一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法及系统，通过从采样的含故障电弧特征信号中进行特征提取，将采样的含故障电弧特征信号与提取的特征进行标定后形成含故障电弧特征数据集；采用含故障电弧特征数据集训练门控循环神经网络得到特征融合模型，利用训练得到的特征融合模型进行光伏系统直流故障电弧检测，本发明专利技术能可靠

【技术实现步骤摘要】
一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法及系统


[0001]本专利技术属于故障电弧检测
，具体涉及一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法及系统
。

技术介绍

[0002]近年来，随着电力电子技术的进步
、
网络通信技术的发展，大量分布式可再生能源接入，用户终端直流负载与日俱增，为直流重新回到民用建筑配电领域提供了契机
。
直流系统在建筑中的应用研究始于
2000
年左右，前期研究主要目的在探索直流系统在建筑中应用的可行性
。
整体来说，借鉴舰船
、
航空等专用直流系统的经验，前期研究基本上证明了直流在建筑中应用具备可行性，通过减少交直流转化环节能够提升供电系统效率4‑8倍，特别在接入光伏
、
风电
、
储能和电动汽车等直流电源或负载的情况下直流系统更具备控制优势
。
在直流设备和系统研发的基础上，各类建筑直流系统的示范项目也先后建成
。
随着化石能源的枯竭和随之引发的环境污染等问题也在困扰着人类，人们对各种可再生能源越来越重视，诸如潮汐能
、
风能
、
太阳能等
。
作为典型的低压用电系统，光伏发电是一种清洁的方式，而且在有限的时间内几乎无穷无尽，因此光伏发电系统的发展具有非凡的潜力
。
预计到
2040
年，光伏发电在电能的产出中将占到
60
％的比例
。
>随着国家政策的鼓励和扶持，以及光伏技术的快速发展，光伏产品的种类增多，产量得到了提高，太阳能光伏发电可直接将太阳光转化成电能，光伏发电虽然应用范围遍及各行各业，但影响最大的是建材与建筑领域
。
随着光伏发电
、
电池储能等新能源技术的发展
,
以及电脑
、
显示器
、LED
照明
、
变频空调和电动汽车等可用直流供电设备的普及
,
直流供电在建筑中的应用受到了越来越多的关注
。
建筑直流供电系统线路损耗小
、
电能质量好
、
运行效率高
、
方便新能源发电与储能系统的接入
、
不存在谐波和无功补偿等问题
,
可提供安全
、
灵活
、
高效的供电服务
,
有着广阔的应用前景
。
[0003]伴随着低压建筑用电系统的快速发展和不断普及，供电场景以及直流系统线路日益复杂，发生直流故障电弧的概率迅速提高，故障电弧产生的安全风险也随之增加
。
尤其在光伏系统中由于接点脱落
、
器件老化
、
绝缘破裂
、
接地不良等情况都会产生故障电弧
。
近年来，建筑光伏系统火灾事故频发，这不仅损失电站财产
、
发电收益，严重时还会造成建筑物损坏和人身伤害，甚至蔓延到周边环境，导致一系列次生灾害发生，其中以直流侧电弧故障造成的火灾最为严重
。
一直以来，光伏电站“防直流电弧”和“防火灾”发生是光伏电站的难点
、
屋顶电站的痛点
、
政府关注的重点
、
社会舆论的焦点
。
随着光伏组件规格越做越大，直流侧系统功率和电流增强，光伏系统的能量来源为太阳能，只要存在阳光的照射，故障电弧引起的火灾就会持续存在，因此很难扑灭
。
建筑一体化光伏系统的电弧“安全问题”也越来越多，已经到了迫切需要解决的地步
。
但目前国内外相关技术研究并没有深入的研究过有关
BIPV
系统
(
建筑光伏系统
)
中的电弧故障问题，相关技术研究主要集中在大型光伏系统的电弧故障检测，随着直流系统供电的逐步完善，
BIPV
等分布式光伏系统必将成为未来直流配用电系统的重要组成部分
。
[0004]目前对传统用电系统产生的直流故障电弧检测是利用电弧电压和电流的时频特
性，原理是通过检测电压和电流的微小波动来判断是否有电弧发生
。
当前，基于时频域的检测技术是研究故障电弧的重点，并且有些基于故障电弧的时域
、
频域和时频域对故障电弧检测的产品也取得了很好的效果
。
时域分析主要关注时间序列的特征差异，比如发生故障电弧前后电压电流的变化率
、
平均值等
。
利用傅里叶变换等方法将时间信号转化为频率信号再行分析，这种方法就是频域分析
。
时频域的分析则是通过小波变换
、
