CN112309075A

CN112309075A - 一种光伏电站火灾预警系统

Info

Publication number: CN112309075A
Application number: CN202011121564.2A
Authority: CN
Inventors: 张侃健; 华璧辰; 何增祥; 许祯; 魏海坤; 方仕雄; 葛健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明提供了一种光伏电站火灾预警系统，包括基于图像的火灾隐患检测模块、基于电气信号的直流电弧检测模块和云端协同模块；其中图像检测系统通过摄像头采集电站实时图像数据，火灾预警终端通过视频服务器读取图像数据并通过深度学习算法检测火焰、烟雾和可燃物；电弧检测系统通过电弧传感器采集汇流箱直流线路的电气信号和电弧强度值，之后通过自制电弧发生器实验设置电弧报警阈值；云端协同系统通过结合电站其他来源数据和历史图像电气数据做火灾预警信号的进一步数据融合分析，并将预警信号同步给监控人员。本发明实现了光伏电站在无人值守的情况下，通过图像与电信号的监控实时识别电站中存在的火灾隐患和直流电弧。

Description

一种光伏电站火灾预警系统

技术领域

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种光伏电站火灾预警系统。

背景技术

随着时代的发展，世界工业发展对能源的需求越来越大。伴随传统能源的消耗，人类不断研究清洁能源和可再生能源的相关技术。风力、水力和光伏发电等清洁可再生能源技术成为世界能源开发的主题。其中光伏发电技术的发展尤其快，伴随着光伏累计装机容量的提升，光伏发电设备的智能运维和安全运行成为光伏技术发展的一项制约因素。

光伏发电过程往往会产生许多火灾隐患，常规光伏电站的火灾隐患包括：

1)光伏组件表面可燃物杂草等形成可燃物堆积；

2)直流电弧产生的高温触发火灾；

3)隐裂热斑等情况导致光伏组件表面局部温度升高。

由于光伏电站往往建设在距离城市较远的阳光集中地区，因此光伏电站的安全运维无法得到及时的人工检测，导致光伏电站的火灾隐患难以实现及时有效的排查，火灾火情也无法在第一时间被发现。因此一旦光伏电站火灾发生将带来巨大的经济损失。

发明内容

为解决上述问题，本发明针对当前大型光伏电站提供一种无人值守的火灾预警系统。该系统可对光伏电站的火灾隐患进行智能检测和预警信息同步，在火灾发生之前或发生初期及时发出预警信号，从而降低由于火灾导致的经济损失。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光伏电站火灾预警系统，包括基于图像的火灾隐患检测模块、基于电气信号的直流电弧检测模块和云端协同模块，其中基于图像的火灾隐患检测模块用于通过摄像头采集电站实时图像数据并传输至视频服务器；电弧检测系统通过电弧传感器采集汇流箱直流线路的电气信号和电弧强度值；云端协同系统包括本地端火灾预警终端和云端，所述火灾预警终端通过视频服务器读取图像数据并通过深度学习算法检测火焰、烟雾和可燃物，并接收电弧检测系统采集到的电站不同支路的电弧信号，基于电弧报警阈值来判断是否有电弧发生，火灾预警终端与云端进行数据通讯；云端通过结合电站其他来源数据和历史图像电气数据做火灾预警信号的进一步数据融合分析，并将预警信号同步给监控人员，实现光伏电站在无人值守的情况下安全运行。

进一步的，所述电弧报警阈值通过电弧发生实验装置通过实验设置。

进一步的，所述电弧发生实验装置包括绝缘底座、设置在绝缘底座上的固定电极和移动电极，移动电极通过绝缘滑块可滑动地装配在绝缘底座上，所述固定电极连接至直流电源，移动电极连接至电弧传感器，直流电源与电弧传感器具有电连接。

进一步的，所述火灾预警终端通过防水塑料机箱作为装置外壳，并通过航空插头对装置各接口进行封装。

进一步的，所述深度学习算法通过自建数据集做模型训练并将训练模型搭载在火灾预警终端装置完成多路视频实时检测。

进一步的，所述电弧检测模块包括电弧信号通信装置和若干电弧采集装置，所述电弧采集装置安装在汇流箱内，实时采集汇流箱内电弧强度值，通过Modbus RTU通信协议将电流、电压和电弧强度信号传至电弧信号通信装置，电弧信号通信装置与火灾预警终端装置的处理器直接通信。

进一步的，所述云端协同系统还在火灾预警终端的基础上对检测结果进一步分析，进行检测与确认，最终将二次检测结果通过可视化界面同步至远程监控室。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明实现了光伏电站在无人值守的情况下，通过图像与电信号的监控实时识别电站中存在的火灾隐患和直流电弧。

