本發(fā)明屬于光伏電氣故障檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過局部均值分解獲取某一階電流信號乘積函數(shù)，通過二次型時頻分布獲取電流信號的多個頻率分量，由實時極差法處理多個特征值得到相應(yīng)的實時極差值，輸入至極限學(xué)習(xí)機進行故障電弧識別，由此實現(xiàn)多負載工況下光伏系統(tǒng)故障電弧的準(zhǔn)確檢測。

背景技術(shù)：

隨著能源緊缺問題的日益嚴(yán)峻和可持續(xù)發(fā)展理念的提出，光伏發(fā)電這一新型環(huán)保的可再生能源在居民用電和工業(yè)領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用。然而，歐美等地區(qū)陸續(xù)發(fā)生多起由故障電弧引起的光伏系統(tǒng)火災(zāi)事件。伴隨著光伏電站投入運行年限的增加，絕緣的老化、電纜的破裂、光伏模塊(接線端子、連接匯流盒)松動都有可能引發(fā)故障電弧。故障電弧發(fā)生后，會不斷吸收光伏系統(tǒng)輸出的電能而產(chǎn)生高溫特性，將臨近的電纜、電器設(shè)備以及匯流箱燒毀，引發(fā)火災(zāi)。目前，實際負載需求不斷提升光伏電壓等級，相應(yīng)地光伏系統(tǒng)故障電弧也更容易發(fā)生，嚴(yán)重威脅周圍環(huán)境中的生命財產(chǎn)安全。目前的熔斷器、斷路器等交流保護裝置只能對過流、短路等情況進行防護，而對光伏直流側(cè)發(fā)生的故障電弧防護無能為力。交流故障檢測裝置的失效和光伏系統(tǒng)的大量應(yīng)用令光伏系統(tǒng)故障電弧的針對性檢測、隔離問題日益突出，因此，研究光伏系統(tǒng)故障電弧針對性監(jiān)測和保護技術(shù)是保障光伏系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提之一。

現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法往往僅適用于電阻或逆變器之一的單一光伏負載類型，無法保障適用于離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的故障電弧檢測算法亦適用于并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)。當(dāng)不變更檢測算法框架而直接將電阻負載工況下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法運用于逆變器負載工況時，由于并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)內(nèi)的逆變器會產(chǎn)生電阻性負載不具有的電力電子裝置噪聲干擾，可能會造成某些故障電弧工況的拒動問題而引發(fā)不必要的光伏系統(tǒng)火災(zāi)事故。即便尋求到了全部光伏系統(tǒng)負載工況下的故障電弧共同特征，不同逆變器負載形式也會產(chǎn)生不同的電力電子裝置干擾影響，相應(yīng)的閾值設(shè)定過程也需進行靜態(tài)變更以適應(yīng)多負載工況電流信號的不同特征，這一合適閾值設(shè)定范圍的調(diào)試確認過程也過于繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法適用范圍狹窄、僅能適用于單一的光伏系統(tǒng)負載、直接移植便可能造成光伏系統(tǒng)故障電弧拒動的問題，提供了一種混合二次型時頻分布特征和自適應(yīng)乘積函數(shù)分析的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

1)按照設(shè)定的時間段ts對電流信號進行采樣，然后進行小波去噪處理，轉(zhuǎn)至步驟2)；

2)通過局部均值分解獲得電流信號的多個乘積函數(shù)，選取能指示故障電弧發(fā)生時刻的某一階乘積函數(shù)，作為判斷故障電弧的一組判斷依據(jù)(即特征值si，i表示當(dāng)前時間段的計數(shù)值)，對所述電流信號進行二次型時頻分布分析，選取多個能反映故障電弧特征的頻率分量對應(yīng)的幅值，作為另一組判斷依據(jù)(即特征量fji，j＝1,2…n，n表示選取的頻率分量個數(shù)，n>1)，轉(zhuǎn)至步驟3)；

3)通過實時極差法處理兩組特征值得到相應(yīng)的實時極差值，作為極限學(xué)習(xí)機的輸入，轉(zhuǎn)至步驟4)；

4)通過識別當(dāng)前時間段下的光伏系統(tǒng)狀態(tài)，極限學(xué)習(xí)機輸出相應(yīng)的值：判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)存在故障電弧時，極限學(xué)習(xí)機輸出1；判斷光伏系統(tǒng)正常運行時，極限學(xué)習(xí)機輸出0，轉(zhuǎn)至步驟5)；

5)判斷故障電弧信號的累積識別結(jié)果是否達到切斷觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，若滿足切斷觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，判定當(dāng)前時間段內(nèi)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障電弧，發(fā)出切斷故障電弧支路信號；若不滿足切斷觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，判定當(dāng)前時間段內(nèi)光伏系統(tǒng)正常運行，返回步驟1)對下一時間段的電流信號進行分析。

采用局部均值分解對電流信號進行分析時，獲得電流信號上包絡(luò)函數(shù)、下包絡(luò)函數(shù)的方法為對電流信號的局部極大值點、局部極小值點進行三次樣條插值；獲得電流的純調(diào)頻信號的迭代次數(shù)設(shè)定原則為：當(dāng)

