光伏直流接地故障的高精度绝缘监测驱动智能故障选线方法

《Energies》：High-Precision Insulation Monitoring-Driven Intelligent Fault Line Selection Method for Photovoltaic DC Grounding Faults

　　

目前，光伏（PV）电站直流系统的绝缘故障通过逆变器全停策略处理，故障支路定位依赖人工巡检，导致效率低、精度差，引发长时间非计划停机及大量发电损失。该论文提出一种结合高精度绝缘监测与智能故障选线的集成解决方案，通过改进测量精度确保选线判据的可靠性，并通过优化选线策略实现故障自动隔离。论文分析了传统桥接法在严重单极接地故障下病态测量方程的数学本质，建立了双通道异方差噪声模型，利用正负极对地电压之和始终等于母线电压的固有物理约束，将病态逆问题转化为等式约束最优估计问题，推导出约束最小二乘意义下的解析解。提出“先平衡桥监测、后不平衡桥精测”的协同监测策略。设计了一种基于顺序分支切换的自动故障选线与隔离算法，利用PV系统允许短时支路中断的运行特性，在不安装任何泄漏电流传感器的情况下实现故障支路自动识别与隔离以及非故障支路自动恢复。实验结果表明，在单极绝缘电阻低至22 kΩ的严重故障条件下，所提方法将误差限制在5%以内；所提选线策略可在最多两轮切换内完成所有故障支路的识别与隔离。

**论文解读：光伏直流接地故障的高精度绝缘监测与智能选线方法**

**研究背景与问题**
光伏（PV）电站直流侧电压可达1500 V，直流母线对地绝缘性能直接影响设备安全与系统稳定性。当前，PV电站直流系统绝缘故障采用逆变器全停策略处理，故障支路定位依赖人工巡检，效率低、精度差，导致长时间非计划停机及大量发电损失。特别是“雨天出现、晴天自愈”的软故障因恶劣天气无法及时处理，存在安全隐患。据统计，每100 MW容量逆变器年均发生直流接地故障5~10次，人工故障排查平均耗时8~12小时，软故障的长期跟踪监测进一步延长了排查周期，造成更大能量损失。传统桥接法测量绝缘电阻的精度取决于电压测量精度，但当单极绝缘严重劣化时，一极对地电压急剧衰减为弱信号，测量误差被分母项放大，计算结果完全失真。现有改进方案多聚焦于电路拓扑优化、检测方法改进或硬件参数调整，缺乏对测量精度退化数学本质的系统性理论认识；故障选线方案依赖大量泄漏电流传感器或注入信号，系统复杂、精度不足，且无法实现自动故障隔离。因此，亟需一种将高精度监测与智能选线有机集成的系统化解决方案。

**研究内容与结论**
该论文提出一种基于高精度绝缘监测与智能故障选线的集成方法，发表于《Energies》。研究人员从数学本质揭示传统桥接法在单极严重接地下的病态性，利用电压冗余约束重构弱信号，提出协同监测策略与无传感器顺序分支切换选线算法，实现故障自动检测、隔离与非故障支路自动恢复。实验表明，在单极绝缘电阻低至22 kΩ时，所提方法将误差限制在5%以内，优于传统方法超300%的误差；选线算法可在30秒内完成8条支路的准确识别与自动隔离。

**主要技术方法**（不超过250字）
研究人员采用以下关键方法：（1）建立双通道异方差噪声模型，刻画弱信号通道噪声方差随信号幅值衰减而增大的特性；（2）利用正负极对地电压之和等于母线电压的物理约束，将病态逆问题转化为等式约束加权最小二乘最优估计，推导出解析解，实现弱信号自适应重构；（3）设计“先平衡桥监测、后不平衡桥精测”的协同策略，平衡桥持续监测，检测异常后切换至不平衡桥精测，避免频繁继电器切换；（4）基于顺序分支切换的智能选线算法，利用PV系统允许短时支路中断的运行特性，将选线问题建模为基于开关向量与绝缘电阻函数的二元决策问题，通过至多两轮切换收敛，无需泄漏电流传感器。实验平台为自研“大容量光伏逆变器直流接地选线与智能控制装置”，模拟8条并联支路。

**研究结果**
**5.1 平衡桥法实验结果**
通过对比优化前后在正极和负极对地短路下的测量数据，发现当绝缘电阻高于100 kΩ时，优化前后误差均小于5%；当电阻降至86 kΩ时，未优化算法误差骤增至17.4%~30.2%；当电阻降至22 kΩ时，未优化方法误差超过300%，而优化算法误差始终在5%以内。

**5.2 不平衡桥法实验结果**
类似地，不平衡桥法在低阻条件下同样出现严重失真，优化后误差从超过300%降至5%以内，验证了所提重构方法对两种桥接法的普适性。

**5.3 结果分析与讨论**
实验数据表明，在低阻条件下，传统方法因弱信号被噪声淹没而完全失效，而所提方法通过约束优化有效重构弱信号，精度提升超过一个数量级，满足DL/T 1392-2014标准要求。

**5.4 电压测量数据对比分析**
以平衡桥正极短路为例，未优化时正极对地电压测量值在22 kΩ故障下为79.4 V（实际为零漂电压），而真实值应为22 V；优化后通过约束反演得到22 V，与真实值高度一致，证实了异方差模型与冗余约束的有效性。

**5.5 选线功能验证**
在8条并联支路中设置22 kΩ单极接地故障，系统按顺序分支切换策略在30秒内完成所有支路检测，准确识别并自动断开故障支路，非故障支路自动恢复，全程无需人工干预。

**总结讨论与结论**
论文讨论部分指出，与现有基于泄漏电流传感器或注入信号的选线方案相比，所提方法在测量精度、选线方式和系统架构三方面实现实质性改进：通过电压冗余约束从根本上克服了病态逆问题导致的精度瓶颈；利用PV系统允许短时支路中断的特性，无需额外传感器即可完成故障定位；将高精度测量与顺序分支切换决策集成，形成从感知到执行的完整闭环。结论翻译如下：
（1）揭示了传统桥接法测量精度退化的数学本质：单极绝缘严重劣化时，测量方程条件数趋于无穷，构成典型病态逆问题，弱信号通道实测值几乎完全被噪声主导。
（2）提出基于电压冗余约束的测量重构方法：利用正负极对地电压之和等于母线电压的物理约束，建立等式约束加权最小二乘最优估计模型，通过软切换机制自动放弃不可靠信道，采用高精度信道的约束反演值重构弱信号。
（3）设计了平衡桥与不平衡桥协同监测策略：平衡桥作为持续“哨兵”，不平衡桥作为异常触发时的“精测工具”，两者互补，避免频繁继电器切换造成的系统扰动与寿命缩短。
（4）提出无传感器智能选线方法：将选线问题建模为基于开关向量与绝缘电阻函数的二元决策问题，设计单故障与多故障场景的顺序分支切换算法，证明至多两轮切换收敛。
（5）实验结果表明，在单极绝缘电阻低至22 kΩ时，所提方法误差控制在5%以内，较传统方法提升一个数量级；8条支路选线实验在30秒内完成准确识别与自动隔离，全过程无需人工干预。该方法无需对现有硬件做重大改动，仅需将手动开关替换为自动开关，结合高精度测量算法与智能选线策略，即可实现直流接地故障的自动监测、选线与隔离，具有良好的工程实用价值。