直流供电系统及其电弧故障的检测方法和装置与流程
本发明涉及电气故障检测技术领域，具体涉及一种直流供电系统中电弧故障的检测方法、一种直流供电系统中电弧故障的检测装置和一种直流供电系统。
背景技术：
随着电力电子、储能等技术的快速发展，目前，直流供电在航天航空、数据中心、电动汽车、光伏发电等领域中得到广泛的应用。有大量的民用电气设备的实际负荷也都是直流供电，如led灯泡、电视、打印机、变频调速空调、洗衣机、冰箱等。由于直流供电具有线路成本低、输电损耗小、供电可靠性高等优点，国内外已建成多个直流配用电示范工程，中国也已颁布了标准《gb/t35727-2017中低压直流配电电压导则》，以推动直流供电的广泛应用。因此可以预计直流供电的应用场合将越来越多。直流供电系统中，由于线路老化、连接松动、等原因导致的故障电弧时有发生，而直流故障电弧是诱发电气火灾的重要因素。因此，研究直流故障电弧检测与保护技术对于提高直流供电的安全具有重要的意义，并具有广阔的应用前景，目前已成为电气工程领域的热点研究方向之一。
相对于交流电弧，人们对直流故障电弧的检测技术的研究起步较晚。与交流故障电弧相比，当直流供电系统中出现电弧故障时，由于直流供电电源没有过零点，电弧难以熄灭，危害更大。
目前直流电弧故障的检测方式大致分为三种：一是利用电弧故障发生时会伴随有电磁辐射、弧光和噪声等物理特征，构建基于物理特征的检测系统进行串联电弧故障的检测。然而这种检测方式受传感器的检测范围的影响，只能检测特定位置发生的电弧故障。二是基于电弧发生时线路电流的无规则性变化和电弧对输出电压的影响，通过分析线路电流和输出电压的时域或频域特征实现对串联电弧故障的检测。这种检测方式存在使用场合单一，准确度不高的问题。三是使用人工智能的方法来检测电弧故障，通过小波变换对电压和电流信号进行特征提取，再使用支持向量机进行分类，确定是否发生电弧故障，或者通过从线路电流的时域和频域中提取电弧特征对隐马尔可夫模型进行训练，基于隐马尔可夫模型进行直流串联电弧检测，以及基于域适应性与深度卷积生成对抗网络，以解决原始数据与实际情况的差异导致检测准确率下降的问题。这些基于人工智能的检测方式要想获得较高的准确率，需要大量的高质量样本数据。
技术实现要素：
本发明为解决上述技术问题，提供了一种直流供电系统及其电弧故障的检测方法和装置，能够及时、方便地检测出直流供电系统中的电弧故障，准确性较高、成本较低且能够适用于多种场合。
本发明采用的技术方案如下：
一种直流供电系统中电弧故障的检测方法，包括以下步骤：获取所述直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号；根据所述线路电流信号判断是否发生电流突降；如果发生电流突降，则根据所述线路电流信号计算线路电流下降率，并判断所述线路电流下降率是否处于预设区间之内；如果所述线路电流下降率处于所述预设区间之内，则根据所述线路电流信号计算所述线路电流下降后和下降前的电流方差，并根据所述电源电压信号计算所述线路电流下降后和下降前的电源电压纹波方差，以及根据所述线路电流下降后和下降前的电流方差和电源电压纹波方差判断是否发生电弧事件；如果电弧事件持续发生的次数大于预设次数阈值，则判定所述直流供电系统发生电弧故障。
根据所述线路电流信号判断是否发生电流突降，具体包括：根据所述线路电流信号计算线路电流突变率；根据所述线路电流突变率判断是否发生电流突降。
设定第一时间窗口和第二时间窗口，通过所述第一时间窗口内的电流平均值计算所述线路电流突变率，并通过所述第二时间窗口内的电流平均值计算所述线路电流下降率，以及通过所述第二时间窗口内的电流采样值计算所述电流方差和通过所述第二时间窗口内的电源电压纹波采样值计算所述电源电压纹波方差，其中，所述第一时间窗口小于所述第二时间窗口。
其中，利用直流电弧的伏安特性，结合所述直流供电系统的等效电路模型，得出电流下降区间公式，然后根据实时采集到的电源电压和线路电流计算出所述预设区间。
