CN108206589A - 光伏组件的工况检测系统和功率预测方法 - Google Patents

光伏组件的工况检测系统和功率预测方法 Download PDF

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吴云来
罗易
李春阳
金建波
仇展炜
吴明光
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling

Abstract

本发明公开一种光伏组件的工况检测系统和功率预测方法,系统由光伏组件检测模块、光伏组串电流检测模块,汇流箱的电压/温度检测模块,汇流箱的直流载波通信模块,汇流箱的信号处理通信主控模块,Modbus/TCP网关组成。针对光伏组件数以万计传输专线的不足,采用直流载波技术弥补传输线短板,降低了电站监控系统的复杂度;手拉手级联Modbus技术,减小了网线長度和工程造价,提高了系统的可靠性。根据综合相似度统计量,从历史日“预测日季”和天气类型的邻域中筛选出预测日的相似日,保证了筛选效率和有效性,有助于提高光伏电站短期功率预测的精度。

Description

光伏组件的工况检测系统和功率预测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光伏电站的技术范畴。特别是指面向光伏组件,通过直流载波的 光伏组串电缆、手拉手级联Modbus和TCP上传光伏组件工况参数;根据综合相似度统计量、 从历史日中筛选出预测日的相似日、基于相似日训练样本和功率预测模型,输入数值天气 预报实施光伏电站短期功率预测的方法。
背景技术
[0002] 2017年1月5日,国家能源局发布能源发展规划(以下简称规划)。“规划”制定的约 束性指标:“规划时期非化石能源消费比重提高到15%以上”,“2020年,太阳能发电装机达 至IJ 1.1亿千瓦以上”。
[0003] 光伏产业链的上、中、下游分别是硅材料提纯,太阳能电池生产与组件封装,光伏 终端应用;从技术含量高低的视角考量,依次是上、下、中游;中游门槛低,国内企业的栖身 宝地;光伏产业对外高依存度;2012年,欧美发起光伏“双反”,盲目扩张和“橄榄球型”产业 结构的可持续性首遇挑战;11家在美上市公司负债1500亿,过半企业停产或半停产。2013 年,光伏企业重新发展。首先,产业链向高附加值的上、下游拓展;标志性成果,太阳能电池 效率的持续提升,报价的不断下降:2009年20¥/WP、2013年9¥/\VT、2015年8.2WWP、 2020年7.2¥/_WP。其次,国内市场驶入高速道;代表性成果,近5年中国光伏装机:2011年 2.96¥、2012年6.16¥、2013年9.36¥、2014年12.86¥、2015年16.66胃;2013年,荣获全球第一 大光伏装机市场。规划期间,产业发展的可持续性再遇挑战,内生的挑战!光伏发电量的陡 增带动补贴资金的剧增,规划期间光伏补贴6000亿,电价附加费征4300亿,缺口 1700亿;增 附加费填补资金缺口有悖国家大政方向,走不通;2030年,光伏补贴将要终结;急需对光伏 技术进行改进。
[0004] 综观光伏的全产业链,现有技术条件下,光伏组件成本的下降空间有限,压缩光伏 电站投资的空间亦不大。提升光伏竞争力的抓手是运维,降低设备故障率。另一方面,光伏 受辐照、温度等气象因素影响,出力具有明显的间歇性和随机波动性,大规模光伏并网增加 了电网调度难度;企及电网消纳更多的光伏发电量,很大程度上有赖高精度的功率预测方 法。min旋转备用容量是高效电网的基本特征,高精度预测冲抵光伏的不确定性,有助于旋 转备用容量的min。
[0005] 降低设备故障率是减少光伏电站非计划电量损失,经济效益更上一层楼的前提。 逆变器曾是电站的薄弱环节、主故障源。时至今日,标配自检功能的逆变器不背“主故障源” 锅。相反,数量众多、分布广泛的光伏组件和直流汇流箱故障率呈现增加态势。追根溯源,逆 变器功率器件、结构设计取得重大突破,故障率一降再降;与主故障源渐行渐远。2012年是 中国光伏电站大规模建设的元年;当年投运的电站历时数年,组件的瑕疵隐患逐渐浮出水 面,演变成故障源主角。以30丽电站为例,设计配置120000块250W/块的光伏组件;组件室 外安装,常年与风沙雨雪为伴。组件故障类型共三种:组件老化、裂片和热斑;应对技术是组 件接线盒中内嵌检测模块,检测组件的工况参数。注意,组件级工况参数经“120000”对专线 上传,电站监控系统的复杂度将达难以置信的高度,可靠性的大利空!不妨求助直流载波技 术解困。电站运行表明,组件上传的工况参数通过Modbus和TCP至监控中心;Modbus星形网 络架构的网线長度过長,减小网线長度和工程造价,提高系统可靠性的解决方案是设计手 拉手级联Modbus。
[0006] 业界在光伏发电功率预测上形成两点共识。第一,太阳辐射和温度对出力的影响 最大,其中辐射的影响尤大;故降维处理预测模型输入空间时,评价参数应选辐射和温度。 第二,基于相似日原理的功率预测。目前,光伏发电功率预测的主流是立足历史运行数据、 气象因素的统计方法。例如,多元线性回归,缺点随机误差较大;神经网络,缺点易陷局部极 值;支持向量机:分多种天气类型建模,但模型参数选择的难度广受诟病;组合预测,组合支 持向量机、神经网络、持续法等,克服单一方法局限性,缺乏表征光伏功率非线性变化的能 力。此外,还有小波理论和极限学习机、时间序列、马尔可夫链、灰色预测等等;一言蔽之,学 术界的预测方法无一例外悉数登台;预测方法比拼,难分伯仲!因此,决定预测精度的第一 要素并非何种预测方法,问题的关键是预测使用的数据质量一历史日中筛选相似日的相 似度!
