光伏直流系統故障電弧檢測方法研究綜述

李松濃,晏堯,向菲,呂小紅,王毅,譚聰

(1.國網重慶市電力公司電力科學研究院,重慶 401123; 2.國網重慶市電力公司數字化部,重慶 400015;3.重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065)

0 引 言

隨著我國向國際社會正式提出“碳達峰、碳中和”目標,構建以新能源為主體的新型電力系統以來,對持續推進新能源安全的新戰略具有重大意義。其中,最主要的新能源是光伏發電,截止到2021年底,全國光伏電站累計裝機量為277.82 GW,集中式為183.83 GW、分布式為93.99 GW,分布式占比達33.83%。此外,我國還制定了GB/T 35727-2017《中低壓直流配電系統標準電壓指南》標準,以擴大直流電源的使用范圍[1]。但近年來,國內外發生了多起光伏火災,其中有40%的光伏電站火災是由直流故障電弧引起的。據統計,全國每年發生的電氣火災事故超10萬起,全國70%的重特大火災是電氣火災,電氣火災中80%以上是由故障電弧引起的。然而,故障電弧,特別是串聯故障電弧,可能發生在光伏發電系統中的松散連接結處,因為長期風化,老化效應,焊接故障,更大的直流工作電壓和電流水平,動物咬合,維護不足等。不考慮其他接觸件以及絕緣部位,在一個10 MW的分布式電站中,光接觸點便超過了80 000個,它們時刻存在發生直流故障電弧的可能性。電弧事故可能導致災難性后果,例如大規模火災,對人類安全和工業/住宅物業構成了重大威脅。為了安全可靠地向客戶提供電力,必須在早期階段檢測電弧故障[2]。

針對光伏發電系統直流故障電弧的危害性,文獻[3-5]要求直流電壓高于80 V的屋頂光伏直流系統必須配備串聯直流故障電弧斷路器,在2014年這一要求被廣泛應用于所有光伏直流系統以減少由于直流故障電弧引起的重大火災事故[6]。同時,2011年,UL發布了直流電弧故障檢測標準“光伏(PV)直流電弧故障電路保護標準”(UL-1699B)[7],用于對光伏發電系統的直流故障電弧檢測器、故障電弧斷路器進行評估,以確保滿足光伏發電系統直流故障電弧的檢測標準。

光伏發電系統的直流故障電弧有別于交流故障電弧,直流故障電弧沒有過零點現象,導致直流故障電弧難以撲滅,同時,針對直流故障電弧檢測技術的研究起步較晚,同時,很難直接使用大多數現有的交流故障電弧檢測技術[8]。與交流故障電弧相比,直流故障電弧具有更大的危害性。目前,國內外針對光伏發電系統直流故障電弧的檢測技術的研究還處于起步階段,沒有形成安全可靠的保護策略。

光伏直流系統作為直流系統的一種,將光能轉換為直流電,在新型電力系統中起到了重要作用。近年來,國內外學者對于光伏發電系統的直流故障電弧特性以及檢測技術進行了大量的研究,取得了許多成果。文中分析了直流故障電弧發生的機理和故障特征;其次,綜述了現有光伏發電系統中直流故障電弧檢測、定位方法。對最近發表的論文進行技術細節的總結和討論;最后,針對直流系統,從實際應用的角度出發指出了當前亟需解決的問題,并展望了未來直流故障電弧檢測以及故障電弧定位的應用場景和研究方向,有利于光伏發電系統今后的安全可靠地運行。

1 光伏發電系統直流故障電弧及其特征

1.1 直流故障電弧產生機理

電弧是一種氣體放電現象,電流通過某些絕緣介質(例如空氣)所產生的瞬間火花,且多數載流子為發生一次電子發射(電子從物體逸入到周圍媒質的現象)所產生的電子,一般伴隨著電極的部分揮發[3]。在光伏發電系統中,由于老化、破損、碳化、接觸不良等因素所產生的故障電弧極易引發停電事故或火災。

光伏直流系統和其他直流系統同屬于直流電,電源性質一致,在直流故障電弧的產生和檢測方法上沒有什么差異性。在直流供電系統中產生的電弧可分為正常電弧和非正常電弧兩種。斷路器的正常關斷等操作所引起的電弧屬正常電弧;而電線老化、接觸不良等故障引起的電弧屬于非正常電弧,這就代表著電弧檢測要正確地區分好弧和壞弧。因為實際環境中往往存在著比較復雜的因素,給故障電弧檢測帶來了較大的挑戰,同時也給檢測方式和算法提出了更高的要求。

