南京工程學院的研究人員王先發、顧衛祥，在2019年第5期《電氣技術》上撰文，針對光伏係統直流側(ce) 故障電弧的檢測問題，提出了基於(yu) 電弧時頻域特性的閾值判斷檢測算法。首先，將電弧發生器接入實驗光伏係統，以便可控地產(chan) 生可重複的直流電弧波形。並利用傳(chuan) 感器與(yu) 示波器對實驗電弧波形進行采集；其次，將得到的數據導入Matlab中進行傅裏葉變換分析並得出電弧特性。通過理論分析和實驗結果驗證了所提方法的可行性。

全球一次能源日益枯竭，我國政府正大力發展可再生能源。其中因太陽能具有清潔、安全且取之不盡的顯著特點，已經成為(wei) 規模發展最快的可再生能源。但光伏電站通常建立在各種不適宜居住的地區，如荒山、荒地、沙漠以及灘塗等，難免發生各種故障，從(cong) 而降低了光伏電站的發電效率，甚至存在火災等安全隱患。故障發生的原因大部分歸因於(yu) 直流側(ce) 故障電弧。

光伏係統相當於(yu) 一個(ge) 直流電源係統，由於(yu) 光伏電站的直流端輸出電壓高，直流端會(hui) 在任何位置出現電子元器件接觸不良或氧化腐蝕等現象，所形成的間隙易產(chan) 生電弧。光伏電池板特殊的伏安特性使得電弧一旦產(chan) 生，就容易形成穩定的燃燒，使電壓進一步上升，導致電弧的溫度驟升，引起附近可燃物及導體(ti) 的燃燒，危及電源及電路的安全，進而引發火災造成財產(chan) 損失或人員傷(shang) 亡事故。再者，現有的保護裝置隻能對電路過電流引起的故障起到保護作用，而無法檢測到此類電弧，因此存在安全隱患。

考慮到光伏係統中電弧發生位置的不確定性，因此無法利用電弧電壓進行電弧檢測，但是，無論電弧發生在何處位置，電弧電流的特征都將在係統直流端的總電流中反映出來。因此，本文采用電弧電流的特征作為(wei) 判斷依據。

早在2007年，美國聖地亞(ya) 國家實驗室利用電弧產(chan) 生的高熱特性對光伏係統故障電弧進行檢測，研究表明高熱同時會(hui) 引起光伏線纜上的聚合物纖維產(chan) 生形變，導致光信號回路受阻，係統容易發生誤判。我國複旦大學電光源所和國家能源太陽能發電研發中心於(yu) 2010年10月在國內(nei) 率先展開光伏係統直流故障電弧特性及保護方法的研究，由於(yu) 起步相對較晚，且大部分研究方法是針對單一時域或者頻域特征進行檢測，存在檢出率低、誤判率高等缺點。

目前國內(nei) 外光伏係統直流側(ce) 故障電弧診斷研究還處於(yu) 初期階段，文獻分析了電弧的電壓-電流特性，表明電源電壓對電信號參數並無太大影響。文獻[7]對電弧信號進行頻域變換時加上有源帶通濾波器，能提高電弧特征頻率在故障信號中的占比。由於(yu) 對電弧特征不甚了解，且電弧具有隨機性和複雜性，無法建立精確的電弧模型，因此，研究光伏電站直流側(ce) 電弧故障的診斷方法具有重要的意義(yi) 。

1 光伏係統直流側(ce) 故障電弧的仿真和分析

目前常用的電弧模型有Cassie模型和Mayr模型。Cassie電弧模型是假設流過電弧通道的電流發生變化時其直徑也同樣跟著變化但是其溫度不變。Mayr電弧模型認為(wei) 電弧的直徑是保持不變的，即電弧間隙耗散的能量是不變的，變化的是電弧溫度密度分布。這兩(liang) 種電弧模型都隻單方麵考慮某一種熱量耗散的方式而決(jue) 定了電弧模型的形式。

