CN108494365A - 一种光伏组件及组件串在线失配监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，包括无线传感节点、子阵列路由节点及上位机数据管理模块；无线传感节点与光伏组件相连以测量光伏组件的运行状态；子阵列路由节点与组件串相连以测量组件串的电压和背板温度；传感节点以第一级无线传感网络与子阵列路由节点相连；子阵列路由节点以第二级无线传感网络与上位机数据管理模块相连；子阵列路由节点在收集组件串的光伏数据时，同步收集其内部光伏组件的光伏数据；上位机数据管理模块从子阵列路由节点收集光伏组件和组件串的光伏数据，并判定是否有失配故障及故障位置，本发明能够在线实时获取光伏子阵列中各个组件串及各个组件的电气和环境参数并据此判断光伏阵列的运行状况。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电阵列检测技术领域，尤其是一种光伏组件及组件串在线失配监测系统。
背景技术
光伏组件的理论使用寿命为20-30年，光伏阵列大多安装并工作在气候复杂、位置偏僻的环境中，容易受到高温、潮湿、热循环、沙尘暴、紫外线等各种极端环境的影响，极易产生各种故障（例如电池板裂纹、灰尘堆积、水腐蚀、高温、老化、短路、开路、局部遮阴等），使得故障组件的I-V特性和其他光伏组件不一致，即引起光伏组件失配故障。失配故障可能会产生较大的功率损失并对光伏阵列造成不可逆转的损坏，在极端情况下甚至可能引起火灾。同时，由于失配故障通常不会出现较大的故障电流，很难通过传统的保护装置检测到它们的存在。为了尽可能地逼近光伏组件的理论寿命，提高光伏电站的发电效率，从而降低光伏发电的成本、提高电站运营过程中的安全性，及时、高效地监测光伏组件并对其进行自动故障检测和定位十分关键，这对于检测和诊断光伏阵列的运行状态和性能具有重要意义。随着全球尤其是中国光伏发电装机量的快速增长，光伏阵列的在线监测和失配检测定位得到国内外越来越多学者和相关机构的关注。
近年来，多种光伏阵列在线监测方法与技术相继被提出，主要分为有线监测技术和无线监测技术两种。有线监测系统的信号传输是通过同轴线缆或者光纤来实现的，可以通过中继延长通信距离。利用同轴线缆实现监测有三种常见形式：RS-232串口通信、RS-485总线通信和CAN总线通信。基于RS-232的串口通信数据传输速率低、通信距离短，仅为30 m。RS-485通信解决了RS232通信距离不能超过30 m的限制，通信速度较快、距离较远，具备一定的抗干扰性。CAN总线的传输距离理论上可以达到10 km、传输时延较小，通信方式灵活。光纤通信的数据传输速率为100-200 Mbps，可以在几公里外传输数据，但是光纤很脆弱并且成本非常昂贵，安装困难。总之，有线监测技术都避免不了布线复杂、成本昂贵的缺点。无线监测技术主要包含蓝牙、Wi-Fi、Zigbee和基于GSM/GPRS无线通信。蓝牙通信技术的传输速率最高可以达到2 MB/s，不过通信距离只能在20 m以内。Wi-Fi的数据传输安全性比蓝牙差，通信范围可以达到90 m。ZigBee通信协议简单，具有低功耗、低成本、高容量的优点，被广泛应用于物联网中。一些非标准的无线收发器芯片具有低成本、低功耗等优势，也被广泛用于实现私有协议的无线传感器网络，例如nRF24L01。GSM全球移动通信系统从商用以来就被各个国家广泛采用，它利用电路交换方式实现通信，GPRS通用分组无线服务利用“交换包”的方式将数据分割成一个个独立的封装包，然后分组传输，数据传输实时性较高。
已有的故障检测方法主要有对地电容法、时域分析法、红外图像分析法、模型算法、电致发光检测法和光伏I-V特性测试法等。对地电容法和时域分析法需要停工检测，无法做到实时在线监测和故障定位。红外图像分析法利用了光伏电池发生热斑现象时温度升高的原理，通过组件的热红外图像来判断故障位置，该方法需要对组件频繁取照，并且只用于对热斑故障的检测。模型算法利用光伏阵列仿真模型获得不同环境参数下的数据，并将其与实际采集数据相比较，从而检测出阵列故障。电致发光检测法通过获取光伏组件的电致发光成像，并根据冷成像的特点检测出光伏电池的隐形缺陷，该方法要重复拆装组件，当光伏电站规模较大时非常繁琐。光伏I-V特性测试法是利用获得的I-V曲线的输出特性判断故障类型。
现有的光伏阵列在线监测系统大部分只监测阵列级或者组串级参数，未能实现组件级的高精度监测，并且未能对故障进行自动检测、定位及预警。
