CN106160660A - 光伏组件故障监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件故障监测系统。该系统包括：电压监测装置，与光伏组件相连接，用于监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；数据采集装置，与电压监测装置相连接，用于按照预设周期采集模拟电压信号并根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障；控制终端，与数据采集装置相连接，用于调整预设周期。通过本发明，解决了相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题。

Description

光伏组件故障监测系统

技术领域

本发明涉及故障监测领域，具体而言，涉及一种光伏组件故障监测系统。

背景技术

一个标准光伏组件通常由60个光伏电池片组成，如图1所示，每个光伏电池片相当于一个独立的输出电源，其IV(电流-电压)特性曲线如图2所示。所有60个电池片串联起来对外输出，输出电流约为10～15A，输出电压约为30～40V。当一块光伏电池片发生故障时，该电池片的电流大大降低，就会出现如图2中第II象限的情况，成为一个压降很大的负载，压降可达30V，大压降会导致电池片迅速升温引发火灾。

现有技术中，为了防止电池片出现故障带来的安全隐患，通常在若干个电池片，例如，如图1中所示，在20个电池片中并联一个二极管，如果这20个电池片中的任意一片电池片故障，二极管可以将这20个电池片全部短路。这种方式一定程度上避免了热斑效应，降低了故障对于发电的损失，但是电站的巡视人员并无法在现场或者从后台数据发现有组件发生故障，也无法确定是哪个组件发生了故障，故障将持续存在，不仅影响了整个光伏组的功率，使之偏离最大功率点，而且具有非常危险的安全隐患。

针对相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光伏组件故障监测系统，以解决相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光伏组件故障监测系统。该系统包括：电压监测装置，与光伏组件相连接，用于监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；数据采集装置，与电压监测装置相连接，用于按照预设周期采集模拟电压信号并根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障；控制终端，与数据采集装置相连接，用于调整预设周期。

进一步地，光伏组件为多个光伏组件；电压监测装置为多个电压监测装置，多个电压监测装置与多个光伏组件一一对应连接并用于生成多个模拟电压信号，其中，多个模拟电压信号与多个光伏组件的端电压一一对应。

进一步地，数据采集装置与多个电压监测装置相连接，控制终端用于根据多个模拟电压信号判断多个光伏组件中是否有光伏组件故障。

进一步地，多个电压监测装置还分别用于在发送模拟电压信号时发送自身对应的光伏组件的地址码；控制终端还用于在根据多个模拟电压信号判断出多个光伏组件中有光伏组件故障之后根据地址码确定发生故障的光伏组件。

进一步地，多个光伏组件包括目标光伏组件，第一模拟电压信号为监测目标光伏组件生成的模拟电压信号，数据采集装置包括：采样模块，与多个电压监测装置相连接，用于采集模拟电压信号；定时模块，与采样模块相连接，用于定时发出采样信号，其中，采样信号用于指示采样模块执行采集；故障诊断模块，与采样模块相连接，用于判断第一模拟电压信号是否低于预设电压阈值，如果判断出第一模拟电压信号低于预设电压阈值，判断第一模拟电压信号与参考电压信号的误差是否超过预设误差阈值，其中，参考电压信号为根据多个模拟电压信号确定的参考电压信号；如果判断出第一模拟电压信号与参考电压信号的误差超过预设误差阈值，确定目标光伏组件故障。

进一步地，数据采集装置还包括：存储器，与采样模块相连接，用于根据当前采样得到的模拟电压信号更新历史数据库，其中，历史数据库用于存储预设时长之内采样得到的模拟电压信号。

进一步地，电压监测装置包括：降压器，用于降低端电压的电压值。

进一步地，电压监测装置包括：电压比较器，与降压器相连接，用于根据降低后的端电压的电压值确定端电压的电压值所处的区间。

进一步地，电压监测装置包括：信号编码器，与电压比较器相连接，用于根据区间输出模拟电压信号。

进一步地，电压监测装置还包括：报警电路，与电压比较器相连接，用于在区间为预设区间时发出报警。

本发明通过与光伏组件相连接的电压监测装置监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；与电压监测装置相连接的数据采集装置按照预设周期采集模拟电压信号并根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障；与数据采集装置相连接的控制终端调整预设周期，解决了相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，进而达到了准确地监测光伏组件是否故障的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的一种标准光伏组件的示意图；