[0007] 历史日按四季粗分;归并气象专业的33种天气,二次细分:四(晴、多云、阵雨、大 雨)或五或六种类型。相似日理论源自电网需求侧的负荷预测,光伏功率预测则相反一电网 供给侧的功率预测。因相似气象条件下的光伏功率高度相似,常选与预测日同季、气象条件 相似的历史日充当相似日、即相似日样本;基于相似日样本和模型,输入预测日数值天气预 报,输出功率预测值。鉴于季节特征具有时间缓变特点;故以预测日为基准,向前/后45天, 构成91天的“预测日季”;显然,“预测日季”中筛选相似日,较传统的春夏秋冬四季筛选更科 学更有效。上述“二次细分”属定性分类,故筛选相似日的历史日应扩至天气类型的邻域;如 预测日属晴天,则需从历史日中的“晴天”和“多云”中筛选相似日。
[0008] 为提高预测精度,借鉴相似日理论的精华,提出综合相似度统计量筛选相似日。所 谓的综合有三重含义:1、相似度评价指标不仅考虑值相似,而且兼顾形相似,“值”和“形”两 维度的综合评估一全面评价相似日的相似度。2、评价相似度参数的综合,包括对出力影响 最大的辐射和温度,使相似日的相似度评价在广度上更全面。3、延拓相似日,既统计预测日 与历史日中相似日的相似度,也统计预测日与相似日的趋势相似度,即综合考察预测日前 两天、前一天、后一天与相似日前两天、前一天、后一天的相似度,使相似日的相似度评价在 深度上更深入。必须指出,电站历史运行数据的积累是综合相似度统计量的基石。光伏组件 工况检测系统和功率预测方法较有代表性的知识产权成果综述如下:
[0009] •发明专利“光伏组件用接线盒的监测方法”(ZL201010262331.4),提出接线盒内 设电信号采集点,采集处理后,通过传输通道输出到终端监控器。
[0010] •发明专利“一种基于相似数据选取的光伏电站输出功率预测方法”(ZL 201310303922.5) ,提出相似数据选光伏电站输出功率预测方法:采集历史/预测天辐照值 和温度值,选相似天,确定相似天功率所占权重,输出预测值。
[0011] •发明专利“一种基于组合权重相似日选取的光伏功率预测方法”(申请号 201610590509.5) ,提出利用相似变量的基值点误差,采用组合权重法求相似误差,定相似 日,将相似日输出功率按不同权重系数加权得预测功率的方法。
[0012] 专利1专注光伏组件的检测,但检测参数传输的可行性值得商榷。专利2、3基于相 似日理论建模,借助组合权重改进精度,效果有限。现有研究成果存在局限,因此,有必要作 进一步的创新设计。
发明内容
[0013] 本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种光伏组件的工况检测系统和光伏 电站短期功率预测方法。
[0014] 光伏组件的工况检测系统,系统由包括第1光伏组串的第一光伏组件检测模块、第 1光伏组串的第二光伏组件检测模块、第1光伏组串的第三光伏组件检测模块、第1光伏组串 的第四光伏组件检测模块的第1光伏组串的光伏组件检测模块,与第1光伏组串光伏组件检 测模块结构相同的第2光伏组串的光伏组件检测模块、第3光伏组串的光伏组件检测模块、 第4光伏组串的光伏组件检测模块,第1光伏组串的电流检测模块、第2光伏组串的电流检测 模块、第3光伏组串的电流检测模块、第4光伏组串的电流检测模块、汇流箱的电压检测模 块、汇流箱的温度检测模块、汇流箱的直流载波通信模块、汇流箱的信号处理通信主控模 块、Modbus/TCP网关组成;第1光伏组串的电流检测模块、第2光伏组串的电流检测模块、第3 光伏组串的电流检测模块、第4光伏组串的电流检测模块、汇流箱的电压检测模块、汇流箱 的温度检测模块、汇流箱的直流载波通信模块与汇流箱的信号处理通信主控模块相连,第1 光伏组串的光伏组件检测模块、第2光伏组串的光伏组件检测模块、第3光伏组串光伏组件 检测模块、第4光伏组串光伏组件检测模块经汇流箱的直流载波通信模块、与汇流箱的信号 处理通信主控模块相连;
[0015] 汇流箱的信号处理通信主控模块借助直流载波技术、通过光伏组串电缆与光伏组 件检测模块进行通信,构成直流载波Modbus网络,直流载波Modbus网络中,光伏组件检测模 块为从机,汇流箱的信号处理通信主控模块为主机,遵循Modbus主从协议交换信息;距离< 300m,汇流箱的信号处理通信主控模块采用专线Modbus组网,距离>300m,汇流箱的信号处 理通信主控模块经Modbus/TCP网关组网,即光伏组件的工况检测系统为三层网络架构:底 层直流载波Modbus、中层专线Modbus、顶层TCP;专线Modbus网络中,汇流箱的信号处理通信 主控模块为从机,Modbus/TCP网关为主机,遵循Modbus主从协议交换信息;顶层TCP网络 中,Modbus/TCP网关之间则遵循TCP协议交换信息,基于Modbus帧嵌入TCP帧的隧道技术, TCP传输Modbus协议数据;
[0016] 光伏电站由光伏阵列、汇流箱、逆变器、交流低压开关柜、升压变压器组成;光伏组 件按设计要求串联成光伏组串,通过光伏组串电缆、接入汇流箱,提供汇流箱额定电压电流 参数的光伏组串电能;汇流箱汇集的光伏能至逆变器,交流低压开关柜和升压变压器;光伏 组件检测模块内嵌在光伏组件的接线盒内,检测该光伏组件的端电压,光伏组件检测模块 并接在接线盒的正负端,接线盒紧贴光伏组件的背板安装,光伏组件检测模块的温度传感 器敏感元、采用导热硅脂CW001固定在与背板接触的接线盒壳体上。
