yàn)研究直流電弧的伏安特性，采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到了體現(xiàn)直流故障電弧的伏安特性模型，即U-I模型。U-I模型反映了電弧的靜態(tài)特性，對(duì)探索電弧的穩(wěn)態(tài)特性更為有效。

1902年至今，關(guān)于U-I模型提出許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Nottingham模型、Stokes模型、Paukert模型等［17］。Nottingham模型描述的故障電弧通過的電流等級(jí)＞10 A，不適合描述小電流等級(jí)下故障電弧特性［18］。Stokes模型描述的故障電弧模型涵蓋電弧間隙長度＞5 mm的故障電弧，在小電弧間隙下故障電弧模型特性模擬上存在一定的限制［19］。Paukert模型涵蓋0.3～100 000 A的電流范圍及1～200 mm的間隙長度［20］，可應(yīng)用于模擬銅電極條件的空氣電弧。文獻(xiàn)［21］采用雙曲線函數(shù)逼近電弧的伏安特性，建立了用于微電網(wǎng)分析的串聯(lián)直流電弧模型，可用于故障電弧的瞬態(tài)模擬。U-I模型可以很好地反映故障電弧產(chǎn)生前后的低頻電流幅度，但在頻域上對(duì)故障電弧的表征有較大的誤差。

1.3"電弧噪聲仿真模型

直流故障電弧的時(shí)域信息和頻域信息受到系統(tǒng)各方面因素的影響，單一的故障電弧模型無法完整地表征故障電弧特性。直流故障電弧電流的時(shí)域信息受電弧間隙和電流等級(jí)的影響，頻域信息受直流變壓系統(tǒng)開關(guān)噪聲的影響，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）調(diào)節(jié)對(duì)故障電弧電流的時(shí)域和頻域信息均有影響［22］。因此，只有從時(shí)域和頻域2個(gè)角度共同模擬故障電弧的特性，從時(shí)域角度描述故障電弧電壓、電流等外特性與電流等級(jí)和電弧間隙的關(guān)系，從頻域角度建立故障電弧的噪聲頻率分布模型，同時(shí)考慮MPPT調(diào)節(jié)對(duì)故障電弧電流時(shí)域、頻域的影響，才能得到準(zhǔn)確的故障電弧時(shí)頻域特性，為明確故障電弧典型特征和開發(fā)故障電弧檢測(cè)算法提供足夠的理論基礎(chǔ)。

電弧放電過程中，帶電粒子的隨機(jī)碰撞導(dǎo)致局部電場(chǎng)發(fā)生變化，因此直流故障電弧的阻抗具有隨機(jī)性［23］。電弧噪聲模型主要為了描述故障電弧的隨機(jī)行為，2種導(dǎo)體間接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落會(huì)產(chǎn)生電弧噪聲，從而會(huì)引發(fā)直流故障電弧頻域特性的改變［24-25］。文獻(xiàn)［26］采用零均值高斯噪聲表征電弧的隨機(jī)性行為，研究發(fā)現(xiàn)電弧高頻噪聲分布與電弧電流的直流分量水平有關(guān)，然而電弧噪聲模型在故障電弧時(shí)域變化描述維度仍存在不足。

文獻(xiàn)［27］分析直流故障電弧電流的頻譜后，提出按照轉(zhuǎn)折頻率前后不同的頻譜分布規(guī)律建立分段噪聲模型，對(duì)故障電弧電流高頻噪聲進(jìn)行仿真。高小慶等［28］提出考慮故障電弧電流高頻特征的阻抗電弧模型，將電弧電流看成由低頻電流和高頻電流2部分組成，分別由低頻通路和高頻通路產(chǎn)生。該模型下仿真得到的電弧電流與實(shí)際電流波形的高頻特征近似。孟羽等［29］將表征故障電弧電流低頻分量的Nottingham模型與表征故障電弧電流高頻特性的白噪聲模型結(jié)合，從而建立同時(shí)表示低頻特性和高頻特性的復(fù)合模型。文獻(xiàn)［30］融合不同故障電弧模型的優(yōu)勢(shì)，提出基于U-I模型和粉紅噪聲的復(fù)合仿真模型，實(shí)現(xiàn)故障電弧時(shí)域、頻域的模擬。