图2是根据现有技术的一种光伏电池片的IV特性曲线的示意图；

图3是根据本发明第一实施例的光伏组件故障监测系统的示意图；

图4是根据本发明第二实施例的光伏组件故障监测系统的物理通讯模型的示意图；

图5是根据本发明第三实施例的光伏组件故障监测系统的原理示意图；

图6是根据本发明实施例的电压监测装置的内部结构示意图；

图7是根据本发明实施例的电压监测装置和数据采集装置的安装方式示意图；

图8是根据本发明第一实施例的光伏组件故障监测方法的流程示意图；

图9是根据本发明第二实施例的光伏组件故障监测方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的实施例提供了一种光伏组件故障监测系统。

图3是根据本发明第一实施例的光伏组件故障监测系统的示意图。如图3所示，该系统包括电压监测装置10，数据采集装置20和控制终端30。

电压监测装置与光伏组件相连接，用于监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；数据采集装置与电压监测装置相连接，用于按照预设周期采集模拟电压信号并根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障；控制终端与数据采集装置相连接，用于调整预设周期。

该实施例提供的光伏组件故障监测系统，通过与光伏组件相连接的电压监测装置监测光伏组件的端电压并根据端电压生成模拟电压信号；与电压监测装置相连接的数据采集装置按照预设周期采集模拟电压信号并根据模拟电压信号判断光伏组件是否故障；与数据采集装置相连接的控制终端调整预设周期，解决了相关技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，进而达到了准确地监测光伏组件是否故障的效果。

优选地，光伏组件为多个光伏组件；电压监测装置为多个电压监测装置，多个电压监测装置与多个光伏组件一一对应连接并用于生成多个模拟电压信号，其中，多个模拟电压信号与多个光伏组件的端电压一一对应。

优选地，数据采集装置与多个电压监测装置相连接，控制终端用于根据多个模拟电压信号判断多个光伏组件中是否有光伏组件故障。

优选地，多个电压监测装置还分别用于在发送模拟电压信号时发送自身对应的光伏组件的地址码；控制终端还用于在根据多个模拟电压信号判断出多个光伏组件中有光伏组件故障之后根据地址码确定发生故障的光伏组件。

优选地，多个光伏组件包括目标光伏组件，第一模拟电压信号为监测目标光伏组件生成的模拟电压信号，数据采集装置包括：采样模块，与多个电压监测装置相连接，用于采集模拟电压信号；定时模块，与采样模块相连接，用于定时发出采样信号，其中，采样信号用于指示采样模块执行采集；故障诊断模块，与采样模块相连接，用于判断第一模拟电压信号是否低于预设电压阈值，如果判断出第一模拟电压信号低于预设电压阈值，判断第一模拟电压信号与参考电压信号的误差是否超过预设误差阈值，其中，参考电压信号为根据多个模拟电压信号确定的参考电压信号；如果判断出第一模拟电压信号与参考电压信号的误差超过预设误差阈值，确定目标光伏组件故障。

优选地，数据采集装置还包括：存储器，与采样模块相连接，用于根据当前采样得到的模拟电压信号更新历史数据库，其中，历史数据库用于存储预设时长之内采样得到的模拟电压信号。

优选地，电压监测装置包括：降压器，用于降低端电压的电压值。

优选地，电压监测装置包括：电压比较器，与降压器相连接，用于根据降低后的端电压的电压值确定端电压的电压值所处的区间。

优选地，电压监测装置包括：信号编码器，与电压比较器相连接，用于根据区间输出模拟电压信号。

优选地，电压监测装置还包括：报警电路，与电压比较器相连接，用于在区间为预设区间时发出报警。

图4是根据本发明第二实施例的光伏组件故障监测系统的物理通讯模型的示意图。如图4所示，该实施例提供的光伏组件故障监测系统的物理通讯模型分为三级，一级单元为监控接线盒，也即上述第一实施例中的电压监测装置，二级单元为阵列数据采集器，也即上述第一实施例中的数据采集装置，三级单元为方阵信号收集装置，也即上述第一实施例中的控制终端。