针对上述光伏阵列在线监测系统存在的不足，本发明提出一种基于两级无线传感网络的光伏组件及组件串在线失配监测系统，该系统能够自动在线实时获取光伏阵列中各个组件串及组件的参数，并利用这些数据定位出发生失配的组件串和组件。
目前，公开发表的文献及专利中尚未见有本发明所提出的基于两级无线传感器网络的光伏组件串及组件级别的在线监测系统。
发明内容
本发明提出一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，能够在线实时获取光伏子阵列中各个组件串及各个组件的电气和环境参数，并能够利用这些参数判断光伏阵列的运行状况。
本发明采用以下技术方案。
一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，用于对光伏组件及光伏组件连接形成的组件串进行失配故障监测，所述系统包括无线传感节点、子阵列路由节点及上位机数据管理模块；所述无线传感节点与光伏组件相连以测量光伏组件的电压和背板温度；所述子阵列路由节点与组件串相连以测量组件串的电压和背板温度；传感节点以第一级无线传感网络与子阵列路由节点相连；所述子阵列路由节点以第二级无线传感网络与上位机数据管理模块相连；所述子阵列路由节点在收集组件串的光伏数据时，同步收集该组件串所属的光伏组件的光伏数据；所述上位机数据管理模块经第二级无线传感网络从子阵列路由节点收集光伏组件和组件串的光伏数据，并判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
所述第一级无线传感网络为工作于2.4GHz的无线网络；第一级无线传感网络为无线传感节点经星型拓扑与子阵列路由节点进行无线通信形成；所述第二级无线传感网络为基于ZigBee的无线传感器网络。
无线传感节点通过基于nRF24L01的星形拓扑的第一级无线传感网络与光伏子阵列路由节点通信，子阵列路由节点采用基于CC2530的高性能ZigBee网状的第二级无线传感网络与上位机数据管理模块通信。
无线传感节点以精密电阻分压方式检测光伏组件或组件串的电压；子阵列路由节点以隔离型的霍尔电压和电流传感器对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量。
无线传感节点采用nRF24L01无线收发器和MSP430G2553芯片；无线传感节点采用温度传感器DS18B20获取光伏组件背板温度，采用光伏组件与锂聚合物电池作为光伏组件无线传感节点的供电电源；子阵列路由节点采用温度传感器DS18B20获取组件串背板温度。
所述组件串的电流与组件串内每个光伏组件的电流相同，所述子阵列路由节点对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量时，通过nRF24L01无线收发器同步触发该组件串所属的光伏组件无线传感节点以相同的采样率进行测量数据采样，以实现组件串和光伏组件的参数同步采集。
所述上位机数据管理模块对所收集的光伏组件和组件串的光伏数据进行存贮、检索和管理，并利用这些数据，以基于改进Hampel辨识法的故障检测算法判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可实时监测组件级、组件串级和子阵列级的光伏阵列工作电压、电流，各个光伏组件的工作电压、温度，以及各个汇流箱工作环境的光照度和温度，同时可以基于采集到的光伏参数实现组件串和组件失配定位，从而实现对整个光伏阵列的精细监测与自动故障检测、定位及预警。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的无线传感节点的示意图；
附图3是本发明的无线传感节点的工作流程示意图；
附图4是本发明的子阵列路由节点的示意图；
附图5是本发明的子阵列路由节点的工作流程示意图；
附图6a是本发明的nRF24L01无线收发器的发送流程示意图；
附图6b是本发明的nRF24L01无线收发器的发送流程示意图；
附图7是本发明上位机数据管理模块的工作流程示意图；
附图8是本发明基于改进Hampel辨识法的故障检测算法的原理流程示意图；
图中：1-无线传感节点；2-子阵列路由节点；3-上位机数据管理模块。
具体实施方式