雖然國內(nèi)外的研究人員提出很多改進(jìn)直流電弧模型的措施，但在表征串聯(lián)直流電弧燃弧特性方面都不理想，尤其是串聯(lián)直流電弧的高頻特征。每種改進(jìn)的模型都有其適用范圍，不具備通用性。未來研究人員將對(duì)現(xiàn)有的電弧模型進(jìn)一步改進(jìn)，通過融合不同類型模型優(yōu)勢(shì)等方法增強(qiáng)模型的普適性，滿足對(duì)電弧仿真的需要。

2"直流故障電弧特征及檢測(cè)方法

直流故障電弧是一種涵蓋電、磁、熱、光等多物理場(chǎng)的氣體放電現(xiàn)象，伴隨而生的故障特征也在多個(gè)不同維度均有體現(xiàn)。學(xué)者對(duì)直流故障電弧的特征和檢測(cè)方法進(jìn)行了大量的研究，依據(jù)特征種類和檢測(cè)方法的不同，大致可以分為基于電弧物理特征的檢測(cè)方法、基于電弧電流特征的檢測(cè)方法以及基于人工智能的特征提取及故障檢測(cè)方法。

2.1"基于電弧物理特征的檢測(cè)方法

低壓直流故障電弧的發(fā)生通常伴隨著明顯的物理特征，主要包括弧光、弧聲、電磁輻射等。文獻(xiàn)［31］利用電弧發(fā)生前的間歇性放電或火花現(xiàn)象來判斷電弧的產(chǎn)生。勾欣陽等［32］針對(duì)開關(guān)柜場(chǎng)景提出小波包分解和反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，得到純凈的聲音信號(hào)，進(jìn)而判斷有無電弧產(chǎn)生。王堯等［33-36］利用分形天線對(duì)光伏系統(tǒng)的電弧電磁輻射進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)電磁輻射信號(hào)進(jìn)行包括小波變換在內(nèi)的不同方法的數(shù)據(jù)處理，當(dāng)特征值達(dá)到設(shè)定閾值后即認(rèn)為存在電弧。

低壓配電網(wǎng)故障電弧的物理特征可以明確直觀地表征故障電弧的發(fā)生，且物理特征發(fā)生迅速，能夠支持快速檢測(cè)。但是由于弧光、弧聲、電磁輻射等物理特征的傳播范圍有限，其更適用于開關(guān)柜或電氣設(shè)備內(nèi)部等密閉空間［32］中故障電弧的檢測(cè)。低壓直流配電系統(tǒng)分布范圍較廣且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，配電系統(tǒng)故障電弧的發(fā)生位置較為隨機(jī)［37］，故障電弧物理量測(cè)量裝置的有效測(cè)量范圍和部署安裝位置均會(huì)影響故障電弧的感應(yīng)靈敏度和檢測(cè)效果［38］。

2.2"基于電弧電流特征的檢測(cè)方法

低壓直流配電網(wǎng)中，電弧電壓的檢測(cè)同樣受到故障發(fā)生位置的限制，檢測(cè)不受位置影響的電流信息受到了更多的關(guān)注。

故障電弧檢測(cè)的時(shí)域方法主要是將采集到的某一時(shí)間窗的電流時(shí)域特征值與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)其大于閾值時(shí)，認(rèn)為故障電弧產(chǎn)生。文獻(xiàn)［39］提出一種基于分解開閉交替序列的故障電弧檢測(cè)方法，經(jīng)該方法處理后的電弧電流數(shù)據(jù)為隨機(jī)尖峰，尖峰幅值與電流變化率成正比。時(shí)域特征方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，但極易受到逆變器啟動(dòng)、云層遮擋等干擾而出現(xiàn)誤判。當(dāng)使用多個(gè)時(shí)間窗進(jìn)行判斷時(shí)，算法抗干擾能力提高，但實(shí)時(shí)性較差。

故障電弧檢測(cè)的頻域方法的依據(jù)是故障電弧產(chǎn)生時(shí)電流信號(hào)中會(huì)包含高頻分量這一特征。文獻(xiàn)［40-41］利用快速傅里葉變換對(duì)電流進(jìn)行頻域分析，當(dāng)高頻部分的幅值超過預(yù)定閾值時(shí)，認(rèn)為存在直流故障電弧。文獻(xiàn)［42］以直流串聯(lián)故障電弧為研究對(duì)象，得出該類電弧的特征頻帶為30～50 kHz。文獻(xiàn)［43］通過MATLAB仿真和電弧試驗(yàn)研究不同電弧發(fā)生位置的電流頻譜特征差異，得出電弧不同發(fā)生位置的頻譜特征。相較于時(shí)域法，頻域法的抗干擾性更強(qiáng)，電弧檢測(cè)準(zhǔn)確率也更高，對(duì)正常情況下電流突變的誤動(dòng)率更低。但是頻域法只分析頻域特性，并不反映時(shí)域信息，無法找到電弧的起始發(fā)生時(shí)間［44］。