在每个光伏电池组件的后面安装一个一级单元，每个光伏电池组件的功率约为250～300W。一级单元和二级单元之间通过RS485线进行通讯。二级单元可以设置在汇流箱内，每个二级单元控制一个汇流箱所汇流的所有组件对应的一级单元。二级单元可以向控制的所有一级单元发送采样命令，并采集所控制的所有一级单元的电压结果，也即，监控接线盒对光伏电池组件的端电压进行监测的结果。二级单元对每个一级单元发送的数据进行处理，进行初步地判断，如果发现异常，则将报警信息通过无线通讯的方式上报至三级单元。

监控接线盒中可以包括电压传感模块和数据传输模块。电压传感模块用于获取标准光伏组件的端电压，输出适合数据传输模块使用的小幅度电压信号；数据传输模块用于对电压传感模块输出的模拟电压信号进行数字采集，通过RS485线发送出去。每个光伏组件上的监控接线盒为第一级，由于每250～300Wp的装机就需要配备一个监控接线盒，因此需要尽可能的压缩成本和能耗。该实施例中的电压监测装置只需要隔一段时间对电压进行一次分档，并发送一个1字节的包含分档结果的信息。经实验室测试平均能耗小于1mW，能耗率在十万分之四以下。

阵列数据采集器包括数据采集模块、数据预分析模块和信号发送模块，用于定时从电压监测盒采集电压信号，通过初步分析判断是由于故障，还是光伏电池组被遮挡或弱光导致的光伏电池组输出电压异常，如果判断出现故障，则将故障异常的报警信息通过无线信号发送出去。设置汇流箱附近的阵列数据采集器为第二级，可以控制约100～200个监控器，利用低成本的RS485实现短距离通讯，阵列数据采集器中内置单片机，实现初步的故障判断，将有意义的故障信息筛选出来，无线传输到第三级，也即方阵信号收集装置。

阵列数据采集器还可以通过依次收发信号，利用反馈时间差来定位发生故障的光伏电池组件，这种定位故障的方式无需地址编码。

方阵信号收集装置用于给每个电压监测盒进行地址编码，并收集、汇总和分析阵列数据采集电路发送的故障信息，定时形成报表。可选地，该实施例提供的系统还可以包括远程终端，方阵信号收集装置用于将报表发送至远程终端。方阵信号收集装置放置在逆变器室，可以控制约10～20个数据采集器，采用PC机处理器，实现数据的深度分析、整理和储存，带有用户可视化界面，方便巡检工作人员快速查看，并通过光纤将报表汇总到远程终端。

该实施例提供的光伏组件故障监测系统通过实时监测光伏电池板的电压，并通过数据采集装置确定发生故障的组件，以及判断是否需要更换，可以独立地监测兆瓦级的光伏方阵，也可以将多个系统联用以实现对整个电站的监测。

三层的通讯结构将短距离有线通讯和无线通讯结合，可以从两方面降低成本，一是使得每个组件上的监控器尽可能简单，二是能够降低通讯成本。通过光伏电池组件的端电压判断光伏电池组件是否故障，可以采用将电压分档的方法压缩数据量，通过阵列数据采集器按照预设时间间隔定时进行采样以缩减历史数据存储量。一级单元和二级单元之间的通讯也可以不用RS485，可以采用CAN或其它低成本、窄带宽的有线通讯方式。通过二级单元和三级单元之间的通讯和数据处理的分工方式，将简单的判断放在二级单元，将详细的数据统计和处理放在三级单元，可以压缩通讯数据量，并降低二级单元的硬件成本。

