CN114039546B - 基于光伏组件i-v曲线重构的光伏阵列故障定位方法和装置 - Google Patents

基于光伏组件i-v曲线重构的光伏阵列故障定位方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于光伏组件I‑V曲线重构的光伏阵列故障定位方法和装置，获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号；根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I‑V曲线；根据光伏组件I‑V曲线定位光伏组件的故障。本发明能够实现多种故障检测，又能够定位到光伏组件。

Description

基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法和装置
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法和装置。
背景技术
作为光伏系统的重要组成部分，光伏阵列的运行状态直接决定了光伏系统的发电效率和安全性。光伏阵列长期工作在恶劣的气候环境中，容易出现各种故障，存在许多安全隐患。因此，光伏阵列的故障定位受到越来越多的关注。
目前，光伏阵列的故障定位方法主要有基于图像的方法和基于电流电压(I-V)数据的方法。基于图像的方法只能检测非电气故障，虽然能够定位到光伏组件，但是红外成像仪和无人机的成本较高，不适合中小型光伏电站。基于I-V数据的方法能够检测多种故障类型，但是光伏电站通过逆变器仅能获得光伏阵列的I-V数据，无法获得单个光伏组件的I-V数据，只能定位到某个子串，无法定位到组串内某块光伏组件，亦难以对单块组件进行故障诊断。
发明内容
本发明旨在针对目前光伏电站采用的基于I-V数据的故障定位方法只能定位到某个子串的技术问题，提供一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一方面，本发明提供了一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法，包括：获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号；
根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；
根据光伏组件I-V曲线定位光伏组件的故障。
进一步地，所述根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号，包括：
筛选光伏组件的电压时域信号中的电压最大值和最小值，选定光伏组件电压时域信号处于最大值和最小值之间的有效区间，对光伏组件电压时域信号的有效区间按等时间间隔进行电压插值，获得光伏组件有效电压时域信号。
进一步地，所述根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号，包括：
对光伏阵列的电流数据采用电流立方插值法进行电流插值，获得光伏组件的有效电流时域信号。
再进一步地，电流插值的具体方法包括：
确定各电压分段区间，在各电压分段区间内设定电流插值函数，表达式如下：
I(v)＝a(v-vj)3+b(v-vj)2+c(v-vj)+d
其中a,b,c,d为待求插值函数系数，v为待插值电压Vj，vj为待插值电压附近电压点的电压值；
求解待插值电压附近的电压点，将待插值电压附近电压点的电压值vj带入电流插值函数获得光伏组件有效电流时域信号。
进一步地，将光伏组件的有效电流时域信号和光伏组件有效电压时域信号进行匹配重构光伏组件的I-V曲线。
第二方面，本发明提供了一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位装置，所述数据采集模块，用于获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
所述电压时域信号确定模块，用于根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
所述电流时域信号确定模块，用于根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号；
所述重构和定位模块，用于根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；根据光伏组件I-V曲线定位光伏组件的故障。
本发明所取得的有益技术效果：本发明通过无线传感网络获得光伏组件实际运行的电压时域信号，结合光伏阵列I-V曲线，实现光伏组件I-V曲线重构，进一步基于重构I-V曲线定位光伏阵列故障，亦为各块光伏组件故障诊断提供所需I-V曲线数据；既能够实现多种故障检测，又能够定位到光伏组件。因此，本发明具有一定的技术创新性和工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施例流程图；
图2是具体实施例无线传感网络框架图；
图3是具体实施例光伏组件I-V曲线重构流程图；
图4是具体实施例光伏组件有效电压时域信号示意图；
图5是具体实施例光伏组件I-V曲线重构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明的实施方式。
实施例1：如附图1～图5所示，本发明所述的一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法，包括以下步骤：
(1)获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
(2)根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
(3)根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号；
(4)根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；
根据光伏组件I-V曲线定位光伏组件的故障。
具体实施例中，通过逆变器获得光伏阵列实际运行的电流数据后对数据进行预处理，获得光伏阵列实际运行的电流电压数据，记为[Imea,Vmea]。
其中步骤(1)采集光伏组件实际运行的电压时域信号，如图2所示，启动光伏组件配套的数据采集模块和数据通讯模块，多个数据采集模块分别连接各自对应地光伏组件，每个光伏组件连接一个无线传感器节点，可选地采用Zigbee通讯模块；
上位机通过Zigbee通讯使能数据采集模块；
数据采集模块获得光伏组件实际运行的电压时域信号，记为Vij,ori，i＝(1,2,…,N),j＝(1,2,…,n)，N为光伏组件个数，n为电压数据点数；
数据通讯模块将Vij,ori通过Zigbee上传至上位机。
步骤(2)光伏组件实际运行的有效电压时域信号包括：
