基于电磁辐射时延估计的串联光伏直流电弧故障定位方法_王尧.pdf

2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220076 基于电磁辐射时延估计的串联光伏直流电弧故障定位方法 王 尧1,2 马桐桐1,2 赵宇初1,2 朱 晨3 邢云琪1,2（1.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）天津 300130 2.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室 天津 300130 3.国网北京市电力公司 北京 100031）摘要 串联直流电弧故障是光伏系统电气火灾的主要诱因，在系统运维中不仅需要识别电弧故障，更需要确定电弧故障的发生位置。针对光伏串联直流电弧故障定位问题，该文提出一种基于电弧电磁辐射信号广义互相关时延估计的故障定位方法。搭建光伏串联直流电弧故障定位试验平台，分析光伏串联直流电弧电磁辐射信号特性，其在电弧产生初期具有明显的脉冲变化特征，且电弧电磁辐射信号强度与电流变化率成正比。通过对比分析，选取性能较为均衡的 Vivaldi 天线进行电弧电磁辐射信号测量，其带宽为 100 MHz1 GHz。采用 4 根天线构成的 Vivaldi 天线阵列进行电弧故障定位，其天线分别位于棱长 1 m 的正三棱锥顶点。利用最大似然加权算法进行广义互相关时延估计的加权处理，减少信号噪声影响；同时用最小二乘法进行电弧电磁辐射信号互相关频谱峰值拟合，从而减小频谱计算中栅栏效应的影响。试验结果表明，所提方法的定位误差在15%以内，为基于电弧电磁辐射的故障定位策略应用提供了依据。关键词：光伏系统 串联直流电弧故障定位 Vivaldi 宽带天线 广义互相关时延估计 中图分类号：TM501+.2 0 引言 我国建筑屋顶资源丰富，开发建设屋顶分布式光伏发电潜力巨大1-2，同时大力推进分布式光伏发电也是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要举措3-6。然而，光伏发电系统由众多光伏组件构成，存在大量连线和接头，在户外环境下容易出现绝缘破损、接触不良等现象，极易引发直流串联电弧故障。由于直流电弧不存在自然过零点，一旦产生难以自行熄灭7，容易造成电气火灾事故。据统计，光伏系统超过 40%的电气火灾事故与直流电弧故障相 关8。为此，不仅需要实时监测光伏系统是否发生了直流串联电弧故障，更需要对故障位置进行定位，从而彻底消除光伏系统的电气火灾隐患。光伏串联直流电弧故障会呈现高频传导电流和电磁辐射以及弧声、弧光等宏观物理表征9。这些特征在理论上都能作为电弧故障识别与定位的依据，但由于无法预知电弧故障的实际发生位置，弧声、弧光等特征较难应用。国内外许多学者采用受位置因素影响较小的电弧电流进行光伏串联直流电弧故障诊断，提出了基于电弧电流时频域特征分析和人工智能的多种电弧故障检测方法10-15。在电弧故障检测的基础上，近年来一些学者开始探索基于电弧电流的故障定位技术。文献16提出一种基于传输线等效分布参数模型的扩展频谱时域反射法，进行电弧故障在线检测和定位。文献17提出一种基于外加脉冲信号的时域反射方法进行线缆电弧故障离线定位。文献18通过为光伏支路增加并联电容，研究了电容电流脉冲极性与电弧故障位置的关系。文献19提出一种基于双罗氏线圈的串联直流电弧故障定位方法，利用电弧故障射频电流传输到 国家自然科学基金（51977059）、河北省自然科学基金（E2020202204）和特种电机与高压电器教育部重点实验室（沈阳工业大学）开放基金（KFKT202003）资助项目。收稿日期 2022-01-16 改稿日期 2022-02-05 2234 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 两个罗氏线圈的时间差估算电弧故障位置。