光伏直流系统故障电弧检测方法研究综述

李松浓,晏尧,向菲,吕小红,王毅,谭聪

(1.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 401123; 2.国网重庆市电力公司数字化部,重庆 400015;3.重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)

0 引 言

随着我国向国际社会正式提出“碳达峰、碳中和”目标,构建以新能源为主体的新型电力系统以来,对持续推进新能源安全的新战略具有重大意义。其中,最主要的新能源是光伏发电,截止到2021年底,全国光伏电站累计装机量为277.82 GW,集中式为183.83 GW、分布式为93.99 GW,分布式占比达33.83%。此外,我国还制定了GB/T 35727-2017《中低压直流配电系统标准电压指南》标准,以扩大直流电源的使用范围[1]。但近年来,国内外发生了多起光伏火灾,其中有40%的光伏电站火灾是由直流故障电弧引起的。据统计,全国每年发生的电气火灾事故超10万起,全国70%的重特大火灾是电气火灾,电气火灾中80%以上是由故障电弧引起的。然而,故障电弧,特别是串联故障电弧,可能发生在光伏发电系统中的松散连接结处,因为长期风化,老化效应,焊接故障,更大的直流工作电压和电流水平,动物咬合,维护不足等。不考虑其他接触件以及绝缘部位,在一个10 MW的分布式电站中,光接触点便超过了80 000个,它们时刻存在发生直流故障电弧的可能性。电弧事故可能导致灾难性后果,例如大规模火灾,对人类安全和工业/住宅物业构成了重大威胁。为了安全可靠地向客户提供电力,必须在早期阶段检测电弧故障[2]。

针对光伏发电系统直流故障电弧的危害性,文献[3-5]要求直流电压高于80 V的屋顶光伏直流系统必须配备串联直流故障电弧断路器,在2014年这一要求被广泛应用于所有光伏直流系统以减少由于直流故障电弧引起的重大火灾事故[6]。同时,2011年,UL发布了直流电弧故障检测标准“光伏(PV)直流电弧故障电路保护标准”(UL-1699B)[7],用于对光伏发电系统的直流故障电弧检测器、故障电弧断路器进行评估,以确保满足光伏发电系统直流故障电弧的检测标准。

光伏发电系统的直流故障电弧有别于交流故障电弧,直流故障电弧没有过零点现象,导致直流故障电弧难以扑灭,同时,针对直流故障电弧检测技术的研究起步较晚,同时,很难直接使用大多数现有的交流故障电弧检测技术[8]。与交流故障电弧相比,直流故障电弧具有更大的危害性。目前,国内外针对光伏发电系统直流故障电弧的检测技术的研究还处于起步阶段,没有形成安全可靠的保护策略。

光伏直流系统作为直流系统的一种,将光能转换为直流电,在新型电力系统中起到了重要作用。近年来,国内外学者对于光伏发电系统的直流故障电弧特性以及检测技术进行了大量的研究,取得了许多成果。文中分析了直流故障电弧发生的机理和故障特征;其次,综述了现有光伏发电系统中直流故障电弧检测、定位方法。对最近发表的论文进行技术细节的总结和讨论;最后,针对直流系统,从实际应用的角度出发指出了当前亟需解决的问题,并展望了未来直流故障电弧检测以及故障电弧定位的应用场景和研究方向,有利于光伏发电系统今后的安全可靠地运行。

1 光伏发电系统直流故障电弧及其特征

1.1 直流故障电弧产生机理

电弧是一种气体放电现象,电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花,且多数载流子为发生一次电子发射(电子从物体逸入到周围媒质的现象)所产生的电子,一般伴随着电极的部分挥发[3]。在光伏发电系统中,由于老化、破损、碳化、接触不良等因素所产生的故障电弧极易引发停电事故或火灾。

光伏直流系统和其他直流系统同属于直流电,电源性质一致,在直流故障电弧的产生和检测方法上没有什么差异性。在直流供电系统中产生的电弧可分为正常电弧和非正常电弧两种。断路器的正常关断等操作所引起的电弧属正常电弧;而电线老化、接触不良等故障引起的电弧属于非正常电弧,这就代表着电弧检测要正确地区分好弧和坏弧。因为实际环境中往往存在着比较复杂的因素,给故障电弧检测带来了较大的挑战,同时也给检测方式和算法提出了更高的要求。

