CN115684819A - 一种光伏发电直流线路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电直流线路故障检测方法，通过单片机对光照、电网电压获得U _I 和U _w ；对同一台逆变器的多路光伏板直流电流进行采集，获得U _I1、U _I2…U _In ，并寻找到最大值U _Max ，融合光照和电网电压，利用最大值相对误差算法

，当E _x >20%时，经过重复采样确认E _x >20%时，得出故障线路编号，并由单片机输出进行报警和显示信息。

Description

一种光伏发电直流线路故障检测方法

技术领域

本发明涉及到非接入直流电流检测技术，特别是用于光伏发电的太阳能板（光伏板）直流线路故障检测方面。

背景技术

光伏发电技术作为绿色能源已被广泛开发和应用，光伏板作为能源来源的主要部件因长时间使用和强光导致的电流冲击常常导致线路损坏，一部分线路断路没有专业人员和专用仪器是很难判断出来故障所在，有可能长期不被发现，而对光伏发电用户将带来较大的经济损失。现市场上还没有什么方法和仪器能及时发现一台逆变器中其中一条或部分线路故障能进行提示或报警的装置，为解决此问题，本发明提出一种光伏发电直流线路故障检测方法及系统。

发明内容

为解决太阳能板直流线路故障难以发现的问题，发明一种光伏发电直流线路故障检测方法并为之设计了硬件系统。在对原有的发电系统不用任何改变的情况下，实现对发电系统的故障监视与报警。该方法包括数据采集、数据处理和报警显示等，其中数据采集包括步骤1、2、3：

步骤1：由单片机采集光照强度信息U _I ，根据光照强度判断白天和晚上，当U _I >U _I0时，说明光照强度较大，当U _I <U _I0时，说明光照强度严重不足，判断为晚上或雨天；U _I0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤2：由单片机采集电网电压信息U _w ，用于判断电网是否正常，当U _w >U _w0时，说明电网正常，当U _w <U _w0时，说明电网不正常；U _w0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤3：由单片机采集1…n多路直流线路电流信息U _I1、U _I2…U _In ，获得的光伏板线路直流电流数字量信息，将U _I1、U _I2…U _In 的某一路用U _Ix 表示，其中x∈(1, n)，以备下一步数据处理引用；

数据处理包括4、5、6、7、8步:

步骤4：单片机根据光照强度U _I 和电网电压U _w 是否正常来判断是否继续执行下面的5、6、7、8步，如果光照强度U _I >U _I0和电网电压U _w >U _w0说明二者都正常，则执行下面的5~8步，如果光照强度U _I <U _I0或网电压U _w <U _w0其中一个成立或两者都成立，否则跳过步骤5~8步；设定故障报警标志位f = 0，退出数据处理；

步骤5：如果光照强度U _I 和电网电压U _w 电压值均正常，则从U _I1、U _I2…U _In 中寻找到电流最大值U _Max ；

步骤6：依据U _Max 的值，依次计算U _I1、U _I2…U _In 与U _Max 相对误差E _x ，

， x∈(1, n)，其中E _x 定义为任意光伏板线路电流U _Ix 与最大值U _Max 相对误差；

步骤7：当光伏板线路电流U _Ix 与电流最大值U _Max 相对误差E _x >P _f 时，对U _Ix 进行重复采集，再次计算E _x 的值，再次确认E _x >P _f 时，故障报警标志位f 设置为1；其中，P _f 为故障报警预设参数，P _f 的原始预设值为20%；P _f 的值可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤8：若E _x >P _f ，f=1；若E _x <P _f ，f=0，根据故障报警标志位f的状态确定是否存在直流线路故障；

步骤9：若f=1表明第x路光伏板直流线路存在故障，由单片机程序输出报警声和显示故障线路号；如果f=0，没有报警信息，如果U _I <U _I0显示光照不足，如果U _w <U _w0显示电网丢失；如果f=0，且U _I >U _I0、U _w >U _w0显示一切正常；

之后程序返回到按键扫描和更新显示，循环执行步骤1。

单片机对多路同型号光伏板的直流电流的进行电流采集，光伏板直流线路正常时，U _I1、U _I2…U _In 的值几乎相同，求得的相对误差E _x 几乎为0，不产生报警，显示线路正常；

最大值U _Max 为直流电流采集值U _I1、U _I2…U _In 其中之一，U _I1、U _I2…U _In 将随光照强度实时变化，最大值U _Max 也实时发生变化，采用U _Max 作为参考值计算获得的相对误差E _x ，而不用固定值U _MAx0 来计算相对误差，这样E _x 将不受光照强度影响或影响很小可以忽略不计，具有很强的自适应性，对实时变化的天气不需要调整参数，同时也可以适用不同型号的光伏板。