短时间傅里叶分析等一系列数学工具，并在信号分析中运用
。
而国外对光伏系统电弧故障识别方法的研究并不多，我国正处于初步研究阶段，在理论基础方面，国内外主要研究方法都集中于提取光伏系统电弧故障的特征量并作为故障判别的依据
。
相比于传统用电系统，光伏系统更加新颖且内电弧形态更加特殊，其中
BIPV
系统里的故障电弧特性有别于常规电弧，利用时域特征分析只能在某一电流值下进行数据测量而归纳结论，无法满足光伏系统直流侧电流值的实时变化情况
。
此外，建筑光伏直流系统中存在复杂多样的系统噪声干扰，利用频域特征量分析容易受到来自逆变器或其他装置的噪声频率干扰，并且光伏系统受光照和温度变化的影响，输出电流和电压的幅值不稳定，容易造成故障识别装置发生误判
。
利用故障电弧的声
、
光
、
电磁等物理特性，在时域上，将直流电弧电磁辐射视为一系列间断脉冲，起始时刻与电弧电流突变时刻相对应，近似成正比
。
电弧电磁辐射频谱最大值所对应频率与电弧电磁辐射脉冲宽度近似成反比
。
最终设计出一种用于三阶
Hilbert
分形天线，其有效频率范围为
210
‑
800MHz。
而这用以天线接受电磁脉冲的方式，需要排除光伏系统内部监测设备之间的无线信息传输造成的干扰
。
由于天线的有效频率恰好位于物联网等通讯协议所在的频段内，使得该方法只能应用于偏远无人地区而得不到广泛应用
。BIPV
系统中的电弧特性有别于现有电弧特征，表现在电弧发生后，回路电流并未出现明显下降，且通过现有
Db
小波分析的电弧时频特征频段即
125
‑
156.25kHz
也并未出现明显电弧特征信息
。
并且在电弧故障发生后回路电流特征无明显变化的非常规电弧电流情况下，利用电流变化差异来实现状态分类的
CNN
与
SVM...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，对不同类弧和故障电弧工况下
BIPV
系统含故障电流的电弧信号进行实时采样，对含故障电流的电弧信号进行特征提取，将采样的含故障电流的电弧信号与提取的特征进行标定后形成含故障电弧特征数据集；
S2
，采用含故障电弧特征数据集训练门控循环神经网络得到特征融合模型，利用训练得到的特征融合模型进行光伏系统直流故障电弧检测
。2.
根据权利要求1所述的一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，从采样的含故障电弧特征信号中进行特征提取据具体包括：采用
Rbio
小波对采样的含故障电流的电弧信号进行特征量提取获得
Rbio
小波特征，基于样本熵的非线性时间序列分析方法从含故障电流的电弧信号中提取非典型电弧发生后的信号复杂度的样本熵特征，将
Rbio
小波特征和样本熵特征组合成二维特征，利用合成的二维特征对门控循环神经网络进行训练得到特征融合模型
。3.
根据权利要求2所述的一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，训练得到特征融合模型过程中：对样本熵特征参数以及特征融合模型的参数采用蚁群算法进行优化处理
。4.
根据权利要求3所述的一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，优化处理的具体过程为：对采样的含故障电弧特征信号进行参数初始化实现采样信号变换处理，参数初始化过程包括设定电流信号的采样频率
f
和时间窗点数
N。5.
根据权利要求2所述的一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，基于样本熵的非线性时间序列分析方法从含故障电流的电弧信号中提取非典型电弧发生后的信号复杂度的样本熵特征具体包括：采用
Rbio
小波对采样的含故障电流的电弧信号进行特征量提取，提取频段范围为
93.75kHz
～
125kHz
的小波系数进行重构，基于样本熵的非线性时间序列分析方法对重构的信号计算样本熵，得到小波系数的样本熵特征
。6.
根据权利要求1所述的一种建筑光伏系统直流故障电弧检测方法，其特征在于，利用训练得到的特征融合模型进行光伏系统直流故障电弧检测：将对
BIPV
系统实时采样的电弧信号输入至特征融合模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴文，武涵聪，陈思磊，董文凯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：