文獻(xiàn)［45］提出一種時(shí)域和時(shí)頻域相結(jié)合以增強(qiáng)抗干擾性能的電弧檢測(cè)方法。魏渠渠等［46］采用時(shí)域和頻域相統(tǒng)一的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，觀察到電弧在時(shí)域及頻域的全景特性。文獻(xiàn)［47］研究直流微電網(wǎng)中負(fù)載切換對(duì)直流故障電弧檢測(cè)的干擾，利用短時(shí)傅里葉變換法研究負(fù)載切換過程中以及線路產(chǎn)生電弧時(shí)的特征向量，以提高故障電弧檢測(cè)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)［48］利用快速傅里葉變換法和短時(shí)傅里葉變換法分別進(jìn)行光伏系統(tǒng)電弧電流數(shù)據(jù)處理，并判斷有無電弧。故障電弧檢測(cè)的時(shí)頻域方法［49］綜合時(shí)域和頻域信息，抗干擾能力強(qiáng)，導(dǎo)致其算法運(yùn)算量大、運(yùn)行時(shí)間長、實(shí)時(shí)性稍差等。

2.3"基于人工智能的特征提取及檢測(cè)方法

近年來，基于人工智能的故障電弧檢測(cè)方法得到越來越多學(xué)者的關(guān)注。人工智能方法利用大量電弧數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，自動(dòng)生成電弧檢測(cè)的邊界條件，憑借閾值設(shè)置擺脫對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴，以高準(zhǔn)確率的優(yōu)勢(shì)得到青睞?；谌斯ぶ悄艿墓收想娀z測(cè)方法主要依靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

在輸入機(jī)器學(xué)習(xí)算法之前，電弧數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行特征提取。林靖怡等［50］采用主成分分析法對(duì)故障電弧產(chǎn)生時(shí)電流的8種時(shí)域特征參數(shù)降維處理。邱婷婷等［51］提出一種多時(shí)間尺度小波和長短時(shí)記憶自編碼器故障電弧檢測(cè)方法，改善準(zhǔn)確率。高海洋［52］以故障特征倍數(shù)與熵值波動(dòng)方差為核心參數(shù)，在Haar、Db、Sym等16種小波基以及1～6分解層數(shù)中選取最優(yōu)算法參數(shù)，完成算法優(yōu)化。高海洋等［53］從選擇最優(yōu)小波分解層數(shù)與小波基函數(shù)出發(fā)，提出一種利用小波能譜熵的故障電弧檢測(cè)方法。胡繼新等［54］利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到各階信號(hào)本征模態(tài)函數(shù)，并提取相似度較低電弧的本征模態(tài)函數(shù)（IMF）能量熵特征。王瑋等［55］從不同角度探討模態(tài)分解算法在電弧電流特征提取和故障檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)與不足。

