CN111245096B - 一种分布式光伏数据采集终端、系统及数据处理方法 - Google Patents

一种分布式光伏数据采集终端、系统及数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光伏数据采集终端、系统及数据处理方法，包括：太阳能电池板所在区域内设置的光伏环境参数监测单元、分布式光伏数据接入终端及至少一个光伏电气参数无线数据采集单元；光伏电气参数无线数据采集单元能够采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压、电流；光伏环境参数监测单元包含小型太阳能电池板，能够采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；光伏电气参数无线数据采集单元及所述光伏环境参数监测单元将数据统一传送至分布式光伏数据接入终端。本发明实现了分布式光伏数据的全部接入和实时运行监测。

Description

一种分布式光伏数据采集终端、系统及数据处理方法
技术领域
本发明属于分布式光伏数据监测领域，尤其涉及一种分布式光伏数据采集终端、系统及数据处理方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着我国分布式光伏的高速发展，总装机容量已超过4500万千瓦，对电网的运行影响日益显现。目前，电网调度端尚未实现分布式光伏数据接入的全覆盖，且存在数据采集质量与精度低、数据不完整等问题，影响电网运行监视、电力电量统计及负荷预测。为加强分布式光伏的数据采集与统计管理，国调中心要求10kV及以上光伏应接入调度自动化系统，实现实时采集，380/220V分布式光伏全部纳入社会口径管理。
纵观国内外的现状，传统的数据采集与统计方法只能针对某一具体问题来对系统数据中的一部分进行采集和分析，对监测数据的管理和再应用困难，无法满足分布式光伏综合监测的要求。其主要原因是传统的光伏监测方法将所有光伏发电单元的全部数据直接上传至监控系统的终端后统一进行分析处理，然而由于分布式光伏发电系统的测试点密度高，使得数据采集过于零散且数目庞大，必然导致分布式光伏数据采集系统的数据处理能力难以达到要求，且采集终端功耗较高，经济性差。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种分布式光伏数据采集终端，在低功耗设计的基础上实现分布式光伏数据的高精度实时采集与全面监测，同时具备了部分数据处理功能，并能够初步判定各用户太阳能电池板及逆变器的工作状态。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种分布式光伏数据采集终端，包括：
太阳能电池板所在区域内设置的光伏环境参数监测单元、分布式光伏数据接入终端及至少一个光伏电气参数无线数据采集单元；
所述光伏电气参数无线数据采集单元能够采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压、电流，计算输出直流功率、输出交流功率、逆变器转换效率；
所述光伏环境参数监测单元包含小型太阳能电池板，能够采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；
其中，所述小型太阳能电池板与该区域用户安装的太阳能电池板为性能参数相同的太阳能电池板，所述光伏环境参数监测单元将小型太阳能电池板的背板温度代表区域内太阳能电池板的背板温度；
所述光伏电气参数无线数据采集单元及所述光伏环境参数监测单元将数据统一传送至分布式光伏数据接入终端。
进一步的技术方案，将光伏发电成规模地区划分为多个区域，每个区域内安装有分布式光伏数据采集终端，分布式光伏数据采集终端中多个光伏电气参数无线数据采集单元、1个光伏环境参数监测单元以及1个分布式光伏数据接入终端，共同组建LORA无线传感网络。
进一步的技术方案，所述分布式光伏数据接入终端采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积与环境因素预估该区域发电量，并根据各用户装机容量计算用户理论输出功率；根据区域内光伏电气参数无线数据采集单元上传的交流输出功率得到该时刻区域的实际上网电量。
进一步的技术方案，所述分布式光伏数据接入终端对比该区域预估发电量与实际上网电量，若实际上网电量小于预估发电量，则进一步判定各用户太阳能板及逆变器的工作状态；
若该用户的逆变器转换效率实测值低于理论值，则证明逆变器工作状态不佳，若该用户的逆变器转换效率正常但逆变器的实测输出功率小于理论输出功率，则证明太阳能电池板工作状态不佳；对该用户数据进行标记。