然而，电弧故障电流容易受光伏系统共模干扰的影响，其干扰信号频率一般在 100 kHz 以内20-21，而频率在 300 MHz 以上的电弧电磁辐射信号则具有较强的抗干扰能力，同时匹配合适的测量天线也能达到足够的检测灵敏度。特别是在串联直流电弧故障发生初期，由于燃弧不稳定，电弧会向空间发射大量电磁辐射信号，为电弧故障检测和定位提供了良好依据16,20。文献22提出了一种用于光伏串联直流电弧故障电磁辐射测量的三阶 Hilbert 分形天线。文献23提出了一种基于电弧电磁辐射的故障电弧检测方法。文献24发现电弧产生阶段能量不稳定，辐射电磁信号幅值小且主要集中在 kHz 频段，进入稳定发展阶段后，电弧能量大且辐射频带集中在 MHz 范围。文献25采用四阶 Hilbert 分形天线测量串联直流电弧电磁辐射信号，研究了低气压下电弧电磁辐射特性以及电极形状、材料和移动速度对电弧电磁辐射的影响。文献26提出了一种基于两个超宽带天线和时域数据处理的电弧故障定位方法，通过分析两个天线接收信号的相关性进行电弧故障定位。文献27提出了一种基于电弧故障电磁辐射与软件无线电的故障定位方法，该方法采用双天线接收电弧电磁辐射，并根据波达角进行故障定位。文献28则提出一种基于双天线的电弧故障平面定位方法，利用神经网络与接收信号强度指标进行电弧故障位置估计。采用电弧电磁辐射信号可以进行电弧故障检测和定位，但相关研究主要集中在电弧电磁辐射的特性分析与故障识别方面，对电弧故障定位策略的研究相对较少。针对工商业屋顶光伏系统直流串联电弧故障定位问题，搭建相应试验平台，通过对比分析选取合适的电弧电磁辐射测量天线，并分析电弧电磁辐射信号特征。在此基础上，提出一种基于电弧电磁辐射信号广义互相关时延估计的光伏串联直流电弧故障定位方法，并进行试验验证。1 光伏串联直流电弧故障电磁辐射特性分析 1.1 光伏串联直流电弧故障试验平台 为了实现数据采集及试验验证，搭建了故障定位试验平台，试验装置线路示意图如图 1 所示。试验设备主要包括自制的电弧故障试验平台、功率放大器以及示波器。该试验平台能够有效模拟由于接触不良产生的串联电弧故障，并采集电弧电磁辐射信号。图 1 试验装置线路示意图 Fig.1 Schematic diagram of experimental device circuit 电弧发生装置的结构如图 2 所示，其核心为一对直径 6 mm 的铜制固定和移动电极。试验中采用步进电机和丝杠机构牵引移动电极匀速运动，使两个 电 极 分 开 产 生 电 弧。电 极 最 大 移 动 速 度 为5 mm/s，最大移动距离约为 2.5 mm。为了尽量减小电极对试验的影响，每次试验前都用砂纸打磨电极表面，提高电弧故障试验的一致性。为了提高信号测量精度，采用 50 倍的功率放大器对天线测得的信号进行放大，该放大器的带宽为 10 MHz3 GHz。试验所用示波器的测量带宽为 2 GHz，满足电弧电磁辐射信号测量要求。图 2 电弧发生装置结构 Fig.2 Structure drawing of arc generator 1.2 电弧电磁辐射特性分析 直流电弧是一种剧烈的自持放电现象，其产生和发展过程中伴随着发光、发热以及电磁辐射等物理现象。电弧电磁辐射与电弧阴极斑点发射电子的变化有关，其频率甚至可以达到超高频（Ultra High Frequency,UHF）（3003 000 MHz）频段22。直流电弧电压、电流以及电磁辐射信号波形如图 3 所示。在故障电弧产生初期，两个电极之间的距离非常近，可以近似看成点电弧。此时电弧燃烧不稳定，其电磁辐射信号表现为随机的脉冲序列，根据电磁感应定律，其电弧电磁辐射幅值与电流变化率之间的关系满足 arcarcarc20dd1dd4IIEkttc=.=（1）式中，0为真空介电常数；k 为常数；c 为光速；Iarc 第 38 卷第 8 期 王 尧等 基于电磁辐射时延估计的串联光伏直流电弧故障定位方法 2235 图 3 直流电弧电压、电流与电磁辐射信号波形 Fig.3 Waveforms of dc arcing voltage,current and electromagnetic radiation signals 为电弧电流；Earc为电弧能量。