根据故障电弧与负载连接方式的不同,可以划分为串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧,如图1～图3所示。在光伏发电系统中,较为常见的是串联故障电弧和并联故障电弧。并联电弧通常是由电线或设备老化导致绝缘击穿引起,熔断器大多可以排除此类故障。由于线路老化,或者接触不良、绝缘破损、受潮或者其它原因导致直流串联故障电弧发生,此类故障电弧发生后,回路电流减小,且极具隐蔽性。两种故障电弧都具有很高的能量,引起的温度即可高达数千摄氏度,当线路发生故障电弧时,如果不进行人工干预,容易导致线路系统的损坏,甚至引起火灾,因此在光伏发电系统中,线路中的故障电弧需要额外的关注。

图1 串联故障电弧类型

图2 并联故障电弧类型

图3 接地故障电弧类型

1.2 直流故障电弧特征

现有的光伏发电系统直流故障电弧检测研究大多集中在串联故障电弧。实验场景下搭建的典型直流故障电弧试验平台如图4所示。故障电弧发生装置是用来模拟真实场景下的故障电弧。

图4 典型直流故障电弧试验平台

在实验场景下通过使用电阻当负载时,其典型的直流故障电弧输出波形[9]如图5所示。由电流输出波形可知,当电路处于正常状态时,电流输出波形比较稳定,一旦出现故障电弧的燃弧,电流输出波形波动较大。由电弧的物理特性,当电弧趋于稳定状态时相当于在回路中扮演了一个阻抗,因此波动较小[10]。

图5 典型的直流故障电弧电流输出波形

如图5所示,可以发现(a)、(b)两图的电流输出波形不一致。如图(a)所示,实际中会存在故障电弧发生前后回路电流并没有明显减少,仅表现为比较剧烈的上下波动,这是由于光伏电源的输出电压电流特性在一段区域内表现为恒流源导致的。如图(b)所示,一般情况下,当回路中发生故障电弧时,回路中的电流大小会降低,在波形上表现为上下剧烈的波动,这是由于故障电弧发生前后光伏电源的工作点由恒流源区域转为非恒流区域,或者故障电弧发生前后光伏电源的工作点一直在非恒流区域导致的而出现波形不一致的主要原因是回路中发生故障电弧前后光伏电源(或直流电源)的工作点是在恒流源区域还是非恒流源区域导致的[9]。

不管上述哪种情况,回路中的电流波形在故障后都会出现剧烈的上下波动,与正常工作时都有明显的区分。同时,由文献[9]的特征分析可知,发生故障前后电流波形的特征一致,且并没有因为供电电源(光伏电源或直流电源)的不同而导致时域特征不一致。

2 直流故障电弧检测、定位方法

目前,针对分布式光伏发电系统直流故障电弧检测的研究方法有很多。主要分为三个方面：基于电弧弧光、弧声、电磁辐射特性的检测方法;基于电弧电流、电压时频域特性的检测方法;基于模式识别学习算法的故障检测方法。较为主流的检测方法是采用时频域故障判断阈值的检测方法。

2.1 基于电弧弧光、弧声、电磁辐射特性的检测方法

故障电弧产生的同时伴有光、热、声音和电磁辐射等特性,国内外的学者就是根据这些特性来检测故障电弧。主要是利用多种传感器以及回路天线来接收故障电弧发出的声、热以及电磁辐射来检测故障电弧。文献[11]提出了一种基于频域稳态模式的电弧故障序列检测方法。利用电弧发出的电磁辐射(EMR)作为检测依据,计算结构相似度指数(SSIM)和6db带宽箱(6db BWBs)等模式,提取稳定燃烧电弧谱的相似性。该文提出的方法可以有效地为传统方法进行技术补充;文献[12-13]针对电弧燃弧起始阶段,分析光伏直流故障电弧电磁辐射特性。研究光伏直流故障电弧电磁辐射测量方法,提出一种用于故障电弧电磁辐射测量的三阶Hilbert分形天线设计方法。其中,文献[13]还分析了测量距离对电弧电磁辐射信号强度的影响,为故障电弧的定位研究奠定了基础;文献[14]分析了直流电弧稳态特性的影响因素,证明了电弧电流、电极间距是决定电弧特性的主要因素。为小电流直流电弧特性研究提供了新思路,为直流电弧的检测及保护装置的研究提供理论支持。