目前，用于故障電弧檢測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括K-近鄰算法、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林等。吳泳恩等［56］提出一種基于改進(jìn)自適應(yīng)噪聲完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和模糊K均值聚類相結(jié)合的直流串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法。桑益芹等［57］提出以電弧能量為時(shí)域特征、以電弧電流為頻域特征的組合加權(quán)隨機(jī)森林故障電弧分類方法。文獻(xiàn)［58］介紹一種綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)信息的串聯(lián)故障電弧診斷方法，通過隨機(jī)森林實(shí)現(xiàn)特征選擇，通過結(jié)構(gòu)功能評(píng)估（SAF）診斷實(shí)現(xiàn)故障電弧的精確檢測(cè)。文獻(xiàn)［59］利用變分模態(tài)分解從光伏系統(tǒng)直流側(cè)電流信號(hào)中提取故障特征，通過自適應(yīng)特征調(diào)整對(duì)各頻段信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行篩選，提出了一種基于優(yōu)化變分模態(tài)分解和支持向量機(jī)的智能故障電弧檢測(cè)算法。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障電弧檢測(cè)算法，主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力來提取電弧特征并進(jìn)行任務(wù)分類。文獻(xiàn)［60］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障電弧進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)不同電極材料產(chǎn)生的不同電弧顏色進(jìn)行電極材料識(shí)別。李長江［61］在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用哈里斯鷹優(yōu)化（HHO）算法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，建立HHO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)［62］利用具有對(duì)抗性數(shù)據(jù)增強(qiáng)作用的輕型傳遞卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光伏系統(tǒng)電弧檢測(cè)。文獻(xiàn)［63］結(jié)合數(shù)據(jù)增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，處理來自只有2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并提高估計(jì)的準(zhǔn)確性和魯棒性。文獻(xiàn)［64］提出一種基于擠壓激勵(lì)起始多輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，用于快速檢測(cè)光伏系統(tǒng)中的串聯(lián)故障電弧。白嘎力等［65］提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別方法與故障電弧診斷理論的電弧檢測(cè)方法。張蓬鶴等［66］基于廣義S變換對(duì)故障電弧特征進(jìn)行研究，并利用二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練及分類。蘇晶晶等［67］利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解分析法對(duì)電弧電流進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)合概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障電弧檢測(cè)與故障支路定位。張婷［68］依據(jù)深度學(xué)習(xí)理論研究基于殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法。張婷等［69］使用自適應(yīng)非對(duì)稱卷積、多通道離散注意力機(jī)制改進(jìn)殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所提方法對(duì)串聯(lián)故障電弧的識(shí)別率達(dá)到99.95%。王天澤等［70］通過門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同光伏組串直流故障電弧類型辨識(shí)。唐海龍等［71］提出一種基于輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏系統(tǒng)直流串聯(lián)故障電弧檢測(cè)方法，采用Efficientnet-B1模型和注意力機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的故障電弧檢測(cè)。輕量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，C、W、H分別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)維度。

基于人工智能的檢測(cè)方法得益于在特征提取上的優(yōu)越性，在檢測(cè)精度上有著優(yōu)異的表現(xiàn)。未來，模型泛化性將是人工智能算法的研究方向之一，現(xiàn)有模型大多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或者是較為固定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下訓(xùn)練的，下一步應(yīng)增加其在低壓直流系統(tǒng)真實(shí)場(chǎng)景下的性能驗(yàn)證，證明模型的適應(yīng)能力以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，現(xiàn)有人工智能模型大多是黑盒模型，可解釋性能力較差，不利于模型的錯(cuò)誤分析以及優(yōu)化改進(jìn)，這也是值得進(jìn)一步研究的方向。

3"直流故障電弧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及裝置

直流故障電弧發(fā)生的隨機(jī)性，導(dǎo)致故障數(shù)據(jù)難以采集，相關(guān)故障檢測(cè)保護(hù)產(chǎn)品的驗(yàn)證測(cè)試也面臨同樣問題。因此，提出和完善相關(guān)直流故障電弧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及建設(shè)涵蓋標(biāo)準(zhǔn)要求的直流故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于提升直流故障電弧保護(hù)技術(shù)以及減小直流故障電弧的危害具有重要意義。

3.1"直流故障電弧相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

現(xiàn)實(shí)光伏場(chǎng)景下會(huì)有眾多因素影響直流串聯(lián)故障的電弧特征，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要明確如何在試驗(yàn)環(huán)境下還原故障電弧。目前直流故障電弧檢測(cè)參考的主要標(biāo)準(zhǔn)有UL 1699B2018《光伏直流電弧故障保護(hù)電器》、IEC 63027：2023以及GB/T 39750—2021《光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電弧保護(hù)技術(shù)要求》［72-73］。

直流電弧故障保護(hù)電器（AFDD）產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，包括逆變器、匯流箱、整流器等，也存在獨(dú)立形式的AFDD產(chǎn)品，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中制定了不同的試驗(yàn)電路。串聯(lián)組串線路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在試驗(yàn)過程中，需要記錄電弧電流、電弧電壓和電弧持續(xù)時(shí)間，并計(jì)算電弧能量。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求，AFDD產(chǎn)品需要在電弧能量＞750 J或者電弧持續(xù)時(shí)間＞2.5 s之前檢測(cè)到故障電弧并做出動(dòng)作。UL 1699B2018中，根據(jù)故障電弧的危害程度將試品表現(xiàn)劃分為A、B、C共3個(gè)區(qū)域。其中，A區(qū)域要求電弧持續(xù)時(shí)間＜2.5 s、電弧能量＜200 J，表示即使電弧附近有可燃材料，依然沒有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn);B區(qū)域要求電弧持續(xù)時(shí)間＜2.5 s且電弧能量介于200～750 J，750 J表示故障電弧不造成火災(zāi)的最高能量等級(jí);C區(qū)域表示電弧持續(xù)時(shí)間＞2.5 s或者電弧能量＞750 J，此區(qū)域已經(jīng)存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。AFDD的目的在于防止串聯(lián)故障電弧引起的火災(zāi)事故，其動(dòng)作必須在故障電弧造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)前完成，因此表現(xiàn)處于C區(qū)域的產(chǎn)品判定為不合格。