进一步的技术方案，所述分布式光伏数据接入终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心；远程智慧运维数据中心进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
进一步的技术方案，所述光伏环境参数监测单元具有低功耗功能。
一种分布式光伏数据采集系统，包括：若干分布式光伏数据采集终端及服务器，光伏发电成规模地区划分为多个区域，每个区域内安装有分布式光伏数据采集终端；
分布式光伏数据采集终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心的服务器；远程智慧运维数据中心的服务器进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
一种分布式光伏数据采集系统的数据处理方法，包括：
采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压电流计算输出直流功率、输出交流功率、逆变器转换效率；
采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；
采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积与环境因素预估该区域发电量，并根据各用户装机容量计算用户理论输出功率；根据区域内光伏电气参数无线数据采集单元上传的交流输出功率得到该时刻区域的实际上网电量；
对比该区域预估发电量与实际上网电量，若实际上网电量小于预估发电量，则进一步判定各用户太阳能板及逆变器的工作状态；若该用户的逆变器转换效率实测值低于理论值，则证明逆变器工作状态不佳，若该用户的逆变器转换效率正常但逆变器的实测输出功率小于理论输出功率，则证明太阳能电池板工作状态不佳；对该用户数据进行标记。
进一步的技术方案，将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心；远程智慧运维数据中心进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
进一步的技术方案，所述光伏环境参数监测单元采用低功耗，通过ARM处理器执行以下程序：
S1：所述光伏环境参数监测单元开始工作，并进入低功耗模式；
S2：判断锂电池的监测电压是否大于第一阈值，若大于第一阈值，退出低功耗模式，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集，并通过LORA通信模块发送至分布式光伏数据接入终端；否则，执行步骤S3；
S3：判断锂电池监测电压是否大于第二阈值，若大于第二阈值，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集并暂时存储在ARM中，LORA通信模块处于休眠状态；否则，执行步骤S4；
S4：光辐照度仪、温湿度传感器与LORA通信模块都处于休眠状态，仅监测锂电池实时电压，返回步骤S2。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明提出了一种低功耗、高可靠性的分布式光伏数据采集终端及数据处理方法，使得分布式光伏数据采集终端承担了部分数据处理功能，在满足国调要求的基础上，实现了分布式光伏数据的全部接入和实时运行监测。
本发明采用低功耗设计，能够对县域电网、供电分区的分布式光伏进行全覆盖的数据采集。在低功耗设计的基础上实现分布式光伏数据的高精度实时采集与全面监测，同时具备了部分数据处理功能，并能够初步判定各用户太阳能电池板及逆变器的工作状态。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1为本发明实施例分布式光伏数据采集终端连接示例图；
图2为本发明实施例分布式光伏数据采集系统示例图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种分布式光伏数据采集终端，参见附图1所示，包括光伏电气参数无线数据采集单元、光伏环境参数监测单元与分布式光伏数据接入终端；
光伏电气参数无线数据采集单元包含集成式电量计量芯片、ARM处理器、LORA通信模块，能够采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压、电流；所述ARM处理器计算直流输入功率、交流输出功率以及逆变器转换效率。
