CN104579166A - 分布式光伏电站监控系统及其故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏电站监控系统，包括光伏阵列、数据监测单元、数据采集单元、数据处理单元和供电单元；数据监测单元包括直流监测单元和交流监测单元：直流监测单元包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器；交流监测单元包括交流电量变送器；数据采集单元包括CPU、存储器、多种气象传感器、检测电池组件工作温度的温度传感器和模数转换器；数据处理单元通过通信模块与CPU双向信号连接，数据处理单元还与系统监控终端无线连接；发明还提供一种分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法，结合数据处理单元的仿真结果通过光伏阵列捕获损耗、系统损耗、电流比和电压比来进行故障分析、诊断，诊断方法简单，诊断结果准确可靠。

Description

分布式光伏电站监控系统及其故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光伏电站监控系统，还涉及一种分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术

随着全球气候变暖，以化石燃料为主体的能源不断消耗，对太阳能、水能、风能等新能源的开发已成为当务之急。近几年国内太阳能光伏产业迅速发展，全国已建或在建的光伏电站数量也在迅速增加，如何全面而及时地对分布式电站进行有效的监控，对其性能进行精确的评估并实现故障诊断，已成为至关重要的问题。

目前国内的分布式光伏电站分布分散，数据相互独立，监控界面简单，功能单一，不能准确直观的反映系统的运行状态，更不能智能的实现故障诊断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分布式光伏电站监控系统，解决现有技术中分布式光伏电站监控不便，不能准确反映系统运行状态和故障诊断的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：分布式光伏电站监控系统，包括若干组分布式光伏阵列、与光伏阵列对应设置的数据监测单元、数据采集单元、数据处理单元和用于给各用电模块供电的供电单元；所述光伏阵列设有直流信号输出端，同时通过逆变器引出有交流信号输出端；所述数据监测单元包括直流监测单元和交流监测单元：所述直流监测单元包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别用于采集直流信号输出端的直流电压信号和直流电流信号；所述交流监测单元包括用于采集逆变器输出端交流电压、交流电流、功率及电量信号的交流电量变送器；所述数据采集单元包括CPU、存储器、多种气象传感器、用于检测光伏阵列中电池组件工作温度的温度传感器和与各传感器对应设置的模数转换器；所述气象传感器包括：辐照度传感器、空气温湿度传感器、风速风向传感器和气压传感器；模数转换器将对应传感器输出的模拟信号转换成标准电信号输出至CPU，CPU将采集到的各路信号，加上时间标签后，打包存储到与CPU连接的存储器内；所述数据处理单元通过通信模块与CPU双向信号连接，数据处理单元还与系统监控终端无线连接；数据处理单元通过通信模块从与CPU连接的存储器内获取各路信号，结合数据处理单元的仿真结果通过光伏阵列捕获损耗、系统损耗、电流比和电压比来进行故障分析、诊断，并将诊断结果发送至系统监控终端。

作为本发明的进一步改进，所述供电单元包括输入端与光伏阵列连接的宽电压电源控制器，所述宽电压电源控制器设有5V和24V两个供电输出端，宽电压电源控制器的输出端还连接有备用蓄电池；天气晴朗时，光伏阵列通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电，同时通过宽电压电源控制器给备用蓄电池充电；阴雨天气时，备用蓄电池通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电。

作为本发明的优选方案，所述系统监控终端为监控计算机或手机。

作为本发明的优选方案，所述通信模块为GPRS通信模块。

作为本发明的优选方案，所述存储器为SD卡。

与现有技术相比，本发明所提供的分布式光伏电站监控系统可达到的有益效果是：提供了一种分布式光伏电站监控系统，能够实时准确的监测光伏电站的工作状态，对系统故障进行诊断分析，并可通过无线网络及时将故障信息发送到监控计算机或手机等监控终端，达到有效监控的目的；数据处理单元可进行故障诊断分析，实现对系统的性能和可靠性评估，推动系统进一步优化设计。

本发明的另一目的在于提供一种分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：计算得到系统最终收益和光伏阵列收益：

系统最终收益： $Y_{f\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{\mathrm{ac}\_\mathrm{meas}}}{P_w};$

其中：P_w为系统额定功率；E_{ac_meas}是交流电量变送器输出的交流发电量；

光伏阵列收益： $Y_{A\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{A\_\mathrm{meas}}}{P_w}=\frac{\∫I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*V_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*\mathrm{dt}}{P_w};$

其中t为采样时间间隔，I_{dc_meas}为霍尔电流传感器测得的直流电流值，V_{dc_meas}为霍尔电压传感器测得的直流电压值，E_{A_meas}为计算得到光伏阵列直流电量值；

