一种基于直流电弧检测的光伏关断系统及方法与流程

本发明涉及光伏控制，尤其是一种基于直流电弧检测的光伏关断系统及方法。

背景技术：

1、随着石油资源的枯竭，社会对清洁能源的需求日益强烈，在此背景下，光伏发电技术以其清洁、高效和经济的优势迅猛发展，太阳能光伏产业规模也不断扩大。然而，大规模铺设的光伏组件，其串联开路电压能达到800v以上，存在极大的安全隐患，例如因光伏组件线路由于老化、松动、破损等，可能会因突然的间隙产生难以消除的直流电弧，造成火灾等安全问题。为此，需要一种具有检测直流电弧故障和快速关断能力的光伏系统，在紧急情况下，可以迅速关断光伏组件中串联的每个光伏单元，帮助减小人员触电、火灾等安全风险，提高光伏发电系统的安全性和稳定性。

2、目前常见的光伏关断系统，为了实现光伏组件稳定运行以及在关键时刻紧急关断的目的，其执行策略一般为：光伏监控器通过直流载波通讯，定时向光伏组件中连接在电力线上的所有关断器发送一个脉冲信号，若能持续接收脉冲信号，则保持组件正常工作状态，当某种原因监控器停止发送脉冲信号，所有关断器立即执行线路关断操作，组件变为关断状态，实现光伏组件快速关断，降低串联开路电压，提高光伏组件安全性的目的。

3、但上述通过直流电力线载波通讯技术发射心跳进行关断控制的方法并不能满足对系统状态和组件健康状况的实时监测需求，当光伏组件出现故障导致主线路切断时，关断器为保证自身安全切断输出，此时直流电力载波通讯断开，用户只知道光伏系统处于关断状态，并不能直观了解是哪个组件故障或者已经发生危险。综合考虑，直流电力线载波通讯技术在光伏关断系统中的确实满足了光伏关断的通讯需求，但其不足之处也是显而易见的：缺少光伏系统故障后光伏组件级状态获取能力，以及光伏系统故障的原因；在光伏系统出现故障断开后，对光伏系统失去监控能力，并不能精准定位故障组件与故障原因，需要大量人力手动查找，浪费大量时间人力和金钱。

4、现有的光伏关断系统常在光伏逆变器与汇流箱内进行直流电弧检测。光伏逆变器内通过监测逆变器直流侧的电压、电流和功率波形变化来检测电弧故障；在汇流箱处检测可以集中监控多个光伏组件的电流，但可能无法精确定位电弧发生的特定组件，无法快速检测和切断故障电弧，检测系统可能会受到逆变器开关噪声等因素的影响，导致误报或漏报。

5、综上所述，现有光伏关断系统中的直流电力线载波通讯技术缺乏快速故障检测能力和故障应急能力，无法精确定位故障类型与组件。

技术实现思路

1、本发明解决了现有光伏关断系统缺乏快速故障检测能力和故障应急能力的问题，提出一种基于直流电弧检测的光伏关断系统及方法，基于双向无线通信实现光伏系统故障后的监控与安全处理。

2、为实现上述目的，提出以下技术方案：

3、一种基于直流电弧检测的光伏关断系统，包括若干串联在光伏主线路上的直流电弧检测关断器，所述直流电弧检测关断器与光伏协调器双向通信连接，所述光伏协调器设置在并网逆变器前端，所述光伏协调器与光伏主线路并联，所述光伏协调器与云服务器进行数据交换，所述直流电弧检测关断器获取光伏组件的状态信息并对状态信息进行检测，所述光伏协调器获取状态信息和检测结果并发送通断命令到直流电弧检测关断器；当所述直流电弧检测关断器的检测结果为异常或接收到关断命令时，关断光伏组件。

4、本发明通过直流电弧检测关断器内置的故障检测与故障诊断技术，将可能发生的故障与已发生的故障信息发送给光伏协调器，使得光伏协调器不仅可以实时监控各个组件的发电状态，还可以精确定位故障位置与类型，解决了光伏阵列通常排布密集，以及光伏线路故障后未及时发现故障原因时排查成本非常高的问题，大大提高了光伏组件的运行安全性和维护效率。