在試驗(yàn)測(cè)試中，主要參數(shù)包括最小電弧電流、最大工作電流、最大工作電壓、開路電壓、拉弧速度和拉弧間距等。圖4試驗(yàn)電路中，多個(gè)故障電弧位置都必須進(jìn)行測(cè)試，每種試驗(yàn)工況重復(fù)3次。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2種阻抗網(wǎng)絡(luò)中的寄生電容參數(shù)，代表2種不同的試驗(yàn)工況，都需要進(jìn)行3次試驗(yàn)。由于試驗(yàn)工況較多會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)次數(shù)較多、試驗(yàn)耗時(shí)長，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定在測(cè)試相關(guān)方都同意的條件下，可以只在最不利的電弧位置進(jìn)行測(cè)試。記錄每個(gè)拉弧位置各5個(gè)測(cè)量值，平均跳閘時(shí)間最長的拉弧位置即為最不利的電弧位置。

在UL 1699B2018、IEC 63027：2023以及GB/T 39750—2021中，試驗(yàn)要求基本相同，部分試驗(yàn)線路及拉弧位置和部分參數(shù)存在差異［74］。在UL 1699B2018和IEC 63027：2023中，每項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)于寄生電容有2組參數(shù)，GB/T 39750—2021中只規(guī)定1組參數(shù)，其目的是簡(jiǎn)化試驗(yàn)環(huán)節(jié)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)置了1組在大多數(shù)場(chǎng)景下都能較為有效還原真實(shí)場(chǎng)景的參數(shù)。

3.2"直流故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)產(chǎn)品

符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)平臺(tái)主要由直流電源、解耦網(wǎng)絡(luò)、阻抗網(wǎng)絡(luò)、拉弧裝置、線路阻抗和逆變器等組成。為保證試驗(yàn)工況的可重復(fù)性，采用直流電源為試驗(yàn)線路提供穩(wěn)定可靠的試驗(yàn)電源，而非實(shí)際光伏陣列。解耦網(wǎng)絡(luò)用于消除不同陣列之間的耦合關(guān)系，主要由共模電感、寄生電容和電感組成。在實(shí)際光伏直流場(chǎng)景下，光伏線纜所帶來的線路阻抗會(huì)嚴(yán)重影響AFDD檢測(cè)的準(zhǔn)確率。試驗(yàn)線路中的阻抗網(wǎng)絡(luò)用于模擬實(shí)際光伏直流場(chǎng)景下的線路阻抗，主要包含寄生電感和電容。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出不同試驗(yàn)線路的元件參數(shù)。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中為了獲得穩(wěn)定自持的故障電弧，采用拉開電極的方式產(chǎn)生電弧。拉弧裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。2種電弧發(fā)生器的主要區(qū)別為電極結(jié)構(gòu)一采用2根金屬棒產(chǎn)生電弧，電極結(jié)構(gòu)二采用金屬球和金屬圓環(huán)產(chǎn)生電弧。試驗(yàn)過程中，控制電極以規(guī)定速度分離以產(chǎn)生電?。?5］。

電弧發(fā)生器的位置也會(huì)對(duì)AFDD的準(zhǔn)確率造成較大影響，不同的拉弧位置與故障電弧檢測(cè)位置之間距離不同，同時(shí)會(huì)耦合不同的干擾信號(hào)，導(dǎo)致檢測(cè)難度差別較大。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在試驗(yàn)線路中設(shè)置不同的拉弧位置，用于模擬真實(shí)光伏直流場(chǎng)景下不同位置發(fā)生的串聯(lián)故障電弧。

現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺(tái)集成化、自動(dòng)化水平較低，拓展性較差，一定程度上制約光伏直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品的發(fā)展［76］。標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)線路種類較多，同時(shí)有拉弧位置、阻抗參數(shù)的區(qū)別，試驗(yàn)平臺(tái)如果不能達(dá)到較高的自動(dòng)化水平，不同試驗(yàn)工況的切換會(huì)十分煩瑣，影響試驗(yàn)進(jìn)程。