根據故障電弧與負載連接方式的不同,可以劃分為串聯故障電弧、并聯故障電弧和接地故障電弧,如圖1～圖3所示。在光伏發電系統中,較為常見的是串聯故障電弧和并聯故障電弧。并聯電弧通常是由電線或設備老化導致絕緣擊穿引起,熔斷器大多可以排除此類故障。由于線路老化,或者接觸不良、絕緣破損、受潮或者其它原因導致直流串聯故障電弧發生,此類故障電弧發生后,回路電流減小,且極具隱蔽性。兩種故障電弧都具有很高的能量,引起的溫度即可高達數千攝氏度,當線路發生故障電弧時,如果不進行人工干預,容易導致線路系統的損壞,甚至引起火災,因此在光伏發電系統中,線路中的故障電弧需要額外的關注。

圖1 串聯故障電弧類型

圖2 并聯故障電弧類型

圖3 接地故障電弧類型

1.2 直流故障電弧特征

現有的光伏發電系統直流故障電弧檢測研究大多集中在串聯故障電弧。實驗場景下搭建的典型直流故障電弧試驗平臺如圖4所示。故障電弧發生裝置是用來模擬真實場景下的故障電弧。

圖4 典型直流故障電弧試驗平臺

在實驗場景下通過使用電阻當負載時,其典型的直流故障電弧輸出波形[9]如圖5所示。由電流輸出波形可知,當電路處于正常狀態時,電流輸出波形比較穩定,一旦出現故障電弧的燃弧,電流輸出波形波動較大。由電弧的物理特性,當電弧趨于穩定狀態時相當于在回路中扮演了一個阻抗,因此波動較小[10]。

圖5 典型的直流故障電弧電流輸出波形

如圖5所示,可以發現(a)、(b)兩圖的電流輸出波形不一致。如圖(a)所示,實際中會存在故障電弧發生前后回路電流并沒有明顯減少,僅表現為比較劇烈的上下波動,這是由于光伏電源的輸出電壓電流特性在一段區域內表現為恒流源導致的。如圖(b)所示,一般情況下,當回路中發生故障電弧時,回路中的電流大小會降低,在波形上表現為上下劇烈的波動,這是由于故障電弧發生前后光伏電源的工作點由恒流源區域轉為非恒流區域,或者故障電弧發生前后光伏電源的工作點一直在非恒流區域導致的而出現波形不一致的主要原因是回路中發生故障電弧前后光伏電源(或直流電源)的工作點是在恒流源區域還是非恒流源區域導致的[9]。

不管上述哪種情況,回路中的電流波形在故障后都會出現劇烈的上下波動,與正常工作時都有明顯的區分。同時,由文獻[9]的特征分析可知,發生故障前后電流波形的特征一致,且并沒有因為供電電源(光伏電源或直流電源)的不同而導致時域特征不一致。

2 直流故障電弧檢測、定位方法

目前,針對分布式光伏發電系統直流故障電弧檢測的研究方法有很多。主要分為三個方面：基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測方法;基于電弧電流、電壓時頻域特性的檢測方法;基于模式識別學習算法的故障檢測方法。較為主流的檢測方法是采用時頻域故障判斷閾值的檢測方法。

2.1 基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測方法

故障電弧產生的同時伴有光、熱、聲音和電磁輻射等特性,國內外的學者就是根據這些特性來檢測故障電弧。主要是利用多種傳感器以及回路天線來接收故障電弧發出的聲、熱以及電磁輻射來檢測故障電弧。文獻[11]提出了一種基于頻域穩態模式的電弧故障序列檢測方法。利用電弧發出的電磁輻射(EMR)作為檢測依據,計算結構相似度指數(SSIM)和6db帶寬箱(6db BWBs)等模式,提取穩定燃燒電弧譜的相似性。該文提出的方法可以有效地為傳統方法進行技術補充;文獻[12-13]針對電弧燃弧起始階段,分析光伏直流故障電弧電磁輻射特性。研究光伏直流故障電弧電磁輻射測量方法,提出一種用于故障電弧電磁輻射測量的三階Hilbert分形天線設計方法。其中,文獻[13]還分析了測量距離對電弧電磁輻射信號強度的影響,為故障電弧的定位研究奠定了基礎;文獻[14]分析了直流電弧穩態特性的影響因素,證明了電弧電流、電極間距是決定電弧特性的主要因素。為小電流直流電弧特性研究提供了新思路,為直流電弧的檢測及保護裝置的研究提供理論支持。