1-δe≤a1(r+1)(t)≤1+δe(1)

時終止迭代過程，其中，ɑ1(r+1)(t)為第r+1次迭代的包絡(luò)估計函數(shù)，δe的取值范圍為0.001～0.01。

選取作為故障電弧檢測特征量的乘積函數(shù)的原則為：能以尖峰形式準(zhǔn)確指示故障電弧發(fā)生的時間段，且以幅值劇烈波動形式顯示故障電弧燃燒階段與系統(tǒng)正常運行階段的差異；所述能指示故障電弧發(fā)生時刻的某一階乘積函數(shù)優(yōu)先選取電流信號局部均值分解獲得的第一階乘積函數(shù)。

所述二次型時頻分布可選用崔-威廉姆斯分布、趙-阿特拉斯-馬克思分布、維格納-威利分布、偽維格納-威利分布或玻恩-約爾丹分布，基于減小信號在時頻域內(nèi)各分量間混疊程度、提升信號時頻分辨率的原則，二次型時頻分布優(yōu)選為崔-威廉姆斯分布。

基于在時頻域內(nèi)最大程度地分離故障電弧態(tài)與正常運行態(tài)之間區(qū)別特征的原則確定崔-威廉姆斯分布的各項參數(shù)：崔-威廉姆斯分布的時窗類型優(yōu)選為hamming窗，時窗長度的取值范圍為10～20，頻窗類型優(yōu)選為hamming窗，頻窗長度的取值范圍為25～35。

使用崔-威廉姆斯分布對電流信號進行分析后的時頻分布關(guān)于平面f＝fs/4對稱，其中，fs為電流信號的采樣頻率，取值范圍為200～350khz，優(yōu)選為200khz，所述頻率分量在40～60khz內(nèi)選取，頻率分量選取個數(shù)n依據(jù)可靠快速指示故障電弧時頻特征而定，取值范圍為3～6個，優(yōu)選為3個，且f1i對應(yīng)49khz、f2i對應(yīng)50khz、f3i對應(yīng)51khz。

為更準(zhǔn)確獲取故障電弧發(fā)生的分析時間段并增大故障電弧發(fā)生前后特征值的差異，通過局部均值分解和二次型時頻分布分析后得到的多個特征值采取下述實時極差法進行處理：

其中，si表示當(dāng)前時間段下對局部均值分解獲得電流信號的乘積函數(shù)的選取結(jié)果，即特征量s在當(dāng)前時間段的值，表示相應(yīng)的實時極差值；m表示從電流信號分析開始的第一個時間段至當(dāng)前時間段的時間段個數(shù)；fji表示當(dāng)前時間段下在二次型時頻分布分析后選取的第j個頻率分量下的幅值，即特征量fj在當(dāng)前時間段的值，表示相應(yīng)的實時極差值，時間段ts的取值范圍為5～10ms，優(yōu)選為5ms。

使用極限學(xué)習(xí)機進行故障電弧識別時，隱層節(jié)點個數(shù)的取值范圍為8～10，隱層的激活函數(shù)優(yōu)選為sigmoid型函數(shù)，所述的極限學(xué)習(xí)機已經(jīng)完成學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練過程，極限學(xué)習(xí)機所需學(xué)習(xí)樣本容量的取值范圍為6500～7500組，結(jié)束學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練過程需達到的精度取值范圍為0.97～1，所述學(xué)習(xí)樣本是指分別對不同工況發(fā)生故障電弧前后的電流信號進行實時采樣，并按照步驟2)～3)得到的實時極差值及對應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)0/1標(biāo)記組成。

所述步驟5)具體包括以下步驟：對連續(xù)q個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出值進行求和，若求和結(jié)果大于等于觸發(fā)閾值，則判定光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障電弧；若求和結(jié)果小于觸發(fā)閾值，則判定光伏系統(tǒng)正常運行，所述觸發(fā)閾值依據(jù)故障電弧判斷的準(zhǔn)確性和切斷信號輸出的及時性而定，取值范圍為q的取值范圍為5～10，優(yōu)選為10。

所述光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法適用于電動汽車供電系統(tǒng)、直流數(shù)據(jù)中心、直流微電網(wǎng)等直流系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧識別，即通過變更學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)直流系統(tǒng)內(nèi)故障電弧特征的快速學(xué)習(xí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)該方法適用范圍較廣，通過極限學(xué)習(xí)機掌握了光伏系統(tǒng)故障電弧的統(tǒng)計規(guī)律及核心特征，拓寬了光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法的適用范圍，使得相應(yīng)的檢測算法不僅適用于以電阻或dc-dc變換器為負載的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)，還適用于以三相/單相逆變器、三相/單相多級逆變器為負載的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)，避免了直流故障電弧檢測裝置在某些光伏系統(tǒng)負載工況下產(chǎn)生的拒動問題，有效提升了光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的快速性和可靠性，避免了這些工況下故障電弧所造成的生命財產(chǎn)損失；