基于电弧弧光、弧声、电磁辐射特性的检测方法主要研究的是电弧的辐射特性,根据频谱特征进行故障检测,但受复杂环境的影响较大,且还受到了传感器的制约,局限性很大。

2.2 基于电弧电流、电压时频域特性的检测方法

基于故障电弧电流、电压时频域特性的检测方法是目前直流故障电弧检测方法中较为主流的方法。国内外大量的学者在该方法领域进行了大量的研究。文献[15]根据直流电弧故障的伏安特性,广泛地分析了直流故障电弧引起的线路电流和电源电压的变化。提出了一种综合利用线路电流和电源电压信息的直流串联故障电弧检测方法,利用检测电流的下降率、电流平均变化率、线路电流和电源电压交流分量的标准差来检测直流故障电弧;文献[16]提出一种有源光伏直流故障电弧检测方法,基于Simulink仿真平台搭建仿真平台。通过小波变换分析高频信号有源注入下直流母线电流信号响应的特性,识别光伏发电系统的直流故障电弧;文献[17]一种针对不同操作条件的串联故障电弧检测方法。利用双树复小波变换(DT-CWT)将电流信号分解然后利用改进的矩阵构造方法提取每个小波分量的奇异值,从而有效降低了构建高维特征的计算成本;文献[18]提出了基于在频谱和时间序列上对电流变化的相对比较的故障电弧检测算法。此外,利用小信号模型对故障电弧的阻抗进行研究,可以得到在低频范围内的故障电弧条件下的谐振频率。从阻抗模型中,可以设计出频率分析范围,以避免逆变器的开关噪声;文献[19]从时域方法入手分析了不同材料的故障电弧电流之间的差异,讨论了不同材料的故障电弧现象差异;然后,采用小波变换方法,从时频域的角度对故障电弧检测特性进行对比,最后,针对不同的材料给出了相关建议;文献[20]从归一化直流端电压的高频分量中提取故障电弧特征,利用逆变器开关特征的周期性,通过最大互相关值的滞后减去调整后的数据窗来除去逆变器开关特征干扰,采用低频分量的功率与电弧信号的功率之比(或信噪比)来进行故障电弧的检测;文献[21]提出一种基于小波分析的奇异值分解(WASVD)算法,并辅以电流幅值归一化(CAN)来增强微弱故障电弧的检测。对于微弱电弧的增强研究,孟羽等人研究了随机共振方法对不同直流系统拓扑结构下的故障电弧特征增强效果,由实验结果可知,随机共振可以有效地增强故障电弧的特征[22]。同时,文献[23]也分析微弱故障电弧信号的信号特征,提出了一种基于电流小波能量熵的直流串联故障电弧检测方法。通过计算信号的脉冲因子,利用阈值比较法来检测故障电弧;文献[24]根据故障电弧的高频特性,获取了组串输入端滤波电容支路电流信号,基于样本熵和标准差建立了串联故障电弧检测算法,主要是基于逆变器实现的组串式光伏发电系统直流串联故障检测和保护方法;文献[25]首先利用快速傅里叶变换(FFT)提取电流信号的三个不同特征频段,然后分别对不同的频段的幅值取最大值、总和以及标准差作为特征量,最后进行双重加权差分来进行阈值判断故障电弧;文献[26]采集了多种电弧情况下直流母线处的电弧噪声信号,得到了对应故障电弧的特征,分别从时域、频域以及时频域这3方面对实验得到的电弧信号进行研究分析,从而实现故障电弧的对比分析研究。最后验证了基于时频域的检测方法受电弧类型和发生位置的影响不大,更适合故障电弧的全面分析;文献[27]针对故障电弧时域检测准确性差的问题,首先用阈值法滤除干扰噪声,分别从电流有效值变化、标准差和样本熵进行分析,最后提出了直流串联电弧故障的保护策略。