基于電弧弧光、弧聲、電磁輻射特性的檢測方法主要研究的是電弧的輻射特性,根據頻譜特征進行故障檢測,但受復雜環境的影響較大,且還受到了傳感器的制約,局限性很大。

2.2 基于電弧電流、電壓時頻域特性的檢測方法

基于故障電弧電流、電壓時頻域特性的檢測方法是目前直流故障電弧檢測方法中較為主流的方法。國內外大量的學者在該方法領域進行了大量的研究。文獻[15]根據直流電弧故障的伏安特性,廣泛地分析了直流故障電弧引起的線路電流和電源電壓的變化。提出了一種綜合利用線路電流和電源電壓信息的直流串聯故障電弧檢測方法,利用檢測電流的下降率、電流平均變化率、線路電流和電源電壓交流分量的標準差來檢測直流故障電弧;文獻[16]提出一種有源光伏直流故障電弧檢測方法,基于Simulink仿真平臺搭建仿真平臺。通過小波變換分析高頻信號有源注入下直流母線電流信號響應的特性,識別光伏發電系統的直流故障電弧;文獻[17]一種針對不同操作條件的串聯故障電弧檢測方法。利用雙樹復小波變換(DT-CWT)將電流信號分解然后利用改進的矩陣構造方法提取每個小波分量的奇異值,從而有效降低了構建高維特征的計算成本;文獻[18]提出了基于在頻譜和時間序列上對電流變化的相對比較的故障電弧檢測算法。此外,利用小信號模型對故障電弧的阻抗進行研究,可以得到在低頻范圍內的故障電弧條件下的諧振頻率。從阻抗模型中,可以設計出頻率分析范圍,以避免逆變器的開關噪聲;文獻[19]從時域方法入手分析了不同材料的故障電弧電流之間的差異,討論了不同材料的故障電弧現象差異;然后,采用小波變換方法,從時頻域的角度對故障電弧檢測特性進行對比,最后,針對不同的材料給出了相關建議;文獻[20]從歸一化直流端電壓的高頻分量中提取故障電弧特征,利用逆變器開關特征的周期性,通過最大互相關值的滯后減去調整后的數據窗來除去逆變器開關特征干擾,采用低頻分量的功率與電弧信號的功率之比(或信噪比)來進行故障電弧的檢測;文獻[21]提出一種基于小波分析的奇異值分解(WASVD)算法,并輔以電流幅值歸一化(CAN)來增強微弱故障電弧的檢測。對于微弱電弧的增強研究,孟羽等人研究了隨機共振方法對不同直流系統拓撲結構下的故障電弧特征增強效果,由實驗結果可知,隨機共振可以有效地增強故障電弧的特征[22]。同時,文獻[23]也分析微弱故障電弧信號的信號特征,提出了一種基于電流小波能量熵的直流串聯故障電弧檢測方法。通過計算信號的脈沖因子,利用閾值比較法來檢測故障電弧;文獻[24]根據故障電弧的高頻特性,獲取了組串輸入端濾波電容支路電流信號,基于樣本熵和標準差建立了串聯故障電弧檢測算法,主要是基于逆變器實現的組串式光伏發電系統直流串聯故障檢測和保護方法;文獻[25]首先利用快速傅里葉變換(FFT)提取電流信號的三個不同特征頻段,然后分別對不同的頻段的幅值取最大值、總和以及標準差作為特征量,最后進行雙重加權差分來進行閾值判斷故障電弧;文獻[26]采集了多種電弧情況下直流母線處的電弧噪聲信號,得到了對應故障電弧的特征,分別從時域、頻域以及時頻域這3方面對實驗得到的電弧信號進行研究分析,從而實現故障電弧的對比分析研究。最后驗證了基于時頻域的檢測方法受電弧類型和發生位置的影響不大,更適合故障電弧的全面分析;文獻[27]針對故障電弧時域檢測準確性差的問題,首先用閾值法濾除干擾噪聲,分別從電流有效值變化、標準差和樣本熵進行分析,最后提出了直流串聯電弧故障的保護策略。