[0017] 作为一种优选方案,第1光伏组串的第一光伏组件检测模块包括型号HBV05A3.3光 伏组件的霍尔电压传感器单元、型号DS18B20光伏组件的温度传感器单元、ATmegal28芯片 为核心光伏组件的信号处理通信主控单元、MM1192芯片为核心光伏组件的直流载波通信单 元;光伏组件的霍尔电压传感器单元HBV05A3.3脚5、6分别与光伏组件接线盒的正、负端相 连,HBV05A3.3脚3接地、脚4接Vcc,HBV05A3.3脚2与ATmegal28脚55相连;光伏组件的温度 传感器单元DS18B20脚1接地、脚3接入Vcc,脚2和脚3之间并接R〇,DS18B20脚2与ATmegal28 脚11相连;光伏组件的信号处理通信主控单元ATmegal28脚49、50、51分别与MM1192脚6、5、 1相连,ATmega 128脚49、51分别经R2、R1接地;C1的两端分别与光伏组件的直流载波通信单 元1^1192脚3、4相连,1^1192脚15、16分别经1?7和(:6、1?6和(:5接入光伏组件接线盒的负、正 端,MM1192脚11与Vcc和C2的一端相连,C2的另一端与MM1192脚13相连;DjPD2串联、D3和D4 串联、D2和D4的另一端接地,DjPD3的另一端分别与MMl 192脚14、12相连;R3、R4的一端分别 与匪1192脚14、12相连,另一端分别与MM1192脚9和1^的一端、脚10和L2的一端相连;L^L2 的另一端并接R3,分别经C3、C4接入光伏组件接线盒的正、负端;
[0018] 光伏组件的霍尔电压、温度传感器单元分别采集光伏组件的电压、温度,光伏组件 的信号处理通信主控单元处理采集的电压和温度参数;处理后的电压和温度工况参数通过 光伏组件的直流载波通信单元,经光伏组串电缆至汇流箱的直流载波通信模块、汇流箱的 信号处理通信主控模块;汇流箱的直流载波通信模块与光伏组件的直流载波通信单元构成 直流载波Modbus网络,交换信息采用RTU报文帧格式:地址1字节,功能码1字节,数据占0〜 252字节,CRC校验2字节,报文帧之间彡3.5字符的时间间隔;报文帧的第一个字节为地址, 地址取值范围为0〜255,地址0为广播地址,功能码取值为1〜255。
[0019] 作为一种优选方案,汇流箱的信号处理通信主控模块包括汇流箱的信号处理主控 单元、汇流箱的RS485通信单元、汇流箱的手拉手级联单元,汇流箱的信号处理主控单元MCU 是ATmegal28,汇流箱的RS485通信单元磁隔离RS485芯片是ADM2483,汇流箱的直流载波通 信模块以MM1192芯片为核心;ATmegal28脚49、50、51分别与MM1192脚6、5、1相连,ATmegal28 脚3、2分别与ADM2483脚3、6相连,ADM2483脚13、12分别导出财85^485,接入手拉手级联单 元;手拉手级联单元由两组相同的三口二端接线柱组成,三口分别称B、A、GND 口; B485、A485 分别接入两组接线柱的B、A 口的一端,两组接线柱的GND口接地;第一组B口的另一端接前 一 RS485节点B口的引出线,第二组B口的另一端引出线接下一RS485节点B口,A口类同; MM1192脚9、16经光伏组串电缆正端发送、接收光伏组件的直流载波信号,MM1192脚10、15经 光伏组串电缆负端发送、接收光伏组件的直流载波信号。
[0020] 所述检测系统的光伏电站短期功率预测方法,其特征在于方法的流程是;
[0021] 变量说明
[0022] 距离相似度distance_similarity,DS
[0023] 形状相似度 form_simi Iarity,FS
[0024] 福照距离相似度:[1'抑(1丨&amp;1:;[011_(1丨8七&amp;1106_8;[111;[1&amp;1';^7,103
[0025] 福照形状相似度irradiation_form_simila;rity,IFS
[0026] 福照相似度irradiation_similarity,IS
[0027] 温度距离相似度 temperature_distance_similarity,TDS
[0028] 温度形状相似度 temperature_form_simi Iarity,TFS
[0029] 温度相似度 temperature_simi Iarity,TS
[0030] 福照温度相似度irradiation_temperature_similarity,ITS
[0031] 综合相似度 compos ite_simi larity,CS
[0032] 算法说明
[0033] 数据最大最小值法的归一化算法
Figure CN108206589AD00081
[0034] 辐照距离相似度IDS计算公式
Figure CN108206589AD00091
[0036] 式中Ij[ ]、Ipredict[]历史、预测日福照数组,9-18点、记录周期15minute [0037]辐照形状相似度IFS计算公式
Figure CN108206589AD00092
[0039]辐照相似度IS计算公式
Figure CN108206589AD00093
[0041] 式中距离相似度权重Ad、形状相似度权重λF,Ad = λΡ = 〇. 5
[0042] 温度相似度TS计算公式
