本发明属于光伏并网故障检测领域，特别涉及一种光伏阵列故障电弧检测及电弧类型辨识方法以及保护装置。
背景技术：
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随着光伏发电的快速发展，光伏系统中的火灾事故也时有发生，其中多数火灾事故原因都与故障电弧有关。光伏组件之间存在的大量连接设备，一旦绝缘层老化失效，上百伏的直流电压就可击穿空气，产生电弧。此外，故障电弧还可使装置带电，威胁操作人员安全。为解决防范此类安全问题，美国国家电气规范NEC(National Electrical Code)第690.11号文件要求光伏并网系统直流母线电压大于80V应配备故障电弧检测装置与断路器。
光伏系统故障电弧的检测有以下难点：(1)由于绝缘磨损、接地故障等引起的故障电弧很难预测其发生位置，给检测带来极大的不便；(2)光伏系统中逆变器开关噪声、光照、温度等因素都会对电弧检测造成干扰，容易产生漏判、误判；(3)光伏系统中光伏组件非常之多，发生故障电弧的位置不同，保护的方法也不同，这对整个系统的故障保护带来难度。
按电弧发生位置不同，可将电弧分为如下几类，如图1所示：其中a、b为串联电弧，c、e为组内并联电弧，d为组间并联电弧。针对不同类型电弧采取的保护措施也不同：通过断开光伏系统直流母线或相应组串可以熄灭串联电弧，然而却无法熄灭并联电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。所以光伏系统中的故障电弧检测及类型辨识对整个系统的电路保护起到重要的作用。
目前针对光伏系统的电弧检测和类型辨识问题，在国内外并没有得到深入的研究，大量的研究缺乏考虑光伏系统噪声，光照变化等因素。譬如，光伏系统在面对噪声干扰、天气变化等复杂外界环境时，其中便存在云层刚过时或者飞行物掠过时给光伏系统发电带来的波动性，若在此时发生故障电弧，单一判据的电弧检测方法可能会发生误判、漏判。又譬如，当光伏阵列中发生并联故障电弧时，采用常规的光伏电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI)不但不能熄灭故障电弧，还会使电弧燃烧更急剧烈，从而造成严重的安全事故。
技术实现要素：
本发明提供了一种光伏阵列故障电弧检测类型辨识方法及保护装置，目的在于解决在光伏系统中发生直流电弧故障时准确检测到故障电弧的问题，并能够辨识出故障电弧的类型，从而能够采取合适的电路保护策略熄灭故障电弧。
一种光伏阵列故障电弧检测与类型辨识方法，包括如下步骤：
(1)对直流母线电流进行采样，采样率为200kHz，获取电流采样信号；
(2)对上述的电流采样信号进行高通滤波，滤除10kHz以下的信号分量，获得电流采样高频信号；
(3)通过计算上述电流采样高频信号，提取时频域特征，建立特征平面，辨识光伏阵列某一时刻是否存在故障电弧；若不存在返回步骤(1)进行下一次采样；若存在，则进行下述操作；
(4)驱动电路给直流母线上的脱扣开关发送驱动信号，断开光伏系统直流母线；
(5)对光伏阵列输出电压进行采样，采样率为200kHz，获取电压采样信号；
(6)对上述的电压采样信号进行高通滤波，滤除10kHz以下的信号分量，获得电压采样高频信号；
(7)通过计算上述电压采样高频信号，提取时频域特征，建立特征平面，辨识光伏阵列某一时刻是否存在故障电弧；若存在，则说明光伏阵列中发生的是并联电弧，若不存在，则说明光伏阵列中发生的是串联故障电弧。根据电弧类型采取不同的电路保护措施。
上述的步骤(3)中识别光伏阵列中是否存在故障电弧过程如下：
1)对上述的电流采样高频信号，计算其标准差，提取时域特征向量；
2)对上述的电流采样高频信号，利用小波分解，计算各个频段能量，并将各频带能量归一化后一起作为频带特征向量；
3)利用时域距离和频域距离构建时频域特征平面，根据信号时频域特征向量确定信号在时频域特征平面内的位置，从而判定该时刻光伏阵列中是否发生故障电弧。
上述的步骤(7)中识别光伏阵列中是否存在故障电弧过程与步骤(3)相同。
上述的步骤(7)中电路保护措施，过程如下：
1)若辨识结果为光伏阵列发生串联故障电弧，则维持光伏系统直流母线断开状态；