步骤二：利用数学模型分别建立光伏组件和逆变器效率仿真模型，通过实验仿真得到系统仿真最终收益和光伏阵列仿真收益：

系统仿真最终收益：

其中：E_{ac_sim}是结合辐照度和电池组件温度通过仿真实验得到的系统额定功率；

光伏阵列仿真收益：

其中：E_{A_sim}为结合辐照度和电池组件温度通过仿真实验得到的光伏阵列直流电量仿真值；

步骤三：计算系统参考收益：

系统参考收益：

其中：H_i为采样时间内光伏阵列接收到的辐照量，G₀为标准条件下辐照度，即1000W/㎡；

步骤四：分别计算捕获损耗和系统损耗的仿真值和测量值：

捕获损耗仿真值：L_{C_sim}＝Y_r-Y_{A_sim}；

捕获损耗测量值：L_{C_meas}＝Y_r-Y_{A_meas}；

系统损耗仿真值：L_{S_sim}＝Y_{A_sim}-Y_{f_sim}；

系统损耗测量值：L_{S_meas}＝Y_{A_meas}-Y_{f_meas}；

步骤五：给定判别依据：

定义EL_c＝|L_{C_meas}-L_{C_sim}|，若EL_c<EL_{c_ref}，则说明系统阵列没有故障，否则，可判断光伏阵列直流侧存在故障；

定义EL_s＝|L_{S_meas}-L_{S_sim}|，若EL_S<EL_{S_ref}，则说明系统逆变器没有故障，反之，则逆变器存在故障；

其中：EL_{c_ref}和EL_{S_ref}均为参考误差，其典型值取1.8×10^-4；

步骤六：定义系统故障类型

表示光伏阵列第i串的仿真电流与实测电流比；

表示光伏阵列第i串仿真电压与实测电压之比；

具体故障类型由下表确定：

与现有技术相比，本发明提供的一种分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法能够产生的有益效果是：采集到的数据结合仿真实现结果通过系统光伏阵列捕获损耗、系统损耗、电流比和电压比等参数来判断系统是否出现故障，诊断方法简单，诊断结果准确可靠。

附图说明

图1是本发明提供的分布式光伏电站监控系统的结构框图。

图2是本发明提供的分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明提供的分布式光伏电站监控系统的结构框图。包括若干组分布式光伏阵列、与光伏阵列对应设置的数据监测单元、数据采集单元、数据处理单元和用于给各用电模块供电的供电单元。

光伏阵列由若干呈阵列分布的电池组件排列组成。光伏阵列设有直流信号输出端，同时通过逆变器引出有交流信号输出端。

数据监测单元包括直流监测单元和交流监测单元：直流监测单元包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别用于采集光伏阵列的直流信号输出端的直流电压信号和直流电流信号；交流监测单元包括用于采集逆变器输出端交流电压、交流电流、功率及电量信号的数字式输出交流电量变送器。

数据采集单元包括CPU、存储器、多种气象传感器、用于检测光伏阵列中电池组件工作温度的温度传感器和与各传感器对应设置的模数转换器。气象传感器包括：辐照度传感器、空气温湿度传感器、风速风向传感器和气压传感器。模数转换器将对应传感器输出的模拟信号转换成标准电信号输出至CPU，CPU将采集到的各路信号，加上时间标签后，打包存储到与CPU连接的存储器内。标准电信号是指4～20mA的电流信号，这样可以最大程度的避免信号干扰，保证数据可靠性。存储器优选SD卡。

数据处理单元通过通信模块与CPU双向信号连接，数据处理单元还与系统监控终端无线连接。数据处理单元通过通信模块从与CPU连接的存储器内获取各路信号，结合数据处理单元的仿真结果通过光伏阵列捕获损耗、系统损耗、电流比和电压比来进行故障分析、诊断，并将诊断结果发送至系统监控终端。通信模块可以选用GPRS通信模块。系统监控终端可以为监控计算机，也可以为手机或其他手持终端设备。

供电单元包括输入端与光伏阵列连接的宽电压电源控制器，宽电压电源控制器设有5V和24V两个供电输出端，宽电压电源控制器的输出端还连接有备用蓄电池；天气晴朗时，光伏阵列通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电，同时通过宽电压电源控制器给备用蓄电池充电；阴雨天气时，备用蓄电池通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电。

如图2所示，一种分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：计算得到系统最终收益和光伏阵列收益：

系统最终收益： $Y_{f\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{\mathrm{ac}\_\mathrm{meas}}}{P_w};$