2)該方法正確檢出故障電弧準(zhǔn)確率較高，對多負載工況下的光伏系統(tǒng)故障電弧判斷準(zhǔn)確率可達99％以上；

3)該方法切除故障電弧支路速度較快，在確保故障電弧檢出可靠性的前提下，連續(xù)十周期的故障電弧判斷標(biāo)準(zhǔn)能在0.05s內(nèi)判斷出故障電弧并發(fā)出切斷相應(yīng)支路的控制信號，判斷時長遠小于現(xiàn)行美標(biāo)ul1699b所規(guī)定的2s標(biāo)準(zhǔn)；

4)該方法抗干擾性能強，不需要變更光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法框架、閾值設(shè)定過程等環(huán)節(jié)便能應(yīng)用于多類光伏系統(tǒng)，還能避免不同并網(wǎng)光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的開關(guān)噪聲干擾；

5)該方法具有與目前的交、直流故障電弧檢測算法一樣的輸入輸出接口，即以系統(tǒng)電流信號為輸入進行分析、以故障電弧指示信號輸出用以斷開故障電弧支路，這種檢測算法框架符合現(xiàn)有多數(shù)用以檢測直流故障電弧裝置的硬件架構(gòu)；

6)該方法提供的故障電弧檢測方法具有較強的可擴展性，所選取的極限學(xué)習(xí)機學(xué)習(xí)速度極快、準(zhǔn)確率較高，對于新的直流系統(tǒng)環(huán)境，只需采樣相應(yīng)新直流系統(tǒng)中的故障電弧樣本對極限學(xué)習(xí)機進行訓(xùn)練，便能很好地應(yīng)用到其他直流系統(tǒng)環(huán)境，如直流微電網(wǎng)、電動汽車供電系統(tǒng)、直流數(shù)據(jù)中心等直流系統(tǒng)中。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法原理框架圖；

圖1b為本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法極限學(xué)習(xí)機訓(xùn)練流程圖；

圖1c為本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法流程圖；

圖2a為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的以電阻為負載的電流信號；

圖2b為應(yīng)用崔-威廉姆斯分布進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖2c為應(yīng)用局部均值分解進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖2d為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的系統(tǒng)狀態(tài)判斷輸出信號；

圖2e為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于以電阻為負載的特定光伏系統(tǒng)應(yīng)用硬件實現(xiàn)時的原理框圖；

圖3a為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的以三相逆變器為負載的電流信號；

圖3b為應(yīng)用崔-威廉姆斯分布進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖3c為應(yīng)用局部均值分解進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖3d為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的系統(tǒng)狀態(tài)判斷輸出信號；

圖3e為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于以三相逆變器為負載的特定光伏系統(tǒng)應(yīng)用硬件實現(xiàn)時的原理框圖；

圖4a為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的以三相多級逆變器為負載的電流信號；

圖4b為應(yīng)用崔-威廉姆斯分布進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖4c為應(yīng)用局部均值分解進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖4d為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的系統(tǒng)狀態(tài)判斷輸出信號；

圖4e為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于以三相多級逆變器為負載的特定光伏系統(tǒng)應(yīng)用硬件實現(xiàn)時的原理框圖；

圖5a為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的以單相多級逆變器為負載的電流信號；

圖5b為應(yīng)用崔-威廉姆斯分布進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖5c為應(yīng)用局部均值分解進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的實時極差值波形；

圖5d為應(yīng)用本發(fā)明進行光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的系統(tǒng)狀態(tài)判斷輸出信號；

圖5e為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于以單相多級逆變器為負載的特定光伏系統(tǒng)應(yīng)用硬件實現(xiàn)時的原理框圖；

圖中：1、光伏系統(tǒng)；2、電流信號采樣裝置；3、直流故障電弧檢測裝置；4、斷路器；5、電阻器；6、光伏模塊；7、三相逆變器；8、交流電網(wǎng)；9、dc-dc轉(zhuǎn)換器；10、單相逆變器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

依據(jù)圖1a說明本發(fā)明所述光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法框架，首先分別對不同工況發(fā)生故障電弧前后的電流信號進行實時采樣，基于多特征量對采樣信號提取對應(yīng)特征值，經(jīng)實時極差法處理、結(jié)合當(dāng)前光伏系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志作為極限學(xué)習(xí)機的訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本，將學(xué)習(xí)樣本輸入極限學(xué)習(xí)機中對其進行訓(xùn)練，而后訓(xùn)練好的極限學(xué)習(xí)機便可混合多個故障電弧特征并對輸入的時間段給出正確的狀態(tài)判斷結(jié)果。

