双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法及系统与流程

1.本发明涉及直流系统电器故障诊断技术领域，具体地，涉及一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法及系统。


背景技术：

2.光伏发电系统、储能系统和直流充电桩等直流系统中均存在模块化、多接头的接线。例如，一个光伏电站由上千个光伏阵列模块构成，这些阵列的串并联连接，通常会在连接处产生大量的接头和连接点；储能电站由大量的电池模块构成，接头和连接点也很多；数以万计的直流充电桩，也具有大量的接头连接点。随着直流系统长期运行，这些接头连接处由于接头松动等原因会产生很小的空气间隙，在一定的电压下这些空气间隙被击穿并引起串联直流电弧故障。此外，随着运行时间变长，导线破损、绝缘老化等原因又会引起并联直流电弧故障。与交流系统中的电弧现象相比，直流系统中的电弧没有过零点特征，检测困难；且光伏系统、储能电站等直流系统大多靠近民用建筑，电弧引起的火灾事故造成的危害会更大。研究表明，光伏系统中火灾事故发生有60％以上是由直流电弧故障引起的。因此，直流电弧故障诊断、定位以及防护已成为业界关注的研究课题。
3.目前，直流电弧诊断和定位方法研究主要分为两类，即：基于直流电弧产生时所具有的声、光、热等物理特征进行电弧检测和定位，或者基于直流电弧引起的电压、电流、功率等电信号变化进行电弧检测和定位，主要涉及时域分析方法、频域分析方法以及时频域结合法。基于物理特征的电弧检测方法需要额外的检测设备，且该方法仅局限于开关柜、直流汇流箱等小型密闭空间场合，通用性不强；基于电信号变化的检测方法，容易受环境噪声和系统背景噪声干扰，且负载切换、逆变器启动等正常操作也会对检测算法造成影响，发生误动和拒动概率较大。此外，研究表明，在大于15a的直流系统中电弧波动性减弱，呈现弱电弧特征，高频特征与正常情况时基本相同，这对采用频域特征方法检测直流电弧故障造成了一定的困难。光伏直流系统中，光伏组件特有的限流特性以及最大功率跟踪(mppt)特性，也对直流电弧的检测带来了一定的难度。
4.在目前的研究中，专利文献cn112462176a提出了一种光伏组串电弧故障检测和定位方法，该方法分为两步，第一步对各个光伏组串汇流后的总电流进行分析判断是否出现电弧故障，若判定发生了电弧故障则进入第二步，否则重复第一步下一周期总电流数据分析，第二步分析各个组串的串级电流和串级电压，当多个组串存在着串级电压降低、串级电流增加时，将余下另一些串级电压降低、串级电流降低或反向的组串视为发生直流电弧故障。该方法虽然可以实现大部分直流电弧检测和组串级故障定位，但是在弱电弧故障时电弧特征不明显，第一步采用总电流分析的方法，各个组串电流汇流后会进一步弱化电弧特征从而出现漏判，且第二步电弧故障定位在串间并联电弧故障发生时，存在着只能识别出其中一条故障组串的弊端，具有定位上的缺陷。
5.在公开号为cn110618366a的中国专利文献中，公开了一种直流电弧检测方法及装置。其中，该申请提供的直流电弧检测方法，先采集光伏发电系统中每路mppt的电流信号，
再对每路mppt的电流信号分别进行分析，得到每路mppt的电流分析结果；之后，判断每路mppt的电流分析结果是否均不符合电弧特征，若存在至少一路mppt的电流分析结果符合电弧特征，则判定该路mppt出现电路故障、输出电弧故障告警信号至光伏发电系统中的系统控制器。
6.专利文献cn110763958a提出了一种基于神经网络的直流电弧检测方法，该方法虽然提升了已有方法的电弧检测精度，但仍然存在一定的误判率，且神经网络的训练需要大量的实践数据，训练难度高，实施较为困难，对于不同拓扑和电压电流等级的直流系统神经网络都需要重新训练，通用性不高。目前，直流电弧故障定位研究刚刚起步，研究一种准确率高的直流电弧故障诊断和定位方法，已成为学术界及业界所关注的重要课题。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法及系统。