根据所述线路电流下降后和下降前的电流方差和电源电压纹波方差判断是否发生电弧事件，具体包括：计算所述线路电流下降后的电流方差与所述线路电流下降前的电流方差的比值；计算所述线路电流下降后的电源电压纹波方差与所述线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值；如果所述线路电流下降后的电流方差与所述线路电流下降前的电流方差的比值大于第一预设倍数阈值，且所述线路电流下降后的电源电压纹波方差与所述线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值大于第二预设倍数阈值，则判定发生电弧事件。
一种直流供电系统中电弧故障的检测装置，包括：获取模块，所述获取模块用于获取所述直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号；第一判断模块，所述第一判断模块用于根据所述线路电流信号判断是否发生电流突降；第二判断模块，所述第二判断模块用于在发生电流突降时，根据所述线路电流信号计算线路电流下降率，并判断所述线路电流下降率是否处于预设区间之内；第三判断模块，所述第三判断模块用于在所述线路电流下降率处于所述预设区间之内时，根据所述线路电流信号计算所述线路电流下降后和下降前的电流方差，并根据所述电源电压信号计算所述线路电流下降后和下降前的电源电压纹波方差，以及根据所述线路电流下降后和下降前的电流方差和电源电压纹波方差判断是否发生电弧事件；第四判断模块，所述第四判断模块用于在电弧事件持续发生的次数大于预设次数阈值时，判定所述直流供电系统发生电弧故障。
所述第一判断模块具体用于根据所述线路电流信号计算线路电流突变率，并根据所述线路电流突变率判断是否发生电流突降。
所述第一判断模块通过设定的第一时间窗口内的电流平均值计算所述线路电流突变率，所述第二判断模块通过设定的第二时间窗口内的电流平均值计算所述线路电流下降率，所述第三判断模块通过设定的第二时间窗口内的电流采样值计算所述电流方差，并通过设定的第二时间窗口内的电源电压纹波采样值计算所述电源电压纹波方差，其中，所设定的第一时间窗口小于所设定的第二时间窗口。
所述第三判断模块具体用于计算所述线路电流下降后的电流方差与所述线路电流下降前的电流方差的比值、所述线路电流下降后的电源电压纹波方差与所述线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值，并在所述线路电流下降后的电流方差与所述线路电流下降前的电流方差的比值大于第一预设倍数阈值，且所述线路电流下降后的电源电压纹波方差与所述线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值大于第二预设倍数阈值时，判定发生电弧事件。
一种直流供电系统，包括上述直流供电系统中电弧故障的检测装置。
本发明的有益效果：
本发明通过获取直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号，确定线路电流突降、线路电流下降率、线路电流方差和电源电压纹波方差，以判定直流供电系统发生电弧故障，与线路电流频谱分析的检测方式相比，避免了对线路电流进行傅里叶变换或小波变换，减少了计算量，与使用机器学习的检测方式相比，不需要大量的数据进行学习，更加简单、更易于使用低成本单片机进行实现。即本发明实施例的检测方法能够及时、方便地检测出直流供电系统中的电弧故障，准确性较高、成本较低且能够适用于多种场合。
附图说明
图1为本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测方法的流程图；
图2为本发明一个具体实施例的直流供电系统中电弧故障的检测方法的流程图；
图3为本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测装置的方框示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测方法包括以下步骤：