實際分析光伏系統(tǒng)內(nèi)是否發(fā)生故障電弧時，只需將待識別的電流信號按規(guī)定的時間段進行采集，計算得到多個實時極差值，輸入至訓(xùn)練好的極限學(xué)習(xí)機中進行辨識即可。極限學(xué)習(xí)機判定光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障電弧時輸出1，判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)正常運行時輸出0。對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果是否大于觸發(fā)閾值給出最終的故障電弧切除信號。若大于等于觸發(fā)閾值，確認故障電弧的發(fā)生，檢測系統(tǒng)發(fā)出切斷故障電弧支路信號；若小于觸發(fā)閾值，確認光伏系統(tǒng)并未發(fā)生故障電弧，這也說明前述9個時間段持續(xù)輸出0的必要性，到第10個時間段確認光伏系統(tǒng)正常運行而繼續(xù)進行下一時間段的檢測。

參見圖1b，極限學(xué)習(xí)機為加權(quán)型智能學(xué)習(xí)方法，必須在通過樣本學(xué)習(xí)后才能掌握特征層所反映的光伏系統(tǒng)故障電弧統(tǒng)計規(guī)律及核心特征，之后才能用于光伏系統(tǒng)故障電弧的辨識。訓(xùn)練極限學(xué)習(xí)機的過程為：第一步、對電流信號進行采集，并做小波去噪處理；第二步、進行局部均值分解和二次型時頻分布分析，提取當(dāng)前分析時間段內(nèi)的多特征值；第三步、基于實時極差法及所得的多特征值計算以獲得多實時極差值，對當(dāng)前光伏系統(tǒng)狀態(tài)進行0/1標(biāo)識；第四步、設(shè)定極限學(xué)習(xí)機合適的隱層節(jié)點個數(shù)和隱層激活函數(shù)，具體方式依據(jù)迭代過程實現(xiàn)，若學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練結(jié)果不滿足精度要求則返回第四步，重新調(diào)整隱層節(jié)點個數(shù)和隱層激活函數(shù)，直至學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練結(jié)果滿足精度要求。

結(jié)合圖1c，對本發(fā)明所述的混合二次型時頻分布特征和自適應(yīng)乘積函數(shù)分析的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法的步驟進行具體說明。

步驟一、初始化過程包括清零極限學(xué)習(xí)機輸出求和結(jié)果變量m，設(shè)定電流信號采樣裝置對電流信號的采樣頻率fs、分析時間段ts、故障電弧觸發(fā)閾值m1、局部均值分解及二次型時頻分布兩種分析工具內(nèi)的各項參數(shù)等。

以設(shè)定的時間段ts對電流信號進行采樣，并對分析時段內(nèi)的電流信號進行小波去噪處理。綜合考慮既要使得時間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)點足夠多，以精確反映故障電弧發(fā)生前后的差異特征，又要能快速實現(xiàn)局部均值分解和二次型時頻分布分析，以滿足快速檢測故障電弧的時間要求，這里選定ts＝5ms。信號的采樣頻率決定了時頻域中具有準(zhǔn)確幅值的頻率上限，若關(guān)注的故障電弧特征頻段集中于100khz以下，采樣頻率越高的情況下，所關(guān)注頻段對故障電弧的檢測效果越好。然而，過高的采樣頻率對電流信號采樣裝置的要求過高，提升了整套光伏故障電弧檢測系統(tǒng)的硬件成本。因此，這里的電流信號采樣頻率fs取為200khz。

步驟二、采用局部均值分解的方法對電流信號進行分析，通過對電流信號的局部極大值點、局部極小值點進行三次樣條插值獲得電流信號的上包絡(luò)函數(shù)、下包絡(luò)函數(shù)，通過公式(1)設(shè)定的迭代原則獲取電流的純調(diào)頻信號，得到多個乘積函數(shù)，而第一階乘積函數(shù)在故障電弧發(fā)生前幅值平穩(wěn)、在故障電弧發(fā)生時刻出現(xiàn)尖峰、在故障電弧燃燒階段波動明顯，故而第一階乘積函數(shù)能夠準(zhǔn)確指示故障電弧的發(fā)生并且反映電弧燃燒階段的差異性特征，選定為第一組特征量。設(shè)定崔-威廉姆斯分布的時窗、頻窗類型均為hamming窗，對電流信號進行崔-威廉姆斯分布分析后，得到電流信號的三維時頻分布，電流幅值關(guān)于平面f＝50khz對稱分布，其中40khz～60khz的電流幅值在電流正常時幅值平穩(wěn)、在故障電弧發(fā)生時刻出現(xiàn)尖峰、在故障電弧產(chǎn)生后幅值出現(xiàn)明顯波動，能有效指示故障電弧發(fā)生，基于準(zhǔn)確反映故障電弧發(fā)生的特征并盡可能地減少計算量的原則，這里選取最能反映故障電弧特征的三個頻率分量49khz、50khz和51khz對應(yīng)的幅值，作為第二組特征量。