8.根据本发明提供的一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法，包括以下步骤：
9.双导线拓扑步骤：将直流系统中连接两个电器元件的一条导线替换成两条导线；
10.电流监测步骤：对两个电器元件间的双条导线进行电流采集，为电弧故障诊断提供依据；
11.电弧诊断步骤：对采集的两条导线的电流分析判断，根据两条导线电流值的偏差进行电弧故障诊断。
12.故障定位步骤：对直流系统中每一段双条导线进行监测，根据出现异常的电流数据，将故障定位到出现异常的导线处。
13.优选的，所述双导线拓扑步骤中采用的两条导线中每一条均能满足所连接两个电器元件的载流要求。
14.优选的，每个电器元件的正极具有两个接头，负极具有两个接头，所述两条导线中每条导线独立地连接在电器元件的一个接头上。
15.优选的，所述两条导线的长度大于设定值时，导线的规格要考虑导线电阻压降所产生的影响，使其中一根导线断路时，该导线断路点两端的压差小于80v。
16.优选的，所述电弧诊断步骤中，当双导线中一条导线的电流降为0a,另一条导线的电流升高至原来的2倍时，说明该段双导线中电流为0a的导线发生了开路故障；当双导线中两条导线电流均不为0，两条导线电流值大小不等、存在较大偏差，且存在两处双导线位置同时出现这种变化时，说明发生了并联电弧故障；当双导线中两条导线电流均不为0，并且两条导线电流大小近似相等，说明未发生电弧故障。
17.优选的，所述电流监测步骤中采用电流监测模块对导线的电流进行监测，所述电流监测模块的采样频率为1
‑
10khz。
18.根据本发明提供的一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位系统，包括以下模块：
19.双导线拓扑模块：将直流系统中连接两个电器元件的一条导线替换成两条导线；
20.电流监测模块：对两个电器元件间的双条导线进行电流采集，为电弧故障诊断提供依据；
21.电弧诊断模块：对采集的两条导线的电流分析判断，根据两条导线电流值的偏差
进行电弧故障诊断。
22.故障定位模块：对直流系统中每一段双条导线进行监测，根据出现异常的电流数据，将故障定位到出现异常的导线处。
23.优选的，所述双导线拓扑模块中采用的两条导线中每一条均能满足所连接两个电器元件的载流要求。
24.优选的，每个电器元件的正极具有两个接头，负极具有两个接头，所述两条导线中每条导线独立地连接在电器元件的一个接头上。
25.优选的，所述两条导线的长度大于设定值时，导线的规格要考虑导线电阻压降所产生的影响，使其中一根导线断路时，该导线断路点两端的压差小于80v。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、采用双导线电路拓扑，当双导线中某条导线断线后，另一条导线将断线处两端电压钳位到很低，消除了直流电弧的发生条件，杜绝了串联型直流电弧的发生，具有良好的电弧抑制与防护功能。
28.2、双导线对称运行方式使得各种干扰对两条导线影响相同，因此不受环境噪声以及系统中各种开关器件所带来的高频噪声干扰，鲁棒性好，对于光伏直流系统不受阴影遮挡、光照突变等的干扰。
29.3、不涉及复杂算法求解，计算成本低，且电流采样模块采样频率要求低(1
‑
10khz即可)，硬件成本低。
30.4、利用双导线电流出现偏差进行故障诊断，灵敏度高，故障特征显著，可以实现电弧故障100％精准检测，不存在误动和拒动的可能。
31.5、对于接地短路和线间短路故障也会出现电弧故障告警，考虑到短路故障在某些场景下漏检后随着时间演化会变成电弧故障，因此本方法具有弥补短路保护装置漏检的功能同时具有一定的电弧故障提前预警功能。
32.6、定位精度高，可以实现元件级电弧故障定位，有利于电弧保护装置精准动作。
33.7、对于长线路，由于导线电阻压降较大发生串联直流电弧故障时(概率很小)，本方法也可以实现电弧故障告警，并能实现串联电弧和并联电弧的类型区分。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为本发明实施例中双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法的接线示意图；