s1，获取直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号。
本发明实施例的检测方法适用于任意直流供电系统，例如以dc-dc变换器、光伏电源等作为直流电源的直流供电系统。
其中，线路电流信号il和电源电压信号us均可分解为直流分量和交流分量的叠加：
il＝il+il
us＝us+us
其中，il为线路电流的直流分量，il为线路电流的交流分量，us为电源电压的直流分量，us为电源电压的交流分量，即电源电压纹波。
在本发明的一个实施例中，可定时采集并存储线路电流、电源电压和电源电压纹波，以备后续步骤的计算和判断使用。
s2，根据线路电流信号判断是否发生电流突降。
具体地，可根据线路电流信号计算线路电流突变率，并根据线路电流突变率判断是否发生电流突降。
s3，如果发生电流突降，则根据线路电流信号计算线路电流下降率，并判断线路电流下降率是否处于预设区间之内。
s4，如果线路电流下降率处于预设区间之内，则根据线路电流信号计算线路电流下降后和下降前的电流方差，并根据电源电压信号计算线路电流下降后和下降前的电源电压纹波方差，以及根据线路电流下降后和下降前的电流方差和电源电压纹波方差判断是否发生电弧事件。
在本发明的一个实施例中，可设定第一时间窗口和第二时间窗口，其中，第一时间窗口小于第二时间窗口，即第一时间窗口为较小的时间窗口，第二时间窗口为较大的时间窗口。可通过第一时间窗口内的电流平均值计算线路电流突变率，并通过第二时间窗口内的电流平均值计算线路电流下降率，以及通过第二时间窗口内的电流采样值计算电流方差和通过第二时间窗口内的电源电压纹波采样值计算电源电压纹波方差。
在本发明的一个实施例中，可利用直流电弧的伏安特性，结合直流供电系统的等效电路模型，得出电流下降区间公式，然后根据实时采集到的电源电压和线路电流计算出电流下降的区间，即上述的预设区间。
在本发明的一个实施例中，可计算线路电流下降后的电流方差与线路电流下降前的电流方差的比值、线路电流下降后的电源电压纹波方差与线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值。如果线路电流下降后的电流方差与线路电流下降前的电流方差的比值大于第一预设倍数阈值，且线路电流下降后的电源电压纹波方差与线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值大于第二预设倍数阈值，则判定发生电弧事件。
s5，如果电弧事件持续发生的次数大于预设次数阈值，则判定直流供电系统发生电弧故障。
重复步骤s3、s4，如果连续多次判定发生电弧事件，且次数大于预设次数阈值，则可判定直流供电系统发生电弧故障。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，首先可采集线路电流信号和电源电压信号，即定时采集并存储线路电流il、电源输出电压us和电源电压纹波信号us。同时，初始化时间窗口计数标志位tw和当前被判定为发生电弧故障的时间窗口数量fa为0。
所设定的第一时间窗口长度可为10个点，所设定的第二时间窗口长度可为10000个点。
然后计算线路电流突变率γ，由于是定时采样，因此可以用公式γj＝ij-ij-2计算当前时间窗口的电流突变率γj。其中，ij和ij-2分别为第j和第j+2个第一时间窗口内的线路电流平均值。通过取平均值计算电流突变率可降低干扰，计算第j+2个窗口和第j个窗口电流平均值之间的变化率可以避免窗口跨越突变点导致的误差。
接下来可进一步判断是否发生电流突降，即当前时间点是否为突降点。具体地，如果计算得到的当前时间窗口的电流突变率γj为负，且
在检测到线路电流突降点之后，可以此为起点设定新的时间窗口，tw进行一次计数，计算新的时间窗口内的线路电流的平均值ik，线路电流下降率
如果线路电流下降率ηk的计算结果在预设区间[ηmin，ηmmax]之内，则对线路电流和电源电压纹波数据进行处理，计算线路电流方差和电源电压纹波方差。在本发明的一个具体实施例中，相应线路电流il_arc、电源电压e对应的预设区间如表1所示。