光伏环境参数监测单元包含小型太阳能电池板、锂电池、LORA通信模块、光辐照度仪、温湿度传感器以及ARM处理器，能够采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度，并通过LORA通信模块传送至分布式光伏数据接入终端；所述光伏环境参数监测单元采用小型太阳能电池板与锂电池相结合的供电方式。
分布式光伏数据接入终端包括LORA通信模块、4G通信模块以及ARM处理器；所述分布式光伏数据接入终端通过LORA无线短距离数据网络接收所处区域内的环境参数数据和电气参数数据，并通过4G长距离无线通讯网络向远程智慧运维数据中心发送分布式光伏监控数据；所述远程智慧运维数据中心进行远程故障预警与运维，并通过微信小程序向用户推送发电量、发电收益、太阳能电池板及逆变器工作状态等信息。
分布式光伏数据接入终端采用历史数据模型法得到逆变器转换效率理论值，采用前向选择法对环境参量降维得到环境量综合影响系数，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积和总辐照度构建光伏发电系统上网电量的工程模型，以此预估区域发电量。
采用基于地块的网格划分方法，以网格内地块邻接、网格装机容量、网格面积为约束条件建立网格划分的数学模型，并结合遗传算法得到最佳的网格划分方案，将光伏发电成规模地区划分为多个区域。每个区域内安装有多个光伏电气参数无线数据采集单元、1个光伏环境参数监测单元以及1个分布式光伏数据接入终端，共同组建LORA无线传感网络。所述光伏环境参数监测单元与该区域用户安装的为性能参数相同的太阳能电池板，光伏环境参数监测单元对其小型太阳能电池板的背板温度进行采集，以此数据代表区域内太阳能电池板的背板温度。
具体的，以农村屋顶光伏为例，每一个村庄看作一个区域。村庄内是以户为个体单位的，在每一户的光伏电表箱中安装一个光伏电气参数无线数据采集单元，采集的是该户安装的太阳能电池板的总体的数据。
若直接采集太阳能电池板的背板温度，则需外接线路连接太阳能板与光伏环境参数监测单元，加大了安装的复杂程度。而光伏环境参数监测单元中的小型太阳能电池板与该区域用户安装的太阳能电池板为性能参数相同，对其小型太阳能电池板的背板温度进行采集所得到的参数是可以代表区域内太阳能电池板的背板温度的，而且不需另外接线，选好安装地点后直接将该单元安置到位就可以开始工作了，安装简单且不易出错。
光伏环境参数监测单元采用低功耗设计，通过ARM处理器执行以下程序：
S1：所述光伏环境参数监测单元开始工作，并进入低功耗模式；
S2：判断锂电池的监测电压是否大于第一阈值，若大于第一阈值，退出低功耗模式，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集，并通过LORA通信模块发送至分布式光伏数据接入终端；否则，执行步骤S3；
S3：判断锂电池监测电压是否大于第二阈值，若大于第二阈值，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集并暂时存储在ARM中，LORA通信模块处于休眠状态；否则，执行步骤S4；第一阈值大于第二阈值；
在该步骤中，光伏环境参数监测单元采集和传输数据时都需要消耗能量，而其本身采用太阳能自供电的方式，电量有限，需要计划用电。当电压大于第一阈值，此时电量多，能够提供LORA传输数据所消耗的能量，所以将数据直接发送至分布式光伏数据接入终端。当电压位于第一阈值与第二阈值之间，此时电量已有所不足，LORA通信模块进入休眠状态，不再上传数据，节省电量保障数据采集功能，而此时采集的数据则暂时存储在该单元内部ARM中。待电压大于第一阈值，即电量充足后，再将存储在ARM中的数据上传至分布式光伏数据接入终端。
S4：光辐照度仪、温湿度传感器与LORA通信模块都处于休眠状态，仅监测锂电池实时电压，返回步骤S2。
在另一实施例子中，参见附图2所示，公开了一种分布式光伏数据采集系统，包括：若干分布式光伏数据采集终端及服务器，光伏发电成规模地区划分为多个区域，每个区域内安装有分布式光伏数据采集终端；
分布式光伏数据采集终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心的服务器；远程智慧运维数据中心的服务器进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
在另一实施例子中，公开了一种分布式光伏数据采集系统的数据处理方法，具体包括以下步骤：