基于電弧電流、電壓時頻域特性的檢測方法是目前采用最多的直流故障電弧檢測方法。但在分布式光伏發電系統中,場景復雜、組件繁多,正常的開關動作、負載突變都可能導致誤判,且閾值無法隨環境自適應變化,還有待進一步展開深入地研究。

2.3 基于模式識別學習算法的檢測方法

近年來,隨著模式識別的迅速發展,越來越多的學者開始利用機器學習、深度學習輔助直流故障電弧的檢測。文獻[28]提出了一種基于深度學習的串聯直流故障電弧診斷和電路行為預測方法。采用卷積神經網絡提取每個時頻片上的靜態特征,并結合長短期記憶網絡,捕獲時頻片序列的動態時變特征。經過訓練的模型顯示故障電弧診斷的總體準確率為98.43%,并給出了類似于實際信號的時域預測結果;文獻[29]提出了基于域適應的深度卷積生成對抗網絡(DA-DCGAN)方法,其中DA-DCGAN首先從源域數據中智能學習正常到故障的轉換。然后,利用目標域的正常數據進行學習轉換生成虛擬電弧數據,并采用域自適應法,實現對目標域魯棒的、可靠的故障診斷[29];針對直流系統,文獻[30]提出一種基于改進經驗模態分解(EMD)技術提取直流故障電弧時頻特征的方法,還有利用自適應消諧波[31],然后采用支持向量機(SVM)算法進行決策的檢測方法;文獻[32]利用EMD和概率神經網絡(PNN)算法結合進行光伏發電系統直流故障電弧檢測;文獻[33]對時域特性和頻域特性進行量化,以工作點變化、電流峰峰值、標準差以及傅里葉變換得到的頻率分量作為特征向量輸入BP神經網絡進行訓練;文獻[34]利用平均值、中值、方差值、RMS值以及最大值和最小值的距離作為特征量,分別采用DNN、LSTM、GRU等各種機器學習算法進行故障電弧檢測,并做了檢測精度的對比;還有采用集成機器學習[35](EML)算法、利用PNN[36]算法訓練多維特征樣本、采用遷移學習的卷積神經網絡[37]進行直流故障電弧檢測的研究。

基于模式識別學習算法的故障電弧檢測方法,能夠有效地提高故障電弧檢測精度,但在一定程度上依賴于樣本數量和質量,且計算量較大,對硬件的要求較高。在實際應用中還需要大量的驗證和試驗。

2.4 基于定位和硬件實現的檢測方法

以上直流故障電弧檢測方法大多在理論上采用各種聲、光、電、時頻域以及模式識別算法進行故障電弧檢測驗證,針對直流故障電弧的定位以及硬件實現相對較少。文獻[38]提出了一種只需要兩個檢測點的平面定位方法,通過天線陣和故障源形成一個水平三角形來定位故障,采用互相關技術對信號脈沖進行區分和提取;文獻[39]提出了一種基于數學形態學的時域技術,稱為分解開閉交替序列(DOCAS),用于故障電弧的檢測和定位;文獻[40]介紹了一種基于卡爾曼濾波器(KF)的算法,該算法通過估計線路導納并因此檢測/定位串聯故障電弧來監控直流微電網的運行;文獻[41-42]在光伏板、電阻兩端并聯電容,通過這些電容器的電流特性進行故障檢測和定位,期間還采用了羅氏線圈進行輔助。文獻[43]提出的脈沖電流故障選線技術也可作為光伏直流故障電弧選線定位的參考技術。同時,還有基于高性價比TMS320F28335數字信號處理器的電弧故障檢測器[44](AFD)、數字信號處理DSP芯片[45]、光伏樣機[46]等硬件實現直流故障電弧的檢測。

基于定位和硬件實現的故障電弧檢測方法在實際應用中具有重大意義,但目前相關研究較少,也沒有得到有效地應用,在未來的研究中還需展開深入研究。

3 直流故障電弧檢測面臨的問題

目前,分布式光伏發電系統的直流故障電弧檢測方法較多,在實際應用也較多得到了運用。但基于直流故障電弧檢測研究目前仍處于探索階段,還存在著一系列的問題：(1)故障電弧檢測主要采用閾值法,但在實際應用中閾值無法實現隨環境自適應變化,確定閾值比較困難;(2)大多時頻域方法對硬件要求較高,算法較為復雜,在實際應用中很難實現;(3)模式識別分析算法的引入,對提取的特征信息要求較高,需要大量的數據樣本做支撐,計算復雜,相關研究也尚未深入。目前,對于分布式光伏發電,國家已經出臺相關政策,必須具備故障電弧檢測功能,但目前這一技術并不成熟,主要集成在逆變器上,對光伏進行組串,尚未有合適的解決方案。