表1
具体地，可计算当前时间窗口的线路电流的方差ivar_k，并与发生电流突降前的线路电流的方差ivar进行比较，如果第k个窗口的ivar_k是发生线路电流突降前的线路电流的方差ivar的k2倍以上，即ivar_k/ivar＞k2时，则当前窗口可能发生电弧故障；计算当前时间窗口电源电压纹波的方差uvar_k，并与发生电流突降前的电源电压纹波的方差uvar进行比较，如果第k个窗口的uvar_k是发生线路电流突降前的电源电压纹波的方差uvar的k3倍以上，即uvar_k/uvar＞k3，则当前时间窗口可能发生电弧故障。先后或同时判断满足ivar_k/ivar＞k2和uvar_k/uvar＞k3两个条件时，可判定发生电弧事件。
在判定发生电弧事件时fa进行一次计数。在tw小于k4的情况下，如果fa大于k5，则可判定直流供电系统发生电弧故障。
在判定直流供电系统发生电弧故障后，可进行电弧故障报警，也可采取相应的保护动作，例如控制直流供电开关断开，以减小或避免故障电弧带来的风险，保障直流供电系统、用电设备的安全性和可靠性。
综上所述，根据本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测方法，通过获取直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号，确定线路电流突降、线路电流下降率、线路电流方差和电源电压纹波方差，以判定直流供电系统发生电弧故障，与线路电流频谱分析的检测方式相比，避免了对线路电流进行傅里叶变换或小波变换，减少了计算量，与使用机器学习的检测方式相比，不需要大量的数据进行学习，更加简单、更易于使用低成本单片机进行实现。即本发明实施例的检测方法能够及时、方便地检测出直流供电系统中的电弧故障，准确性较高、成本较低且能够适用于多种场合。
为实现上述实施例的直流供电系统中电弧故障的检测方法，本发明还提出一种直流供电系统中电弧故障的检测装置。
如图3所示，本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测装置，包括获取模块10、第一判断模块20、第二判断模块30、第三判断模块40和第四判断模块50。其中，获取模块10用于获取直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号；第一判断模块20用于根据线路电流信号判断是否发生电流突降；第二判断模块30用于在发生电流突降时，根据线路电流信号计算线路电流下降率，并判断线路电流下降率是否处于预设区间之内；第三判断模块40用于在线路电流下降率处于预设区间之内时，根据线路电流信号计算线路电流下降后和下降前的电流方差，并根据电源电压信号计算线路电流下降后和下降前的电源电压纹波方差，以及根据线路电流下降后和下降前的电流方差和电源电压纹波方差判断是否发生电弧事件；第四判断模块50用于在电弧事件持续发生的次数大于预设次数阈值时，判定直流供电系统发生电弧故障。
本发明实施例的检测装置适用于任意直流供电系统，例如以dc-dc变换器、光伏电源等作为直流电源的直流供电系统。
其中，线路电流信号il和电源电压信号us均可分解为直流分量和交流分量的叠加：
il＝il+il
us＝us+us
其中，il为线路电流的直流分量，il为线路电流的交流分量，us为电源电压的直流分量，us为电源电压的交流分量，即电源电压纹波。
在本发明的一个实施例中，获取模块10可定时采集并存储线路电流、电源电压和电源电压纹波，以备其他模块的计算和判断使用。
第一判断模块20具体可根据线路电流信号计算线路电流突变率，并根据线路电流突变率判断是否发生电流突降。
在本发明的一个实施例中，第一判断模块20可通过设定的第一时间窗口内的电流平均值计算线路电流突变率，第二判断模块30可通过设定的第二时间窗口内的电流平均值计算线路电流下降率，第三判断模块40可通过设定的第二时间窗口内的电流采样值计算电流方差，并通过设定的第二时间窗口内的电源电压纹波采样值计算电源电压纹波方差。其中，所设定的第一时间窗口小于所设定的第二时间窗口，即第一时间窗口为较小的时间窗口，第二时间窗口为较大的时间窗口。