如图1-8所示，一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，用于对光伏组件及光伏组件连接形成的组件串进行失配故障监测，所述系统包括无线传感节点1、子阵列路由节点2及上位机数据管理模块3；所述无线传感节点与光伏组件相连以测量光伏组件的电压和背板温度；所述子阵列路由节点与组件串相连以测量组件串的电压和背板温度；传感节点以第一级无线传感网络与子阵列路由节点相连；所述子阵列路由节点以第二级无线传感网络与上位机数据管理模块相连；所述子阵列路由节点在收集组件串的光伏数据时，同步收集该组件串所属的光伏组件的光伏数据；所述上位机数据管理模块经第二级无线传感网络从子阵列路由节点收集光伏组件和组件串的光伏数据，并判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
所述第一级无线传感网络为工作于2.4GHz的无线网络；第一级无线传感网络为无线传感节点经星型拓扑与子阵列路由节点进行无线通信形成；所述第二级无线传感网络为基于ZigBee的无线传感器网络。
无线传感节点通过基于nRF24L01的星形拓扑的第一级无线传感网络与光伏子阵列路由节点通信，子阵列路由节点采用基于CC2530的高性能ZigBee网状的第二级无线传感网络与上位机数据管理模块通信。
无线传感节点以精密电阻分压方式检测光伏组件或组件串的电压；子阵列路由节点以隔离型的霍尔电压和电流传感器对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量。
无线传感节点采用nRF24L01无线收发器和MSP430G2553芯片；无线传感节点采用温度传感器DS18B20获取光伏组件背板温度，采用光伏组件与锂聚合物电池作为光伏组件无线传感节点的供电电源；子阵列路由节点采用温度传感器DS18B20获取组件串背板温度。
所述组件串的电流与组件串内每个光伏组件的电流相同，所述子阵列路由节点对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量时，通过nRF24L01无线收发器同步触发该组件串所属的光伏组件无线传感节点以相同的采样率进行测量数据采样，以实现组件串和光伏组件的参数同步采集。
所述上位机数据管理模块对所收集的光伏组件和组件串的光伏数据进行存贮、检索和管理，并利用这些数据，以基于改进Hampel辨识法的故障检测算法判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
实施例1：
如图2所示。光伏组件无线传感节点安装于光伏组件的背面接线盒中，采MSP430G2553微处理器作为主控芯片，利用低成本的nRF24L01无线收发器实现与光伏子阵列路由节点的无线通信；采用精密电阻分压的方式和ADC进行精密电压检测；采用温度传感器DS18B20实现背板温度采集；采用锂聚合物电池作为组件传感节点的备用电源，以便夜间或者阴雨天时，仍能正常工作；采用光伏组件对无线传感节点进行供电并对锂聚合物电池进行充电。采用低成本、高效能的MP1584EN电源管理芯片将光伏组件的输出电压转变为给锂聚合物电池充电的4.2-4.3V电压，采用TPS78233降压芯片再将4.2-4.3V转变为3.3V的工作电源。
该无线传感节点在光伏子阵列路由节点的触发下，可以相同的采样率同步测量组件的工作电压和组件背板温度，由于同一组件串中各个串联组件的工作电流与组件串的电流一致，因此可实现组件参数的同步测量。除此之外，该无线传感节点可实时监测组件的工作电压和背板温度。该组件传感节点的软件流程图如图3所示。
实施例2：
本发明在按实施例1的实施方案中，其光伏子阵列路由节点如图4所示。该模块安装于光伏子阵列的汇流箱中，负责实时监测各个组件串的工作电压和电流，以及环境的光照度和温度。该模块采用±12V进行供电，采用MSP430F149微处理器作为主控制器，采用低成本的nRF24L01无线收发器与光伏组件无线传感节点进行通信，采用中等成本的高性能CC2530无线收发器与上位机数据管理软件进行通信。
该节点采用隔离型的霍尔电压传感器LV25-P和霍尔电流传感器HBC06LSP进行电压、电流和光照度检测；采用温度传感器DS18B20实现对汇流箱环境温度的采集；由于光照度与光伏组件的短路电流呈现出线性关系，因此本发明中的光照度获取方案通过测量光伏组件参考板的短路电流来实现，然后按照线性关系进行转换即可。
该节点在进行组件串参数采集时，通过nRF24L01无线收发器同步触发该组件串上各个光伏组件进行工作电压及环境温度的同步采集，从而实现组件串级和组件级的高精度参数监测。该节点除了进行实时的工作电压、电流监测之外，还可对环境光照度和温度进行实时监测。该节点的软件流程图如图5所示。
实施例3：