36.图2为本发明实施例中单双接头转换装置示意图；
37.图3为本发明实施例中通道通用化电流采集模块接线示意图；
38.图4为本发明实施例中simulink仿真总框图；
39.图5为本发明实施例中发生串内并联电弧所对应的光伏阵列子框图；
40.图6为本发明实施例中发生串间并联电弧所对应的光伏阵列子框图；
41.图7为本发明实施例中发生串内并联电弧时故障处的双导线电流波形图；
42.图8为本发明实施例中发生串间并联电弧时故障处的双导线电流波形图。
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
44.一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法，参照图1所示，包括以下步骤：
45.双导线拓扑步骤：将直流系统中连接两个电器元件的一条导线替换成两条导线以解决单导线直流系统中由于接头松动、导线断裂等原因所引起的串联型直流电弧故障问题，当双导线中某条导线断线后，另一条导线将断线处两端电压钳位到很低以抑制直流电弧发生，起到防护产生串联直流电弧的效果。
46.双导线中每条导线的载流能力要与现有的单导线直流系统中所用导线的载流能力相同，以保证双导线电路拓扑在其中一条导线由于接头松动等原因开路后，另外一条导线电流变为2倍后仍然可以正常运行。
47.双导线中每条导线要独立地接至元件的一个接头上，即要求每个元件正极要有两个接头，负极也要有两个接头，两条导线分别接到对应的两个接头上，以保证两条导线具有相对独立性。元件正极两个接头在元件内部是连接到一起的，元件负极两个接头在元件内部也是连接到一起的。对于只有一个正极接头和一个负极接头的元件，开发一种单双接头转换装置，如图2所示，以实现既有电器元件具有双接头连接功能。
48.电流监测步骤：对两个电器元件间的双条导线进行电流采集，为电弧故障诊断提供依据；
49.电弧诊断步骤：对采集得到的双导线上电流数据变化值进行分析处理、判断故障，当双导线中一条导线的电流降为0a,另一条导线的电流升高至原来的2倍时，说明该段双导线中电流为0a的导线发生了开路故障(断线或接头松动等原因，在单导线直流系统中则会引发串联型直流电弧故障)；当双导线中两条导线电流均不为0，两条导线电流值大小不等、存在较大偏差，且存在两处双导线位置同时出现这种变化时，说明发生了并联电弧故障；当双导线中两条导线电流均不为0，并且两条导线电流大小近似相等，说明未发生电弧故障。
50.故障定位步骤：根据某段双导线电流值出现明显偏差，将故障定位到该段双导线位置，实现了元件级故障定位。
51.双导线在导线长度比较短时可以忽略导线电阻压降所带来的影响，在导线长度较长时需要考虑导线电阻压降所产生的影响。以正常情况下双导线中每条导线流过10a电流为例，导线采用国家标准gb/t 3956
‑
2008中规定的第5种软导体制成的电缆，导线截面积取4mm2，在温度为20℃时1km长度的导线电阻值为4.95ω，当双导线中某条导线由于接头松动等原因开路后，另外一条导线将流过20a的电流，导线长度取1km计算，则导线电阻值为4.95ω，导线压降为4.95ω*20a＝99v，该值大于直流系统中对直流电弧防护所规定的最低电压要求80v，当该电压加到双导线中某条开路导线的开路点两端时，则有可能击穿空气隙产生串联直流电弧故障。因此，双导线电路拓扑在用于长线路串联直流电弧防护时需要考虑导线电阻压降所带来的影响，以确保其中一条导线断线后另外一条导线电阻压降不超过80v。特别地，当直流线缆长度较长导线电阻两端压降不可避免地要超过80v时，这时当双导线中某条导线由于接头松动、导线断裂等原因发生了串联直流电弧故障(或者导线电阻压降虽
小于80v,但是大于直流电弧的维持电压11
‑