5、作为优选，所述直流电弧检测关断器与光伏协调器通过zigbee通信模块进行双向通信，对于不同光伏线路上的zigbee节点，进行交叉频道网络通信。

6、本发明的所述光伏协调器与直流电弧检测关断器通过zigbee通信模块进行双向通信，本发明的zigbee通信模块基于无线通信技术，光伏主线路在发生故障断开后，仍保持系统的稳定通信；所述的通信技术基于zigbee无线通信方式，对于不同光伏线路上的zigbee节点，使用交叉频道网络进行通信，预防频道消息堵塞或网络掉线，实现了整个光伏系统的实时通信与故障预防。所述直流电弧检测关断器使用拨码器设定zigbee初始通讯地址，并通过不同频道交叉连接至zigbee网络，对于同一条线路上的直流电弧检测关断器，使用不同频道网络传输数据，避免出现消息堵塞以及网络故障。

7、作为优选，所述直流电弧检测关断器包括mcu主控模块，所述mcu主控模块内置直流电弧检测模块和zigbee通信模块，所述mcu主控模块电连接有可控开关模块和采样模块，所述mcu主控模块与光伏组件之间电连接有直流稳压模块。

8、作为优选，所述采样模块包括电压/电流采样模块和温湿度/噪声检测传感器。

9、直流电弧检测关断器包括mcu主控模块、直流稳压模块、电压电流采样模块、温湿度检测传感器、zigbee通信模块、可控开关模块、噪声检测传感器、基于多特征频谱分析法的光伏组件端直流电弧检测模块；所述光伏组件与mcu主控模块之间电连接有直流稳压模块，直流稳压模块负责将光伏组件输入的直流电压转换为稳定的输出直流电压；zigbee通信模块实现节点与光伏协调器的通信，基于多特征频谱分析法的光伏组件端直流电弧检测模块负责对电压/电流采样模块、温湿度检测传感器和噪声检测传感器检测的数据进行边缘计算与故障诊断，并将数据通过zigbee通信模块发送至光伏协调器。

10、所述mcu主控模块通过双路逻辑控制可控开关模块的通断，一路逻辑来自通信模块的命令，一路逻辑来自采样模块数据经过直流电弧检测模块故障诊断机制处理后的命令，两路逻辑控制可控开关是否断开；

11、作为优选，所述zigbee通信模块电连接有功率放大模块。

12、本发明的所述zigbee通信模块电连接有对信号进行放大的功率放大模块，所述直流电弧检测关断器利用zigbee通信模块经功率放大模块与光伏协调器进行通信，实现数据上传和命令接收。

13、作为优选，所述光伏协调器包括主控协调模块，所述主控协调模块内置计算单元和电弧检测模块，在计算单元内所述电弧检测模块对光伏组件进行故障诊断。

14、作为优选，所述光伏协调器通过4g通信模块与云服务器进行数据交换。

15、所述光伏协调器包括主控协调模块、zigbee通信模块、电弧检测模块、计算单元以及4g通信模块；电弧检测单元采集主线路上的带有电弧参数的电压电流数据，计算单元基于多特征频谱分析法识别电弧故障，实现光伏线路直流电弧故障检测。光伏协调器同样内置主路电弧检测功能。所述主控协调模块对zigbee网络上传的数据进行汇总分析，并通过4g模块上传至云服务器备份所述电弧检测模块负责检测光伏主线路电压电流以及直流电弧发生产生的噪声数据，在计算单元内，通过采集的多个特征的数据，计算电弧参数时域频域熵特征，基于多特征频谱分析法识别电弧故障；所述故障诊断机制包括光伏组件输入过压欠压故障、输入过流短路故障、直流电弧故障、温湿度异常故障，通过电压电流采样模块、温湿度传感器和噪声传感器装置采集数据进行故障诊断。