本发明在按实施例2的实施方案中，采用低成本、高性能的两级无线传感器网络实现大量光伏组件、子阵列汇流箱、以及上位机之间的实时可靠通信。光伏阵列由大量光伏组件构成，为降低光伏组件无线传感器的成本，本发明采用工作于2.4GHz频段的低成本nRF24L01无线收发器实现光伏组件无线传感器，光伏组件无线传感节点通过星型拓扑与所在阵列的光伏子阵列路由节点进行局部范围的无线通信，构建第一级无线传感网络。同时为了实现大范围的可靠通信，采用基于CC2530无线收发器的网状拓扑的ZigBee无线传感器网络，构建第二级无线传感网络，实现各个光伏子阵列路由节点与上位机之间的可靠通信。基于nRF24L01的第一级无线传感网络的接收和发送数据的程序流程图如图6a、6b所示。
实施例4：
本发明在按实施例3的实施方案中，上位机数据管理模块采用MATLAB/GUIDE并结合MySQL数据库进行设计，通过串口通信接收并显示来自汇聚节点转发的数据，可以在上位机监测界面上监测到光伏阵列中每个组件和组件串的电气、环境参数；采用基于改进Hampel辨识法的故障检测算法实现失配故障的自动检测、定位及预警。上位机数据管理软件的流程图如图7所示，基于改进Hampel辨识法的故障检测算法的流程图如图8所示。
Claims (7)
1.一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，用于对光伏组件及光伏组件连接形成的组件串进行失配故障监测，其特征在于：所述系统包括无线传感节点、子阵列路由节点及上位机数据管理模块；所述无线传感节点与光伏组件相连以测量光伏组件的电压和背板温度；所述子阵列路由节点与组件串相连以测量组件串的电压和背板温度；传感节点以第一级无线传感网络与子阵列路由节点相连；所述子阵列路由节点以第二级无线传感网络与上位机数据管理模块相连；所述子阵列路由节点在收集组件串的光伏数据时，同步收集该组件串所属的光伏组件的光伏数据；所述上位机数据管理模块经第二级无线传感网络从子阵列路由节点收集光伏组件和组件串的光伏数据，并判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
2.根据权利要求1所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：所述第一级无线传感网络为工作于2.4GHz的无线网络；第一级无线传感网络为无线传感节点经星型拓扑与子阵列路由节点进行无线通信形成；所述第二级无线传感网络为基于ZigBee的无线传感器网络。
3.根据权利要求2所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：无线传感节点通过基于nRF24L01的星形拓扑的第一级无线传感网络与光伏子阵列路由节点通信，子阵列路由节点采用基于CC2530的高性能ZigBee网状的第二级无线传感网络与上位机数据管理模块通信。
4.根据权利要求1所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：无线传感节点以精密电阻分压方式检测光伏组件或组件串的电压；子阵列路由节点以隔离型的霍尔电压和电流传感器对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量。
5.根据权利要求4所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：无线传感节点采用nRF24L01无线收发器和MSP430G2553芯片；无线传感节点采用温度传感器DS18B20获取光伏组件背板温度，采用光伏组件与锂聚合物电池作为光伏组件无线传感节点的供电电源；子阵列路由节点采用温度传感器DS18B20获取组件串背板温度。
6.根据权利要求4所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：所述组件串的电流与组件串内每个光伏组件的电流相同，所述子阵列路由节点对组件串进行电压、电流、光照度和温度测量时，通过nRF24L01无线收发器同步触发该组件串所属的光伏组件无线传感节点以相同的采样率进行测量数据采样，以实现组件串和光伏组件的参数同步采集。
7.根据权利要求2所述的一种光伏组件及组件串在线失配监测系统，其特征在于：所述上位机数据管理模块对所收集的光伏组件和组件串的光伏数据进行存贮、检索和管理，并利用这些数据，以基于改进Hampel辨识法的故障检测算法判定光伏组件及组件串是否存在失配故障并对失配故障进行定位和预警。
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