R1：光伏电气参数无线数据采集单元中的ARM处理器通过采集的太阳能电池板以及逆变器输出的电压电流计算输出直流功率、输出交流功率、逆变器转换效率；光伏环境参数监测单元采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；数据统一传送至分布式光伏数据接入终端。
R2：分布式光伏数据接入终端采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积与环境因素预估该区域发电量，并根据各用户装机容量计算用户理论输出功率；根据区域内光伏电气参数无线数据采集单元上传的交流输出功率得到该时刻区域的实际上网电量。
R3：对比该区域预估发电量与实际上网电量，若实际上网电量小于预估发电量，则进一步判定各用户太阳能板及逆变器的工作状态。若该用户的逆变器转换效率实测值低于理论值，则证明逆变器工作状态不佳，若该用户的逆变器转换效率正常但逆变器的实测输出功率小于理论输出功率，则证明太阳能电池板工作状态不佳；对该用户数据进行标记。
R4：分布式光伏数据接入终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过4G网络传送至远程智慧运维数据中心；远程智慧运维数据中心进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
某一区域内光伏发电系统上网电量的工程模型为P＝Skη1η2Rβ[1-α(Tc-25)]，式中：S为该区域太阳能电池板的安装面积，k为环境量综合影响系数，η1为太阳能电池板额定光电转换效率，η2为逆变器转换效率，Rβ为太阳能电池板斜面太阳总辐照度，β为电池板安装倾角，α为太阳能电池板的温度系数，Tc为太阳能电池板的背板温度。分布式光伏数据接入终端以环境温度、湿度、风速作为输入量，采用前向选择法对多维输入量进行约减，在降低维数的基础上减小环境因素变量间的相关性，得到环境量综合影响系数。
在区域划分完毕后后，各区域内的S可被统计η1、α根据太阳能电池板性能参数可得到采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值η2；以环境温度、湿度、风速作为输入量，采用前向选择法对多维输入量进行约减，在降低维数的基础上减小环境因素变量间的相关性，得到k；Rβ、Tc由光伏环境参数监测单元监测得到；β根据区域内的电池板安装情况可知。
本申请实施例子中，在对光伏发电成规模的地区进行区域划分后，每个区域内安装有1个分布式光伏数据接入终端、1个光伏环境参数监测单元以及多个电气参数无线数据采集单元，区域内数据通过LORA无线网络集中传送至分布式光伏数据接入终端；所述光伏电气参数无线数据采集单元采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压、电流，并计算出功率以及转换效率；所述光伏环境参数监测单元采用低功耗设计，能够采集辐照度、环境温度、环境湿度、背板温度、风速；所述分布式光伏数据接入终端能够预估区域发电量，初步判定用户太阳能电池板与逆变器的工作状态，并通过4G网络将数据打包上传至远程智慧运维数据中心。本发明采用低功耗设计，能够对县域电网、供电分区的分布式光伏进行全覆盖的数据采集，并具备一定的数据处理能力，减轻了监测系统的故障诊断与数据处理压力，进而实现分布式光伏的全面数据监测与统计管理。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种分布式光伏数据采集终端，其特征是，包括：
太阳能电池板所在区域内设置的光伏环境参数监测单元、分布式光伏数据接入终端及至少一个光伏电气参数无线数据采集单元；
所述光伏电气参数无线数据采集单元能够采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压、电流，计算输出直流功率、输出交流功率、逆变器转换效率；
所述光伏环境参数监测单元包含小型太阳能电池板，能够采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；
其中，所述小型太阳能电池板与该区域用户安装的太阳能电池板为性能参数相同的太阳能电池板，所述光伏环境参数监测单元将小型太阳能电池板的背板温度代表区域内太阳能电池板的背板温度；
所述光伏电气参数无线数据采集单元及所述光伏环境参数监测单元将数据统一传送至分布式光伏数据接入终端；