2.本发明及时同步火灾预警信号，能够有效降低火灾风险，减少火灾导致的经济损失。

3.本发明采用云端协同技术保障火灾预警的识别精度和有效范围在该系统运行过程中不断提升，从而提升系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明提供的光伏电站火灾预警系统整体框架示意图。

图2为火灾预警终端装置开发板接口连接示意图。

图3为基于图像的火灾隐患检测模块框图。

图4为基于电气信号的直流电弧检测模块框图。

图5为电弧发生实验装置图。

图6为云端协同模块硬件框图。

图7为云端协同模块软件框图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

基于此，本发明提供了一种光伏电站火灾预警系统，其结构如图1所示，包括基于图像的火灾隐患检测模块、基于电气信号的直流电弧检测模块、云端协同模块。云端协同模块包括本地端与云端两部分，其中本地端为火灾预警终端装置，通过采集火灾隐患与直流电弧信号，并通过电厂的智能终端上传云端，云端将数据保存在历史数据库中，并结合其他来源的电厂数据通过数据融合算法进一步分析火灾隐患的结果，最终的分析结果将通过可视化界面同步给远程监控人员。

具体地说，火灾预警终端装置采用IP67等级防护方案，即通过符合IP67等级要求的加防水塑料机箱作为装置外壳进行封装，并通过航空插头对USB、RJ45、电源等接口进行封装使得整个机箱满足ip67防护要求，满足火灾预警装置的防水防尘要求，保障终端设备可在无人值守的野外环境正常作业。图2为本发明火灾预警终端开发板接口图，本地端处理器选用Nvidia Jetson TX2处理器，该处理器GPU为256CUDA内核，可以有效完成视频检测部分，在GPU模式下，视频检测算法检测速度稳定在每帧0.5秒。处理器通过24V直流供电，可通过光伏电站现场的220V交流电转24V直流电完成供电。外设USB和HDMI接口用于接入鼠标、键盘和显示器做软件调试。视频服务器通过RJ45网线连接Ethernet网口，电弧信号通信装置通过USB接口连接开发板。开发板分析运算结果通过Ethernet网口传输至电厂智能终端设备，终端设备进一步与云端通信。

基于图像的火灾隐患检测模块包括设置在现场的若干视频摄像头、以及与各摄像头进行信号传输的视频服务器，多摄像头实时监控电站，采集电站图像并通过视频服务器汇总视频数据。图3为摄像头具体布置示意图。摄像头选用HIKVISION的红外摄像头，可在白天与夜间实时采集电站图像，摄像头的排布位置应该根据电站的地形做调整，保障摄像头有效检测范围可以覆盖所有光伏组件与设备。在此基础上对组件与设备进行编号，并根据现场的摄像头调试设置对应的像素范围映射表。最终通过深度学习算法检测火灾隐患及发生位置和概率，并将分析结果发送至电厂终端设备。

本发明中用到的图像算法的网络模型为YOLOV4网络，通过LableImage自建图像数据集完成网络模型的迭代，并在TX2开发板上配置keras、tensorflow和opencv等网络运行环境保障模型正常运行。

图4为基于电气信号的电弧检测模块结构示意图，包括电弧信号通信装置和若干电弧采集装置，其中电弧采集装置选用Fonrich的FR-DCMG-AS4A电弧传感器，一个电弧检测模块可监控四路直流电路，通过霍尔效应采集四路直流电路中的电流与电压信号，再通过模块内置的信号分析算法检测计算电弧强度。电弧采集装置安装在汇流箱内，实时采集汇流箱内电弧强度值，通过Modbus RTU通信协议将电流、电压和电弧强度信号传至FR-DCMG通信模块，通信模块再通过RS485总线将电弧数据汇总至安装在逆变器直流端的FR-DCMG通信模块，该模块与火灾预警终端装置的处理器直接通信，从而将电站不同支路的电弧信号同步至处理器中。

电弧检测系统中，火灾预警终端收到的电弧强度为模拟量，需要通过电弧发生实验装置设置电弧报警阈值来判断是否有电弧发生。图5为电弧发生实验装置图，包括绝缘底座、设置在绝缘底座上的固定电极和移动电极，移动电极通过绝缘滑块可滑动地装配在绝缘底座上。电弧发生实验通过将自制电弧发生器接入直流线路中完成。具体的，通过光伏专用电缆将电弧发生器与直流电源以及电阻串联。电弧发生实验装置可通过旋转螺母来调整两个铜线电极的间距，同时通过程控电源调节电流与电压值从而产生不同的电弧实验，通过多组对比实验观测电弧传感器采集到的的电弧强度值，从而设置科学有效的电弧强度报警阈值。

