CN207573313U - 一种基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置，包括主装置和副装置两部分：副装置用于检测所接入组串的串并联电阻，并将相关数据通过Zigbee无线方式发送给主装置；主装置用于接收同一装置系统内副装置发送的信号，进行初步的故障类型判断和故障程度评估，将相关数据上传至近距离的手机APP客户端及远距离的数据分析平台；主、副装置通过无线方式连接构成故障诊断与监测装置系统的硬件部分。本实用新型的有益效果是：采用串联电阻和并联电阻计算的方法实现组串级别的故障类型判断与程度评估，诊断结果可靠；采用模块化设计，提高了装置运行可靠性；采用主、副装置结构相似、功能分离的方法，既降低了设计及制造成本，又提升了运维效率。

Description

一种基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置，尤其涉及一种用于对光伏组串工作状态进行数据采集、故障诊断和状态监测的光伏组串故障诊断与监测装置。

背景技术

最近几年，我国光伏产业迅猛发展，装机容量大幅增加。由于现有光伏电站的平均寿命为25年左右，而光伏系统通常又在无人值守的情况下运行，光伏电站系统可能发生各种各样的故障，其中涉及光伏组串的相关故障占据其中的绝大部分，光伏组串的常见故障主要有四种，分别是光伏组件的表面灰尘、阴影遮挡、组件热斑、组件隐裂，系统故障的发生会导致输出功率降低从而影响整个系统的正常高效运行。

现有光伏组件及组串的故障诊断方法主要分为两类：

第一类是依据光伏电站管理人员或现场运维人员对于电站现场情况的掌握及信息反馈，然后针对单一故障类型采用专用仪器进行检测，如IR、EL检测等，从而对光伏组件工作状态与故障情况进行判断。这类方法需要运维人员深入到电站现场进行排查与检测，采用的专业仪器往往价格昂贵，人力物力成本高；而且每次测量只能识别出一种故障类型，仪器使用不便，对故障的处理不及时，导致整体运维效率较为低下；

第二类是使用检测设备人工（或自动）对现场某些能够反映光伏组件工作状态的电压/流等参数进行测量，然后将检测数据汇总分析，实现对故障的诊断。这类方法往往难以判断是何种故障导致的参数变化；检测时需要将组串从逆变器上断开，停止此串发电，导致逆变器工作不稳定，发电量降低。存在故障诊断不准确、数据采集繁琐、发电状态波动大、成本高效率低等缺点。

发明内容

本实用新型的主要目的在于针对现有光伏阵列故障检测方法人力物力成本高、检测效率低、检测过程对发电过程影响大、设备日常运维繁琐等诸多不足，提供一种具备可选光伏或电池供电、防雷隔断、数据采集、串联电阻和并联电阻计算及显示、有/无线通信、运维平台或手机客户端软件远程监测等功能的光伏阵列故障诊断与监测装置。所述装置通过周期性多点数据采样计算出光伏组串的串联电阻和并联电阻，然后进行数据分析与比较，从而在组串级别实现对光伏方阵的故障类型判断、故障程度评估和状态检测。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

1. 本实用新型包括两部分：主装置和副装置，主装置用于接收同一装置系统内副装置发送的信号，同时检测所接入组串的串并联电阻，进行初步的故障类型判断和故障程度评估，然后将相关数据上传至数据分析平台及现场运维人员的手机APP客户端；副装置用于检测所接入组串的串并联电阻，并将相关数据通过Zigbee无线方式发送给同一装置系统内的主装置；二者在同一电站内通过Zigbee无线方式相互连接构成所述故障诊断与监测装置系统的硬件部分。

2. 所述主装置包括外壳、底板、重启按钮、输入端接线端子、输出端接线端子、正常工作指示灯（绿色）、故障指示灯（红色）、LCD液晶屏幕、MCU控制模块、电压调制模块、电流传感器模块、电源模块、防雷模块、通讯模块（发射与接收天线、RS584接口）、显示模块。