图5是根据本发明第三实施例的光伏组件故障监测系统的原理示意图。如图5所示，该实施例提供的光伏组件故障监测系统的数据节点有三层，从左到右的三个框图依次为电压监测盒(也即，上述第二实施例中的监控接线盒)，阵列数据采集器和方阵信号收集装置。电压监测盒包含电压比较器、信号编码器、电压隔离保护、手动开关、光电报警信号等多个电路模块，从而实现电压的分段比较，信号编码、安全防护和光电信号提示，方便更换人员快速找到目标组件。阵列数据采集器包括以下模块：定时电压巡采、短时间历史数据存储(用于判断)、判断故障发生与否、信号编码、保护切断监控接线盒。其中判断故障发生的方法为：当组件出现低电压值时，根据历史信息进行比对判断，从而剔除假故障信号。方阵信号收集装置包括以下功能：每日给各个阵列数据采集器发送每日起停机信号、故障统计、数据储存和调用、可视化界面、电站运行情况智能分析、更改监控设置(例如，采样间隔、判断阈值等)、初始化操作(例如，IP地址分配、参数预设置等等)。电压监测盒和阵列数据采集器之间的通讯关系为：采集器给下辖的每个监测盒依次发送采样命令，监测盒收到命令后采样，并按照采样顺序发送采样结果(电压数据)回采集器，可以对电压数据进行分档以缩减电压数据的传输量，可以达到2bits，根据采样顺序发送采样结果可以使得阵列数据采集器判断位置编号，识别采样结果对应的光伏组件。阵列数据采集器和方阵信号收集装置间的通讯关系为：收集装置负责每个采集器统一进行地址编码(初始化)、同一发送时钟校正信号和更改采样控制设置参数，阵列数据采集器在发现故障时，可以发送报警信号(故障类型、位置、程度)、地址码到方阵信号收集装置。

该实施例提供的光伏组件故障监测系统成本远远低于微型逆变器、微型MPPT，相较于现有的微型逆变器和微型MPPT产品，由于微型逆变器和微型MPPT产品需要实现连接时的相位匹配功能，必须实时采样、分析，并且和汇流箱或组串节点进行数据通讯，通讯的数据中包含了组件的输出功率信息，输出功率信息包括精确的电压、电流数字信号和每块板子地址编码，数据传输量较大。而该实施例所采用的三级结构中，使用数量最多的第一级为每个组件的电压监测装置，每个组件的电压监测装置仅仅采样电压数据并输出一个1～3bit的数字信号，不进行数据分析处理，采样间隔也较长，数据传输量较小，且电路非常简单，对于通讯芯片和数据线的要求也大大降低，将比对电压值大小和分析判断故障功能放在数量只有第一级的1/20以下的二级单元中进行，能够大大降低硬件和维护成本，同时也降低了能耗。

图6是根据本发明实施例的电压监测装置的内部结构示意图。如图6所示，光伏组件的正负极线，包括光伏组件+极线和光伏组件-极线，接入盒子后，通过高压直流线与光伏方阵中的其它组件串联，高压直流线包括高压正极和高压负极，图中省略了开关和隔离保护，变压器从光伏组件的正负极线上取电，通过低压供电线为电子电路供电。电子电路包括电压监控模块和RS485芯片，RS485芯片可以对信号进行调制和发送，将监控信号通过RS485线发送出去。

图7是根据本发明实施例的电压监测装置和数据采集装置的安装方式示意图。如图7所示，在每个组件的接线盒旁粘贴电压监测装置，光伏组件的正负极线接入电压监测装置，可以将光伏组件的正负极线上的电压作为监测信号，并为其它电路模块供电。数据采集装置安装在汇流箱附件，从汇流箱内取电作为供电，取电侧为控制电路供电的一侧(弱电侧)。电压监测装置也可以采用与图7中不同的接线方式进行接线，例如，集成到光伏组件的接线盒内部。

图8是根据本发明第一实施例的光伏组件故障监测方法的流程示意图。如图8所示，该实施例提供的光伏组件故障监测方法可以通过本发明的光伏组件故障监测系统来执行。图8给出了详细的用于剔除假故障信息的数据分析对比流程图，其中虚线代表数据的读写：当某一次巡检采样结束后，将结果更新到缓存中的数据；第n个组件的电压Un，首先比较是否和Uref(t)的误差在合理范围内(其中Uref(t)是光伏方阵数据收集装置根据后台数据，每日给各个光伏阵列数据采集器提供的电压参考值数组，该数组是时刻的函数，反映出无遮挡条件下，理论应该达到电压)，如果在误差范围内，则结束判断；如果Un明显小于Uref(t)，则认为出现了异常低电压，将该电压于本次测试结果相比较，如果其电压低于一定比例的其它组件(例如80％)，则认为该低电压属于个例，进入下一个判定条件，否则认为有可能是整体性能受到环境影响(例如云层遮挡)而导致的降低，结束判断，同时将该点数据更新到疑似故障历史数据缓存；下一个判断是确定该组件是否在一段时间内(例如3～5次巡检内)均存在异常且个例的状态，如果是，则该组件有很高的概率可能损坏，则编译数据，向下一级报告，同时完成历史数据的更新。例如，在60分钟内出现异常的频率小于60％～80％，则认为可能是由于偶然原因导致，暂时忽略此故障信息；当异常频率更高时，则认为是高概率出现故障，向上一级反馈信息。上述的判定步骤也可以通过三级单元来执行，相应地，二级单元需要将每次测量的异常结果全部发送至三级单元。