當線路中連接大量用電設備,且各用電設備工作性質不同時,這將會導致線路中電流信號的多變,增加故障電弧的誤判率。同時,當主線路中工作電流較大,支路工作電流較小時,一旦支路發生故障電弧,支路的電流信號會減小,其信號特征極易被主線路的工作電流所湮沒。且目前國內外針對直流故障電弧沒有建立一個完整可靠的直流故障電弧數據集,各學者只能根據己有的故障電弧數據進行電弧檢測驗證。

故障電弧電阻呈非線性,就同一個用電設備而言,在同樣的環境條件下產生的電弧電流變化很大,所以很難對故障電弧電流進行統一定性,采用閾值法可能會產生誤判。在現實場景下,電氣線路走線復雜,且故障電弧隨機性高、隱蔽性強,對故障檢測、定位難度大,同時要求的軟硬件條件有限,算法不能太復雜,所以對故障電弧的檢測、定位的實現有難度。

同時,分布式光伏發電系統的直流故障電弧檢測的研究主要集中在理論層面,針對故障電弧進行檢測驗證,很少有具體的故障定位檢測和硬件實現研究。目前能夠檢測直流故障電弧的設備也主要面向光伏場景,場景和負載較為單一,對多場景、多負載的直流故障電弧的研究還處于起步階段。

4 直流故障電弧檢測、定位技術的展望

隨著我國雙碳目標、新型電力系統的提出,對于分布式光伏等直流系統的應用越來越多。目前國內還沒有明確的直流故障電弧相關標準,主要根據美國的UL 1699B標準進行評估光伏直流系統的故障電弧檢測方法的有效性,且該標準主要針對逆變器等開關裝置作為負載條件,沒有考慮典型的家用直流負載等場景。針對多場景和多負載的直流故障電弧研究仍然是未來的研究重點。

針對光伏發電系統,應用場景多元化,不應局限于一種場景下的故障電弧檢測,在模塊級、組串級和陣列級等不同拓撲結構系統下的故障電弧檢測、定位普適性也有待進一步研究。

目前,針對光伏發電系統的直流故障電弧檢測主要集中于低壓場景,隨著光伏產業的迅速發展,電壓等級也不斷攀升,因此,對高壓等級的光伏直流故障電弧的檢測、定位方法也有待進一步深入研究。

對于近幾年的研究,針對微弱故障電弧的檢測方法已經有了相關研究,對于微弱故障電弧的研究非常有意義,隨機共振、小波分析等方法有明顯的增強作用,在弱信號的檢測上還需進一步研究自適應地、有效地算法,同時,不應只局限在理論方法上,因將其部署到硬件上應用于實際直流故障電弧的檢測中。且大多數直流故障電弧都針對串聯型,對并聯型故障電弧研究較少,雖并聯型故障電弧發生幾率較小,也不可忽略。

現有的較多直流故障電弧檢測方法對于單一場景的故障電弧檢測精度高,卻很少涉及故障電弧的硬件實現和定位研究,西安交通大學的熊慶團隊對于故障電弧的定位研究有較大的研究意義和參考價值。如何在較低成本的硬件條件下實現對直流故障電弧的快速、高精度的檢測、定位值得深入研究。

突破現有的技術瓶頸,采用多特征量的多源信息融合方法,提高抗干擾能力,建立高靈敏度的直流故障電弧檢測、定位技術方法是未來的研究重點。

5 結束語

近年來,以光伏發電系統為主的直流應用場景發展越來越迅速,同時,也伴隨著越來越多的危害,其中直流故障電弧危害最大。如何高效地檢測、定位直流故障電弧是目前亟需解決的問題。文中首先分析了直流故障電弧發生的機理和故障特征,有助于了解直流故障電弧特征;其次,綜述了近幾年光伏發電系統中直流故障電弧檢測、定位方法。對最近發表的論文進行技術細節的總結和討論;最后,針對直流系統,從實際應用的角度出發指出了當前亟需解決的問題,并展望了未來直流故障電弧檢測以及故障電弧定位的應用場景和研究方向。