由式（1）可知22，电弧电磁辐射幅值与电弧电流变化率成正比，根据辐射强度与距离的关系，电弧电磁辐射信号的强度会随天线与故障位置距离的增加而迅速衰减，即与距离的二次方成反比。因此，可以通过放置在不同位置的测量天线，测量光伏串联直流电弧发出的电磁辐射信号，实现对故障点的定位。电磁辐射信号频带宽且具有突变特性，因此选用具有宽频和高灵敏度特性的宽带天线。常见的宽带天线有对数周期天线、双脊波导喇叭天线和新型宽带天线等29。天线特性分析见表1。由表1可知，对数周期天线、喇叭天线以及锥形天线灵敏度较高，但其尺寸较大、成本较高，而分形天线虽然尺寸很小且成本相对较低，但灵敏度最低、增益最小。Vivaldi宽带天线具有宽频带、中 表 1 常见信号接收天线性能对比 Tab.1 Performance comparison of common signal receiving antennas 天线类型 工作频带 尺寸 灵敏度成本对数周期天线150600 MHz 大 高 高 喇叭天线 118 GHz 大 高 高 锥形天线 30 MHz1 GHz 大 高 高 分形天线 100 MHz1 GHz 小 低 中 Vivaldi 天线3101 300 MHz 中 中 中 等增益、波束对称和容易集成的特点并且具有较好的端射辐射效应，工艺简单，各方面性能更加均衡。因此，选择Vivaldi宽带天线测量电弧电磁辐射信号。所采用的Vivaldi天线具有200 MHz1 GHz频率测量方位，并且在310600 MHz频段具有最大6 dB增益。此外，该Vivaldi天线还具有全向特性，有利于天线阵列布置30。2 电弧电磁辐射时延估计与故障定位 2.1 电弧电磁辐射时延估计的基本原理 由于电弧故障产生位置与每个测量天线之间的距离不同，所以电磁辐射信号到达各测量天线所需时间也不同，存在时间延迟。基本时延估计方法就是利用互相关函数估计接收信号的时延，然后根据时延进行空间定位。由于三维空间定位至少需要三组时延参数，因此采用4根天线采集电弧电磁辐射信号。测量天线和电弧故障发生器的位置关系如图4所示。图 4 测量天线与电弧故障发生器位置关系 Fig.4 Position diagram of measuring antenna and arc fault generator 基于图4建立各测量天线接收电弧辐射信号的表达式，由于辐射信号能量与传播距离的二次方成反比，快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）后离散采样信号表达式为 2236 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 11()()()()()()iiiiXsnXAstn=+=-+（2）式中，s()为电弧发生时产生的电磁辐射信号；ti为辐射信号到达第 i 个测量天线时的时间延迟；Ai为辐射信号到达第 i 个测量天线时的信号衰减幅度；n1()和 ni()为一对互不相关的噪声信号，二者与 s()互不相关。将信号 X1()和 X2()进行互相关计算，R 为互相关函数，假定电弧发生源与噪声不相关，有 1 21 2ss()()x xn nRARtR=-+（3）式中，1 2x xR为信号 x1和 x2的互相关系数；A 为信号 衰减幅度。假设噪声信号 n1、n2不相关，则式（3）简化为 1 2ss()x xRARt=-（4）由自相关函数的性质ssss|()|(0)RR可知，当 =t 时，1 2x xR达到了最大值，因此，求得1 2x xR峰值对应的为两信号之间的时间延迟。虽然基本时延估计计算过程简单，但实际中很难实现输入噪声信号不相关，而且在噪声信号影响 下互相关函数1 2()x xR容易出现不明显的峰值或错误谱峰，降低时延估计精度。因此，采用电弧电磁 辐射广义互相关时延估计法来减少噪声对时延估计的影响。2.2 电弧电磁辐射广义互相关时延估计 广