一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征是硬件系统包括检测探头及处理电路（1）、电网电压采样电路（2）、光照采样电路（3）、单片机（4）和报警电路（5）；检测探头及处理电路（1）包括n个相同的电路模块，与太阳能板（6）的数量一致；检测探头及处理电路（1）为非接入式直流检测装置，其功能是将太阳能板输出的直流电流转换为0～5V的直流电压U _I1…U _In ，供单片机采集用；电网电压采样电路（2）将电网电压转换为直流电压U _w ，U _w0 电压范围设置在3~5V；光照采样电路（3）将光照强度转换直流电压U _I ，其数值在0～5V之间；晚上或无光照时，U _I 电压值为1V以下，白天时电压值U _I 与光照强度有相，正常时设定U _I0 >2.0V，最大值为5V；单片机（4）根据故障标志位f的值确定是否报警和显示故障线路的序号，如果报警将由报警电路（5）输出报警声。

检测探头及处理电路（1）包括检测探头（11）和处理电路（12）；检测探头（11）包括软磁铁芯（111）、检测元件（112）、被检测线路（113）和补偿元件（114），软磁铁芯（111）由铁氧体材料或硅钢片制成圆环形，被检测线路（113）穿过圆环中孔；在软磁铁芯（111）圆环体上开出一道缺口，用于安放检测元件（112）；处理电路（12）由两个霍尔元件H1、H2和运算放大电路OP07组成，两个霍尔元件即为检测元件(112)和补偿元件（114），两霍尔元件型号和性能一致，H1作为温度和环境补偿用，H2安装在软磁铁芯（111）圆环体的缺口中，用于检测线路电流值。

采用磁电式探头和非接入技术，不需对原有的光伏发电系统作任何修改，也不产生任何影响，且过载能力强，自我保护性能好；采用两个霍尔元件，要以防止零点漂移和温度漂移，又可防止外磁环境干扰，不需要调零，具有很强的抗干扰能力。

本发明的有益特征是为光伏发电直流故障提供检测方法及硬件系统方案。

附图说明

图1 硬件方案方框图，图2主程序流程图，图3 数据处理子程序流程图，图4 传感器探头结构及处理电路原理图；

图1中，1为检测探头及处理电路、2为电网电压采样电路、3为光照采样电路、4为单片机、5为报警电路、6为太阳能板、7为并网逆变器、8为显示器、9为按键；

图4中，11为检测探头、12为处理电路；111为软磁铁芯、112为检测元件、113为被检测线路、114为补偿元件。

具体实施方式

本发明包括数据采集、数据处理和报警显示等，执行程序开始，首先进行硬件初始化，包括对单片机IO口、定时器、中断和ADC等内部资源初始化设置，之后进行初始化显示。

其中数据采集包括步骤1、2、3：

步骤1：由单片机采集光照强度信息U _I ，根据光照强度判断白天和晚上，当U _I >U _I0时，说明光照强度较大，当U _I <U _I0时，说明光照强度严重不足，判断为晚上或雨天；U _I0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设。

步骤2：由单片机采集电网电压信息U _w ，用于判断电网是否正常，当U _w >U _w0时，说明电网正常，当U _w <U _w0时，说明电网不正常；U _w0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设。

步骤3：由单片机采集1…n路直流线路电流信息U _I1、U _I2…U _In ，获得的光伏板线路直流电流数字量信息，将U _I1、U _I2…U _In 的某一路用U _Ix 表示，其中x∈(1, n)，以备下一步数据处理引用。

数据处理包括4、5、6、7、8步:

步骤4：单片机根据光照强度U _I 和电网电压U _w 是否正常来判断是否继续执行下面的5、6、7、8步，如果光照强度U _I >U _I0和电网电压U _w >U _w0说明二者都正常，则执行下面的5~8步，如果光照强度U _I <U _I0或网电压U _w <U _w0其中一个成立或两者都成立，否则跳过步骤5~8步；设定故障报警标志位f = 0，退出数据处理。

步骤5：如果光照强度U _I 和电网电压U _w 电压值均正常，则从U _I1、U _I2…U _In 中寻找到电流最大值U _Max 。

步骤6：依据U _Max 的值，依次计算U _I1、U _I2…U _In 与U _Max 相对误差E _x ，

，x∈(1, n)，其中E _x 定义为任意光伏板线路电流U _Ix 与最大值U _Max 相对误差。

步骤7：当光伏板线路电流U _Ix 与电流最大值U _Max 相对误差E _x >P _f 时，对U _Ix 进行重复采集，再次计算E _x 的值，再次确认E _x >P _f 时，故障报警标志位f 设置为1；其中，P _f 为故障报警预设参数，P _f 的原始预设值为20%；P _f 的值可以通过硬件电路的按键进行重设。