16、一种基于直流电弧检测的光伏关断方法，采用上述的一种基于直流电弧检测的光伏关断系统，包括以下步骤：

17、s1，光伏协调器广播初始化指令，直流电弧检测关断器开始上报采样数据；

18、s2，光伏协调器判断各节点是否正常运行，若是，进行s3，若否，进行s7；

19、s3，进入协调状态，光伏协调器定时发送心跳包到各节点的直流电弧检测关断器；

20、s4，各节点的直流电弧检测关断器进行数据采样和故障诊断；

21、s5，判断是否存在故障，若是，关断光伏组件并上传节点故障类型，再进行s7；若否，光伏协调器接收采样数据更新协调状态；

22、s6，光伏协调器判断是否存在报警节点，若是，进行s7，若否，返回s3；

23、s7，协调器报警故障类型和节点编号等待处理，并将数据上传至云服务器备份。

24、本方法原理细分为光伏协调器的工作流程、直流电弧检测关断器的工作流程和直流电弧检测模块的工作流程，其中：

25、光伏协调器的工作流程为：

26、步骤101：启动光伏协调器和初始化zigbee网络以及连接云服务器；

27、步骤102：协调器广播节点初始化指令，等待节点上传数据，若节点非正常工作，接收报警信息并处理；若节点正常工作，进入协调状态，定时下发心跳包；

28、步骤103：正常工作下，接收数据以及上传云服务器数据备份，同时监听远程指令；若接收数据存在问题，报警故障类型与节点编号；若数据无异常，则正常工作；

29、步骤104：协调器采集光伏主线路数据，进行电弧检测故障诊断，如无故障，则上传主线路数据；若有故障，则上传故障，并切断主电路；

30、直流电弧检测关断器的工作流程为：

31、步骤201：上电后进行程序初始化，检测芯片初始化，采集光伏组件数据，进行故障诊断，等待协调器发送初始命令后，上传节点状态；

32、步骤202：接收心跳包后，连通光伏组件至光伏主线路，自检后上传数据，定时监听心跳包；所述步骤202中，若超时未接收心跳包，断开光伏组件连接，继续上传数据。

33、如图4所示，所述直流电弧检测模块的工作流程为：

34、上电后进行检测芯片初始化，常态采集光伏组件输入电压、输出电压、电流、温湿度、噪声数据，瞬态开关切换时电压突变与电流突变，基于多特征频谱分析法提取直流电弧参数特征，进行直流电弧检测故障诊断，如无故障，则上传主线路电压电流数据；若有故障，则上传故障，并切断主电路。

35、作为优选，所述直流电弧检测关断器判断是否存在故障的过程具体包括以下步骤：

36、步骤1，直流电弧检测关断器采集电压电流数据及温湿度数据；

37、步骤2，直流电弧检测关断器根据自身采集到的电压电流数据及温湿度数据进行工作状态识别；

38、步骤3，根据不同工作状态输出对应的数据类型。

39、作为优选，所述工作状态包括正常状态，预警状态和故障状态，通过采集的数据与预定参数的差值进行区分，当处于正常状态时发送光伏组件发电效率与累计发电量；当处于预警状态时，发送数据和预警类型；当处于故障状态时，直流电弧检测关断器断开输出，发送数据和故障类型。

40、所述直流电弧检测关断器判断是否存在故障的过程具体包括以下步骤：

41、步骤1，采样模块将采集的电压电流数据、温湿度数据传给直流电弧检测模块；

42、步骤2，直流电弧检测模块计算光伏组件的发电效率与累计发电量，将电压电流温湿度参数与预定参数进行对比，是否存在过压、欠压、过流、过温、过湿，判断光伏关断器工作状态，如正常、预警、故障；

43、步骤3，直流电弧检测关断器工作状态处于正常状态时，通过zigbee通信模块向光伏协调器发送光伏组件发电效率与累计发电量；直流电弧检测关断器工作状态处于预警状态时，发送数据和预警类型；直流电弧检测关断器工作状态处于故障状态时，可控开关模块断开输出，发送数据和故障类型。

44、本发明的有益效果是：

45、1、本发明通过在各个光伏组件上设置直流电弧检测关断器，采集光伏组件实时数据后通过无线通信zigbee发送至汇流后的光伏协调器，数据包括组件的发电功率、累计发电量、运行状态等，并将数据存至云服务器备份和远程监控与决策。

46、2、本发明通过直流电弧检测关断器内置的故障检测与故障诊断技术，将可能发生的故障与已发生的故障信息发送给光伏协调器，使得光伏协调器不仅可以实时监控各个组件的发电状态，还可以精确定位故障位置与类型，解决了光伏阵列通常排布密集，以及光伏线路故障后未及时发现故障原因时排查成本非常高的问题，大大提高了光伏组件的运行安全性和维护效率。

47、3、本发明通过光伏协调器和直流电弧检测关断器内置的直流电弧检测模块，检测光伏主线路电弧特征数据，基于多特征频谱分析法识别电弧故障，实现光伏主线路的直流电弧安全预防。