Figure CN108206589AD00094
[0044] 式中Tj[ ]、Tpredict[]分别为历史、预测日温度数组,9-18点、记录周期15minute
[0045] 温度距离相似度TDS (Tj ,Tpredict)、温度形状相似度
[0046] TFS (TjJpredict)
[0047] 辐照温度相似度ITS计算公式
Figure CN108206589AD00095
[0049] 式中辐照相似度权重%、温度相似度权重
Figure CN108206589AD00096
[0050] 综合相似度CS计算公式
Figure CN108206589AD00097
[0052] 式中相似日相似度权重θ〇、相似日前一天相似度权重0^00 = 0.8,θ-1 = 〇. 1
[0053] 相似日前二天相似度权重θ-2、相似日后一天相似度权重Θ+1Θ_2 = Θ+1 = 〇. 〇5
[0054] 光伏电站短期功率预测方法的流程
[0055] S0、光伏电站历史日数据库的辐照、温度、发电量,按公式⑼归一化
[0056] Sl、输入预测日和预测日后一天的数值天气预报,按公式⑼归一化
[0057] S2、对应今年预测日前、后45天,定义历史日数据库91天的“预测日季”
[0058] S3、历年“预测日季”集合中,抽取与预测日相同或相邻天气类型的日,
[0059] 列入待选相似日样本
[0060] S4、待选相似日样本元素,按公式(1)、⑵、(3)、⑷和⑸,
[0061] 逐一求取福照温度相似度ITS (j ,predict)
[0062] S5、选取辐照温度相似度ITS最大的8日,作为预测日的后备相似日样本
[0063] S6、后备相似日样本元素,按公式⑹求取综合相似度CS (j,predict)
[0064] S7、选取综合相似度CS最大的4日,作为预测日的相似日样本
[0065] S8、用相似日样本训练功率预测模型,输入预测日数值天气预报,输出预测日的光 伏电站功率。
[0066] 本发明与背景技术相比,具有的有益效果是:
[0067] 光伏组件的工况检测系统,针对光伏组件数以万计工况参数传输线的不足,采用 直流载波技术经光伏组件电缆传输工况参数,补全了工况数据传输专线的短板,降低了电 站监控系统的复杂度,提高了系统的可靠性;手拉手级联Modbus,减小了网线長度和工程造 价,进一步提高了系统可靠性。根据综合相似度统计量,从历史日“预测日季”和天气类型的 邻域中筛选出预测日的相似日,保证了筛选的效率和完备性;值相似结合形相似的相似度 评价指标,使相似度的评价客观全面;相似度内涵综合了对出力影响最大的辐射和温度参 数,使相似日的相似度评价在广度上更全面;延拓相似日,既统计预测日与相似日的相似 度,也统计预测日与相似日的趋势相似度,使相似日的相似度评价在深度上更全面。
附图说明
[0068] 图I (a)是光伏组件工况检测系统的原理框图;
[0069] 图1⑹是光伏电站的结构简图;
[0070] 图2 (a)是第1光伏组串的第一光伏组件检测模块电路图;
[0071] 图2⑹是Modbus协议的RTU报文帧格式;
[0072] 图3 (a)是汇流箱的信号处理通信主控模块电路图;
[0073] 图3⑹是手拉手级联Modbus节点的接线图;
[0074] 图4是光伏电站短期功率预测方法的流程图。
具体实施方式
[0075] 下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0076] 实施例:
[0077] 本实施例一种光伏组件的工况检测系统,如图I (a)、图1⑹所示,系统由包括第1 光伏组串的第一光伏组件检测模块10、第1光伏组串的第二光伏组件检测模块20、第1光伏 组串的第三光伏组件检测模块30、第1光伏组串的第四光伏组件检测模块40的第1光伏组串 的光伏组件检测模块,与第1光伏组串光伏组件检测模块结构相同的第2光伏组串的光伏组 件检测模块、第3光伏组串的光伏组件检测模块、第4光伏组串的光伏组件检测模块,第1光 伏组串的电流检测模块100、第2光伏组串的电流检测模块200、第3光伏组串的电流检测模 块300、第4光伏组串的电流检测模块400、汇流箱的电压检测模块500、汇流箱的温度检测模 块600、汇流箱的直流载波通信模块900、汇流箱的信号处理通信主控模块700、Modbus/TCP 网关800组成;第1光伏组串的电流检测模块100、第2光伏组串的电流检测模块200、第3光伏 组串的电流检测模块300、第4光伏组串的电流检测模块400、汇流箱的电压检测模块500、汇 流箱的温度检测模块600、汇流箱的直流载波通信模块900与汇流箱的信号处理通信主控模 块700相连,第1光伏组串的光伏组件检测模块、第2光伏组串的光伏组件检测模块、第3光伏 组串光伏组件检测模块、第4光伏组串光伏组件检测模块经汇流箱的直流载波通信模块 900、与汇流箱的信号处理通信主控模块700相连;