所述光伏环境参数监测单元采用低功耗设计，通过ARM处理器执行程序：所述光伏环境参数监测单元开始工作，并进入低功耗模式；判断锂电池的监测电压是否大于第一阈值，若大于第一阈值，退出低功耗模式，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集，并通过LORA通信模块发送至分布式光伏数据接入终端；
所述分布式光伏数据接入终端采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积与环境因素预估该区域发电量，并根据各用户装机容量计算用户理论输出功率；根据区域内光伏电气参数无线数据采集单元上传的交流输出功率得到区域的实际上网电量；
所述分布式光伏数据接入终端对比该区域预估发电量与实际上网电量，若实际上网电量小于预估发电量，则进一步判定各用户太阳能板及逆变器的工作状态；
若该用户的逆变器转换效率实测值低于理论值，则证明逆变器工作状态不佳，若该用户的逆变器转换效率正常但逆变器的实测输出功率小于理论输出功率，则证明太阳能电池板工作状态不佳；对该用户数据进行标记。
2.如权利要求1所述的一种分布式光伏数据采集终端，其特征是，将光伏发电成规模地区划分为多个区域，每个区域内安装有分布式光伏数据采集终端，分布式光伏数据采集终端中多个光伏电气参数无线数据采集单元、1个光伏环境参数监测单元以及1个分布式光伏数据接入终端，共同组建LORA无线传感网络。
3.如权利要求1所述的一种分布式光伏数据采集终端，其特征是，所述分布式光伏数据接入终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心；远程智慧运维数据中心进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
4.如权利要求1所述的一种分布式光伏数据采集终端，其特征是，所述光伏环境参数监测单元具有低功耗功能。
5.一种分布式光伏数据采集系统，其特征是，包括：若干权利要求1-4任一所述的分布式光伏数据采集终端及服务器，光伏发电成规模地区划分为多个区域，每个区域内安装有分布式光伏数据采集终端；
分布式光伏数据采集终端将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心的服务器；远程智慧运维数据中心的服务器进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
6.一种分布式光伏数据采集系统的数据处理方法，基于权利要求1-4任一所述的分布式光伏数据采集终端，其特征是，包括：
采集太阳能电池板以及逆变器输出的电压电流计算输出直流功率、输出交流功率、逆变器转换效率；
采集辐照度、环境温度、环境湿度以及背板温度；
采用历史数据模型法，借助拟合逆变器效率和其输出功率与额定输出功率比值的关系曲线，得到逆变器转换效率理论值，然后结合该区域内太阳能电池板的安装面积与环境因素预估该区域发电量，并根据各用户装机容量计算用户理论输出功率；根据区域内光伏电气参数无线数据采集单元上传的交流输出功率得到区域的实际上网电量；
对比该区域预估发电量与实际上网电量，若实际上网电量小于预估发电量，则进一步判定各用户太阳能板及逆变器的工作状态；若该用户的逆变器转换效率实测值低于理论值，则证明逆变器工作状态不佳，若该用户的逆变器转换效率正常但逆变器的实测输出功率小于理论输出功率，则证明太阳能电池板工作状态不佳；对该用户数据进行标记。
7.如权利要求6所述的一种分布式光伏数据采集系统的数据处理方法，其特征是，将实时监测数据及各用户太阳能电池板及逆变器工作状态信息通过网络传送至远程智慧运维数据中心；远程智慧运维数据中心进一步对太阳能电池板及逆变器进行故障诊断。
8.如权利要求6所述的一种分布式光伏数据采集系统的数据处理方法，其特征是，所述光伏环境参数监测单元采用低功耗，通过ARM处理器执行以下程序：
S1：所述光伏环境参数监测单元开始工作，并进入低功耗模式；
S2：判断锂电池的监测电压是否大于第一阈值，若大于第一阈值，退出低功耗模式，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集，并通过LORA通信模块发送至分布式光伏数据接入终端；否则，执行步骤S3；
S3：判断锂电池监测电压是否大于第二阈值，若大于第二阈值，控制光辐照度仪与温湿度传感器进行环境参数采集并暂时存储在ARM中，LORA通信模块处于休眠状态；否则，执行步骤S4；
S4：光辐照度仪、温湿度传感器与LORA通信模块都处于休眠状态，仅监测锂电池实时电压，返回步骤S2。
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