為了能夠測(cè)試不同形式的光伏直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品，如集成在逆變器內(nèi)部的、斷路器形式的產(chǎn)品，試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具有足夠的兼容性。線路長度會(huì)嚴(yán)重影響故障電弧的識(shí)別，目前相關(guān)企業(yè)、單位也在進(jìn)行更長線路的故障電弧檢測(cè)的研究。同時(shí)，光伏發(fā)電場(chǎng)景下的直流故障電弧主要為低壓場(chǎng)景，但隨著近些年的發(fā)展，電壓等級(jí)逐漸提高，故障電弧檢測(cè)算法也應(yīng)當(dāng)對(duì)高壓工況做出相應(yīng)的測(cè)試與優(yōu)化。試驗(yàn)平臺(tái)也應(yīng)具有相關(guān)的前瞻性和拓展性，以達(dá)到新趨勢(shì)的要求。

目前，光伏相關(guān)企業(yè)正處于光伏直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品的開發(fā)測(cè)試階段。某公司直流故障電弧斷路器樣機(jī)如圖6所示。市面上較為成熟的產(chǎn)品不多，其中華為帶有故障電弧檢測(cè)功能的逆變器已經(jīng)具備實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值，不僅滿足UL 1699B2018要求，還可以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的高精度檢測(cè)。為應(yīng)對(duì)蓬勃發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)，國家層面不斷加強(qiáng)政策引導(dǎo)，光伏企業(yè)也在主動(dòng)聯(lián)合相關(guān)部門完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。隨著低壓直流供配電系統(tǒng)尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，直流故障電弧檢測(cè)與保護(hù)設(shè)備市場(chǎng)更加廣闊，相關(guān)企業(yè)應(yīng)促進(jìn)直流故障電弧標(biāo)準(zhǔn)的繼續(xù)完善，試驗(yàn)平臺(tái)的持續(xù)發(fā)展，加速利用人工智能算法等新技術(shù)推動(dòng)直流故障電弧斷路器的不斷更新迭代，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展。

4"結(jié)"語

光伏系統(tǒng)的發(fā)展關(guān)系到我國“碳中和、碳達(dá)峰”進(jìn)程，對(duì)我國能源安全具有重大意義。為了應(yīng)對(duì)隨之而來的直流故障電弧危害，必須采取有效的檢測(cè)和保護(hù)手段。本文針對(duì)電弧模型、電弧特征及其檢測(cè)算法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及裝置等方面進(jìn)行了綜述。就研究現(xiàn)狀而言，低壓直流串聯(lián)故障電弧領(lǐng)域仍有很多問題亟待解決。

（1） 電弧模型層面，本文對(duì)常用的黑盒模型、U-I模型和電弧噪聲模型的適用范圍、原理及其不足之處進(jìn)行了討論。目前電弧模型的主要問題在于通用性差，未來研究應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有不同類型電弧模型的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧時(shí)頻域特征，尤其是串聯(lián)直流故障電弧的高頻特征的精準(zhǔn)模擬，擴(kuò)大電弧模型適用范圍。

（2） 檢測(cè)算法層面，本文對(duì)故障電弧產(chǎn)生的不同特征進(jìn)行分類，并對(duì)包括時(shí)域特征、頻域特征、時(shí)頻域特征以及人工智能算法在內(nèi)的檢測(cè)算法進(jìn)行了總結(jié)和優(yōu)缺點(diǎn)討論。人工智能的檢測(cè)方法已經(jīng)初步證明其優(yōu)越性，模型的泛化性、模型的輕量化以滿足低成本硬件實(shí)現(xiàn)值得深入研究，模型可解釋性能力較差，不利于模型的錯(cuò)誤分析以及優(yōu)化改進(jìn)，這也是很值得進(jìn)一步研究的方向。

（3） 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及裝置層面，本文對(duì)直流串聯(lián)故障電弧相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，并對(duì)直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品、試驗(yàn)平臺(tái)研究現(xiàn)狀及不足進(jìn)行了討論。大電流、長線路以及電壓等級(jí)的提高是當(dāng)前光伏系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)滿足發(fā)展所需，針對(duì)直流故障電弧的檢測(cè)裝置也應(yīng)從實(shí)際使用的角度出發(fā)，在滿足檢測(cè)精度的前提下，提高經(jīng)濟(jì)性與高效性。

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收稿日期： 20240521