3. 所述副装置包括外壳、底板、输入端接线端子、输出端接线端子、MCU控制模块、电压调制模块、电流传感器模块、电源模块、防雷模块、通讯模块（发射天线）。

4. 本实用新型所述主、副装置的各部分之间相互联系及工作方式如下：位于外壳上的输入端接线端子与被测组串相连接，输出端接线端子与逆变器（或直流汇流箱）相连接；位于底板上的电源模块为整个装置电路供电，可选两种供电方式；底板上的MCU控制模块是整个装置的控制核心，其直接控制电压调制模块对接入的光伏组串进行电压调制，同时控制电流传感器模块采集数据点，然后MCU内部进行串联电阻和并联电阻计算；副装置中MCU控制模块将组串电压、电流、最大峰值功率、组串的串联电阻、并联电阻等相关参数传送给通讯模块，后者通过无线发射天线将数据信号发出；主装置中MCU控制模块将所有副装置发送来的数据信号对应保存，并与自身计算出的组串串联电阻和并联电阻进行横向比较，提取数据特征，从而判断各组串是否存在故障，进一步的，判断故障组串的故障类型，评估故障组串的故障程度；副装置中的通讯模块将MCU发送的数据信号通过信号发射天线发送出去，主装置中的通讯模块将各副装置发送的数据信号通过信号发发射与接收天线接收并传给主装置的MCU控制模块，将主装置的MCU控制模块发送来的数据信号通过RS485有线方式发送出去；防雷模块实时监测输入端的组串电流，当其值超限时立即断开电路与组串的连接，保护该装置及后续电路；主装置的显示模块将MCU控制模块发送来的主、副装置构成装置系统的关键参数传送给位于外壳上的LCD液晶屏幕，并控制其显示可反映系统工作状态及故障情况的参数；位于主装置外壳上的正常工作指示灯亮，显示绿色，表示装置系统的电路部分均正常工作；位于主装置外壳上的故障指示灯亮，显示红色，表示存在故障组串；位于主装置外壳上的系统启动按钮，在正常工作时单次按下，LCD液晶屏幕点亮，在人为断开电路或故障处理后长按3S以上，重新启动故障诊断与检测的装置系统。

5. 所述主、副装置安装的同一电站内部，预先按照组串铭牌参数、设计参数、组件块数将所有组串分类，然后根据每一类组串个数及物理间隔大小，确定该类组串需接入主装置的个数，每个组串接入且仅接入一个主（或副）装置，每个主装置对应若干个副装置构成一个装置系统。

6. 所述主、副装置的电源模块，具有光伏组串直接供电和电池供电两种供电方式可供选择，当装置安装电池且电池电量足以保证装置工作时，电池自动为装置电路供电；否则自动设置所连接的光伏组串为装置电路供电。

7. 所述副装置的通讯模块具有通过Zigbee方式无线发射信号功能；所述主装置的通讯模块具有无线发射与接收信号功能和有线发送信号功能；主装置通过天线发射的组串的串并联电阻、组串故障信息等数据信号，可在现场运维人员的手机APP客户端界面接受并显示详细信息，主装置通过RS485发送的有线信号，可在运维中心的数据分析平台集中处理与分析，从而进行更大规模的数据分析，实现对电站故障的实时诊断与整体运行状态的实时监测。

8. 所述主装置的LCD液晶屏幕显示的参数包括：主、副装置所连接组串的组件块数、铭牌参数、安装参数、副装置个数、故障组串编号、故障组串的串联电阻、并联电阻、电压、电流值、主/副装置电量报警（仅限电池供电时）等。

9. 所述主、副装置的输入端接线端子和输出端接线端子均为可转换接口，适用于MC4、M8等常用光伏组件标准接口。

10. 所述主、副装置正常工作时，按照合适的工作周期进行数据采样、串联电阻和并联电阻计算、数据信号发送等操作。

11. 本实用新型的有益效果是：采用串联电阻和并联电阻计算的方法实现组串级别的故障诊断，参数准确，故障诊断结果可靠；采用现场连接的模块化设计，利于实现光伏电站组串故障自动检测与运行状态实时监测，提升了运维效率；所述故障诊断与监测装置采用主、副装置结构相似、功能分离的方法进行实施，既降低了设计及制造成本，又有利于提高装置运行可靠性；主、副装置之间采用无线通讯方式进行数据传输，减少了电站通讯线缆用量，既降低了经济成本，又有利于工程设计施工。