本文隻單方麵研究電弧故障對係統產(chan) 生的影響，故而選用Cassie模型來研究電弧的特征。為(wei) 研究光伏係統故障電弧特征，本文建立了故障電弧數學模型，采用理論為(wei) 輔，實驗為(wei) 主。

以Matlab軟件為(wei) 平台，利用Simulink中的元件建立的通用電弧模型。電弧模型由電壓控製的電流源（controlled current source）、微分方程編輯器（DEE）、定值檢測（hit crossing）、階躍信號（step）、電壓測量（voltage measurement）等模塊組成。

將圖1的電弧故障模型接入光伏係統中，得到仿真結果。電弧燃燒時具有隨機性且電流信號會(hui) 發生不規則變化。實際上，電弧具有多種物理特性，但是在現有技術條件下不適用在光伏係統中。

比如，熱學上，電弧燃燒會(hui) 迅速產(chan) 生高溫，雖然現在已有測量局部熱點的技術，但對於(yu) 光伏電站而言成本過高。聲學上，電弧燃燒會(hui) 發出噪聲，但現在環境幹擾性大，易發生誤判。通過仿真實驗可知，在電學上，可利用電弧的電流信號作為(wei) 特征，這為(wei) 後續故障電弧的特征提取提供了可能性。

2 小型光伏係統實驗平台搭建及其故障電弧特性的分析

2.1 實驗平台搭建

本平台所采用的電池板單晶矽材質，太陽光充足時光電轉換效率高，便於(yu) 在戶外條件好的情況下進行模擬，所以我們(men) 可以通過搭建實驗平台進行光伏係統的模擬。本文搭建了的實驗平台，包括光伏板、電弧發生器、光伏逆變器和電流傳(chuan) 感器等。

其中光伏板采用CanadianSolar公司CS6P-230P型光伏組件，一個(ge) 組件由60個(ge) 電池單體(ti) 串聯組成，將每3塊組件串聯後再並聯，通過直流斷路器接到逆變器，再接入電網。

本文中所使用的電弧發生器符合美國保險商實驗室所規定的標準。該電弧發生裝置為(wei) 一對距離可調節的銅棒電極，一個(ge) 被固定，另一個(ge) 電極通過步進電機控製係統可進一步提高銅棒之間距離的精確度。

將兩(liang) 個(ge) 電極從(cong) 接觸良好到分開，可以模擬出實際直流係統中鬆弛、接觸不良的情況，與(yu) 實際電弧的產(chan) 生機理相同，皆是原本導通的電極分離時擊穿空氣並維持高能量放電的過程。用此裝置接入光伏係統實驗平台，可模擬出直流故障電弧的發生以及提取出電弧電壓和電流波形。

2.2 故障電弧的數據采集

利用上述實驗設備進行模擬電弧實驗，光伏係統從(cong) 正常運行到開始發生電弧故障，匯流箱處電流會(hui) 存在明顯的變化。故在係統直流側(ce) 選用電流源輸出作為(wei) 檢測故障電弧的物理參數，分析電弧產(chan) 生發展過程中上述參數的變化，提取相應特征，實現對故障直流電弧的檢測。

本實驗采用羅氏線圈RS/RDRS測量，同時使用漢泰示波器（DSO8202E）記錄電流波形。該示波器最高采樣速率為(wei) 1GSa/s。試驗時，燃燒的電弧會(hui) 將電極燒蝕，因此每次放電後都要對電極進行打磨，保證試驗過程中電極表麵的一致性。試驗進行一段時間後需要更換銅棒電極。

圖5是利用分開式起弧法的電流波形。當電路中產(chan) 生電弧時，相當於(yu) 在電路中增加一個(ge) 動態電阻，因此會(hui) 導致電流在時域特性中產(chan) 生突變。

2.3 特征提取

1）基於(yu) 時域特征的提取

提取時域特征常見的做法是，使用電流的均值、波動以及變化率等參量來提取電弧特性。在多組實驗數據分析後，這些特性均不明顯，無法滿足閾值判斷。將圖5數據進行離散，設定取樣點，取得5s內(nei) 的電流幅值，並計算出每點10ms內(nei) 電流最大值與(yu) 最小值之差，得到如圖6所示的電流波形。利用這一參量，選擇合適的閾值能滿足要求。