2)若辨识结果为光伏阵列发生并联故障电弧，则驱动电路给直流母线上的常开开关发生驱动信号，在断开直流母线的基础上短接光伏阵列。
一种光伏系统故障电弧检测与保护装置，包括采样单元、数据处理单元、控制单元。
上述的采样单元，用于对线路中的电流电压进行高速同步采样，得到并输出电流采样信号和电压采样信号；
上述的数据处理单元用于接收所述的电流采样信号和电压采样信号，判断光伏阵列中是否存在故障电弧以及辨识是何种类型的故障电弧，得到光伏阵列故障状态信息。
上述的控制单元，用于接收光伏阵列故障信息，并根据光伏阵列故障状态信息对系统进行保护动作；
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用时域和频域双重判据来检测故障电弧信号，能够更加准确的检测光伏阵列是否发生电弧故障，防止误判漏判；
(2)本发明解决了串并联电弧的区分问题，使得针对不同类型电弧保护成为可能，为光伏系统的安全提供保障。
附图说明
图1为本发明的摘要附图：光伏阵列故障电弧类型辨识及电路保护结构框图；
图2为本发明光伏阵列故障电弧类型辨识及电路保护步骤流程图；
图3为时频域特征平面；
图4为光伏阵列正常工作时输出电压、电流波形；
图5为光伏阵列发生串联故障电弧时输出电压、电流波形；
图6为光伏阵列发生并联故障电弧时输出电压、电流波形；
图7为光伏阵列发生串联故障电弧断开直流母线后光伏阵列输出电压、电流波形；
图8为光伏阵列发生并联故障电弧断开直流母线后光伏阵列输出电压、电流波形；
图9为光伏阵列发生并联故障电弧断开直流母线后再短接光伏阵列前后光伏阵列输出电压波形。
具体实施方法
为了更为具体的描述本发明，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
图2为一种光伏阵列故障电弧类型辨识方法，包括如下步骤：
(1)对光伏阵列直流母线进行电流采样，采样率为200kHz，获取电流采样信号；
(2)对电流采样信号进行高通滤波，滤除10kHz以下的信号分量，获得高频电流信号；
(3)计算获取所述高频电流采样信号的时频域特征。
获取信号时频域特征过程如下：
1)计算电流采样高频信号的标准差，及时域特征向量，如下：
V＝[σ] (2)
式(1)中：x(n)表示长度为N的电流信号，选取N＝1024；μ为电流采样高频信号的平均值；式(2)中V为定义的时域特征向量；
2)对电流采样高频信号x(n)，利用小波进行分解，第j层信号分解公式为：
式(3)、(4)中h0和h1分别代表高通和低通滤波器系数；通过上述两式可以将原始信号分解到特定频段，设某频段系数为Cm，定义该频段能量为：
式中，是cm的转置，j为小波分解层数，m为小波分解频段数，选取j≤4，m≤16；
由于逆变器开关频率及其谐波所占频段能量极大，不同逆变器可能采用不同开关频率，会导致的频带能量漂移，也使得固定频段能量的频域特征提取方式不稳定。本文将各频带能量归一化后一起作为频域特征向量，如式(6)、式(7)所示，该特征向量不仅在故障前后变化明显，同时，可以防止使用固定频率段造成的误判问题，非常适合用来提取故障的频域特征；
(4)判断光伏阵列是否存在故障电弧，若存在进行步骤(5)，若不存在返回步骤(1)；
识别光伏阵列中是否存在故障电弧过程如下：
根据电流的时频域特征向量，建立特征平面，如图3所示，利用时域特征距离为横轴x，频域特征距离为纵轴y，建立时频域特征平面，特征平面可根据信号时域阈值nt、mt和频域阈值nf、mf分为三部分：正常区域(0≤x≤nt、0≤y≤nf)，电弧故障区域(x≥mt、y≤mf)，其他区域为干扰区域；其中Ot、Of为特征平面的原点，nt、nf两项由多次采集正常状态下的电压和电流信号取平均值得到，可取nt＝0.1，nf＝1.5；mt和mf用于确定电弧故障区域的时域和频域边界，两项则由多次实验经验取合适的值，可取mt＝0.2，mf＝2.5；
信号在特征平面中的位置由时域距离和频域距离确定，如式(8)(9)所示：
根据信号在特征平面的位置判定是否产生故障电弧；
(5)判定光伏阵列存在故障电弧，则数字信号处理器(DSP)产生故障状态信号送给驱动电路，由驱动电路控制脱扣开关断开直流母线；