其中：P_w为系统额定功率；E_{ac_meas}是交流电量变送器输出的交流发电量；

光伏阵列收益： $Y_{A\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{A\_\mathrm{meas}}}{P_w}=\frac{\&Integral;I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*V_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*\mathrm{dt}}{P_w};$

其中t为采样时间间隔，I_{dc_meas}为霍尔电流传感器测得的直流电流值，V_{dc_meas}为霍尔电压传感器测得的直流电压值，E_{A_meas}为计算得到光伏阵列直流电量值；

步骤二：利用数学模型分别建立光伏组件和逆变器效率仿真模型，通过实验仿真得到系统仿真最终收益和光伏阵列仿真收益：

系统仿真最终收益：

其中：E_{ac_sim}是结合辐照度和电池组件温度进行利用MATLAB-Simulink搭建组件模型仿真实验得到的系统额定功率；

光伏阵列仿真收益：

其中：E_{A_sim}为结合辐照度和电池组件温度进行仿真实验得到的光伏阵列直流电量仿真值；

步骤三：计算系统参考收益：

系统参考收益：

其中：H_i为采样时间内光伏阵列接收到的辐照量，G₀为标准条件下辐照度，即1000W/㎡；

步骤四：分别计算捕获损耗和系统损耗的仿真值和测量值：

捕获损耗仿真值：L_{C_sim}＝Y_r-Y_{A_sim}；

捕获损耗测量值：L_{C_meas}＝Y_r-Y_{A_meas}；

系统损耗仿真值：L_{S_sim}＝Y_{A_sim}-Y_{f_sim}；

系统损耗测量值：L_{S_meas}＝Y_{A_meas}-Y_{f_meas}；

步骤五：给定判别依据：

定义EL_c＝|L_{C_meas}-L_{C_sim}|，若EL_c<EL_{c_ref}，则说明系统阵列没有故障，否则，可判断光伏阵列直流侧存在故障；

定义EL_s＝|L_{S_meas}-L_{S_sim}|，若EL_S<EL_{S_ref}，则说明系统逆变器没有故障，反之，

则逆变器存在故障；

其中：EL_{c_ref}和EL_{S_ref}均为参考误差，其典型值取1.8×10^-4；

步骤六：定义系统故障类型

表示光伏阵列第i串的仿真电流与实测电流比；

表示光伏阵列第i串仿真电压与实测电压之比；

具体故障类型由下表确定：

本发明根据采集到的数据通过本发明提出的故障诊断方法对系统进行故障诊断并显示故障类型及位置。本发明对分布式光伏电站和环境参数进行测量，将被采集的数据存储于模块的大容量存储模块内，同时通过无线网络，将数据发送给远程监控计算机或手持终端设备，实时准确了解光伏电站的实时工作状态，实现对系统的性能和可靠性评估，推动组件和系统的进一步优化设计。

采用本发明提供的分布式光伏电站监控系统，还可以判断光伏阵列中电池组件的工作状态，具体方法如下：

1)通过辐照度传感器测出共面辐照度S，由贴在每块电池组件背板的Pt100温度传感器测出电池组件温度T。由此可计算出单块电池组件在该条件下理想功率P:

$P=\{a*S+b*\ln \left(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}\right)+c*S^2\}*\{1+\mathrm{\&gamma;}*(T-T_{\mathrm{ref}})\}$

其中，S_ref和T_ref分别为参考辐照和参考温度，γ为组件温度系数，a、b、和c为待定系数，其值由实测值利用最小二乘法拟合得到。

2)由霍尔电流、电压传感器测得结果计算出每串N个电池组件的实际功率P₀。比较N*P和P₀，考虑到系统正常损耗，若80％P₀≤N*P，此时监控系统中该组件显示为绿色，说明该串组件处于健康工作状态；若60％P₀≤N*P＜80％P₀，此时监控系统中该串组件显示为黄色，说明该串组件处于亚健康工作状态；若40％P₀≤N*P＜60％P₀，此时监控系统中该串组件显示为棕色，说明该串组件存在故障；若N*P＜40％P₀，组件显示为红色，说明该串组件存在严重故障，需立即停机，处理相关故障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.分布式光伏电站监控系统，其特征在于，包括若干组分布式光伏阵列、与光伏阵列对应设置的数据监测单元、数据采集单元、数据处理单元和用于给各用电模块供电的供电单元；

所述光伏阵列设有直流信号输出端，同时通过逆变器引出有交流信号输出端；

所述数据监测单元包括直流监测单元和交流监测单元：所述直流监测单元包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别用于采集直流信号输出端的直流电压信号和直流电流信号；所述交流监测单元包括用于采集逆变器输出端交流电压、交流电流、功率及电量信号的交流电量变送器；