步骤8：若E _x >P _f ，则f=1；若E _x <P _f ，f=0，根据故障报警标志位f的状态确定是否存在直流线路故障。

步骤9：若f=1表明第x路光伏板直流线路存在故障，由单片机程序输出报警声和显示故障线路号；如果f=0，没有报警信息，如果U _I <U _I0显示光照不足，如果U _w <U _w0显示电网丢失；如果f=0，且U _I >U _I0、U _w >U _w0显示一切正常；

之后程序返回到按键扫描和更新显示，循环执行步骤1。

单片机对多路同型号光伏板的直流电流的进行电流采集，光伏板直流线路正常时，U _I1、U _I2…U _In 的值几乎相同，求得的相对误差几乎为0，不产生报警，显示线路正常；

最大值U _Max 为直流电流采集值U _I1、U _I2…U _In 其中之一，U _I1、U _I2…U _In 将随光照强度实时变化，最大值U _Max 也随之发生变化，采用U _Max 作为参考值计算相对误差E _x ，将不受光照强度影响，或影响很小可以忽略不计，具有很强的自适应性，对实时变化的天气不需要调整参数，同时也可以适用不同型号的光伏板；如果采用固定值U _Max0代替U _Max 来计算E _x 将出现重大偏差或错误结果。

该发明由图1所示的硬件系统得以实现，硬件系统由检测探头及处理电路（1）、电网电压采样电路（2）、光照采样电路（3）、单片机（4）和报警电路（5）组成；检测探头及处理电路（1）包括n个相同的电路模块，与太阳能板（6）的数量一致；检测探头及处理电路（1）为非接入式直流检测装置，其功能是将太阳能板输出的直流电流转换为0～5V的直流电压U _I1…U _In ，供单片机采集用；电网电压采样电路（2）将电网电压转换为直流电压U _w ，电压范围在3~5V，U _w0设定为3V；光照采样电路（3）将光照强度转换直流电压U _I ，其数值在0～5V之间；晚上或无光照时，U _I 电压值为1V以下，白天时电压值U _I 与光照强度有相，最大值为5V，设定U _I0 >2.0V；单片机（4）根据故障标志位f的值确定是否报警和显示故障线路的序号，如果报警将由报警电路（5）输出报警声。

检测探头及处理电路（1）包括检测探头（11）和处理电路（12）；检测探头（11）包括软磁铁芯（111）、检测元件（112）、被检测线路（113）和补偿元件（114），软磁铁芯（111）由铁氧体材料或硅钢片制成圆环形，被检测线路（113）穿过圆环中孔；在软磁铁芯（111）圆环体上开出一道缺口，用于安放检测元件（112）；处理电路（12）由两个霍尔元件H1、H2和运算放大电路OP07组成，两个霍尔元件即为检测元件(112)和补偿元件（114），两霍尔元件型号和性能一致，H1作为温度和环境补偿用，H2安装在软磁铁芯（111）圆环体的缺口中，用于检测线路电流值。

采用磁电式探头和非接入技术，不需对原有的光伏发电系统作任何修改，也不产生任何影响，且过载能力强，自我保护性能好；采用两个霍尔元件，要以防止零点漂移和温度漂移，又可防止外磁环境干扰，不需要调零，具有很强的抗干扰能力。

硬件系统工作原理如下：一台逆变器通常有多路太阳能板输入直流电流进行发电，其中一条或部分直流电路断路逆变器将正常发电而不容易被发现，但会损失发电功率。通过多路检测探头及处理电路对太阳能板的每一路直流电流进行电压转换，获得电压信号，由单片机进行采集和数据处理，单片机同时对光照和电网信息进行获取，并融合到数据处理的算法中。当其中一路光伏板线路故障时，将由单片机输出报警提示，并在显示器中显示故障线路编号；通过按键可以重设光照预设值U _I0、电网电压预设值U _w0、故障报警预设参数P _f ，适应可能的不同状况。

Claims (5)

1.一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征在于，包括按键显示、数据采集和数据处理，其中数据采集包括步骤1、2、3：

步骤1：由单片机采集光照强度信息U _I ，根据光照强度判断白天和晚上，当U _I >U _I0时，说明光照强度较大，当U _I <U _I0时，说明光照强度严重不足，判断为晚上或雨天；U _I0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤2：由单片机采集电网电压信息U _w ，用于判断电网是否正常，当U _w >U _w0时，说明电网正常，当U _w <U _w0时，说明电网不正常；U _w0为设定值，可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤3：由单片机采集1…n多路直流线路电流信息U _I1、U _I2…U _In ，获得的光伏板线路直流电流数字量信息，将U _I1、U _I2…U _In 的某一路用U _Ix 表示，其中x∈(1, n)，以备下一步数据处理引用；

