CN104767486B - 用于汇流箱的汇流检测方法及系统、太阳能电站 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于汇流箱的汇流检测方法及系统，通过相邻或相近的输入端的电流值及电流值的变化率校验来降低光伏阵列中的汇流箱的故障误报率。本发明还提供了一种太阳能发电站。

Description

用于汇流箱的汇流检测方法及系统、太阳能电站

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种用于汇流箱的汇流检测方法及系统，以及一种太阳能电站。

背景技术

随着能源的日益短缺，可再生绿色能源的开发利用越来越受到人们的关注，尤以太阳能的利用特别受到世人的青睐。太阳能作为清洁、安全、可持续并且可靠的能源，太阳能光伏系统正在迅速扩大其在能源和产业技术开发方面的应用。近年来，作为太阳能转换媒介的光伏电池和大面积光伏模块器件的开发和应用引起了普遍关注。以单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜等为代表的太阳能电池板在商业和住宅建筑物等设施中的广泛应用显示出巨大的潜力，如薄膜太阳能光伏模板能够替换一些建筑构件，例如建筑物墙面、窗户等。

太阳能光伏系统发电情况直接影响企业的经济效益，如光伏系统工作过程中出现故障会大大降低光伏系统发电能力，影响企业经济利益。在实际应用中对于不同的项目，光伏阵列的排布不同，这就给光伏阵列的实时监测及故障诊断带来了一定困难，而太阳能电池组串是否正常工作将直接影响到太阳能电站的安全及总发电量，因此对每个太阳能电池组串的实时电流监测及其故障诊断就尤为必要。

目前，行业中的太阳能电池板种类繁多，组件参数方面相差很大，针对不同设计方案，也会采用不同形式的逆变器，且依据项目特性会有特有的光伏阵列排布。鉴于这些原因，光伏阵列的组成方式多种多样，造成光伏阵列中各太阳能电池组串工作特性相差很大，因此很难单一的依据组件特性或者排布方式给太阳能电池组串工作状态划定确定数值范围。现有技术中针对光伏系统的诊断只是针对一级汇流，并不能针对单独输入端进行诊断，对于光伏太阳能电池组串的工作状态并没有好的解决方案。现有诊断的方法有：

1、熔丝告警法

当所监控的电流回路电流值为零时，则产生“熔丝告警”，其中该零漂值可被设置。

此种方法缺陷在于：对于每日早晚的时分，受光照或阴影影响，极有可能某些太阳能电池组串依旧发电只是太阳能电池组串电流较小，而某些组件已不发电。根据诊断规则，对不发电的太阳能电池组串将会产生熔丝告警，警告不发电的太阳能电池组串出现了异常，而实际上这种现象是正常的，不发电的组件也仍处于正常工作状态。

可见，现有的这种熔丝告警判断逻辑将会引入每日误报。

2、电流低值越限法

目前电流低值越限方法是将某一级汇流箱中所有输入端的实际输入电流in平均值乘以一个大于0小于1的安全系数(一般取50％)作为低限值Imin进行判断。当某一输入端的电流输出告警信号，其中，n为实际接入该级汇流箱的支路数。

此种方法缺陷在于：对于多级汇流监控，汇流箱中每个输入端的电流值可能是前面多级汇流箱接入的多串电池组件电流的和。例如对于二级汇流监控，二级汇流箱中每个输入端的电流值是一级汇流箱接入的多串电池组件电流之和。由于排布位置不同，同一个二级汇流箱的各输入端所接入的太阳能电池组串的数目可能不同，例如输入端1通过一级汇流箱接入5串电池组件，输入端2通过一级汇流箱接入3串组件。在这种情况下，为所有输入端统一设置一个固定的低限值就无法满足使用的需要。此外，部分电池组件的安装位置在下午或某些时刻可能被建筑物遮挡，被遮挡的电池组件输出的电流将明显低于其他电池组件输出的电流，这是正常工作状态，不应该输出告警信息。但目前的这种电流低值越限法会将处于正常工作状态但输出电流小于低限值的汇流箱或太阳能电池组串报警，产生误报。即使对于只有一级汇流的光伏电站，某些电池组件在下午、早上或某些时刻也可能被建筑物遮挡，出现个别太阳能电池组串输出回路电流明显低于其他回路时，该判定法产生的告警信息依然有可能是误报。这种因自然条件的变化产生的告警信号，会导致较高的误报率。

3、电流高值越限法

目前电流高值越限方法是将某一级汇流箱中所有输入端的实际输入电流in平均值乘以一个大于1的安全系数(一般为150％)作为高限值Imax进行判断。当某一输入端的电流输出告警信号，其中，n取实际接入该级汇流箱支路数。

此种方法缺陷与上面描述的电流低值越限法的不足相似。例如，对于二级汇流监控，二级汇流箱中每个输入端的电流值是一级汇流箱接入的多串电池组件电流的和。由于排布位置不同，同一个二级汇流箱的各输入端所接入的太阳能电池组串数目可能不同。在这种情况下，为所有输入端统一设置一个固定的高限值将无法满足使用的需要。此外，部分电池组件的安装位置在上午或某些时刻可能比其他电池组件更早或更多地暴露于阳光下，那么暴露的电池组件输出的电流将明显高于其他电池组件输出的电流，这是正常工作状态，不应该输出告警信息。但目前的这种电流高值越限法会将处于正常工作状态但输出电流大于高限值的汇流箱或太阳能电池组串报警，产生误报。即使对于只有一级汇流的光伏电站，在下午、早上或某些时刻电站被建筑物遮挡的情况下，会存在其中的部分太阳能电池组串早于其他电池串暴露在阳光下的情况，此时个别太阳能电池组串输出回路的电流将明显高于其他回路，该判定法产生的告警信息依然有可能是误报。这种因光照条件的变化产生的告警信号，会导致较高的误报率。