[0078] 汇流箱的信号处理通信主控模块700借助直流载波技术、通过光伏组串电缆与光 伏组件检测模块进行通信,构成直流载波Modbus网络,直流载波Modbus网络中,光伏组件检 测模块为从机,汇流箱的信号处理通信主控模块700为主机,遵循Modbus主从协议交换信 息;距离彡300m,汇流箱的信号处理通信主控模块700采用专线Modbus组网,距离>300m, 汇流箱的信号处理通信主控模块700经Modbus/TCP网关800组网,即光伏组件的工况检测 系统为三层网络架构:底层直流载波Modbus、中层专线Modbus、顶层TCP;专线Modbus网络 中,汇流箱的信号处理通信主控模块700为从机,Modbus/TCP网关800为主机,遵循Modbus 主从协议交换信息;顶层TCP网络中,Modbus/TCP网关800之间则遵循TCP协议交换信息,基 于Modbus帧嵌入TCP帧的隧道技术,TCP传输Modbus协议数据;
[0079] 光伏电站由光伏阵列、汇流箱、逆变器、交流低压开关柜、升压变压器组成;光伏组 件按设计要求串联成光伏组串,通过光伏组串电缆、接入汇流箱,提供汇流箱额定电压电流 参数的光伏组串电能;汇流箱汇集的光伏能至逆变器,交流低压开关柜和升压变压器;光伏 组件检测模块内嵌在光伏组件的接线盒内,光伏组件检测模块并接在接线盒的正负端,检 测该光伏组件的端电压,接线盒紧贴光伏组件的背板安装,光伏组件检测模块的温度传感 器敏感元、采用导热硅脂CWOOl固定在与背板接触的接线盒壳体上。
[0080] 说明1:不失一般性,令4块光伏组件串联成1路光伏组串,导入汇流箱的光伏组串 数=4路;考虑表述的完整性,简述光伏电站的结构;与专利权力要求无直接关系的内容,附 图中用虚线框标注予以区分,文字简述之。有关汇流箱和Modbus/TCP网关的详细描述,请参 阅本课题组提交的发明专利“光伏电站汇流箱的检测系统和方法”。
[0081] 如图2(a)、图2(b)、图1(a)所示,第1光伏组串的第一光伏组件检测模块10包括型 号HBV05A3.3光伏组件的霍尔电压传感器单元、型号DS18B20光伏组件的温度传感器单元、 ATmegal28芯片为核心光伏组件的信号处理通信主控单元、MM1192芯片为核心光伏组件的 直流载波通信单元;光伏组件的霍尔电压传感器单元HBV05A3.3脚5、6分别与光伏组件接 线盒的正、负端相连,HBV05A3 · 3脚3接地、脚4接Vcc,HBV05A3 · 3脚2与ATmegal28脚55相 连;光伏组件的温度传感器单元DS18B20脚1接地、脚3接入Vcc,脚2和脚3之间并接R0, DS18B20脚2与ATmegal28脚11相连;光伏组件的信号处理通信主控单元ATmegal28脚49、 50、51分别与匪1192脚6、5、1相连41'!1^^3128脚49、51分别经1?2、1?1接地;(:1的两端分别与 光伏组件的直流载波通信单元MMl 192脚3、4相连,MMl 192脚15、16分别经R7和C6、R6和(:5接 入光伏组件接线盒的负、正端,匪1192脚11与Va和C2的一端相连,C2的另一端与匪1192脚13 相连;DjPD2串联、D3和D4串联、D2和D4的另一端接地,DjPD3的另一端分别与MM1192脚14、12 相连;R3、R4的一端分别与匪1192脚14、12相连,另一端分别与匪1192脚9和1^的一端、脚10和 L2的一端相连;L1J2的另一端并接R3,分别经C3、C4接入光伏组件接线盒的正、负端;
[0082] 光伏组件的霍尔电压、温度传感器单元分别采集光伏组件的电压、温度,光伏组件 的信号处理通信主控单元处理采集的电压和温度参数;处理后的电压和温度工况参数通过 光伏组件的直流载波通信单元,经光伏组串电缆至汇流箱的直流载波通信模块900、汇流箱 的信号处理通信主控模块700;汇流箱的直流载波通信模块900与光伏组件的直流载波通信 单元构成直流载波Modbus网络,交换信息采用RTU报文帧格式:地址1字节,功能码1字节,数 据占0〜252字节,CRC校验2字节,报文帧之间多3.5字符的时间间隔;报文帧的第一个字节 为地址,地址取值范围为0〜255,地址0为广播地址,功能码取值为1〜255。
[0083] 说明2:光伏组件检测模块采集光伏组件的电压、温度工况参数;鉴于光伏组串由 光伏组件串联而成,因此,省略检测光伏组件的电流工况参数,由汇流箱的光伏组串电流检 测模块提供:降低了检测系统的复杂性及成本,提高了检测系统的可靠性。
[0084] 如图3所示,汇流箱的信号处理通信主控模块700包括汇流箱的信号处理主控单元 710、汇流箱的RS485通信单元720、汇流箱的手拉手级联单元730,汇流箱的信号处理主控单 元710MCU是ATmegal28,汇流箱的RS485通信单元720磁隔离RS485芯片是ADM2483,汇流箱 的直流载波通信模块900以匪1192芯片为核心;41'11^^3128脚49、50、51分别与]\^1192脚6、 5、1相连,ATmegal28 脚3、2分别与4012483脚3、6相连4012483脚13、12分别导出8485、 A485,接入手拉手级联单元730;手拉手级联单元730由两组相同的三口二端接线柱组成,三 口分别称B、A、GND口;B485、A485分别接入两组接线柱的B、A口的一端,两组接线柱的GND口 接地;第一组B口的另一端接前一RS485节点B口的引出线,第二组B口的另一端引出线接下 一RS485节点B口,A口类同;MM1192脚9、16经光伏组串电缆正端发送、接收光伏组件的直流 载波信号,MMl 192脚10、15经光伏组串电缆负端发送、接收光伏组件的直流载波信号。
[0085] 说明3:有关第1 /2/3/4光伏组串的电流检测模块、汇流箱的电压检测模块、汇流箱 的温度检测模块描述,请参阅本课题组提交的发明专利“光伏电站汇流箱的检测系统和方 法”;考虑表述的简洁性,简述汇流箱的直流载波通信模块。