通过数据预处理获得光伏组件实际运行的电压时域信号，记为Vij；
筛选电压时域信号中的电压最大值，记为Vij,max；
筛选电压时域信号中的电压最小值，记为Vij,min；
选定光伏组件电压时域信号的有效区间，记为[Vij,min,Vij,max]；
对光伏组件电压时域信号的有效区间按等时间间隔进行电压插值，获得光伏组件有效电压时域信号，记为Vij’，获得光伏阵列有效电压时域信号。
可选地，按同一时刻叠加所述光伏组件有效电压，作为光伏阵列的有效电压时域信号，第j时刻叠加的电压值记为Vj。
进一步地，步骤(3)获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号,如附图5所示，该步骤包括：
对光伏阵列的电流电压数据，采用电流立方插值法，按Vj进行电流插值，获得光伏组件有效电流时域信号，记为Iij’；
进一步地，该步骤具体指：
设电流插值函数I(v)在各电压区间[vj,vj+1]，j＝1,2,...,N分段区间内，如式(1)所示：
I(v)＝a(v-vj)3+b(v-vj)2+c(v-vj)+d(1)
其中，a,b,c,d为待求插值函数系数，v为待插值电压Vj，vj为待插值电压附近的点Vmea。
电流插值函数I(v)的一阶导数如式(2)所示：
I′(v)＝3a(v-vj)2+2b(v-vj)+c(2)
则分段区间I-V端点(vj,ij)，(vj+1,ij+1)满足式(3):
可得到关于a,b的方程组，如式(4)所示：
进一步得到式(5)：
其中，为电压点vj处的差商，记为δj。I′(vj)为vj处的一阶导数，记为dj
进一步式(5)转化为式(6)：
令vj+1-vj＝hj，解方程组(6)得到
将各电压点Vj依次代入插值函数I(v)得到相应电流值Ij,获得光伏组件有效电流时域信号，记为Iij’；
步骤(4)重构光伏组件I-V曲线并进行故障定位具体包括：
对于光伏组件，按照有效电流时域匹配电压数据，具体包括：
(4.1)根据光伏组件理论模型获得参考I-V曲线；
(4.2)根据参考I-V曲线及重构I-V曲线进行阈值残差分析；
(4.3)定位光伏阵列故障；
本发明定义了光伏组件有效电压时域信号，定义了光伏阵列有效电压时域信号，定义了光伏组件有效电流信号。进一步，所述步骤(3)重构的光伏组件I-V曲线，经过阈值残差分析实现光伏组串内故障定位，并为各块光伏组件的故障诊断提供I-V数据。
本发明采用无线传感网络获得光伏组件实际运行的电压时域信号，该方法能够实时有效地传输数据，为光伏组件I-V重构提供了电压数据基础。
实施例2：与以上实施例提供的一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障方法相对应地，本实施例提供了一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位装置，包括数据采集模块、电压时域信号确定模块、电流时域信号确定模块以及重构和定位模块；
所述数据采集模块，用于获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
所述电压时域信号确定模块，用于根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
所述电流时域信号确定模块，用于根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号；
所述重构和定位模块，用于根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；根据光伏组件I-V曲线定位光伏组件的故障。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法，其特征在于，包括：获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号，包括：对光伏阵列的电流数据采用电流立方插值法进行电流插值，获得光伏组件的有效电流时域信号，电流插值的具体方法包括：
确定各电压分段区间，在各电压分段区间内设定电流插值函数，表达式如下：
，
其中 为待求插值函数系数，为待插值电压，为待插值电压附近电压点的电压值；为按同一时刻叠加所述光伏组件有效电压，作为光伏阵列的有效电压时域信号，第j时刻叠加的电压值；求解待插值电压附近的电压点，将待插值电压附近电压点的电压值带入电流插值函数获得光伏组件有效电流时域信号；
根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；
根据光伏组件理论模型获得参考I-V曲线；根据参考I-V曲线及重构光伏组件I-V曲线进行阈值残差分析，实现光伏组串内故障定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法，其特征在于，所述根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号，包括：
筛选光伏组件的电压时域信号中的电压最大值和最小值，选定光伏组件电压时域信号处于最大值和最小值之间的有效区间，对光伏组件电压时域信号的有效区间按等时间间隔进行电压插值，获得光伏组件有效电压时域信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位方法，其特征在于，将光伏组件的有效电流时域信号和光伏组件有效电压时域信号进行匹配重构光伏组件的I-V曲线。
4.一种基于光伏组件I-V曲线重构的光伏阵列故障定位装置，其特征在于，包括数据采集模块、电压时域信号确定模块、电流时域信号确定模块以及重构和定位模块；
所述数据采集模块，用于获得光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据，以及光伏组件实际运行的电压时域信号；
所述电压时域信号确定模块，用于根据光伏组件的电压时域信号获得光伏组件实际运行的有效电压时域信号；
所述电流时域信号确定模块，用于根据光伏阵列实际运行的电流数据和电压数据获得光伏组件实际运行的有效电流时域信号，包括：对光伏阵列的电流数据采用电流立方插值法进行电流插值，获得光伏组件的有效电流时域信号，电流插值的具体方法包括：
确定各电压分段区间，在各电压分段区间内设定电流插值函数，表达式如下：
，
其中为待求插值函数系数，为待插值电压，为待插值电压附近电压点的电压值；为按同一时刻叠加所述光伏组件有效电压，作为光伏阵列的有效电压时域信号，第j时刻叠加的电压值；求解待插值电压附近的电压点，将待插值电压附近电压点的电压值带入电流插值函数获得光伏组件有效电流时域信号；
所述重构和定位模块，用于根据光伏组件实际运行的有效电压时域信号和有效电流时域信号重构光伏组件I-V曲线；根据光伏组件理论模型获得参考I-V曲线；根据参考I-V曲线及重构光伏组件I-V曲线进行阈值残差分析，实现光伏组串内故障定位。
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