14v，也存在发生直流电弧的可能)，由于串联直流电弧使得双导线电路拓扑不对称运行，双导线电流值依然存在明显偏差，可以实现电弧故障判断。当直流系统中某一时刻只有一处双导线位置电流值出现明显偏差，说明发生了串联型直流电弧故障(双导线拓扑下可能性很低)；当直流系统中某一时刻有两处双导线位置电流值出现明显偏差，说明发生了并联型直流电弧故障。
52.电流监测步骤中采用电流监测模块对导线的电流进行监测，所述电流监测模块的采样频率为1
‑
10khz，电弧故障诊断不涉及复杂求解算法，计算代价小。
53.电流监测由于需要对每一段双导线电流进行采样，因此需要较多的电流采样模块。对于小型直流应用场合，该方法适用性较好；对于大型直流应用场景，可以采用通道通用化电流采集模块，以满足本方法所需的电流采样需求。或者，通过在已有电器元件内部集成电流采集模块，以满足本方法所需要的电流采样需求。特别地，对于光伏直流系统，可以将本方法所需要的电流采集模块集成到已有的组件级监测器、组件级功率优化器以及组件级关断器内，以降低额外的硬件成本。一种典型的通道通用化电流采集模块接线示意图，参照图3所示。本方法所采集的大量电流数据，对于其他类型故障诊断也可以提供判断依据，对于未来大数据智能化直流系统构建可以提供数据基础。
54.电弧诊断，当双导线中两条导线电流均不为0并且两条导线电流大小近似相等时，说明未发生电弧故障。这里的未发生电弧故障并不意味着没有其他故障发生，当发生其他故障时本方法不会出现电弧故障告警，即不会出现误判断。如光伏直流系统中发生的部分阴影遮挡，对本方法则不会产生影响，因为阴影遮挡发生时双导线电路拓扑仍然对称运行，两条导线电流变化趋势相同电流偏差近似为0从而不会出现误判。同样地，光照突变等干扰对本方法也不会产生影响。
55.电弧诊断在发生接地短路和线间短路时会出现电弧故障告警。因为接地短路和线间短路发生时，发生短路位置的双导线拓扑不对称运行，双导线电流会出现较大偏差甚至偏差值会远大于发生直流电弧时所引起的电流偏差，所以会有电弧故障告警。考虑到短路故障由于过流发热会使得短路点出现碳化烧蚀，当短路保护装置没有及时动作，随着短路故障的持续该故障可能会进一步演化为电弧故障从而引发火灾，因此本方法在短路故障出现时发出电弧故障告警被认为是合理的。该方法可以弥补短路故障保护装置在某些场景下出现漏判的缺点，同时也说明该方法具有一定的直流电弧故障提前预警功能，有利于进一步增强直流系统的安全性。
56.电弧诊断不涉及复杂的算法求解，对数据处理器没有特殊的计算要求，所需的计算代价小；所述的故障定位可以将故障定位到两个电器元件之间，实现了元件级故障定位，定位精度高。
57.下面结合具体场景对本发明做进一步说明。
58.以光伏直流系统场景为例，通过采用simulink仿真来说明本方法的具体原理以及实施过程。如图1所示，根据本发明所提供的一种双导线拓扑直流电弧诊断与定位方法，包括：双导线拓扑、电流监测、电弧诊断以及故障定位。其中，双导线拓扑要求双导线中每条导线要独立地接到元件的双接头上，以保证两条导线具有相对独立性。图1揭示了两种双导线实现方式：一种是对电器元件进行改造，使得电器元件正极有两个接头，负极也有两个接头，即双接头电器元件；一种是采用单双接头转换装置，以实现单接头电器元件具有双接头
连接功能。图2为单双接头转换装置示意图，该装置从左向右可看作2转1转接头，从右向左可看作1转2转接头。图3为实现双导线电流采集的一种数据通道通用化电流采集模块接线示意图，n个数据通道标记为数据通道1、数据通道2、
…
、数据通道n，每个数据通道连接m个双导线电流采集模块，标记为双导线电流采集1、双导线电流采集2、
…
、双导线电流采集m，即一个主机可以实现m*n个双导线电流采集模块的数据读取。图3仅详细说明了数据通道1上的双导线电流采集模块接线示意图，对于数据通道2至数据通道n，接线方法类似数据通道1，不再赘述。每一条数据通道连接的m个电流采集模块，采集各自对应的双导线处两条导线上的电流，主机通过地址总线控制实现对各个电流采集模块的数据依次读取，为后续电弧故障诊断提供依据。因为电流采集模块的采样频率较低(1
‑
10khz)，所以在每个电流采样周期内，通过地址总线控制可以完成数据通道上所有电流采集模块的数据依次读取。