[0086] 如图4所示,光伏电站短期功率预测的方法如下:
[0087] 变量说明
[0088] 距离相似度distance_similarity,DS
[0089] 形状相似度 form_simi Iarity,FS
[0090] 福照距离相似度:[1^^(1丨&amp;1:;[011_(1丨8七&amp;1106_8;[111;[1&amp;1';^7,103
[0091] 福照形状相似度irradiation_f orm_simi Iarity,IFS
[0092] 福照相似度irradiation_similarity,IS
[0093] 温度距离相似度 temperature_distance_similarity,TDS
[0094] 温度形状相似度 temperature_form_simi Iarity,TFS
[0095] 温度相似度 temperature_simi Iarity,TS
[0096] 福照温度相似度irradiation_temperature_similarity,ITS
[0097] 综合相似度 compos ite_simi larity,CS
[0098] 算法说明
[0099] 数据最大最小值法的归一化算法
Figure CN108206589AD00121
[0100] 辐照距离相似度IDS计算公式
Figure CN108206589AD00122
[0102] 式中Ij[ ],Ipredict[]分别为历史、预测日福照数组,9-18点、记录周期15minute [0103]辐照形状相似度IFS计算公式
Figure CN108206589AD00123
[0105]辐照相似度IS计算公式
Figure CN108206589AD00124
[0107] 式中距离相似度权重Ad、形状相似度权重λF,Ad = λρ = 〇. 5
[0108] 温度相似度TS计算公式
Figure CN108206589AD00131
[0110] 式中Tj[ ]、Tpredict[]分别为历史、预测日温度数组,9-18点、记录周期15minute
[0111] 温度距离相似度了05〇^,了?代乜(^)、温度形状相似度
[0112] TFS (TjJpredict)
[0113] 辐照温度相似度ITS计算公式
Figure CN108206589AD00132
[0115] 式中辐照相似度权重物、温度相似度权重
Figure CN108206589AD00133
[0116] 综合相似度CS计算公式
Figure CN108206589AD00134
[0118] 式中相似日相似度权重θ〇、相似日前一天相似度权重04() = 0.8,Θ-ρΟ . 1
[0119] 相似日前二天相似度权重θ-2、相似日后一天相似度权重Θ+1Θ_2 = Θ+1 = 〇. 〇5
[0120] 光伏电站短期功率预测方法的流程
[0121] S0、光伏电站历史日数据库的辐照、温度、发电量,按公式⑼归一化
[0122] Sl、输入预测日和预测日后一天的数值天气预报,按公式⑼归一化
[0123] S2、对应今年预测日前、后45天,定义历史日数据库91天的“预测日季”
[0124] S3、历年“预测日季”集合中,抽取与预测日相同或相邻天气类型的日,
[0125] 列入待选相似日样本
[0126] S4、待选相似日样本元素,按公式(1)、⑵、(3)、⑷和⑸,
[0127] 逐一求取福照温度相似度ITS (j ,predict)
[0128] S5、选取辐照温度相似度ITS最大的8日,作为预测日的后备相似日样本
[0129] S6、后备相似日样本元素,按公式⑹求取综合相似度CS (j,predict)
[0130] S7、选取综合相似度CS最大的4日,作为预测日的相似日样本
[0131] S8、用相似日样本训练功率预测模型,输入预测日数值天气预报,输出预测日的光 伏电站功率。
[0132] 说明4:不失一般性,相似日样本暂定4天,可按需调整样本的大小。
Figure CN108206589AD00135
Figure CN108206589AD00136
源自本公司的工程实践,宜根据光伏 电站的实际修正。“预测日季”沿用一年四季的习惯称谓,例如2017年5月16日为预测日,预 测日前/后45天=[2017年4月16日〜2017年6月15日];则“预测日季”为2016/2015/ 2014/。。。的[4月16日〜6月15日]。本文的天气类型分四种,晴天、多云、阵雨、大雨。功率预 测模型和功率预测,以“杨晓伟.支持向量机的算法设计与分析[M].北京:科学出版社, 2013”为例,简述如下:
Figure CN108206589AD00137
[0134] 式中IRRADIATION ⑴ eR、TEMPERATURE ⑴ eR,输入向量
[0135]
Figure CN108206589AD00138
,输出向量(ί = 1,2,···,ηι)
[0136] 构造回归函数
Figure CN108206589AD00139
[0137] 式中ω加权向量,ω eR2,b常量,beR,x输入向量GR2
[0138] LS-SVM目标误差
Figure CN108206589AD00141
[0139] 约束条件
