韓 明, 李劍波, 邵春莉, 梁利平

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于頻域能量和小波系數(shù)方差的光伏系統(tǒng)故障電弧判斷方法

韓 明, 李劍波, 邵春莉, 梁利平

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集故障電弧數(shù)據(jù),根據(jù)故障電弧時(shí)域波形的特點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析,確定故障電弧所在的頻段和能量集中的頻段;采用小波變換的方法,計(jì)算這些頻段的小波系數(shù)和方差;根據(jù)能量值和方差值,判斷有無(wú)故障電弧發(fā)生,以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

故障電弧;光伏系統(tǒng);電弧檢測(cè);傅里葉變換;小波變換

在光伏系統(tǒng)中,太陽(yáng)能電池板組成的光伏陣列通過(guò)串聯(lián)的方式,把產(chǎn)生的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電,輸送給電網(wǎng)。直流端輸出的電壓隨著光伏陣列的增大而增大,一般從幾十伏到上百伏,大型的光伏發(fā)電站甚至可以達(dá)到上千伏的直流高壓。由于絕緣老化或者線路破損等原因,在直流側(cè)很容易產(chǎn)生故障電弧,而且在光伏組件的限流特性和光照電流獨(dú)立特性的共同作用下,使得故障電弧有穩(wěn)定燃燒的條件。因此,一旦產(chǎn)生故障電弧,如果不能及時(shí)察覺(jué)并切斷線路,就會(huì)引起火災(zāi)事故的發(fā)生,燒毀光伏組件和輸電線路,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。目前的熔斷器、斷路器等保護(hù)裝置只能對(duì)過(guò)流、短路等情況進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù),不能對(duì)故障電弧起到檢測(cè)和保護(hù)的作用。因此,對(duì)故障電弧特性進(jìn)行分析與研究,研制出快速、及時(shí)的故障電弧檢測(cè)裝置,以便切斷故障線路,保護(hù)光伏系統(tǒng),具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

影響故障電弧的因素很多,包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、電流大小、線纜長(zhǎng)度、電極間的距離以及來(lái)自逆變器及周?chē)h(huán)境的干擾[3-5]。這些因素會(huì)降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性,使得故障電弧的檢測(cè)變得更加困難。

目前,國(guó)外學(xué)者主要從時(shí)域和頻域2個(gè)方面提出了檢測(cè)方法,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)裝置。文獻(xiàn)[6]根據(jù)產(chǎn)生故障電弧時(shí)電流幅值會(huì)發(fā)生變化的時(shí)域特性,利用同軸分流器測(cè)量逆變器輸入端電流波形變化情況,實(shí)現(xiàn)故障電弧檢測(cè)[6]。但是,由于光伏系統(tǒng)受光照和溫度變化的影響,輸出電流和電壓幅值不穩(wěn)定,使得該檢測(cè)裝置容易造成誤判。文獻(xiàn)[7]提出的電弧檢測(cè)裝置包含一個(gè)諧振電路,將諧振電路的頻率設(shè)定為一個(gè)特定值,這個(gè)頻率在光伏系統(tǒng)正常工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn),通過(guò)檢測(cè)這個(gè)特定的頻率來(lái)判斷是否有電弧產(chǎn)生。該方法的缺點(diǎn)是,容易受到來(lái)自逆變器或者其他裝置的噪聲干擾而誤觸發(fā)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于頻率檢測(cè)的智能裝置,如圖1所示。該裝置包括一個(gè)德州儀器(TI)的C2000系列的數(shù)字信號(hào)微處理器(DSC)和一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。利用分壓器采集光伏組件的電壓信號(hào),將其傳入DSC中,根據(jù)頻率變化分析是否有故障電弧產(chǎn)生,控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件將光伏組件短路達(dá)到滅弧的效果。該方法的缺點(diǎn)是,需要在每個(gè)光伏組件上安裝檢測(cè)裝置,這無(wú)疑會(huì)增加成本,并且當(dāng)光伏組件短路時(shí)檢測(cè)裝置的供電問(wèn)題也沒(méi)有解決。此外,該檢測(cè)裝置還沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),來(lái)自逆變器的噪聲干擾對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性還不得而知。

圖1 基于頻率檢測(cè)故障電弧的智能裝置

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)故障電弧的研究還處在初級(jí)階段,也沒(méi)有設(shè)計(jì)出相應(yīng)的檢測(cè)裝置。

雖然國(guó)外學(xué)者針對(duì)故障電弧設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置,但是,這些裝置都存在著誤判率高、成本高、判據(jù)單一等缺點(diǎn),這是因?yàn)殡娀∪紵且粋€(gè)復(fù)雜的過(guò)程,且影響電弧的因素很多。因此,深入研究故障電弧的本質(zhì),找出其特征,對(duì)提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。