步驟三、通過實時極差法，按照公式(2)、公式(3)對計算所得的四個特征值進行處理，獲得用于故障電弧判斷的實時極差值，作為極限學(xué)習(xí)機的輸入。其中，四個特征值分別為在當(dāng)前時間段內(nèi)由局部均值分解得到的乘積函數(shù)對應(yīng)特征值si，以及由二次型時頻分布分析得到49khz的幅值對應(yīng)特征值f1i、50khz的幅值對應(yīng)特征值f2i、51khz的幅值對應(yīng)特征值f3i。使用實時極差法的好處在于：不僅可以準(zhǔn)確指示故障電弧的發(fā)生時刻，還可以突出故障電弧發(fā)生前后電流特征量的差別，便于極限學(xué)習(xí)機的學(xué)習(xí)和識別。

步驟四、通過極限學(xué)習(xí)機的輸出值來判斷光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)。極限學(xué)習(xí)機輸出0代表該時間段內(nèi)光伏系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，輸出1代表該時間段內(nèi)光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧。

步驟五、判斷故障電弧累積識別結(jié)果是否達到觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，以確認故障電弧的發(fā)生，如果達到觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)出切斷故障電弧支路信號；如果未達到觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，則進入下一時間段的檢測。這里的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為：對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果m是否大于觸發(fā)閾值m1，只有在求和結(jié)果大于等于觸發(fā)閾值，才確認光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧，方才給相應(yīng)的動作裝置發(fā)出切斷故障電弧支路信號，否則返回至步驟一進行下一時間段的檢測。此設(shè)計既避免了偶然因素引起直流故障電弧檢測裝置的誤動作，又保證了發(fā)出故障電弧支路切斷信號的快速性。

結(jié)合圖2a～2d，闡述應(yīng)用本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法于以電阻為負載的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的故障電弧辨識效果，結(jié)合圖2e，闡述本發(fā)明方法硬件實現(xiàn)應(yīng)用于實際光伏系統(tǒng)的過程。

如圖2a所示，以采樣頻率fs＝200khz獲取電流信號。在1.84s以前，電流信號處于正常態(tài)，此時光伏系統(tǒng)通過閉合線路供電給變阻器；1.84s后，電流信號處于故障態(tài)，此時因光伏系統(tǒng)總線發(fā)生串聯(lián)故障電弧而產(chǎn)生動態(tài)降低的故障電弧電流波形。通過崔-威廉姆斯分布對電流信號進行分析，得到電流信號的三維時頻分布，電流幅值關(guān)于平面f＝50khz對稱分布，其中，作為一組特征量的三個頻率分量49khz、50khz和51khz的幅值經(jīng)實時極差法處理后，如圖2b自上而下所示，在電流處于正常態(tài)時幅值平穩(wěn)維持于0左右，在故障電弧發(fā)生時刻出現(xiàn)尖峰脈沖并產(chǎn)生階躍式跳變，能夠快速指示故障電弧發(fā)生的分析時段，使得正常態(tài)最大值與在故障臺最小值產(chǎn)生顯著差異，能有效分離故障電弧與正常運行兩種狀態(tài)，故而這三個離散的頻率足以準(zhǔn)確反映故障電弧發(fā)生的頻率特征，可以規(guī)避多個頻率的連續(xù)頻段計算、加快檢測算法判出故障電弧的時間。通過局部均值分解的方法對所述電流信號進行分析，得到多個乘積函數(shù)，其中，作為另一組特征量的第一階乘積函數(shù)輸出值經(jīng)實時極差法處理后的波形如圖2c所示，在故障電弧發(fā)生前幅值平穩(wěn)，在故障電弧發(fā)生時刻出現(xiàn)大尖峰脈沖并產(chǎn)生階躍式跳變，這有利于故障電弧態(tài)與正常態(tài)的分離，在故障電弧燃燒階段尤其是后期形成波動明顯的幅值，故而第一階乘積函數(shù)能夠準(zhǔn)確指示故障電弧的發(fā)生并且反映電弧燃燒階段的差異性特征。將所得的四個實時極差值輸入至極限學(xué)習(xí)機判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)是否存在故障電弧。對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果大于觸發(fā)閾值(m1＝5)，在故障電弧發(fā)生后的0.05s內(nèi)檢測算法便確認光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧，給相應(yīng)的動作裝置發(fā)出切斷故障電弧支路信號。為驗證該檢測算法對故障電弧檢出的可靠性，在檢出故障電弧后檢測算法仍繼續(xù)以連續(xù)10個時間段加和結(jié)果判斷故障電弧有無發(fā)生。由圖2d所示的結(jié)果，檢測算法能對所有的故障態(tài)電流信號給出正確的高電平指示，因而該檢測算法對于阻性光伏系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧檢出率達100％。