基于电弧电流、电压时频域特性的检测方法是目前采用最多的直流故障电弧检测方法。但在分布式光伏发电系统中,场景复杂、组件繁多,正常的开关动作、负载突变都可能导致误判,且阈值无法随环境自适应变化,还有待进一步展开深入地研究。

2.3 基于模式识别学习算法的检测方法

近年来,随着模式识别的迅速发展,越来越多的学者开始利用机器学习、深度学习辅助直流故障电弧的检测。文献[28]提出了一种基于深度学习的串联直流故障电弧诊断和电路行为预测方法。采用卷积神经网络提取每个时频片上的静态特征,并结合长短期记忆网络,捕获时频片序列的动态时变特征。经过训练的模型显示故障电弧诊断的总体准确率为98.43%,并给出了类似于实际信号的时域预测结果;文献[29]提出了基于域适应的深度卷积生成对抗网络(DA-DCGAN)方法,其中DA-DCGAN首先从源域数据中智能学习正常到故障的转换。然后,利用目标域的正常数据进行学习转换生成虚拟电弧数据,并采用域自适应法,实现对目标域鲁棒的、可靠的故障诊断[29];针对直流系统,文献[30]提出一种基于改进经验模态分解(EMD)技术提取直流故障电弧时频特征的方法,还有利用自适应消谐波[31],然后采用支持向量机(SVM)算法进行决策的检测方法;文献[32]利用EMD和概率神经网络(PNN)算法结合进行光伏发电系统直流故障电弧检测;文献[33]对时域特性和频域特性进行量化,以工作点变化、电流峰峰值、标准差以及傅里叶变换得到的频率分量作为特征向量输入BP神经网络进行训练;文献[34]利用平均值、中值、方差值、RMS值以及最大值和最小值的距离作为特征量,分别采用DNN、LSTM、GRU等各种机器学习算法进行故障电弧检测,并做了检测精度的对比;还有采用集成机器学习[35](EML)算法、利用PNN[36]算法训练多维特征样本、采用迁移学习的卷积神经网络[37]进行直流故障电弧检测的研究。

基于模式识别学习算法的故障电弧检测方法,能够有效地提高故障电弧检测精度,但在一定程度上依赖于样本数量和质量,且计算量较大,对硬件的要求较高。在实际应用中还需要大量的验证和试验。

2.4 基于定位和硬件实现的检测方法

以上直流故障电弧检测方法大多在理论上采用各种声、光、电、时频域以及模式识别算法进行故障电弧检测验证,针对直流故障电弧的定位以及硬件实现相对较少。文献[38]提出了一种只需要两个检测点的平面定位方法,通过天线阵和故障源形成一个水平三角形来定位故障,采用互相关技术对信号脉冲进行区分和提取;文献[39]提出了一种基于数学形态学的时域技术,称为分解开闭交替序列(DOCAS),用于故障电弧的检测和定位;文献[40]介绍了一种基于卡尔曼滤波器(KF)的算法,该算法通过估计线路导纳并因此检测/定位串联故障电弧来监控直流微电网的运行;文献[41-42]在光伏板、电阻两端并联电容,通过这些电容器的电流特性进行故障检测和定位,期间还采用了罗氏线圈进行辅助。文献[43]提出的脉冲电流故障选线技术也可作为光伏直流故障电弧选线定位的参考技术。同时,还有基于高性价比TMS320F28335数字信号处理器的电弧故障检测器[44](AFD)、数字信号处理DSP芯片[45]、光伏样机[46]等硬件实现直流故障电弧的检测。

基于定位和硬件实现的故障电弧检测方法在实际应用中具有重大意义,但目前相关研究较少,也没有得到有效地应用,在未来的研究中还需展开深入研究。

3 直流故障电弧检测面临的问题

目前,分布式光伏发电系统的直流故障电弧检测方法较多,在实际应用也较多得到了运用。但基于直流故障电弧检测研究目前仍处于探索阶段,还存在着一系列的问题：(1)故障电弧检测主要采用阈值法,但在实际应用中阈值无法实现随环境自适应变化,确定阈值比较困难;(2)大多时频域方法对硬件要求较高,算法较为复杂,在实际应用中很难实现;(3)模式识别分析算法的引入,对提取的特征信息要求较高,需要大量的数据样本做支撑,计算复杂,相关研究也尚未深入。目前,对于分布式光伏发电,国家已经出台相关政策,必须具备故障电弧检测功能,但目前这一技术并不成熟,主要集成在逆变器上,对光伏进行组串,尚未有合适的解决方案。