本文在實(shí)驗(yàn)裝置上模擬故障電弧的發(fā)生情況,采集故障電弧信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)故障電弧信號(hào)在時(shí)域上非常雜亂的特點(diǎn),采用頻譜分析方法,找出故障電弧信號(hào)所在的頻段,計(jì)算其能量在該頻段的分布情況,確定故障電弧能量集中的頻段。再利用小波變換時(shí)頻分析的特點(diǎn),對(duì)故障電弧進(jìn)行小波分解,得到與能量在同一頻段內(nèi)的小波系數(shù),并計(jì)算小波系數(shù)的方差。最后,綜合能量和方差的分布情況,來(lái)判斷故障電弧的發(fā)生。

1 故障電弧數(shù)據(jù)采集

因?yàn)楣收想娀“l(fā)生的隨機(jī)性和不確定性,在光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)很難及時(shí)捕捉到,這給分析故障電弧帶來(lái)了困難，所以需要在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬故障電弧的發(fā)生。為此,本文在陽(yáng)光電源股份有限公司搭建的電弧發(fā)生裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

電弧發(fā)生裝置由線性電源、負(fù)載電阻、開(kāi)關(guān)K、電極、逆變器、電流互感器、放大電路和示波器組成。線性電源模擬太陽(yáng)能電池板。開(kāi)關(guān)K用于產(chǎn)生和熄滅電弧。當(dāng)開(kāi)光K打開(kāi)時(shí),兩電極之間的高電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),使空氣電離,產(chǎn)生電弧。當(dāng)開(kāi)光K閉合后,電流流過(guò)開(kāi)關(guān),電弧熄滅。在兩電極之間放上鐵棉,可以幫助引燃電弧。負(fù)載電阻用于限制線路中電流的大小。線路中的電流經(jīng)電流互感器后,再由放大電路進(jìn)入示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)前先設(shè)置示波器的采樣頻率為1 MHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)先閉合開(kāi)關(guān)K,在電極間放上少許鐵棉,然后啟動(dòng)逆變器,打開(kāi)線性電源。接著打開(kāi)開(kāi)關(guān)K,使電極之間產(chǎn)生電弧。待電弧燃燒了一段時(shí)間后,閉合開(kāi)關(guān)K,熄滅電弧。實(shí)驗(yàn)時(shí)用示波器采集電弧從無(wú)到有,再到熄滅的整個(gè)過(guò)程,持續(xù)時(shí)間為10 s。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 故障電弧數(shù)據(jù)分析

光伏現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度,線纜的長(zhǎng)度,產(chǎn)生電弧時(shí)電極間的距離,來(lái)自逆變器以及電網(wǎng)側(cè)的干擾,都會(huì)對(duì)故障電弧產(chǎn)生影響。這些因素都會(huì)影響故障電弧檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。因此,需要從多個(gè)角度對(duì)故障電弧的特性進(jìn)行分析,以排除這些因素的干擾。下面將從頻域、能量以及小波變換多個(gè)角度對(duì)故障電弧進(jìn)行分析,找出故障電弧的特征。

(1) 頻域分析。將示波器采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中,畫(huà)出電流的時(shí)域圖,如圖4所示。電流波形經(jīng)歷過(guò)無(wú)電弧段、過(guò)渡段、電弧穩(wěn)定燃燒段和無(wú)電弧段4個(gè)階段。從圖4中可以看出,在不同階段,電流幅值是有變化的。在無(wú)電弧段,電流的幅值比較平穩(wěn)。在過(guò)渡段和電弧穩(wěn)定燃燒段,電流幅值出現(xiàn)了較大的波動(dòng),尤其是在電弧剛剛啟燃的時(shí)刻,電流幅值波動(dòng)更加劇烈。

圖4 電流時(shí)域圖

分別取無(wú)電弧數(shù)據(jù)和電弧穩(wěn)定燃燒數(shù)據(jù)各10組,每組2 048個(gè)數(shù)據(jù)。分別求出每組數(shù)據(jù)的平均值,然后再用各組數(shù)據(jù)減去本組的平均值,得到的結(jié)果做2 048點(diǎn)的FFT。接著分別對(duì)無(wú)電弧和有電弧的10組FFT結(jié)果分別求和,再分別除以10求其均值。最后畫(huà)出頻譜圖,頻譜圖的放大圖如圖5所示。

從圖5可以看出,電弧信號(hào)主要集中在0～40 kHz的頻段范圍內(nèi),并且有電弧時(shí)的幅值比無(wú)電弧時(shí)的大。圖5中的黑點(diǎn)處X為47.85 kHz，Y為2.738 mV,47.85 kHz為逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。

(2) 能量分析。故障電弧信號(hào)的幅值呈遞減分布,如圖5所示。在30～40 kHz之間,幅值比較小,而在0～20 KHz之間,幅值比較大。因此,將0～40 kHz分成4個(gè)頻段,即0～10 kHz、10～20 kHz、20～30 kHz、30～40 kHz,計(jì)算每個(gè)頻段的能量。