目前現(xiàn)有的直流故障電弧檢測裝置主要有獨立型和集成型兩類，其中，獨立型直流故障電弧檢測裝置依據(jù)其檢測故障電弧范圍的不同可劃分為獨立安裝于匯流總線、獨立安裝于光伏串等，集成型直流故障電弧檢測裝置依據(jù)其檢測故障電弧范圍的不同可劃分為集成于負載、集成于光伏模塊等。由于本發(fā)明所選取的采樣信號為通用的系統(tǒng)回路電流信號，而檢測算法輸出信號也是通用的在故障電弧發(fā)生時切斷相應(yīng)故障電弧支路的動作信號，因而使用硬件實現(xiàn)本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧混合檢測方法可不變更現(xiàn)有的直流故障電弧檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)及其與光伏系統(tǒng)的連接形式。如圖2e所示，以獨立型直流故障電弧檢測裝置為例說明檢測硬件在光伏系統(tǒng)內(nèi)的動作過程。由光伏模塊6組成的光伏系統(tǒng)1輸出直流功率，經(jīng)電流信號采樣裝置2、斷路器4輸送到電阻器5。電流信號通過電流信號采樣裝置2輸入至直流故障電弧檢測裝置3進行上述故障電弧辨識過程，在正常運行時，直流故障電弧檢測裝置3輸出的低電平不動作斷路器4，光伏系統(tǒng)1向電阻器5穩(wěn)定提供電能，而故障電弧發(fā)生時，直流故障電弧檢測裝置3快速、準(zhǔn)確地輸出高電平控制信號動作斷路器4，切斷故障電弧供電電路以熄滅故障電弧，及時防止了故障電弧引起電氣火災(zāi)。

結(jié)合圖3a～3d，闡述應(yīng)用本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法于以三相逆變器為負載的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的故障電弧辨識效果，結(jié)合圖3e，闡述本發(fā)明方法硬件實現(xiàn)應(yīng)用于實際光伏系統(tǒng)的過程。

如圖3a所示，以采樣頻率fs＝200khz獲取電流信號。在0.93s以前，電流信號處于正常態(tài)，此時光伏系統(tǒng)通過閉合線路、三相逆變器將電能輸送至交流電網(wǎng)，這里受到光照環(huán)境不穩(wěn)定因素影響，電流信號存在小幅度的波動；0.93s后，電流信號處于故障態(tài)，此時因光伏系統(tǒng)總線發(fā)生串聯(lián)故障電弧而產(chǎn)生動態(tài)降低的故障電弧電流波形，而后較正常電流低的故障電弧電流得以維持；6s時逆變器算法調(diào)節(jié)之前較低水平的故障電弧電流波形，使之動態(tài)升高，而后較高的故障電流得以維持。通過崔-威廉姆斯分布對電流信號進行分析，得到作為一組特征量的三個頻率分量49khz、50khz和51khz的幅值經(jīng)實時極差法處理后，如圖3b自上而下所示。通過局部均值分解的方法對所述電流信號進行分析，得到作為另一組特征量的第一階乘積函數(shù)輸出值經(jīng)實時極差法處理后的波形如圖3c所示，由圖可見三相逆變器負載情況下，故障電弧燃燒階段從一開始便具有明顯波動的幅值，反映了故障電弧與正常運行狀態(tài)之間的差異性特征。將所得的四個實時極差值，輸入至極限學(xué)習(xí)機判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)是否存在故障電弧。對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果大于觸發(fā)閾值(m1＝5)，在故障電弧發(fā)生后的0.05s內(nèi)檢測算法便確認光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧，給相應(yīng)的動作裝置發(fā)出切斷故障電弧支路信號。為驗證該檢測算法對故障電弧檢出的可靠性，在檢出故障電弧后檢測算法仍繼續(xù)以連續(xù)10個時間段加和結(jié)果判斷故障電弧有無發(fā)生。由圖3d所示的結(jié)果，檢測算法面對正常電流信號小幅度波動能夠給出正確的低電平指示，對所有的故障態(tài)電流信號能夠給出正確的高電平指示，因而該檢測算法對于三相逆變器的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧檢出率達100％。

如圖3e所示，以獨立型直流故障電弧檢測裝置為例說明檢測硬件在光伏系統(tǒng)內(nèi)的動作過程。由光伏模塊6組成的光伏系統(tǒng)1輸出直流功率，經(jīng)電流信號采樣裝置2、斷路器4、三相逆變器7輸送到交流電網(wǎng)8。所述三相逆變器7輸出側(cè)與交流電網(wǎng)8采用三相三線制(a、b、c)或三相四線制(a、b、c、n)的連接形式。電流信號通過電流信號采樣裝置2輸入至直流故障電弧檢測裝置3進行上述故障電弧辨識過程，在正常運行時，直流故障電弧檢測裝置3輸出的低電平不動作斷路器4，光伏系統(tǒng)1經(jīng)三相逆變器7向交流電網(wǎng)8穩(wěn)定提供電能，而故障電弧發(fā)生時，直流故障電弧檢測裝置3快速、準(zhǔn)確地輸出高電平控制信號動作斷路器4，切斷故障電弧供電電路，三相逆變器停止工作，以熄滅故障電弧，及時防止了故障電弧引起電氣火災(zāi)。

結(jié)合圖4a～4d，闡述應(yīng)用本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法于以三相多級逆變器為負載的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的故障電弧辨識效果，結(jié)合圖4e，闡述本發(fā)明方法硬件實現(xiàn)應(yīng)用于實際光伏系統(tǒng)的過程。