当线路中连接大量用电设备,且各用电设备工作性质不同时,这将会导致线路中电流信号的多变,增加故障电弧的误判率。同时,当主线路中工作电流较大,支路工作电流较小时,一旦支路发生故障电弧,支路的电流信号会减小,其信号特征极易被主线路的工作电流所湮没。且目前国内外针对直流故障电弧没有建立一个完整可靠的直流故障电弧数据集,各学者只能根据己有的故障电弧数据进行电弧检测验证。

故障电弧电阻呈非线性,就同一个用电设备而言,在同样的环境条件下产生的电弧电流变化很大,所以很难对故障电弧电流进行统一定性,采用阈值法可能会产生误判。在现实场景下,电气线路走线复杂,且故障电弧随机性高、隐蔽性强,对故障检测、定位难度大,同时要求的软硬件条件有限,算法不能太复杂,所以对故障电弧的检测、定位的实现有难度。

同时,分布式光伏发电系统的直流故障电弧检测的研究主要集中在理论层面,针对故障电弧进行检测验证,很少有具体的故障定位检测和硬件实现研究。目前能够检测直流故障电弧的设备也主要面向光伏场景,场景和负载较为单一,对多场景、多负载的直流故障电弧的研究还处于起步阶段。

4 直流故障电弧检测、定位技术的展望

随着我国双碳目标、新型电力系统的提出,对于分布式光伏等直流系统的应用越来越多。目前国内还没有明确的直流故障电弧相关标准,主要根据美国的UL 1699B标准进行评估光伏直流系统的故障电弧检测方法的有效性,且该标准主要针对逆变器等开关装置作为负载条件,没有考虑典型的家用直流负载等场景。针对多场景和多负载的直流故障电弧研究仍然是未来的研究重点。

针对光伏发电系统,应用场景多元化,不应局限于一种场景下的故障电弧检测,在模块级、组串级和阵列级等不同拓扑结构系统下的故障电弧检测、定位普适性也有待进一步研究。

目前,针对光伏发电系统的直流故障电弧检测主要集中于低压场景,随着光伏产业的迅速发展,电压等级也不断攀升,因此,对高压等级的光伏直流故障电弧的检测、定位方法也有待进一步深入研究。

对于近几年的研究,针对微弱故障电弧的检测方法已经有了相关研究,对于微弱故障电弧的研究非常有意义,随机共振、小波分析等方法有明显的增强作用,在弱信号的检测上还需进一步研究自适应地、有效地算法,同时,不应只局限在理论方法上,因将其部署到硬件上应用于实际直流故障电弧的检测中。且大多数直流故障电弧都针对串联型,对并联型故障电弧研究较少,虽并联型故障电弧发生几率较小,也不可忽略。

现有的较多直流故障电弧检测方法对于单一场景的故障电弧检测精度高,却很少涉及故障电弧的硬件实现和定位研究,西安交通大学的熊庆团队对于故障电弧的定位研究有较大的研究意义和参考价值。如何在较低成本的硬件条件下实现对直流故障电弧的快速、高精度的检测、定位值得深入研究。

突破现有的技术瓶颈,采用多特征量的多源信息融合方法,提高抗干扰能力,建立高灵敏度的直流故障电弧检测、定位技术方法是未来的研究重点。

5 结束语

近年来,以光伏发电系统为主的直流应用场景发展越来越迅速,同时,也伴随着越来越多的危害,其中直流故障电弧危害最大。如何高效地检测、定位直流故障电弧是目前亟需解决的问题。文中首先分析了直流故障电弧发生的机理和故障特征,有助于了解直流故障电弧特征;其次,综述了近几年光伏发电系统中直流故障电弧检测、定位方法。对最近发表的论文进行技术细节的总结和讨论;最后,针对直流系统,从实际应用的角度出发指出了当前亟需解决的问题,并展望了未来直流故障电弧检测以及故障电弧定位的应用场景和研究方向。