附图说明

图1是主装置内部结构示意图；

图2是主装置外观示意图；

图3是副装置内部结构示意图；

图4是副装置外观示意图；

图5是同一装置系统内主、副装置的安装位置示意图。

图中100.主装置电路 ，101.主装置MCU控制模块，102.主装置电源模块 ，103.主装置通讯模块，104.主装置显示模块，105.主装置防雷模块，106.主装置电流传感器模块，107.主装置电压调制模块；200.主装置外壳，201.主装置液晶屏幕，202.主装置正常工作指示灯，203.主装置故障指示灯，204.主装置信号接收与发射天线，205.主装置RS485通讯线，206.主装置输入端接线端子，207.主装置输出端接线端子，208.系统启动按钮；300.副装置电路，301.副装置MCU控制模块，302.副装置电源模块，303.副装置通讯模块，304.副装置防雷模块，305.副装置电流传感器模块，306.副装置电压调制模块；400.副装置外壳，401.副装置信号发送天线，402.副装置输入端接线端子，403.副装置输出端接线端子；501.光伏组串，502.副装置，503.主装置，504.装置系统，505.逆变器或直流汇流箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细描述，在以下说明中，出于解释的目的阐述了很多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。另外，在下述实施方式中描述的某些具体细节可以在诸如计算机等可执行指令的系统中执行。

1. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的主装置内部结构示意如图1所示。其中MCU控制模块101是整个装置的控制核心，实现控制信号发送、直接控制电压调制模块107对接入的光伏组串501进行电压调制，同时控制电流传感器模块106采集数据点，进行串联电阻和并联电阻计算、组串故障类型判断、故障程度评估等操作；电源模块102为整个主装置电路100供电，可选两种供电方式；通讯模块103将各副装置502发送的数据信号通过信号发射与接收天线204接收并发送给主装置的MCU控制模块101，将主装置的MCU控制模块101发送来的数据信号通过RS485有线方式发送出去；显示模块104将MCU控制模块101发送来的装置系统504的关键参数传送给位于外壳上的LCD液晶屏幕201；防雷模块105实时监测输入端的组串电流，当其值超限时立即断开电路与组串501的连接，保护该装置及后续电路。

2. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的主装置外观示意如图2所示。外壳整体200与内部底板电路100大小基本相同；位于外壳中心的LCD液晶屏幕201显示可反映组串501及装置系统504工作状态与故障情况的参数，如主、副装置所连接组串的组件块数、组件铭牌参数、安装参数、副装置个数、故障组串编号、故障组串的串联电阻、并联电阻、电压、电流值，主/副装置电量报警（仅限电池供电时）等；外壳上部的正常工作指示灯202亮，显示绿色，表示组串501及装置系统504均正常工作；外壳上部的故障指示灯203亮，显示红色，表示装置系统504所连接的所有组串中存在故障组串；外壳右上部的无线信号发射及接收天线204用于发射本主装置所在装置系统504的关键信息，用于接收所在装置系统的其他副装置502发射的参数信号；外壳右上部的有线通讯RS485接口205用于连接主装置与Web网关，将主装置501与远方运维中心的数据分析平台相连；外壳左下部的输入端接线端子206与被测组串501相连接，外壳右下部的输出端接线端子207与逆变器（或直流汇流箱）505相连接；外壳中下部的系统启动按钮208，在正常工作时单次按下，LCD液晶屏幕201点亮，在人为断开电路或故障处理后长按3S以上，重新启动装置系统。

3. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的副装置内部结构示意如图3所示。其中MCU控制模块301是整个装置的控制核心，实现控制信号发送、直接控制电压调制模块306对接入的光伏组串进行电压调制，同时控制电流传感器模块305采集电流值，进行串联电阻和并联电阻计算功能；电源模块302为整个装置电路300供电，可选两种供电方式；通讯模块303将该副装置计算出的组串501的串联电阻和并联电阻通过信号发射天线401发送出去；防雷模块304实时监测输入端的组串电流，当其值超限时立即断开电路与组串501的连接，保护该装置及后续电路；

4. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的副装置外观示意如图4所示。外壳整体400与内部底板电路300大小基本相同；外壳右上部的无线信号发射天线401用于发射本副装置的关键信息；外壳左下部的输入端接线端子402与被测组串相连接，外壳右下部的输出端接线端子403与逆变器（或直流汇流箱）505相连接。

5. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的安装位置示意如图5所示。现场安装时，每个主（或副）装置接入且仅接入一个光伏组串，一个主装置503与若干个副装置502共同构成一个装置系统504，各装置输出端接入逆变器或直流汇流箱505。编号为a的装置系统中的主装置编号为Dza，其连接的组串编号为PV_a；各副装置编号依次为Dca_1至Dca_n，其连接的组串编号依次为PV_a至PV_n；所有组串依次接入1至p各逆变器（或直流汇流箱）。

6. 所述基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置的主、副装置构成的装置系统504连接完成后，在光伏组串501发电过程中正常工作，主装置的绿色正常工作指示灯202点亮。同一装置系统504中的所有装置按照同一周期，分别对各自所接入的光伏组串进行电压、电流数据采集，各自计算相应组串的串联电阻和并联电阻值，然后所有副装置502将各自的串联电阻和并联电阻值及自身故障信号（若有）通过信号发射天线401发送出去，主装置503通过信号发射及接收天线204接收到该数据信号后，结合自身所连接组串PV_a的串联电阻和并联电阻，进行数据分析与综合，提取数据特征，通过横向比较判断出是否有组串发生故障：若有故障，主装置503上的红色故障指示灯203自动点亮，将故障组串编号、故障类型及程度等相关数据，通过信号发射及接收天线204发射出去，同时将上述数据通过RS485通信线205发送至远方的电站运维中心的数据分析平台，从而指导运维，并有助于集中进行更大规模的数据分析，实现电站故障的实时诊断与电站整体运行状态的实时监测；若无故障，等待一段时间，再次进行上述过程。当有运维人员到现场时，可在手机APP软件客户端上接收并显示主装置503发送的无线数据信号，直观查看组串运行及故障状况。当人员单次按下主装置503的启动按钮208时，LCD液晶屏幕201点亮，显示相关状态及故障参数；故障排除后，人员手动按下（按下时间大于3s）启动按钮208，重新启动装置系统504。

Claims (1)

1.一种基于电阻计算的光伏组串故障诊断与监测装置，其特征在于，包括主装置和副装置两部分：主、副装置均包括外壳、底板、输入端接线端子、输出端接线端子、MCU控制模块、电压调制模块、电流传感器模块、电源模块、防雷模块；主装置单独包括发射与接收天线及RS485接口构成的通讯模块、显示模块、LCD液晶屏幕、正常工作指示灯、故障指示灯、重启按钮；副装置单独包括发射天线构成的通讯模块；

主、副装置的主要部分之间相互关系如下：外壳上的输入端接线端子与被测组串相连，输出端接线端子与逆变器或直流汇流箱相连；装置底板上的MCU控制模块直接控制电压调制和电阻计算；副装置中MCU控制模块(301)将其计算的串联电阻和并联电阻传给通讯模块(303)，并经天线(401)发送出去，数据被主装置中的天线(204)接收后经通讯模块(103)传给MCU控制模块(101)，后者进行故障诊断；然后MCU控制模块(101)将参数发送给通讯模块(103)和显示模块(104)，前者将数据通过天线(204)和RS485通讯线(205)发送出去，后者将数据传给外壳上的LCD液晶屏幕(201)。