图9是根据本发明第二实施例的光伏组件故障监测方法的流程示意图。该实施例提供的光伏组件故障监测方法可以通过本发明的光伏组件故障监测系统来执行。如图9所示，二级单元和三级单元之间的通讯流程可以如下：二级单元控制每隔一段时间依次向每个光伏组件发出电压采样指令，例如，10分钟～1小时发送一次电压采样指令，也即，每个电压采样指令间隔20ms左右，如果对一个100个组件组成的汇流单元，巡检只需要2s就可以完成，在这么短的时间内，可以认为光照条件没有变化，其中，降低巡检频率可以降低能耗，但损失时效性。

每个光伏组件对应的电压监测装置需要10ms左右完成数据采集和发送，二级单元依次将按照采样顺序反馈回来的数据存入数组缓存；如果一定时间内没有收到反馈信号，则表示对应的电压监测装置发生故障或对应的组件完全停止工作，需要向三级单元反馈报警信息；采样结束后根据上述的判断方法对数据进行分析，找出预判定有故障的组件，将其位置和故障电压向三级单元反馈。三级单元根据信号的内容进行分类、储存，并定时报告电站监控人员。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏组件故障监测系统，其特征在于，包括：

电压监测装置，与光伏组件相连接，用于监测所述光伏组件的端电压并根据所述端电压生成模拟电压信号；

数据采集装置，与所述电压监测装置相连接，用于按照预设周期采集所述模拟电压信号并根据所述模拟电压信号判断所述光伏组件是否故障；

控制终端，与所述数据采集装置相连接，用于调整所述预设周期。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述光伏组件为多个光伏组件；

所述电压监测装置为多个电压监测装置，所述多个电压监测装置与所述多个光伏组件一一对应连接并用于生成多个模拟电压信号，其中，所述多个模拟电压信号与所述多个光伏组件的端电压一一对应。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置与所述多个电压监测装置相连接，所述控制终端用于根据所述多个模拟电压信号判断所述多个光伏组件中是否有光伏组件故障。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述多个电压监测装置还分别用于在发送所述模拟电压信号时发送自身对应的光伏组件的地址码；

所述控制终端还用于在根据所述多个模拟电压信号判断出所述多个光伏组件中有光伏组件故障之后根据所述地址码确定发生故障的光伏组件。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个光伏组件包括目标光伏组件，第一模拟电压信号为监测所述目标光伏组件生成的模拟电压信号，所述数据采集装置包括：

采样模块，与所述多个电压监测装置相连接，用于采集所述模拟电压信号；

定时模块，与所述采样模块相连接，用于定时发出采样信号，其中，所述采样信号用于指示所述采样模块执行采集；

故障诊断模块，与所述采样模块相连接，用于判断所述第一模拟电压信号是否低于预设电压阈值，如果判断出所述第一模拟电压信号低于所述预设电压阈值，判断所述第一模拟电压信号与参考电压信号的误差是否超过预设误差阈值，其中，所述参考电压信号为根据所述多个模拟电压信号确定的参考电压信号；如果判断出所述第一模拟电压信号与所述参考电压信号的误差超过所述预设误差阈值，确定所述目标光伏组件故障。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括：

存储器，与所述采样模块相连接，用于根据当前采样得到的模拟电压信号更新历史数据库，其中，所述历史数据库用于存储预设时长之内采样得到的模拟电压信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压监测装置包括：

降压器，用于降低所述端电压的电压值。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电压监测装置包括：

电压比较器，与所述降压器相连接，用于根据降低后的所述端电压的电压值确定所述端电压的电压值所处的区间。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电压监测装置包括：

信号编码器，与所述电压比较器相连接，用于根据所述区间输出所述模拟电压信号。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电压监测装置还包括：

报警电路，与所述电压比较器相连接，用于在所述区间为预设区间时发出报警。