2）基於(yu) 頻域特征的提取

在直流電弧起弧瞬間與(yu) 燃燒過程中，電流中的高頻分量會(hui) 增加。目前，國內(nei) 外對於(yu) 直流電弧故障檢測都會(hui) 考慮電流的高頻信號特征。與(yu) 時域相似的是，頻域特性在發生電弧故障時會(hui) 引起突變和震蕩，但表現更為(wei) 穩定，通過對多組數據的綜合分析，這些特性可以作為(wei) 故障電弧檢測的依據。

圖7為(wei) 所采集電流波形經濾波後進行信號FFT分析的電弧信號頻譜圖，其中無電弧時諧波主要含量來源於(yu) 逆變器高開關(guan) 頻率，一種低壓直流轉為(wei) 高壓交流時由於(yu) 電路震蕩引起一定的頻率。該頻率一般在30kHz左右，因此本文選擇40～100kHz範圍內(nei) 的高次諧波作為(wei) 故障電弧的特征信號，可以避免逆變器一部分噪聲的幹擾。取頻率最低但幅值不為(wei) 零的5kHz諧波為(wei) 參考基波，8～20次諧波幅值為(wei) 電弧檢測依據。

3 基於(yu) 時頻域特性的閾值判斷法

對電弧故障進行檢測時，光伏係統中的環境噪聲和係統動作等內(nei) 外部幹擾信號會(hui) 使特定頻段內(nei) 的噪聲增加，出現具有與(yu) 直流故障電弧類似的特性。光伏模塊出現遮擋和短路同樣會(hui) 造成電流值的突變，會(hui) 幹擾電弧特性的檢測。如果檢測算法的魯棒性不強，這些幹擾因素就會(hui) 引起誤判斷，進而導致光伏係統的大規模停運，造成不可估量的經濟損失。

從(cong) 另一方麵來看，如果檢測算法限定判斷條件過多，就會(hui) 造成電弧故障的漏判，其結果同樣會(hui) 帶來損失，更有甚者會(hui) 造成人員傷(shang) 亡事故。針對單一時域和頻域特征進行檢測存在檢出率低的缺點。基於(yu) 以上原因，本文提出的檢測算法兼顧了電弧的時域和頻域特性，使用時域和頻域的多重判據進行診斷，有助於(yu) 彌補判據閾值精度上麵的不足。如果時域和頻域兩(liang) 情況下均判定為(wei) 故障，即判斷電弧故障，就避免了單一特性診斷出現的誤判和漏判。

由上述分析可知，用於(yu) 電弧檢測的電弧電流特性確定為(wei) 時域和頻域兩(liang) 個(ge) 特性，通過多組實驗，最終確定的閾值範圍見表2。當檢測值均超過兩(liang) 者特性所設定的閾值時，即判定為(wei) 產(chan) 生電弧故障。

為(wei) 了驗證該方法確定的特性與(yu) 閾值的可靠性，本實驗又使用兩(liang) 組補充實驗數據對上述時域和頻域特性與(yu) 閾值進行了離線驗證。實驗結果表明，基於(yu) 上述方法劃定的閾值可以區分電弧電流與(yu) 正常電流。

結論

本文針對光伏係統直流側(ce) 故障電弧檢測問題。首先，建立了光伏係統電弧故障模型，通過仿真實驗說明本文故障電弧特征選取的可能性；其次，提過實驗平台采集大量數據進行時域和頻域分析；最後，利用閾值選擇，提出了基於(yu) 時域和頻域的方法來綜合判斷是否發生故障。

同時，本文也考慮到了光伏係統環境噪聲以及逆變器對故障電弧檢測的影響，並通過仿真和實驗說明本算法具有良好的抗幹擾性，為(wei) 研究光伏係統直流電弧故障檢測裝置提供了切實可行的理論依據。