现有技术中还存在利用电流变化率是否发生突变来判断是否产生直流故障电弧的技术方案，该技术方案能够降低误检率。但是，首先，这种技术方案只考虑到一路电流的变化率，并未考虑到如上所述的建筑物遮挡等情况会导致太阳能电池组串的电流变化，故障误检率仍然较高；其次，在存在多级汇流箱的情况下，该技术方案仅适用于最后一级汇流箱的输出端与逆变器之间的电流采集和检测，而不能针对单独的太阳能电池组串或者上一级汇流箱的故障进行检测，这样，技术人员只是知道发生了故障，但并不知道故障发生在何处。

无论上述任何检测方法，均是在时域或者频域范围内，对汇流箱的一个单独的输入端或输出端进行电流值或者变化率的对比，不能排除环境因素造成的影响，故障误报率偏高。

发明内容

本发明的目的是降低光伏系统中的故障误检率，为此本发明的实施例提供了如下技术方案：

一种用于汇流箱的汇流检测方法，所述汇流箱包括多个输入端和一个输出端，每个输入端连接太阳能电池组串或上一级汇流箱的输出端，所述方法包括：感测各输入端的电流值；如果所述汇流箱的位置相近的输入端的电流值全部小于第一预定值，则判断所述汇流箱的输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，否则进入下一步判断；判断是否存在某输入端的电流值小于等于第二预定值而与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值，其中所述第一预定值大于所述第二预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，否则计算电流值的变化率并进入下一步判断；判断是否所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，或者所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，其中所述第三预定值小于零而所述第四预定值大于零，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。

优选地，所述汇流检测方法还包括：如果所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，或者如果所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于所述第四预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态。

优选地，所述第二预定值根据该汇流箱内的所有输入端中的最小额定电流设定。

优选地，所述第二预定值为最小额定电流的20％-30％。

优选地，所述汇流检测方法还包括：如果有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，则进行告警。

一种用于汇流箱的汇流检测系统，所述汇流箱包括多个输入端和一个输出端，每个输入端连接太阳能电池组串或上一级汇流箱的输出端，所述汇流检测系统包括：电流感测单元，用于感测各输入端的电流值；数据处理单元，用于计算各输入端的电流值的变化率；判断单元，用于根据所述电流感测单元感测到的各输入端的电流值或数据处理单元计算的各输入端的电流值的变化率判断所述输入端连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱是否处于正常工作状态，如果所述汇流箱的位置相近的输入端的电流值全部小于第一预定值，则判断所述汇流箱的输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，否则进一步判断是否存在某输入端的电流值小于等于第二预定值而与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值，其中所述第一预定值大于所述第二预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，否则进一步判断是否所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，或者所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，其中所述第三预定值小于零而所述第四预定值大于零，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。

优选地，所述判断单元还用于：如果所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，或者如果所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于所述第四预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态。

优选地，所述汇流检测系统还包括：告警单元，用于在所述判断单元判断有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态后，进行告警。

一种太阳能电站，所述太阳能电站包括太阳能电池组串、N级汇流箱、以及如上所述的汇流检测系统，其中N为大于等于2的整数，其中除一级汇流箱的输入端直接与所述太阳能电池组串连接外，其它任一级汇流箱的至少一个所述输入端与上一级汇流箱的输出端连接，所述汇流检测系统对各级汇流箱的汇流进行检测，第N级汇流箱的输出电流经逆变器接入并网点。

本发明实施例的方法及系统对汇流箱，采用相邻或相近输入端的电流值和电流值的变化率来进行相互校验，如果相邻或相近输入端的电流值全部处于一个较低范围甚至报零值，则认为造成此现象的原因为相邻或相近的太阳能电池组串全部被阴影遮挡，可直接得到各输入端连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱正常的结论，避免了采用输入端本身的绝对值判断带来的故障误判，如果存在一个输入端的电流值处于一个较低范围甚至报零值同时相邻或相近的输入端的电流值达到正常工作电流时，则能够判定该电流值较低的输入端连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱存在断路，从而检出故障。而如果某一输入端的电流值的变化率发生了低值越限或者高值越限，而相邻或相近的其它输入端的电流值的变化率同步发生低值越限或者高值越限，则认为造成此电流值的突变的原因是相邻或相近的太阳能电池组串同时进入或者离开阴影遮挡，仍然认为输入端连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱正常，避免了采用输入端本身的电流变化率带来的故障误判。