59.如图4所示，通过搭建光伏直流系统仿真总框图，以验证本发明所提方法的合理性。图5为仿真总框图中pv array子模块内部原理图，该子框图呈现了光伏直流系统中发生组串内并联电弧故障时组件的排列方式；图6也为仿真总框图中pv array子模块内部原理图，呈现了光伏直流系统中发生组串间并联电弧故障时组件的排列方式。光伏组件参数设计与隆基乐叶450w光伏组件参数一致，单个组件开路电压uoc为49.6v，短路电流isc为11.58a，最大功率点电压ump为41.4v，最大功率点电流imp为10.87a，isc温度系数为 0.050％/℃，uoc温度系数为
‑
0.284％/℃。图5和图6中的光伏阵列均采用3路组串并联的排列方式，每路组串串接5个组件，即本次仿真一共运用了3*5＝15个光伏组件。图5中左侧有3个光伏模块，由上至下三个光伏模块的组件排列方式依次为：1串1并、2串1并和2串1并，即左侧三个光伏模块串接后为5串1并排列方式，构成了一路光伏组串；图中右侧有1个光伏模块，组件排列方式为5串2并，构成了两路光伏组串。图5中，串内并联电弧以5欧姆的一个小电阻等效，通过一个阶跃模块和理想开关模块，控制电弧故障在0.4s的时候发生，仿真总时间为0.8s。图6中最左侧有2个光伏模块，由上至下组件排列方式为1串1并和4串1并，这两个光伏模块串接后构成了一路光伏组串；图中间也有2个光伏模块，由上至下组件排列方式为4串1并和1串1并，这两个光伏模块串接后也构成了一路光伏组串；图中最右侧有1个光伏模块，组件排列方式为5串1并，构成了一路光伏组串。图6中，串间并联电弧仍以5欧姆的一个小电阻等效，其余参数设置与图5中相同。图5和图6中的双导线每条导线上均串了2个小电阻，每个小电阻取值0.0025欧姆，以模拟1m长的导线电阻，即本次仿真中估计两个组件之间的双导线长度为1m。
60.图7为串内并联电弧故障发生时故障点处的双导线上流过的电流，0
‑
0.4s时系统正常运行未发生故障，两条导线由于对称运行流过的电流相等，0.4s后其中一条导线发生了并联电弧故障，双导线不对称运行，两条导线电流出现明显偏差。根据此偏差，可以实现电弧故障诊断。图8为串间并联电弧故障发生时故障点处的双导线上流过的电流，该电流波形与图7波形类似，同理，该类电弧故障也可以实现诊断。可以发现，当发生电弧故障时只有故障点处的双导线出现不对称运行方式，即只有故障点处的双导线电流会出现明显偏差，其它位置的双导线由于仍然是对称运行的两条导线电流不会出现明显偏差，所以可以根据出现电流明显偏差的双导线位置来实现故障定位。该方法由于可以把故障定位到某段双导线位置，所以可以实现元件级故障定位，定位精度高。
61.下面分析本专利方法所需要的实施成本：其中，双导线电流采样模块所需要的成
本以光伏组件级监测器的成本为依据来估算，根据网上资料搜集，所需成本占电站建设总成本的比例估算为1％；采用双导线拓扑，导线用量加倍，导线增加的成本占系统总成本的比例估算为0.66％。导线成本具体估算如下：根据实际调研，以885.6kw光伏电站为例，电站建设总成本320万元，采用直流电缆7000m，电缆每米3.3元，共计7000*3＝2.1万元，导线成本占电站建设总成本的比例为2.1万/320万＝0.66％。因此双导线拓扑，导线成本增加0.66％。综上，本专利方法所需要的实施成本占总成本的比例为1％ 0.66％＝1.66％。
62.本发明采用双导线电路拓扑，可以从电路层面杜绝串联型直流电弧发生(短线路，线路压降较低时)；通过利用双导线上电流值出现明显偏差可以实现并联电弧故障诊断和故障定位；本方法不涉及复杂的算法求解，且电流采样模块采样率低(1
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10khz即可)，降低了计算成本和硬件成本。
63.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
64.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。