如圖4a所示，以采樣頻率fs＝200khz獲取電流信號。在0.84s以前，電流信號處于正常態(tài)，此時光伏系統(tǒng)通過閉合線路、dc-dc轉(zhuǎn)換器、三相逆變器將電能輸送至交流電網(wǎng)；0.84s后，電流信號處于故障態(tài)，此時因光伏系統(tǒng)總線發(fā)生串聯(lián)故障電弧而產(chǎn)生動態(tài)降低的故障電弧電流波形，而后較正常電流低的故障電弧電流得以短暫時間的維持；1.84s時逆變器算法調(diào)節(jié)之前較低水平的故障電弧電流波形，使之動態(tài)升高，這一上升過程不同于圖3a所示波形，體現(xiàn)了不同開關(guān)裝置對宏觀電流波形影響的不一致性，而后較高的故障電流得以維持。通過崔-威廉姆斯分布對電流信號進行分析，得到作為一組特征量的三個頻率分量49khz、50khz和51khz的幅值經(jīng)實時極差法處理后，如圖4b自上而下所示。通過局部均值分解的方法對所述電流信號進行分析，得到作為另一組特征量的第一階乘積函數(shù)輸出值經(jīng)實時極差法處理后的波形如圖4c所示。對比圖4a和4b可以發(fā)現(xiàn)，逆變器開始進行故障電弧電流調(diào)節(jié)時，由二次型時頻分布得到的實時極差值呈現(xiàn)故障電弧狀態(tài)的最小幅值，與正常態(tài)幅值存在較大的重疊過程，但同一時刻由局部均值分解得到的實時極差值則能保持顯著差異的較大幅值水平，由此體現(xiàn)了只有使用多特征量才能應(yīng)對多種不同的負載工況，避免在某些潛在未考慮的故障電弧工況可能造成故障電弧誤判而拒動的問題，保證了故障電弧判斷結(jié)果的穩(wěn)定性。將所得的四個實時極差值，輸入至極限學(xué)習(xí)機判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)是否存在故障電弧。對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果大于觸發(fā)閾值(m1＝5)，在故障電弧發(fā)生后的0.05s內(nèi)檢測算法便確認光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧，給相應(yīng)的動作裝置發(fā)出切斷故障電弧支路信號。為驗證該檢測算法對故障電弧檢出的可靠性，在檢出故障電弧后檢測算法仍繼續(xù)以連續(xù)10個時間段加和結(jié)果判斷故障電弧有無發(fā)生。由圖4d所示的結(jié)果，檢測算法能對所有的故障態(tài)電流信號給出正確的高電平指示，因而該檢測算法對于三相多級逆變器的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧檢出率達100％。

如圖4e所示，以獨立型直流故障電弧檢測裝置為例說明檢測硬件在光伏系統(tǒng)內(nèi)的動作過程。由光伏模塊6組成的光伏系統(tǒng)1輸出直流功率，經(jīng)電流信號采樣裝置2、斷路器4、dc-dc轉(zhuǎn)換器9、三相逆變器7輸送到交流電網(wǎng)8。所述三相逆變器7輸出側(cè)與交流電網(wǎng)8采用三相三線制(a、b、c)或三相四線制(a、b、c、n)的連接形式。電流信號通過電流信號采樣裝置2輸入至直流故障電弧檢測裝置3進行上述故障電弧辨識過程，在正常運行時，直流故障電弧檢測裝置3輸出的低電平不動作斷路器4，光伏系統(tǒng)1經(jīng)dc-dc轉(zhuǎn)換器9、三相逆變器7向交流電網(wǎng)8穩(wěn)定提供電能，而故障電弧發(fā)生時，直流故障電弧檢測裝置3快速、準(zhǔn)確地輸出高電平控制信號動作斷路器4，切斷故障電弧供電電路，dc-dc轉(zhuǎn)換器9及三相逆變器7均停止工作，以熄滅故障電弧，及時防止了故障電弧引起電氣火災(zāi)。

結(jié)合圖5a～5d，闡述應(yīng)用本發(fā)明的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法于以單相多級逆變器為負載的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的故障電弧辨識效果，結(jié)合圖5e，闡述本發(fā)明方法硬件實現(xiàn)應(yīng)用于實際光伏系統(tǒng)的過程。