数据处理包括4、5、6、7、8步:

步骤4：单片机根据光照强度U _I 和电网电压U _w 是否正常来判断是否继续执行下面的5、6、7、8步，如果光照强度U _I >U _I0和电网电压U _w >U _w0说明二者都正常，则执行下面的5~8步，如果光照强度U _I <U _I0或网电压U _w <U _w0其中一个成立或两者都成立，否则跳过步骤5~8步；设定故障报警标志位f = 0，退出数据处理；

步骤5：如果光照强度U _I 和电网电压U _w 电压值均正常，则从U _I1、U _I2…U _In 中寻找到电流最大值U _Max ；

步骤6：依据U _Max 的值，依次计算U _I1、U _I2…U _In 与U _Max 相对误差E _x ，

，x∈(1, n)，其中E _x 定义为任意光伏板线路电流U _Ix 与最大值U _Max 相对误差；

步骤7：当光伏板线路电流U _Ix 与电流最大值U _Max 相对误差E _x >P _f 时，对U _Ix 进行重复采集，再次计算E _x 的值，再次确认E _x >P _f 时，故障报警标志位f 设置为1；其中，P _f 为故障报警预设参数，P _f 的原始预设值为20%；P _f 的值可以通过硬件电路的按键进行重设；

步骤8：若E _x >P _f ，f=1；若E _x <P _f ，f=0，根据故障报警标志位f的状态确定是否存在直流线路故障；

步骤9：若f=1表明第x路光伏板直流线路存在故障，由单片机程序输出报警声和显示故障线路号；如果f=0，没有报警信息，如果U _I <U _I0显示光照不足，如果U _w <U _w0显示电网丢失；如果f=0，且U _I >U _I0、U _w >U _w0显示一切正常；

之后程序返回到按键扫描和更新显示，循环执行步骤1。

2.根据权利要求1所述的一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征是，单片机对多路同型号光伏板的直流电流的进行电流采集，光伏板直流线路正常时，U _I1、U _I2…U _In 的值几乎相同，求得的相对误差E _x 几乎为0，不产生报警，显示线路正常；

最大值U _Max 为直流电流采集值U _I1、U _I2…U _In 其中之一，U _I1、U _I2…U _In 将随光照强度实时变化，最大值U _Max 也随之发生变化，采用U _Max 作为参考值计算获得的相对误差E _x ，而不用固定值U _MAx0 来计算相对误差，具有很强的自适应性，对实时变化的光照强度不需要调整参数，E _x 将不受光照强度影响或影响很小可以忽略不计，同时也可以适用不同型号的光伏板。

3.根据权利要求1所述的一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征是包括硬件系统，硬件系统包括检测探头及处理电路（1）、电网电压采样电路（2）、光照采样电路（3）、单片机（4）和报警电路（5）；检测探头及处理电路（1）包括n个相同的电路模块，与太阳能板（6）的数量一致；检测探头及处理电路（1）为非接入式直流检测装置，其功能是将太阳能板输出的直流电流转换为0～5V的直流电压U _I1…U _In ，供单片机采集用；电网电压采样电路（2）将电网电压转换为直流电压U _w ，电压范围在3~5V；光照采样电路（3）将光照强度转换直流电压U _I ，其数值在0～5V之间；晚上或无光照时，U _I 电压值为1V以下，白天时电压值U _I 与光照强度有相，最大值为5V；单片机（4）根据故障标志位f的值确定是否报警和显示故障线路的序号，如果报警将由报警电路（5）输出报警声。

4.根据权利要求1或3所述的一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征是检测探头及处理电路（1）包括检测探头（11）和处理电路（12）；检测探头（11）包括软磁铁芯（111）、检测元件（112）、被检测线路（113）和补偿元件（114），软磁铁芯（111）由铁氧体材料或硅钢片制成圆环形，被检测线路（113）穿过圆环中孔；在软磁铁芯（111）圆环体上开出一道缺口，用于安放检测元件（112）；处理电路（12）由两个霍尔元件H1、H2和运算放大电路OP07组成，两个霍尔元件即为检测元件(112)和补偿元件（114），两霍尔元件型号和性能一致，H1作为温度和环境补偿用，H2安装在软磁铁芯（111）圆环体的缺口中，用于检测线路电流值。

5.根据权利要求1或3所述的一种光伏发电直流线路故障检测方法，其特征是采用磁电式探头和非接入技术，不需对原有的光伏发电系统作任何修改，也不产生任何影响，且过载能力强，自我保护性能好；采用两个霍尔元件，要以防止零点漂移和温度漂移，又可防止外磁环境干扰，不需要调零，具有很强的抗干扰能力。

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