而且，本发明是对汇流箱的输入端输入电流进行感测，即，对汇流箱的各输入端电流进行检测，能够更加准确地判断出故障点，从而进行检修。

附图说明

接下来将结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明，其中：

图1是本发明的实施例的采用二级汇流光伏阵列的太阳能发电站的汇流结构示意图；

图2是本发明的实施例的汇流检测方法的流程图；

图3是本发明的实施例的太阳能发电站的汇流检测系统的结构示意图。

具体实施方式

参考图1，图中所示的是一个太阳能发电站的一部分，即仅示出了两级汇流组成的光伏阵列的一部分，在实际应用中，该光伏阵列能够继续增加汇流级别。本实施例中光伏阵列中组件连接方式为：x个(x≥1)太阳能电池板组成一个太阳能电池组串，采用n进1的一级汇流，即将n个太阳能电池组串通过同一个一级汇流箱的输入端1至输入端n进行汇流，同时再采用m进1的二级汇流，即将m个一级汇流箱的输出端输出的电流通过同一个二级汇流箱的输入端1至输入端m进行汇流，最后统一由二级汇流箱的输出端输出。i代表汇流箱各输入端输入的电流值。I代表汇流箱输出端的输出电流值。n代表一级汇流箱所能接入的最大太阳能电池组串数量，如对于型号为8进1一级汇流箱，最多有8个输入端，最多可接入8个太阳能电池组串，在实际使用时不同的一级汇流箱在实际排布时可能实际接入太阳能电池组串数量不同，如Z1-H1号汇流箱实际只接有7个输入端连接太阳能电池组串，Z1-H2号汇流箱实际连接有6个输入太阳能电池组串。m代表二级汇流箱所接能接入的最大支路数量，如对于型号为10进1二级汇流箱，最多有10个输入端，最多可连接10个一级汇流箱的输出端。若一级汇流箱为8进一的型号，那么这个10进1的二级汇流箱每个输入端的电流将是一个一级汇流箱的输出，为8个太阳能电池组串电流的和，整个二级汇流箱的输出电流最多是80个太阳能电池组串电流的和。在实际使用时不同的二级汇流箱在实际排布时可能实际接入的太阳能电池组串数量不同，如Z1汇流箱实际只接有9个一级汇流箱，Z1汇流箱的输入端1接Z1-H1号汇流箱的输出端，Z1汇流箱的输入端2接Z1-H2号汇流箱的输出端，依次类推。或者，Z1汇流箱除连接有一级汇流箱外，还存在直接连接太阳能电池组串的输入端。也就是说，对于一级汇流箱Z1-H1至Z1-Hm，一级汇流箱的n个输入端中，多个或者全部输入端与太阳能电池组串连接，并允许一级汇流箱存在空置输入端；而对于二级汇流箱Z1来说，至少有一个输入端与一级汇流箱的输出端连接其它输入端能够与太阳能电池组串连接，或者如图1所示二级汇流箱的所有在用的输入端1至输入端m分别与一级汇流箱Z1-H1至Z1-Hm连接，并且允许存在空置输入端。更高级别的汇流箱依次类推直至N级(N为整数且N≥2)。

本实施例中太阳能电站所采用的光伏阵列中各级汇流箱的各支路电路有以下关系：

1、对于一级汇流箱：以Z1-H1号汇流箱为例，其输出端的电流与输入端的电流值有如下关系：I_ZI-H1＝i₁₁+i₁₂+···+i_1n。Z1-H1号汇流箱有n个输入端，每个输入端都只接一串太阳能电池组串，那么其各输入端的电流值就是各自所接太阳能电池组串的电流，即：i_输入端1＝i₁₁。

2、对于二级汇流箱：以Z1号汇流箱为例，其输出端的电流值与输入端的电流值有如下关系：I_ZI＝i₁+i₂+···+i_m。其中，i₁为二级汇流箱Z1的输入端1的输入电流值，该电流值等于一级汇流箱Z1-H1的输出端的输出电流值I_ZI-H1，i₂至i_m依次类推。Z1号汇流箱有m个输入端，每个输入端都连接一个一级汇流箱，那么二级汇流箱Z1的各输入端的电流值就是各自所连接的一级汇流箱的输出端的电流值，实际上是n个太阳能电池组串电流值的和，即：二级汇流箱的i_输入端1＝i₁＝I_ZI-H1＝i₁₁+i₁₂+···+i_1n，i_输入端m＝i_m＝I_ZI-Hm＝i_m1+i_m2+···+i_mn。而如果Z1号汇流箱既存在直接连接太阳能电池组串的输入端，也存在连接一级汇流箱的输入端，则Z1号汇流箱的输出端的电流值等于与其直接连接的太阳能电池组串的电流值与各一级汇流箱的输出端的电流值之和。

对于N＞2的更高级别的汇流箱，计算方式依次类推，本文不再详述。第N级汇流箱的输出端的电流经逆变器接入并网点，进入供电电网。

在本申请中，“相邻或相近”的输入端指的是连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱物理位置相邻或者相近的输入端，例如在图1中的Z1-H1汇流箱，虽然该汇流箱的输入端1与输入端n之间相隔多条输入端，但如果输入端1所连接的太阳能电池组串与输入端n所连接的太阳能电池组串物理位置相邻或相近，则表示输入端1与输入端n相邻或者相近。物理位置相邻或者相近的太阳能电池组串或者汇流箱基本经历相同的光照条件变化，例如同时经历建筑物的阴影遮挡过程、或者先后经历同一建筑物的阴影遮挡。

接下来将以图2中的流程为例详细描述对图1中的太阳能电站中的各级汇流箱进行汇流检测的方法。

以对一级汇流箱Z1-H1进行汇流检测为例。

首先，进行S1步骤：感测汇流箱Z1-H1各输入端的电流值。在此，“各输入端”指的是一级汇流箱连接有太阳能电池组串的输入端，而不考虑空置输入端。

在获得各输入端的电流值后，进入S2、S3步骤：零值判断。

零值判断是通过判断被检测输入端的电流值是否接近0或为0，来判断该输入端是否正常工作。若同一汇流箱连接的太阳能电池组串中，任意一个输入端已稳定输出发电电流，而处在该汇流箱下的某一个相邻或相近的输入端电流值接近0，则该输入端报“零值”。