所述数据采集单元包括CPU、存储器、多种气象传感器、用于检测光伏阵列中电池组件工作温度的温度传感器和与各传感器对应设置的模数转换器；所述气象传感器包括：辐照度传感器、空气温湿度传感器、风速风向传感器和气压传感器；模数转换器将对应传感器输出的模拟信号转换成标准电信号输出至CPU，CPU将采集到的各路信号，加上时间标签后，打包存储到与CPU连接的存储器内；

所述数据处理单元通过通信模块与CPU双向信号连接，数据处理单元还与系统监控终端无线连接；数据处理单元通过通信模块从与CPU连接的存储器内获取各路信号，结合数据处理单元的仿真结果通过光伏阵列捕获损耗、系统损耗、电流比和电压比来进行故障分析、诊断，并将诊断结果发送至系统监控终端。

2.根据权利要求1所述的分布式光伏电站监控系统，其特征在于，所述供电单元包括输入端与光伏阵列连接的宽电压电源控制器，所述宽电压电源控制器设有5V和24V两个供电输出端，宽电压电源控制器的输出端还连接有备用蓄电池；

天气晴朗时，光伏阵列通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电，同时通过宽电压电源控制器给备用蓄电池充电；阴雨天气时，备用蓄电池通过宽电压电源控制器给系统各用电模块供电。

3.根据权利要求1所述的分布式光伏电站监控系统，其特征在于，所述系统监控终端为监控计算机或手机。

4.根据权利要求1所述的分布式光伏电站监控系统，其特征在于，所述通信模块为GPRS通信模块。

5.根据权利要求1所述的分布式光伏电站监控系统，其特征在于，所述存储器为SD卡。

6.分布式光伏电站监控系统的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：计算得到系统最终收益和光伏阵列收益：

系统最终收益： $Y_{f\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{\mathrm{ac}\_\mathrm{meas}}}{P_w};$

其中：P_w为系统额定功率；E_{ac_meas}是交流电量变送器输出的交流发电量；

光伏阵列收益： $Y_{A\_\mathrm{meas}}=\frac{E_{A\_\mathrm{meas}}}{P_w}=\frac{\&Integral;I_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*V_{\mathrm{dc}\_\mathrm{meas}}*\mathrm{dt}}{P_w};$

其中t为采样时间间隔，I_{dc_meas}为霍尔电流传感器测得的直流电流值，V_{dc_meas}为霍尔电压传感器测得的直流电压值，E_{A_meas}为计算得到光伏阵列直流电量值；

步骤二：利用数学模型分别建立光伏组件和逆变器效率仿真模型，通过实验仿真得到系统仿真最终收益和光伏阵列仿真收益：

系统仿真最终收益： $Y_{f\_\mathrm{sim}}=\frac{E_{\mathrm{ac}\_\mathrm{sim}}}{P_w};$

其中：E_{ac_sim}是结合辐照度和电池组件温度通过仿真实验得到的系统额定功率；

光伏阵列仿真收益： $Y_{A\_\mathrm{sim}}=\frac{E_{A\_\mathrm{sim}}}{P_w};$

其中：E_{A_sim}为结合辐照度和电池组件温度通过仿真实验得到的光伏阵列直流电量仿真值；

步骤三：计算系统参考收益：

系统参考收益： $Y_r=\frac{H_i}{G_0};$

其中：H_i为采样时间内光伏阵列接收到的辐照量，G₀为标准条件下辐照度，即1000W/㎡；

步骤四：分别计算捕获损耗和系统损耗的仿真值和测量值：

捕获损耗仿真值：L_{C_sim}＝Y_r-Y_{A_sim}；

捕获损耗测量值：L_{C_meas}＝Y_r-Y_{A_meas}；

系统损耗仿真值：L_{S_sim}＝Y_{A_sim}-Y_{f_sim}；

系统损耗测量值：L_{S_meas}＝Y_{A_meas}-Y_{f_meas}；

步骤五：给定判别依据：

定义EL_c＝|L_{C_meas}-L_{C_sim}|，若EL_c<EL_{c_ref}，则说明系统阵列没有故障，否则，可判断光伏阵列直流侧存在故障；

定义EL_s＝|L_{S_meas}-L_{S_sim}|，若EL_S<EL_{S_ref}，则说明系统逆变器没有故障，反之，3 --> 则逆变器存在故障；

其中：EL_{c_ref}和EL_{S_ref}均为参考误差，其典型值取1.8×10^-4；

步骤六：定义系统故障类型

表示光伏阵列第i串的仿真电流与实测电流比；

表示光伏阵列第i串仿真电压与实测电压之比；

具体故障类型由下表确定：

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