智能化加持AFCI：光储产业防范“晴空颠簸”的安全利器
2023-07-18 互联网在不确定性因素交织的复杂环境中，很多行业的复苏节奏都不及预期，发展前景也充满变数。而光伏和储能是罕有的特例，无论是短期业绩增长还是长期市场景气度，都处于“晴空万里”的理想状态。
以备受瞩目的分布式光伏为例：中国光伏行业协会的统计显示，2022年，国内光伏新增装机87.41吉瓦，同比增长59.3%;其中，分布式新增装机51.1吉瓦，同比增长74.5%。伴随装机规模的迅猛上升，“分布式光伏+储能”市场未来几年有望快速放量。
尽管前景一片光明，但也要防范难以预判的“晴空颠簸”，最大限度地守住安全底线是光储产业的当务之急。国家能源局发布的《2023年电力安全监管重点任务》中，将加强光伏发电安全列入监管范畴，并指出应以技术创新驱动行业可持续发展。
从全球范围来看，光伏发电各类安全事故中，电气火灾发生的频次最高，造成的损失也最大。透过诸多案例解析可以发现，电气火灾主要由直流拉弧引起，采用光伏发电系统直流拉弧智能检测和快速关断技术(AFCI)，以“防消”结合的方式提高电站的安全防控水平势在必行。
然而，传统的拉弧检测存在不少短板，市面上一些“缺斤少两”的所谓AFCI更容易误导光伏客户，不恰当的防范措施甚至会增加新的隐患。在AFCI持续进化的过程中，既需要市场领头羊树立更高的技术标杆，也离不开整个行业标准的确立与规范。
近日，华为数字能源继《方博碳讨室》后重磅打造《比特与瓦特》栏目，每期邀请专家对业内的热点技术进行解读，力求以生动的形式和简明的语言，展示数字技术与电力电子技术融合的最新成果。AFCI作为新栏目的开篇之作，其重要性不言而喻，“比特与瓦特”合力筑就光伏安全的实践路径，值得业界深入探索。
光伏安全面临的主要挑战
在电力用户侧风生水起的分布式光伏大多建于工业或居民区，对安全防护的要求较高。但由于分布式光伏具有单体容量小、站址分散、应用场景和系统形式复杂等特征，在应对各类电气安全挑战时难免捉襟见肘。
以电气安全的角度看，交流防控侧重于供电质量和安全，而直流防控的重点是火灾、电击和雷击等事故。就现状而言，交流的标准比较健全，安全防范技术也相对成熟;但直流防范技术还有较大的提升空间，业界也将标准研制的重心聚焦于此。
直流拉弧即电路断点处电流击穿空气所产生的持续火花，是直流安全技术中亟待破解的难题。在光伏系统中，接点松脱、接触不良、接线断裂、绝缘材料老化及破损等原因都可能产生电弧，其会使接触部分温度升高至3000～7000摄氏度，从而引发火灾等安全事故。
过往的拉弧检测仅支持较低水平的认证要求，已无法满足分布式光伏不断升级迭代的需求。一方面，传统方案中输入线缆回路长度只有80m，而在实际的工商业场景中，逆变器与电站之间的距离远超于此;另一方面，既有方案支持的输入电流仅为14A，但组件最大电流已超过20A，削足适履岂能达成预期目标?
正是在这样的背景下，脱颖而出的直流拉弧智能检测和快速关断技术(AFCI)被寄予厚望，日益成为守护光伏安全的新型利器。简言之，AFCI是集成于逆变器的新功能，能在电弧产生时第一时间识别并切断，以保证分布式光伏系统安全，避免电弧高温导致火灾。
不过，AFCI的门槛较高，部分厂商由供应商提供一体化算法包，再通过不同阈值参数进行调试，在实践中遇到不少难以克服的障碍——要想成功突围，还需加强积累或另辟蹊径。
开辟AFCI智能化突围新路径
在AFCI披荆斩棘的道路上，主要存在两只“拦路虎”——噪音适应性和场景适配性。很多与AFCI相关的技术研发和产品方案，都因过不了这两关而折戟沉沙。
首当其冲的是噪声适应性问题。分布式光伏的设备现场运行环境纷繁多变，传统方案中的电弧检测算法和阈值设定主要基于人的经验，在遇到环境噪声接近电弧频谱特征时无法有效区分;此外，在并联和对地电弧检测中，由于底噪在不同环境中均会变化，当前技术水平尚难精准识别。
来自场景适配性方面的挑战也颇为严峻。随着光伏组件电流和逆变器单机功率不断提升，实际使用场景中输入侧线缆长度和电弧最大电流均可能超过标准给定的测试工况。电弧的特征信号随电流和线缆长度增加会逐渐变弱，对检测仪表和算法的精度提出更高要求。
显而易见，AFCI既有的演进轨迹亟待转变，以解决分布式光伏在成长中衍生出的诸多痛点。作为数字技术与电力电子技术融合的倡导者和践行者，华为探索出一条AFCI智能化跃迁的崭新路径，为光伏安全迈向更高境界奠定基础。
值得关注的是，华为AI BOOST AFCI智能电弧检测方案支持的输入线缆回路长度最大可达200m、输入电流最高为26A，且能有效区分噪声和电弧，避免误报、漏报;与此同时，华为拥有逆变器与优化器的联合解决方案，抗干扰能力强，是业内唯一兼容0V快速关断与AFCI的厂商，可实现组件级的电弧故障位置定位，全方位保障光伏安全。
在一系列突破性创新的背后，是华为在ICT和人工智能领域的深厚积累，以及AFCI与深度学习技术的开创性融合。与人工归纳设计不同，AI基于高度非线性模型可对海量数据进行计算、迭代，寻找高维空间特征规律，有效区分形状接近的特征信号，对已有痛点构成“降维打击”。
更为重要的是，借助AI和深度学习技术，使检测模型具备不断学习未知频谱的能力，大幅提升噪声适应性;同时通过改善模型泛化能力，使模型能精准识别不同场景的电弧特征，真正将曾经的两大“拦路虎”化于无形。
奔赴从技术到标准的进阶之旅
从技术创新到行业标准体系的建立，通常有很长的路要走。AFCI也不例外，尤其在电网安全、信息安全上升到更高战略地位的当下，其跨越性的一跃直接关乎光储产业的高质量发展。
据了解，华为AFCI解决方案已获得TUV 63027认证、CGC鉴衡颁发的最高等级认证L4，同时华为还是 IEC 63027国际标准编制项目组成员。以AFCI为突破口，与产业界及相关行业部门携手推进新型电力系统标准体系的建立，从根源上解除安全隐患，是华为矢志不渝的追求。
令人欣喜的是，积极的行动已陆续展开，新一代安全标准的构建与落地并不遥远。在欧洲、澳洲等地区，很多国家已把光伏直流拉弧检测和快速关断作为屋顶光伏的必备标准;在中国，国家标委会、国家能源局等联合发布《碳达峰碳中和标准体系建设指南》，将重点制订新型电力系统电网侧、电源侧、负荷侧、储能侧相关标准。
到2030年，我国以光伏为代表的新能源装机占比将逾40%，新能源发电量占比超过20%。在奔赴双碳目标的征途上，需要更多类似AFCI这样的安全利器，也期待华为数字能源及其志同道合的业界伙伴，能继续为清洁能源的安全图景添砖加瓦。