同一个汇流箱下某些输入端正常工作，说明当时天气情况具备发电条件，而此时某个输入端的电流值接近0或为0，说明该输入端连接的太阳能电池组串中所有太阳能电池板均未发电，或太阳能电池板发电的电流值很小。造成这种情况的原因较多，如太阳能电池组串串联的保险丝损坏或者太阳能电池组串中某个组件损坏，或者该太阳能电池组串连接有问题，等。

零值判断的原理为：

1)设置零值判断启动有效值，即第一预定值，且该第一预定值可调，当同一个汇流箱内任意个输入端的电流值大于等于第一预定值时，例如第一预定值为0.5A(此值为可设变量)，零值判断才为“否”。

2)设置零值判断有效门限值，即第二预定值，且该第二预定值可调，当同一个汇流箱内任意个输入端的电流值小于第二预定值时，例如第二预定值为0.2A(此值为可设变量)，报“零值”，视为该输入端的电流值为0。第一预定值大于第二预定值。一般，第二预定值根据该汇流箱内所有输入端中的最小额定电流设定，取该最小额定电流的20％-30％，而非取“0”值，这样更有利于判断的准确性。

在S2的判断步骤中，将所有相邻或相近的输入端的电流值与第一预定值进行比较，如果“所有相邻或相近的输入端的电流值全部小于第一预定值”的判断结果为“是”的话，则证明没有太阳能电池组串处于正常发电状态，这些太阳能电池组串或者处于第一预定值至第二预定值之间的低水平发电状态(例如0.3A)，或者处于电流值小于第二预定值的接近或者等于0的状态(例如0.1A)，或者两者兼有。而对于同一汇流箱来说，所有太阳能电池组串同时发生断路故障造成不能正常发电的概率极小，此时可以认为造成所有太阳能电池组串不能正常发电原因是这些相邻或相近的输入端连接的太阳能电池组串全部被阴影遮挡，或者全部处于太阳落山后的黑暗状态，此时应当认为这些太阳能电池组串仍然是处于正常工作状态而非故障状态。

通过上述描述可知，在S2步骤中，通过相邻或者相近的输入端的电流值的相互校验，能够将阴影遮挡、黑暗等环境因素造成的“零值”或者低电流值归入“正常”的范畴，与对单独输入端的本身的零值进行判断相比，已经实现了误报率的降低。

但是，为了在降低误报率的基础上提高故障检出率，在S2步骤中“汇流箱的所有相邻或相近的输入端的电流值全部小于第一预定值”的判断结果为“否”时，本实施例进入S3步骤：进一步判断是否存在“某输入端的电流值小于等于第二预定值而相邻或相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值”，如果判断结果为“是”，则如前所述，存在输入端的电流值大于等于第一预定值(例如0.8A)证明当时该范围内的天气情况具备发电条件，而此时仍有输入端的电流值小于等于第二预定值(例如0.1A)则证明该输入端连接的太阳能电池组串并未正常发电，此时能够判断该输入端连接的太阳能电池组串处于异常工作状态，例如断路，正确地检出了出现故障的输入端。

但是，为了进一步降低误检率和提高检出率，在本实施例中，如果S3步骤中“某输入端的电流值小于等于第二预定值而相邻或相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值”的判断结果为“否”时，还进行S4步骤：计算各输入端的电流值的变化率。在得到电流值的变化率后，再利用高值越限判断法、低值越限判断法进行S5、S6步骤的判断。

低值越限判断是通过比较电流值在预设的时间内的变化量(即电流值的变化率)来判断是否有输入端电流发生突然减小的突变(负向突变)，及突变是否超过正常限值，来判断太阳能电池组串是否正常工作。

正常情况下，光伏组件输出相对稳定，没有固定的工作电流，输出电流随辐照量的变化而变化。通常情况下，阳光的辐照量是稳定连续变化的，且受漫射等影响，不会发生跃变，因此正常情况下，太阳能电池组串输出的电流值相对稳定，不会突变，即Z1-H1汇流箱的各输入端的电流不会突变。当有故障或损坏时，太阳能电池组串输出电流将发生明显变化。因此，可以通过检测与太阳能电池组串连接的Z1-H1各输入端的实时电流变化量来判断太阳能电池组串是否正常工作。但若同一个汇流箱内有任意相邻或者相近的两路或者多路输入端同时发生电流较大负向突变时，可能是有物体遮挡或者云彩飘过造成，此时不应输出告警。

电流值的变化率是否发生低值越限的判断式为：

当(i_n(t)-i_n(0))<I_min＝li_n(0)时，判断电流低值越限。其中，l为电流低值限制系数，l小于零，从而li_n(0)为一个小于零的值，I_min也为一个小于零的值，在此称为第三预定值。此变量l可通过后台维护软件设置，与监控后台实时通信，l值可通过485通信线直接下载到设备中。n为整数，代表汇流箱内某个输入端，n最大为输入端总数。t为某个输入端计时器时间，此变量可通过后台维护软件设置,调节范围依据不同需要进行不同设置。也就是说，将一级汇流箱的输入端的电流值的变化率与一个小于零的第三预定值进行比较，如果变化率小于第三预定值，则判断该输入端连接的太阳能电池组串发生低值越限，因为变化率小于第三预定值(该第三预定值小于零)，则证明输入端电流发生了急剧减小的突变(变化率越小，电流减小越剧烈)。

高值越限判断是通过比较电流值在设置的时间内的电流值的变化量(即电流值的变化率)来判断是否有输入端的电流发生突然变大的突变(正向突变)，及突变是否超过正常限值，来判断太阳能电池组串是否正常工作。