如圖5a所示，以采樣頻率fs＝200khz獲取電流信號。在2.42s以前，電流信號處于正常態(tài)，此時光伏系統(tǒng)通過閉合線路、dc-dc轉(zhuǎn)換器、單相逆變器將電能輸送至交流電網(wǎng)，這里受到光照環(huán)境不穩(wěn)定因素影響，電流信號存在漸變式上升、下降暫態(tài)變化；2.42s后，電流信號處于故障態(tài)，此時因光伏系統(tǒng)總線發(fā)生串聯(lián)故障電弧而產(chǎn)生動態(tài)降低的故障電弧電流波形，而后較正常電流低的故障電弧電流得以短暫時間的維持；3.1s時逆變器算法調(diào)節(jié)之前較低水平的故障電弧電流波形，使之動態(tài)升高，這一上升過程不同于圖3a所示波形，與圖4a所示波形類似，體現(xiàn)了不同開關(guān)裝置對宏觀電流波形影響的不一致性，而后較高的故障電流得以維持。通過崔-威廉姆斯分布對電流信號進行分析，得到作為一組特征量的三個頻率分量49khz、50khz和51khz的幅值經(jīng)實時極差法處理后，如圖5b自上而下所示。通過局部均值分解的方法對所述電流信號進行分析，得到作為另一組特征量的第一階乘積函數(shù)輸出值經(jīng)實時極差法處理后的波形如圖5c所示。因調(diào)節(jié)速度介于圖3e、圖4e所示逆變器之間，因而圖5a和圖5b與圖3a和圖3b的形態(tài)更為接近。將所得的四個實時極差值，輸入至極限學(xué)習(xí)機判斷光伏系統(tǒng)內(nèi)是否存在故障電弧。對連續(xù)10個時間段內(nèi)極限學(xué)習(xí)機的輸出結(jié)果進行求和，判斷求和結(jié)果大于觸發(fā)閾值(m1＝5)，在故障電弧發(fā)生后的0.05s內(nèi)檢測算法便確認光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了故障電弧，給相應(yīng)的動作裝置發(fā)出切斷故障電弧支路信號。為驗證該檢測算法對故障電弧檢出的可靠性，在檢出故障電弧后檢測算法仍繼續(xù)以連續(xù)10個時間段加和結(jié)果判斷故障電弧有無發(fā)生。由圖5d所示的結(jié)果，檢測算法面對正常電流信號漸變變化能夠給出正確的低電平指示，對所有的故障態(tài)電流信號能夠給出正確的高電平指示，因而該檢測算法對于單相多級逆變器的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧檢出率達100％。

如圖5e所示，以獨立型直流故障電弧檢測裝置為例說明檢測硬件在光伏系統(tǒng)內(nèi)的動作過程。由光伏模塊6組成的光伏系統(tǒng)1輸出直流功率，經(jīng)電流信號采樣裝置2、斷路器4、dc-dc轉(zhuǎn)換器9、單相逆變器10輸送到交流電網(wǎng)8。所述單相逆變器10輸出側(cè)與交流電網(wǎng)8采用單相接線形式。電流信號通過電流信號采樣裝置2輸入至直流故障電弧檢測裝置3進行上述故障電弧辨識過程，在正常運行時，直流故障電弧檢測裝置3輸出的低電平不動作斷路器4，光伏系統(tǒng)1經(jīng)dc-dc轉(zhuǎn)換器9、單相逆變器10向交流電網(wǎng)8穩(wěn)定提供電能，而故障電弧發(fā)生時，直流故障電弧檢測裝置3快速、準(zhǔn)確地輸出高電平控制信號動作斷路器4，切斷故障電弧供電電路，dc-dc轉(zhuǎn)換器9及單相逆變器10均停止工作，以熄滅故障電弧，及時防止了故障電弧引起電氣火災(zāi)。

本發(fā)明所提供的光伏故障電弧檢測方法通過加權(quán)型智能學(xué)習(xí)的方式掌握了光伏系統(tǒng)故障電弧的統(tǒng)計規(guī)律及核心特征，解決了交流故障電弧檢測方法無法適用于直流故障電弧檢測的問題，解決了現(xiàn)有直流故障電弧檢測方法無法準(zhǔn)確判斷多負載工況下故障電弧的問題，具有較為廣闊的適用范圍。本發(fā)明所提供的光伏故障電弧檢測方法不需要變更光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法框架、閾值設(shè)定過程等環(huán)節(jié)便能適用于以電阻或dc-dc變換器為負載的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)，還能適用于以三相/單相逆變器、三相/單相多級逆變器為負載的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)。在這些負載工況下，本發(fā)明所提供的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測算法能避免不同并網(wǎng)光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的開關(guān)噪聲干擾，準(zhǔn)確、快速地判斷多負載工況下故障電弧的發(fā)生，及時切除相應(yīng)的故障電弧支路，避免了直流故障電弧檢測裝置在某些光伏系統(tǒng)負載工況下產(chǎn)生的拒動問題，有效提升了光伏系統(tǒng)故障電弧檢測的快速性和可靠性，避免了這些工況下故障電弧所造成的生命財產(chǎn)損失，極大程度的保障了光伏系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

本發(fā)明所提供的光伏故障電弧檢測方法具有較強的可擴展性，所選取的極限學(xué)習(xí)機學(xué)習(xí)速度極快、準(zhǔn)確率較高。對于新的直流系統(tǒng)環(huán)境，只需采樣相應(yīng)新直流系統(tǒng)中的故障電弧樣本對極限學(xué)習(xí)機進行訓(xùn)練，便能很好地應(yīng)用到其他直流系統(tǒng)環(huán)境，如直流微電網(wǎng)、電動汽車供電系統(tǒng)、直流數(shù)據(jù)中心等直流系統(tǒng)。