在本发明的一个具体实施例中，所设定的第一时间窗口长度可为10个点，所设定的第二时间窗口长度可为10000个点。
由于是定时采样，因此第一判断模块20可通过公式γj＝ij-ij-2计算当前时间窗口的电流突变率γj。其中，ij和ij-2分别为第j和第j+2个第一时间窗口内的线路电流平均值。通过取平均值计算电流突变率可降低干扰，计算第j+2个窗口和第j个窗口电流平均值之间的变化率可以避免窗口跨越突变点导致的误差。
如果计算得到的当前时间窗口的电流突变率γj为负，且
在检测到线路电流突降点之后，可以此为起点设定新的时间窗口，由第二判断模块30计算新的时间窗口内的线路电流的平均值ik，线路电流下降率
如果线路电流下降率ηk的计算结果在预设区间之内，则第三判断模块40可对线路电流和电源电压纹波数据进行处理，计算线路电流方差和电源电压纹波方差。在本发明的一个实施例中，上述的预设区间可通过以下方式确定：利用直流电弧的伏安特性，结合直流供电系统的等效电路模型，得出电流下降区间公式，然后根据实时采集到的电源电压和线路电流计算出电流下降的区间，即上述的预设区间。在本发明的一个具体实施例中，相应线路电流il_arc、电源电压e对应的预设区间如表1所示。
在本发明的一个实施例中，第三判断模块40具体可计算线路电流下降后的电流方差与线路电流下降前的电流方差的比值、线路电流下降后的电源电压纹波方差与线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值，并在线路电流下降后的电流方差与线路电流下降前的电流方差的比值大于第一预设倍数阈值，且线路电流下降后的电源电压纹波方差与线路电流下降前的电源电压纹波方差的比值大于第二预设倍数阈值时，判定发生电弧事件。进一步而言，第三判断模块40可计算当前时间窗口的线路电流的方差ivar_k，并与发生电流突降前的线路电流的方差ivar进行比较，如果第k个窗口的ivar_k是发生线路电流突降前的线路电流的方差ivar的k2倍以上，即ivar_k/ivar＞k2时，则当前窗口可能发生电弧故障；计算当前时间窗口电源电压纹波的方差uvar_k，并与发生电流突降前的电源电压纹波的方差uvar进行比较，如果第k个窗口的uvar_k是发生线路电流突降前的电源电压纹波的方差uvar的k3倍以上，即uvar_k/uvar＞k3，则当前时间窗口可能发生电弧故障。先后或同时判断满足ivar_k/ivar＞k2和uvar_k/uvar＞k3两个条件时，可判定发生电弧事件。
如果第三判断模块40连续多次判定发生电弧事件，且次数大于预设次数阈值，则第四判断模块50可判定直流供电系统发生电弧故障。
综上所述，根据本发明实施例的直流供电系统中电弧故障的检测装置，通过获取模块获取直流供电系统的线路电流信号和电源电压信号，通过第一至第四判断模块确定线路电流突降、线路电流下降率、线路电流方差和电源电压纹波方差，以判定直流供电系统发生电弧故障，与线路电流频谱分析的检测方式相比，避免了对线路电流进行傅里叶变换或小波变换，减少了计算量，与使用机器学习的检测方式相比，不需要大量的数据进行学习，更加简单、更易于使用低成本单片机进行实现。即本发明实施例的检测方法能够及时、方便地检测出直流供电系统中的电弧故障，准确性较高、成本较低且能够适用于多种场合。
对应上述实施例的直流供电系统中电弧故障的检测装置，本发明还提出一种直流供电系统。
本发明实施例的直流供电系统，包括本发明上述任一实施例的直流供电系统中电弧故障的检测装置。
本发明实施例的直流供电系统，通过上述任一实施例的检测装置进行电弧故障检测，能够提高可靠性和安全性。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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