Figure CN108206589AD00142
[0140] 式中e⑴误差变量;γ >0惩罚参数。
[0141] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1. 一种光伏组件的工况检测系统,其特征在于系统由包括第1光伏组串的第一光伏组 件检测模块(10)、第1光伏组串的第二光伏组件检测模块(20)、第1光伏组串的第三光伏组 件检测模块(30)、第1光伏组串的第四光伏组件检测模块(40)的第1光伏组串的光伏组件检 测模块,与第1光伏组串光伏组件检测模块结构相同的第2光伏组串的光伏组件检测模块、 第3光伏组串的光伏组件检测模块、第4光伏组串的光伏组件检测模块,第1光伏组串的电流 检测模块(100)、第2光伏组串的电流检测模块(200)、第3光伏组串的电流检测模块(300)、 第4光伏组串的电流检测模块(400)、汇流箱的电压检测模块(500)、汇流箱的温度检测模块 (600)、汇流箱的直流载波通信模块(900)、汇流箱的信号处理通信主控模块(700)、Modbus/ TCP网关(800)组成;第1光伏组串的电流检测模块(100)、第2光伏组串的电流检测模块 (200)、第3光伏组串的电流检测模块(300)、第4光伏组串的电流检测模块(400)、汇流箱的 电压检测模块(500)、汇流箱的温度检测模块(600)、汇流箱的直流载波通信模块(900)与汇 流箱的信号处理通信主控模块(700)相连,第1光伏组串的光伏组件检测模块、第2光伏组串 的光伏组件检测模块、第3光伏组串光伏组件检测模块、第4光伏组串光伏组件检测模块经 汇流箱的直流载波通信模块(900)、与汇流箱的信号处理通信主控模块(700)相连; 汇流箱的信号处理通信主控模块(700)借助直流载波技术、通过光伏组串电缆与光伏 组件检测模块进行通信,构成直流载波Modbus网络,直流载波Modbus网络中,光伏组件检测 模块为从机,汇流箱的信号处理通信主控模块(700)为主机,遵循Modbus主从协议交换信 息;距离彡300m,汇流箱的信号处理通信主控模块(700)采用专线Modbus组网,距离>300m, 汇流箱的信号处理通信主控模块(700)经Modbus/TCP网关(800)组网,即光伏组件的工况检 测系统为三层网络架构:底层直流载波Modbus、中层专线Modbus、顶层TCP;专线Modbus网络 中,汇流箱的信号处理通信主控模块(700)为从机,Modbus/TCP网关(800)为主机,遵循 Modbus主从协议交换信息;顶层TCP网络中,Modbus/TCP网关(800)之间则遵循TCP协议交换 信息,基于Modbus帧嵌入TCP帧的隧道技术,TCP传输Modbus协议数据; 光伏电站由光伏阵列、汇流箱、逆变器、交流低压开关柜、升压变压器组成;光伏组件按 设计要求串联成光伏组串,通过光伏组串电缆接入汇流箱,提供汇流箱额定电压电流参数 的光伏组串电能;汇流箱汇集的光伏能至逆变器,交流低压开关柜和升压变压器;光伏组件 检测模块内嵌在光伏组件的接线盒内、检测该光伏组件的端电压,光伏组件检测模块并接 在接线盒的正负端,接线盒紧贴光伏组件的背板安装,光伏组件检测模块的温度传感器敏 感元采用导热硅脂CW001固定在与背板接触的接线盒壳体上。
2. 根据权利要求1所述的光伏组件的工况检测系统,其特征在于所述的第1光伏组串的 第一光伏组件检测模块(10)包括型号HBV05A3.3光伏组件的霍尔电压传感器单元、型号 DS18B20光伏组件的温度传感器单元、ATmegal28芯片为核心光伏组件的信号处理通信主控 单元、MM1192芯片为核心光伏组件的直流载波通信单元;光伏组件的霍尔电压传感器单元 HBV05A3.3脚5、6分别与光伏组件接线盒的正、负端相连,HBV05A3.3脚3接地、脚4接Vcc, HBV05A3.3脚2与ATmegal28脚55相连;光伏组件的温度传感器单元DS18B20脚1接地、脚3接 入Vcc,脚2和脚3之间并接R〇,DS18B20脚2与ATmegal28脚11相连;光伏组件的信号处理通信 主控单元 ATmegal28脚49、50、51分别与 MM1192脚6、5、1相连,ATmegal28脚49、51分别经 R2、Ri 接地;&amp;的两端分别与光伏组件的直流载波通信单元1^1192脚3、4相连,1^1192脚15、16分 别经R7和〇5、1?6和(:5接入光伏组件接线盒的负、正端,匪1192脚11与Va和C2的一端相连,C2的 另一端与MM1192脚13相连;DjPD2串联、D3和D4串联、D2和D4的另一端接地,DjPD3的另一端分 别与MM1192脚14、12相连;此、1?4的一端分别与111192脚14、12相连,另一端分别与111192脚9 和1^的一端、脚10和1^2的一端相连;I^L2的另一端并接R3,分别经C3、C4接入光伏组件接线盒 的正、负端; 光伏组件的霍尔电压、温度传感器单元分别采集光伏组件的电压、温度,光伏组件的信 号处理通信主控单元处理采集的电压和温度参数;处理后的电压和温度工况参数通过光伏 组件的直流载波通信单元,经光伏组串电缆至汇流箱的直流载波通信模块(900)、汇流箱的 信号处理通信主控模块(700);汇流箱的直流载波通信模块(900)与光伏组件的直流载波通 信单元构成直流载波Modbus网络,交换信息采用RTU报文帧格式:地址1字节,功能码1字节, 数据占〇〜252字节,CRC校验2字节,报文帧之间多3.5字符的时间间隔;报文帧的第一个字 节为地址,地址取值范围为0〜255,地址0为广播地址,功能码取值为1〜255。