分別取無(wú)電弧段和電弧穩(wěn)定燃燒段的數(shù)據(jù)各40組,每組2 048個(gè)數(shù)據(jù),計(jì)算每組的功率譜,然后計(jì)算每組在各個(gè)頻段內(nèi)的能量,最后每4組計(jì)算1次能量在各個(gè)頻段內(nèi)的均值。第1～4組的能量均值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。從表1可以看出,無(wú)電弧和電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的能量主要集中在0～10 kHz,與其他頻段的能量值區(qū)分度很大,并且有電弧時(shí)的能量值比無(wú)電弧時(shí)的大得多。

圖5 頻譜圖

電弧狀態(tài) 頻率范圍/kHz能量/V2無(wú)電弧0～1022.1010～200.9620～301.0630～400.50電弧穩(wěn)定燃燒0～10103.0010～2064.8020～3010.6030～402.38

統(tǒng)計(jì)無(wú)電弧時(shí)和電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)0～10 kHz的能量值,如圖6所示。

圖6 無(wú)電弧和電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)0～10 kHz能量分布情況

從圖6中可以看出,無(wú)電弧時(shí)的能量值比電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的能量值小得多。因此可以通過(guò)設(shè)定能量閥值,判斷有無(wú)電弧發(fā)生。

(3) 小波分析。當(dāng)發(fā)生故障電弧時(shí),電流幅值有突變的特性。小波變換的局部特性恰好能很好地捕捉到電流每一個(gè)突變點(diǎn)的信息。因此,小波變換適用于故障電弧分析。

根據(jù)國(guó)外學(xué)者基于小波變換對(duì)故障電弧的研究可知,當(dāng)采樣頻率為1 MHz時(shí),采用db9小波對(duì)故障電弧信號(hào)進(jìn)行7尺度分解,得到的第7尺度的高頻系數(shù)不僅可以清晰地看到有無(wú)電弧,而且可以看到電弧是什么時(shí)候開(kāi)始燃燒的,持續(xù)的時(shí)間有多久[9]。

方差反映了一個(gè)隨機(jī)變量與其均值的偏離程度,因此對(duì)小波系數(shù)做方差可以反映電弧的強(qiáng)烈程度。電弧越強(qiáng)烈,信號(hào)突變?cè)矫黠@,對(duì)應(yīng)小波系數(shù)的脈沖越大,其方差值越大。

對(duì)采集到的電弧數(shù)據(jù)用db9小波進(jìn)行7尺度分解,得到第7尺度的高頻系數(shù)。該高頻系數(shù)所在的頻率范圍為3.9～7.8 kHz,與能量所在的頻段0～10 kHz基本吻合。將第7尺度的高頻系數(shù)每400個(gè)數(shù)據(jù)為一組,計(jì)算其方差值,結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,在無(wú)電弧段,方差值比較??；在過(guò)渡段,方差值出現(xiàn)跳變；在電弧穩(wěn)定燃燒段,方差值又回落到一個(gè)穩(wěn)定水平,且比無(wú)電弧時(shí)大。因此,可以根據(jù)第7尺度高頻系數(shù)的方差值變化情況,通過(guò)設(shè)定閥值,判斷有無(wú)故障電弧發(fā)生。

圖7 方差值分布圖

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)頻譜分析可知,故障電弧的頻譜主要集中在0～40 kHz,能量集中在0～10 kHz,并且電弧燃燒時(shí)的能量比無(wú)電弧時(shí)的大。

(2) 對(duì)故障電弧采用db9小波進(jìn)行7尺度分解,得到第7尺度的高頻系數(shù)并計(jì)算其方差。從方差值大小的分布圖可以看出,在電弧燃燒的不同階段,方差值經(jīng)歷了從穩(wěn)定到跳變?cè)俚椒€(wěn)定的過(guò)程,且電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)的方差值比無(wú)電弧時(shí)的大。

(3) 因?yàn)槟芰恐岛头讲钪翟谟袩o(wú)電弧時(shí)的區(qū)分度很大,所以可以通過(guò)設(shè)定閾值,使用能量值和方差值這2個(gè)判據(jù),判斷有無(wú)故障電弧發(fā)生,以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

(4) 進(jìn)一步的工作是在以DSP為核心的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)算法,以便實(shí)際應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

Judging method of fault arc in photovoltaic system based on power of frequency domain and variance of wavelet coefficients

HAN Ming, LI Jianbo, SHAO Chunli, LIANG Liping

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The data of fault arc is collected through experiment and analyzed using Fourier transform based on its waveform feature in time domain. According to the result, the frequency distribution and power distribution of fault arc can be determined. Then the variance of wavelet coefficients is calculated using wavelet transform. Finally, the occurrence of fault arc can be judged according to the values of power and variance, thus improving the accurateness and reliability of fault arc detection.

fault arc; photovoltaic system; arc detection; Fourier transform; wavelet transform

2016-01-04；

2016-03-28

韓 明(1990-),男,江西廣豐人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.012

TM501.2

A

1003-5060(2017)08-1070-04