(6)对光伏阵列输出电压进行采样，采样率为200kHz，获取电压采样信号，由电压采样信号对串并联电弧进行辨识，其原理如下：
1)发生串联电弧时将直流母线断开，使电弧熄灭，如图5、图7对比可知；然而发生并联电弧时，断开直流母线时，不但无法断开电弧回路，甚至可能使电弧回路的电压变大，电弧继续燃烧，如图6、图8对比可知；所以光伏阵列发生故障电弧的类型辨识问题可以通过直流母线断开后检测故障电弧是否继续燃烧来进行解决；
2)在进行电弧检测时，发生电弧时直流母线上的电压标准差与正常时标准差相差不大，这是因为逆变器的直流母线电容限制了母线两端电压波动，导致难以使用母线电压信号检测故障电弧，但是母线上电流标准差在电弧状态时有明显差异，故可以利用母线上的电流数据诊断故障电弧，而断开直流母线后发生串并联电弧时，并联电弧电压标准差会明显大于串联电弧，这是因为断开母线时串联电弧熄灭，并联电弧继续燃烧，并且逆变器直流母线电容无法限制母线电压波动，故串、并联电弧在光伏系统开路工作时，母线电压数据可以成为区分串、并联电弧的依据；
(7)对电压采样信号进行高通滤波，滤除10kHz以下的信号分量，获得电压高频信号，通过计算电压高频信号的时域特征和频域特征判定光伏阵列中是否存在故障电弧，以确定光伏阵列发生何种类型的故障电弧；
辨识光伏阵列电弧类型过程如下：
1)计算电压采样高频信号的标准差，及时域特征向量，如下：
V1＝[σ1] (11)
式(10)中：v(n)表示长度为N的电压采样信号，选取N＝1024；μ1为电压采样信号的平均值；式(11)中V1为定义的时域特征向量；
2)对电压采样高频信号v(n)，利用小波进行分解，第j层信号分解公式为：
式(12)、(13)中h0和h1分别代表高通和低通滤波器系数；通过上述两式可以将原始信号分解到特定频段，设某频段系数为Cm，定义该频段能量为：
式中，是cm的转置，j为小波分解层数，m为小波分解频段数，选取j≤4，m≤16；
将各频带能量归一化后一起作为频域特征向量，如式(15)、(16)所示，该特征向量不仅在故障前后变化明显，同时，可以防止使用固定频率段造成的误判问题，非常适合用来提取故障的频域特征。
3)根据电压的时频域特征向量，建立特征平面。利用时域特征距离为横轴x，频域特征距离为纵轴y，建立时频域特征平面，特征平面可根据信号时域阈值nt1、mt1和频域阈值nf1、mf1分为三部分：正常区域(0≤x≤nt1、0≤y≤nf1)，电弧故障区域(x≥mt1、y≤mf1)，其他区域为干扰区域；其中Ot1、Of1为特征平面的原点，nt1、nf1两项由多次采集正常状态下的电压信号取平均值得到，可取nt1＝0.1，nf1＝1.5；mf1和mt1用于确定电弧故障区域的时域和频域边界，两项则由多次实验经验取合适的值，可取mt1＝1.5，mf1＝2.5；信号在特征平面中的位置由时域距离和频域距离确定，如式(17)(18)所示：
根据信号在特征平面的位置判定是否存在故障电弧；
4)电弧故障类型辨识结果如下：步骤3)检测到电压故障电弧信号，则说明光伏阵列发生并联故障电弧；步骤3)检测不到电压故障电弧信号，则说明光伏阵列发生串联故障电弧；
如图1所示一种光伏系统故障电弧类型辨识与保护装置，包括采样单元、数据处理单元、控制单元。
采样单元包含有电流互感器、电压互感器、信号调理电路；电流互感器和电压互感器分别采样光伏的电流信号和电压信号，电流信号和电压信号经过信号调理电路放大滤波后，利用A/D转换模块进行模数转换，得到对应的电流采样信号和电压采样信号的数字信号。
数据处理单元为DSP数字处理器，其内部具有电弧检测模块，故障电弧检测模块接收电流采样信号和电压采样信号对应的数字信号，经综合计算判断光伏阵列是否产生故障电弧以及产生何种类型的故障电弧。
控制单元包含驱动电路和脱扣开关；驱动电路根据光伏阵列的故障状态判断是否给脱扣开关提供驱动信息，脱扣开关接收信息并执行动作，检测到故障电弧时断开直流母线，辨识到发生并联故障电弧时，在断开母线基础上，短接光伏阵列，从而实现对系统保护。短接光伏阵列熄灭并联电弧如图9所示。
上述过程虽然详细说明了本发明的具体实施方式，但并非对本发明保护范围的限制，所述领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。