3. 根据权利要求1所述的光伏组件的工况检测系统,其特征在于所述的汇流箱的信号 处理通信主控模块(700)包括汇流箱的信号处理主控单元(710)、汇流箱的RS485通信单元 (720)、汇流箱的手拉手级联单元(730),汇流箱的信号处理主控单元(710) MCU是 ATmegal28,汇流箱的RS485通信单元(720)磁隔离RS485芯片是ADM2483,汇流箱的直流载波 通信模块(900)以MMl 192芯片为核心;ATmegal28脚49、50、51分别与MMl 192脚6、5、1相连, ATmegal28脚3、2分别与ADM2483脚3、6相连,ADM2483脚13、12分别导出财85^485,接入手拉 手级联单元(730);手拉手级联单元(730)由两组相同的三口二端接线柱组成,三口分别称 B、A、GND 口; B485、A485分别接入两组接线柱的B、A 口的一端,两组接线柱的GND 口接地;第一 组B口的另一端接前一RS485节点B口的引出线,第二组B口的另一端引出线接下一RS485节 点B口,A口类同;MM1192脚9、16经光伏组串电缆正端发送、接收光伏组件的直流载波信号, MM1192脚10、15经光伏组串电缆负端发送、接收光伏组件的直流载波信号。
4. 一种使用如权利要求1所述检测系统的光伏电站短期功率预测方法,其特征在于方 法的流程是; 变量说明 距离相似度distance_simi Iarity,DS 形状相似度 f〇rm_simi Iarity,FS 福照距离相似度 irradiat ion_distance_s imi Iarity,IDS 福照形状相似度 irradiat ion_form_simi larity,IFS 福照相似度 irradiation_s imi Iarity,IS 温度距离相似度 temperature_di stance_simi Iarity,TDS 温度形状相似度 temperature_form_simi larity,TFS 温度相似度 temperature_simi Iarity,TS 福照温度相似度 irradiat ion_temperature_s imi Iarity,ITS 综合相似度 compos ite_s imi larity,CS 算法说明 数据最大最小值法的归一化算玆
Figure CN108206589AC00031
辐照距离相似度IDS计算公式
Figure CN108206589AC00041
Cl) 式中I j [ ]、IprediCt []分别为历史、预测日福照数组,9-18点、记录周期15minute 辐照形状相似度IFS计算公式
Figure CN108206589AC00042
辐照相似度IS计算公式 IS (I j , Ipredict) =λ〇 X IDS (I j , Ipredict) +λρΧ IFS (I j , Ipredict) (3) 式中距离相似度权重Ad、形状相似度权重λΡ,Ad = λΡ = 〇. 5 温度相似度TS计算公式 TS (Tj ,Tpredict) =A〇XTDS (Tj ,Tpredict) +ApXTFS (Tj ,Tpredict) (4) 式中1^[]^代乜(^[]分别为历史、预测日温度数组,9-18点、记录周期151^111^ 温度距离相似度TDS (Tj ,Tpredict)、温度形状相似度 TFS (Tj ,Tpredict) 辐照温度相似度ITS计算公式
Figure CN108206589AC00043
式中辐照相似度权重φί、温度相似度权重φτ *(pr〇.9,φτ=0.1 综合相似度CS计算公式 CS (j ,predict) = θ〇 X S (j ,predict) +θ-ι X S-i (j ,predict) +θ-2 X S-2 (j ,predict) +θ+ι X S+i (j ,predict) (6) 式中相似日相似度权重%、相似日前一天相似度权重Uo = O. 8,θ-1 = 〇. I 相似日前二天相似度权重θ-2、相似日后一天相似度权重θ+ΐθ-2= θ+1 = 〇 . 〇5 光伏电站短期功率预测方法的流程 50、 光伏电站历史日数据库的辐照、温度、发电量,按公式⑼归一化 51、 输入预测日和预测日后一天的数值天气预报,按公式⑼归一化 52、 对应今年预测日前、后45天,定义历史日数据库91天的“预测日季” 53、 历年“预测日季”集合中,抽取与预测日相同或相邻天气类型的日, 列入待选相似日样本 54、 待选相似日样本元素,按公式(1)、(2)、(3)、⑷和(5), 逐一求取福照温度相似度ITS (j ,predict) 55、 选取辐照温度相似度ITS最大的8日,作为预测日的后备相似日样本 56、 后备相似日样本元素,按公式⑹求取综合相似度CS (j,predict) 57、 选取综合相似度CS最大的4日,作为预测日的相似日样本 58、 用相似日样本训练功率预测模型,输入预测日数值天气预报,输出预测日的光伏电 站功率。
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