图6为云端协同模块硬件框图，火灾预警终端将图像检测结果与电弧检测结果通过网线传输电厂智能终端设备，智能终端设备再通过无线传输的方式将数据打包上传云端。云端收到数据包后将数据拆解存入历史库中，并通过电厂其他来源的异类数据做数据融合算法模型的训练迭代。通过云端算法模型的检测，可在火灾预警终端的基础上对检测结果进一步分析，提高算法的准确率，减少误报率，最终将二次检测结果通过可视化界面同步至远程监控室。

图7为云端协同模块软件框图，火灾预警终端软件分三个线程同时进行，其中线程一为图像检测模块，完成图像采集、图像检测等功能，线程二为电弧检测模块，线程三负责终端间的通信，通信以秒为单位进行，发送的数据内容包括：时间戳、各摄像头图像、各摄像头图像检测结果、火灾隐患位置和预测概率、各直流支路电流电压信号和电弧报警信号。智能终端通过收集整个电站所有来源数据并打包发送至云端，云端完成数据的存储与多源异类数据融合分析并将最终预测结果通过可视化界面展示。

基于电气信号的电弧检测模块中的电弧传感器安装在汇流箱内，检测每一条直流线路中的电气信号，读取电气信号数据并初步分析电弧强度，最终通过电弧信号通信装置将电弧数据传输至火灾预警终端，终端通过对比预设的电弧强度阈值判断是否是有电弧发生，并且确定电弧发生的线路位置。电弧强度阈值通过电弧发生实现来设定。火灾隐患具体包括：火焰、烟雾与杂草树叶等可燃物。通过基于图像的火灾隐患检测模块中的多个定点摄像头覆盖整个电站的视觉范围，对光伏组件与汇流逆变设备进行标号，并给与每一个标号在摄像头监控网中的对应像素坐标范围。当出现以上类型火灾隐患后，可通过深度学习算法检测到对应隐患在不同摄像头的像素坐标范围，从而找出起火组件或者设备。本地端通过采集火灾隐患与直流电弧信号，并通过电厂的智能终端上传云端，云端将数据保存在历史数据库中，并结合其他来源的电厂数据通过数据融合算法进一步分析火灾隐患的结果，最终的分析结果将通过可视化界面同步给远程监控人员。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种光伏电站火灾预警系统，其特征在于：包括基于图像的火灾隐患检测模块、基于电气信号的直流电弧检测模块和云端协同模块，其中基于图像的火灾隐患检测模块用于通过摄像头采集电站实时图像数据并传输至视频服务器；电弧检测系统通过电弧传感器采集汇流箱直流线路的电气信号和电弧强度值；云端协同系统包括本地端火灾预警终端和云端，所述火灾预警终端通过视频服务器读取图像数据并通过深度学习算法检测火焰、烟雾和可燃物，并接收电弧检测系统采集到的电站不同支路的电弧信号，基于电弧报警阈值来判断是否有电弧发生，火灾预警终端与云端进行数据通讯；云端通过结合电站其他来源数据和历史图像电气数据做火灾预警信号的进一步数据融合分析，并将预警信号同步给监控人员，实现光伏电站在无人值守的情况下安全运行。

2.根据权利要求1所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述电弧报警阈值通过电弧发生实验装置通过实验设置。

3.根据权利要求2所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述电弧发生实验装置包括绝缘底座、设置在绝缘底座上的固定电极和移动电极，移动电极通过绝缘滑块可滑动地装配在绝缘底座上，所述固定电极连接至直流电源，移动电极连接至电弧传感器，直流电源与电弧传感器具有电连接。

4.根据权利要求1所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述火灾预警终端通过防水塑料机箱作为装置外壳，并通过航空插头对装置各接口进行封装。

5.根据权利要求1所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述深度学习算法通过自建数据集做模型训练并将训练模型搭载在火灾预警终端装置完成多路视频实时检测。

6.根据权利要求1所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述电弧检测模块包括电弧信号通信装置和若干电弧采集装置，所述电弧采集装置安装在汇流箱内，实时采集汇流箱内电弧强度值，通过Modbus RTU通信协议将电流、电压和电弧强度信号传至电弧信号通信装置，电弧信号通信装置与火灾预警终端装置的处理器直接通信。

7.根据权利要求1所述的光伏电站火灾预警系统，其特征在于：所述云端协同系统还在火灾预警终端的基础上对检测结果进一步分析，进行检测与确认，最终将二次检测结果通过可视化界面同步至远程监控室。