正常情况下，光伏组件输出相对稳定，没有固定的工作电流，输出电流随辐照量的变化而变化。通常情况下，阳光的辐照量是稳定连续变化的，且受漫射等影响，不会发生跃变，因此正常情况下，太阳能电池组串输出电流相对稳定，不会突变，当有故障或损坏时，其输出电流将发生明显变化。因此，可以通过检测太阳能电池组串实时电流变化量来判断太阳能电池组串是否正常工作。但若同一个汇流箱内有任意相邻或者相近的两路或者多路输入端同时发生电流较大正向突变时，可能是因为太阳能电池组串刚刚离开物体阴影遮挡或者云彩飘过造成，此时不应输出告警。

电流值的变化率是否发生高值越限的判断式为：

当(i_n(t)-i_n(0))>I_max＝hi_n(0)时，判断电流高值越限，其中，h为电流高值限制系数，h大于零，从而hi_n(0)为一个大于零的值，I_max也为一个大于零的值，在此称为第四预定值，此变量h可通过后台维护软件设置，与监控后台实时通信，h值可通过485通信线直接下载到设备中。n为整数，代表汇流箱内某个输入端，n最大为输入端总数。t为某个输入端计时器时间，此变量可通过后台维护软件设置,调节范围依据不同需要进行不同设置。也就是说，将一级汇流箱的输入端的电流值的变化率与一个大于零的第四预定值进行比较，如果变化率大于第四预定值，则判断该输入端连接的太阳能电池组串发生高值越限，因为变化率大于第四预定值(该第四预定值大于零)，则证明输入端电流发生了急剧增大的突变(变化率越大，电流增大越剧烈)。

在完成高值越限判断与低值越限判断后，如果输入端电流并未发生高值越限或者低值越限，即在S5步骤中“输入端的电流值的变化率小于第三预定值或输入端的电流值的变化率大于第四预定值”的判断结果为“否”，或者说输入端的电流值的变化率大于等于第三预定值同时小于等于第四预定值，则判断该输入端连接的太阳能电池组串处于正常工作状态。此时，电流值的变化率并未发生高值越限和低值越限，即输入端无电流突变，例如相邻或相近的输入端的电流值全部稳定在一个大于第一预定值的较高水平，由于该输入端的电流值是缓慢达到的(即未发生突变)，此时判断输入端连接的太阳能电池组串工作正常。例如在正午时分，光照最强，此时所有相邻或者相近的输入端的电流值全部为1.5A，但此高电流是从早上到中午缓慢达到的，甚至在中午一段时间内输入端的电流值稳定在1.5A，变化率为零，此时认为造成此现象的原因是太阳光照条件良好，不应报故障，而应当判断太阳能电池组串处于正常工作状态。

而如前所述，如果在S5步骤中判断出了高值越限或者低值越限，即在S5步骤中“输入端的电流值的变化率小于第三预定值或输入端的电流值的变化率大于第四预定值”的判断结果为“是”，则还存在两种情况：

第一种情况，电流值的变化率发生了低值越限。但是，电流值的变化率发生了低值越限不一定代表出现了故障，因为在太阳能电池组串开始进入阴影遮挡或者云彩飘过时，被遮挡的太阳能电池组串也可能发生低值越限。因此本实施例增加了S6步骤的相邻或相近输入端校验，校验过程为：预设一个输入端数k1(k1≥2)，当同一个汇流箱内有k1个相邻或相近的输入端同时发生低值越限时，仍然判断太阳能电池组串工作正常，不输出告警信号。也就是说，对于某一个输入端来说，如果该输入端发生低值越限，同时与其相邻或相近的一个或者多个输入端也发生了低值越限，则认为是多个相邻或相近的太阳能电池组串同时开始进入阴影遮挡，此时仍然判断太阳能电池组串工作正常(因为同一个汇流箱的多个太阳能电池组串同时断路的可能性极小)，否则该低值越限为异常。

第二种情况，电流值的变化率发生了高值越限。但是，电流值的变化率发生了高值越限不一定代表出现了故障，因为随着太阳照射角度的变化，太阳能电池组串开始离开物体阴影遮挡或者云彩已经飘走时，被遮挡的太阳能电池组串也可能发生高值越限，因此本实施例增加了S6步骤的相邻或相近输入端校验，校验过程为：预设一个输入端数k2(k2≥2)，当同一个汇流箱内有k2个相邻或相近的输入端同时发生高值越限时，仍然判断太阳能电池组串工作正常，不输出告警信号。也就是说，对于某一个输入端来说，如果该输入端发生高值越限，同时与其相邻或相近的一个或者多个输入端也发生了高值越限，则认为是光照条件变化导致多个相邻或者相近的太阳能电池组串同时离开阴影遮挡，此时仍然判断太阳能电池组串工作正常，否则该高值越限为异常。

也就是说，在S6判断步骤中：如果输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否相邻或者相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，如果判断结果为“是”，则认为这些相邻或者相近的太阳能电池组串同时开始进入建筑物阴影遮挡，此时仍然判断该输入端连接的太阳能电池组串处于正常工作状态；或者如果输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否相邻或者相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于第四预定值，如果判断结果为“是”，则认为这些相邻或相近的太阳能电池组串同时离开了阴影遮挡，此时仍然判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。只有当上述判断结果均为“否”时，即只有单个输入端发生高值越限或者低值越限时，才判断该输入端连接的太阳能电池组串处于异常工作状态。这就排除了由于傍晚光照变化、随着时间的推移发生的建筑物阴影遮挡范围变化等环境因素的干扰，进一步减低了故障误报率，提高了故障检出率。例如，一级汇流箱Z1-H1的所有输入端的电流值均处于1.5A以上(大于第一预定值)，此时如果输入端的电流值是缓慢达到1.5A的(即，电流值的变化率未发生高值越限或低值越限)，则说明太阳能电池组串均处于良好的光照条件下并正常工作。而如果存在输入端的电流值从1.8A突然降到1.5A，或者从0.8A突然升高到1.5A(即，电流值的变化率发生了高值越限或者低值越限)，则如果相邻或相近的输入端的电流值也经历了同样的变化，证明这些输入端连接的太阳能电池组串同步进入或离开阴影遮挡，应判断处于正常工作状态，否则说明太阳能电池组串处于异常工作状态产生故障。

从上述描述可知，在零值判断时，在S2判断为“是”的情况下是允许相邻或相近的输入端的电流值接近或者等于0的，通过相邻或相近输入端的校验来对故障误报进行第一次筛除；在S2判断为“否”的情况下，利用S3步骤中的第一预定值和第二预定值对故障进行第一次检出；在S3步骤判断为“否”的情况下，再考虑电流的变化率因素，在S5判断为“否”的情况下是允许某输入端连接的太阳能电池组串缓慢变化至一个较高值的，通过高值越限和低值越限判断来对故障误报进行第二次筛除；在S5判断为“是”的情况下，再次引入相邻或者相近输入端的校验来对故障误报进行第三次筛除并对真实故障进行第二次检出。这样，排除了环境因素干扰后判断出工作状态异常的太阳能电池组串基本为自身的短路或者断路故障，故障误报率大大降低，而故障检出率得到提高。

在完成工作状态判断后，如果有输入端连接的太阳能电池组串处于异常工作状态，则进行告警。

由于光伏阵列中存在多级汇流，因此再以对二级汇流箱Z1进行汇流检测为例，对汇流检测方法进行描述。

对二级汇流箱Z1进行汇流检测的步骤、所采用的判断方法与对一级汇流箱Z1-H1进行汇流检测的步骤基本相同，区别仅在于当输入端连接的是一级汇流箱时，感测、计算和判断对象为上一级汇流箱，并且需要根据二级汇流箱的各输入端的实际连接情况对各预定值分别进行设定。

例如，在图1中所示出的二级汇流箱Z1所有输入端1至输入端m均连接的是一级汇流箱，但实际上还存在二级汇流箱Z1只有一个或者多个输入端与一级汇流箱连接，而其它输入端直接与太阳能电池组串连接的情况。此时虽然对二级汇流箱的各输入端1至输入端m所进行的感测电流值、计算电流值的变化率、高值越限判断、低值越限判断和零值判断及报警均与一级汇流箱相同，但是，当二级汇流箱中的输入端m所连接的为一级汇流箱Z1-Hm时，此输入端m的感测电流值即为一级汇流箱的输出端的输出电流值i_m，即此时该输入端的感测电流值为一级汇流箱的输出电流值而非某一太阳能电池组串的输出电流值，这就有可能造成在二级汇流箱Z1的各个输入端中，既存在来自于一级汇流箱的电流，也存在直接来自于太阳能电池组串的电流，或者二级汇流箱Z1的所有输入端的电流均为一级汇流箱的输出电流值。即使在正常工作状态下，二级汇流箱的各输入端的电流值及其变化率也有可能相差很大，因此需要根据二级汇流箱的实际连接情况，当进行零值判断时，需要对二级汇流箱Z1的输入端的第一预定值和第二预定值进行分别设定，而需要进行低值越限判断和高值越限判断时，需要再对第三预定值和第四预定值进行分别设定。

依次类推至N级汇流箱(N≥2)，根据汇流箱级别的不同，需要针对该级别的汇流箱的各输入端的实际连接情况分别设定第一预定值和第二预定值，或同时分别设定第三预定值和第四预定值。当然，这些分别设定的预定值并不一定不同。例如，当一级汇流箱的所有输入端连接的太阳能电池组串均相同、二级汇流箱的所有输入端均连接这些相同的一级汇流箱、三级汇流箱的所有输入端均连接相同的二级汇流箱，此时针对一级汇流箱、二级汇流箱、三级汇流箱进行汇流检测时所设定的第三预定值、第四预定值、第一预定值和第二预定值能够是相同的。

本实施例与现有技术相比，以仅对一级汇流箱进行检测时，其汇流箱的各输入端连接的均为太阳能电池组串，各输入端电流为单个太阳能电池组串电流为例：

1)零值判断比较

现有技术检测方法：对于每日早晚时，受光照或阴影影响，极有可能某些太阳能电池组串依旧发电只是太阳能电池组串电流较小，或者某些太阳能电池组串已不发电，这时对于不发电的太阳能电池组串将会上报熔丝告警，而实际上这是正常的，那么现有技术的这种判断逻辑将会每日均存在误报。

本实施例检测方法：能够有效解决现有技术的不足，例如对于建筑物形成的阴影遮挡，或者每日早晚的光照条件不同形成的阴影是随着时间推移连续变化的，而不是突然出现阴影，这时可通过对方法参数进行调整，取合适的比较时间，进行相邻或相近输入端的校验，对于阴影遮挡形成的电流变化不判断异常，即可有效减少误报，实验证明告警准确率有效提升40％。

2)低值越限比较

现有技术检测方法：在每日下午或者上午或者冬季阳光辐照角度偏差较大的时候，由于光伏阵列的排布不同，对于某些位置的太阳能电池组串极有可能开始被周围建筑物遮挡，这时被遮挡的太阳能电池组串电流将明显小于周围接入同一个汇流箱的其它太阳能电池组串电流，这时太阳能电池组串是处于正常工作状态的，但是现有技术将会在这些输入端判断出故障，出现误报情况。

本实施例方法：通过相邻或相近输入端的校验，能够有效解决现有技术方法的不足，有效减少由于建筑物遮挡所造成的误报，将告警准确率有效提升50％。

3)高值越限比较

现有技术缺点：在每日下午或者上午或者冬季阳光辐照角度偏差较大的时候，由于光伏阵列的排布不同，对于某些位置的太阳能电池组串极有可能开始离开周围建筑物遮挡，这时不被遮挡的太阳能电池组串电流将明显小于周围接入同一个汇流箱的其他太阳能电池组串电流，这时太阳能电池组串是处于正常工作状态的，但是现有技术将会在这些输入端判断出故障，出现误报情况。

本实施例方法：与低值越限判断类似，通过相邻或相近输入端的校验能够有效减少由于建筑物遮挡所造成的误报，将告警准确率有效提升50％。

另外，对于太阳能电池组串电流由于短路或其他情况出现故障时，例如某个太阳能电池组串电池板出现短路故障，电流将瞬间或极短时间内增大为原有电流的1.1-1.2倍，这时现有技术采用的是所有输入端电流的平均值作为比较依据，对于其中一个输入端出现短路故障是不能判断出来的。

例如：Z1H2号汇流箱有5个电流检测输入端，在某时刻各个输入端电流值如表1所示：

表1不同时刻各个输入端电流值

时间	i输入端1	i输入端2	i输入端3	i输入端4	i输入端5
						“t0”时刻	4.0	3.8	3.9	3.7	4.0
“t1”时刻	4.1	3.9	3.9	4.4	4.1

其中相对“t0”时刻，在“t1”时刻，输入端4的太阳能电池组串发生短路其电流发生了较大幅度的变化。

这时对于原均值判断方法可以看出：

没有超过高值越限，不报告警。

没有超过低值越限，不报告警。

而实际上输入端4的故障已经发生了，现有技术失效。

若利用本实施例提供的方法，只要将高值越限变化率的第四预定值设置为i_n(0)的15％，就能有效告警该类故障。

$\frac{i_{n\left(t\right)}-i_{n\left(0\right)}}{i_{n\left(0\right)}}=\frac{4.4-3.7}{3.7}=18.92\%>15\%$

输入端4的电流变化率已经超出所设置的15％高值越限系数，因此电流高值越限遥信量会置位1，上报告警信号，可有效告警该类故障。这对于有效的故障告警范围有所扩大，将准确率提升70％。而增加了相邻相近输入端的校验后，又能够避免环境影响下误报警的概率。

对于N级汇流阵列中的三级汇流箱……N级汇流箱，上述检验方法依然有效。

综合以上情况，无论太阳能电站中光伏阵列如何排布，本实施例的方法都能通过调整参数，实现对光伏阵列的有效监控，降低故障误报率、提高故障检出率。

参考图3，该图示出了图1中的太阳能电站所采用的汇流检测系统。该汇流检测系统包括：

电流感测单元，用于感测图1中的各级汇流箱的各输入端的电流值，并将所测得的电流值传送给数据处理单元。电流感测单元可通过配置霍尔元件或电流互感器进行电流模拟量的采集。电流感测单元(霍尔元件/电流互感器)数量可依据不同要求进行灵活配置，同时采集精度按照不同要求配置不同精度的元器件，从而更好的提高产品性价比。优选霍尔元件作为电流感测单元的采集元件。

数据处理单元，用于计算各输入端的电流值的变化率。

判断单元，用于根据各输入端的电流值和/或电流值的变化率来对太阳能电池组串或者上一级汇流箱是否处于正常工作状态进行判断。数据处理单元及判断单元在硬件上主要由CPU处理单元及存储单元组成，实现汇流箱各检测模块的数据处理，数据存储等功能，此外可依据不同要求烧写不同的程序，烧写程序可本地或远程进行，程序参数等可通过通信模块进行远程设置，方便使用。CPU处理单元可由具有数据处理功能的芯片或集成电路组成，优选使用单片机C8051F021作为核心CPU单元。存储单元包括ROM和RAM，其中外部存储器可依据需要配置不同容量存储器。如果汇流箱的所有相邻或相近的输入端的电流值全部小于第一预定值，则判断汇流箱的输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，否则进一步判断是否存在某输入端的电流值小于等于第二预定值而相邻或相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值，其中第一预定值大于第二预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，否则进一步判断是否输入端的电流值的变化率小于第三预定值，或者输入端的电流值的变化率大于第四预定值，其中第三预定值小于零而所述第四预定值大于零，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。

作为一个优选实施例判断单元还用于：如果输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否相邻或者相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，或者如果输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否相邻或者相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于所述第四预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态。

除上述功能单元之外，本实施例的系统还可进一步包括以下任意一个或多个单元模块：

告警单元：用于在判断单元判断有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态后，进行告警。

电源模块：主要利用DC—DC原理实现了高电压到低电压的转换，并以此为汇流检测模块、通信模块等主控电路提供工作电源。优选地，电源模块电能可以直接来自光伏阵列中的汇流箱，无需外接电源，方便施工，使用简单，极大的简化了系统设计，且电源模块功耗较小，不影响光伏阵列整体效率。优选使用耐压等级1000V，宽电压输入范围如800-400V输入，24V/5v输出的DC-DC电源模块。在实际中，也能够采用单独供电的电源模块来为汇流检测系统中的电流感测单元等供电。

电压采集单元：用于对图1中的各级汇流箱的输入端或输出端进行电压量的实时采集，并将采集的电压量传送给数据处理单元进行相关数据处理。相应地，数据采集单元可以根据电压采集单元所传送的电压值来计算各级汇流箱的输入/输出功率。判断单元可以根据输入/输入功率是否在预定范围内判断汇流箱是否处于正常工作状态，若电压或功率值超出预定范围，则判断输入端异常。

通信模块：用于对光伏阵列中的汇流箱的数据进行实时传送，例如将数据处理单元所计算获得的电流值的变化率、功率、告警信号等向监控中心传递，实现了汇流箱与监控中心的PC机等外部设备的通信。可依据用户要求及实际使用情况的不同，配置不同的通信模块，实现无线传输或有线传输，更大的方便用户使用。通信方式可设，例如使用有线通信，485通信方式，标准MODBUS协议传送。

直流防雷模块：安装在汇流箱、监控中心的PC机等需要防雷的位置，用于对汇流箱进行防雷保护。由于光伏阵列中的太阳能电池组串、汇流箱等多用于户外，因此配置直流防雷模块实现防雷保护。直流防雷模块为本领域常用电气件，具体结构本文不再详述。

断路器：耦合至汇流箱，判断单元判断有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态后，触发断路器断开。断路器电压等级优选能够达到1000V，电流等级根据太阳能电池板电流参数及汇流箱接入的输入端总数确定。

保险丝：串联在太阳能电池组串的太阳能电池板之间、太阳能电池组串与汇流箱的输入端之间、上一级汇流箱的输出端与下一级汇流箱的输入端、N级汇流箱的输出端与逆变器之间等容易发生过流的位置，用于保护电子器件免受过电流的危害，如果不加保护，此过电流有可能导致电子器件失灵、过热、损坏甚至起火。如果保险丝等级过大，无法提供保护功能，如果过小，则无法正常工作。因此在选择保险丝时，需要根据光伏阵列的额定等级以及相关标准要求而定。保险丝的最小等级可由光伏阵列中电路的短路电流计算而得，如果当地标准没有特殊要求，优选使用的保险丝及接线的额定值需要满足最小1.56倍的Isc(短路电流)取值。保险丝为本领域常用电气件，本文不再对其结构进行详述。

防反二极管：为更好的实现线路保护，可以在每一路太阳能电池组串中串接防反二极管。

如有需要，还可选配其他模拟量采集单元，如温度、湿度等。

虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不限定于上述实施例，而只受权利要求的限定，本领域普通技术人员能够容易地对其进行修改和变化，但并不离开本发明的实质构思和范围。

Claims (9)

1.一种用于汇流箱的汇流检测方法，所述汇流箱包括多个输入端和一个输出端，每个输入端连接太阳能电池组串或上一级汇流箱的输出端，其特征在于，所述方法包括：

感测各输入端的电流值；

如果所述汇流箱的位置相近的输入端的电流值全部小于第一预定值，则判断所述汇流箱的输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，否则进入下一步判断；

判断是否存在某输入端的电流值小于等于第二预定值而与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值，其中所述第一预定值大于所述第二预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，否则计算电流值的变化率并进入下一步判断；

判断是否所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，或者所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，其中所述第三预定值小于零而所述第四预定值大于零，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。

2.根据权利要求1所述的汇流检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，或者如果所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于所述第四预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态。

3.根据权利要求1所述的汇流检测方法，其特征在于，所述第二预定值根据该汇流箱内的所有输入端中的最小额定电流设定。

4.根据权利要求3所述的汇流检测方法，其特征在于，所述第二预定值为最小额定电流的20％-30％。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的汇流检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，则进行告警。

6.一种用于汇流箱的汇流检测系统，所述汇流箱包括多个输入端和一个输出端，每个输入端连接太阳能电池组串或上一级汇流箱的输出端，其特征在于，所述系统包括：

电流感测单元，用于感测各输入端的电流值；

数据处理单元，用于计算各输入端的电流值的变化率；

判断单元，用于根据所述电流感测单元感测到的各输入端的电流值或数据处理单元计算的各输入端的电流值的变化率判断所述输入端连接的太阳能电池组串或者上一级汇流箱是否处于正常工作状态，如果所述汇流箱的位置相近的输入端的电流值全部小于第一预定值，则判断所述汇流箱的输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，否则进一步判断是否存在某输入端的电流值小于等于第二预定值而与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值大于等于第一预定值，其中所述第一预定值大于所述第二预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态，否则进一步判断是否所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，或者所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，其中所述第三预定值小于零而所述第四预定值大于零，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态。

7.根据权利要求6所述的汇流检测系统，其特征在于，所述判断单元还用于：

如果所述输入端的电流值的变化率小于第三预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也小于所述第三预定值，或者如果所述输入端的电流值的变化率大于第四预定值，判断是否与所述输入端相近的一个或多个其它输入端的电流值的变化率也大于所述第四预定值，如果是，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于正常工作状态，如果否，则判断该输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态。

8.根据权利要求6或7所述的汇流检测系统，其特征在于，所述系统还包括：

告警单元，用于在所述判断单元判断有输入端连接的太阳能电池组串或上一级汇流箱处于异常工作状态后，进行告警。

9.一种太阳能电站，其特征在于，所述太阳能电站包括太阳能电池组串、N级汇流箱、以及权利要求6至8任一项所述的汇流检测系统，其中N为大于等于2的整数，其中除一级汇流箱的输入端直接与所述太阳能电池组串连接外，其它任一级汇流箱的至少一个所述输入端与上一级汇流箱的输出端连接，所述汇流检测系统对各级汇流箱的汇流进行检测，第N级汇流箱的输出电流经逆变器接入并网点。