基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)

梁新田, 徐志華(.保定科諾偉業(yè)控制設備有限公司, 河北 保定 07000;.中鐵電氣化局 保定鐵道變壓器有限公司, 河北 保定 07000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)

梁新田1, 徐志華2
(1.保定科諾偉業(yè)控制設備有限公司, 河北 保定 071000;2.中鐵電氣化局 保定鐵道變壓器有限公司, 河北 保定 071000)

搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控平臺。以光伏發(fā)電系統(tǒng)故障檢測算法和設備的優(yōu)化管理為基礎,通過建立性能評估模型,實現(xiàn)對區(qū)域分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運行性能進行評估。運行結(jié)果表明,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效果好、性能穩(wěn)定可靠,具有很高的應用和推廣價值。

物聯(lián)網(wǎng); 光伏發(fā)電; 智能監(jiān)控系統(tǒng); 可靠性

0 引 言

根據(jù)目前基礎條件和政策導向的分析,我國光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過產(chǎn)業(yè)調(diào)整將有望走出低迷,預計“十二五”末光伏發(fā)電累計裝機容量達到40 GW,到2020年有可能突破100 GW。隨著規(guī)模性的太陽能電站在國內(nèi)陸續(xù)建設并投入運行,如何實時了解電站的運行狀況,如何滿足上一級系統(tǒng)或電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)控需求,成為亟待解決的問題。太陽能光伏電站系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控,如運行狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測預警、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、能源調(diào)度與分配,對提高光伏系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)運行成本具有重要的意義。

本文建立了一個區(qū)域分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時安全監(jiān)控平臺,融合智能無線傳感器技術(shù)、實時無線網(wǎng)絡通信技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘分析平臺技術(shù),以及整個系統(tǒng)動態(tài)變化的可視化技術(shù)和故障預測與優(yōu)化檢修技術(shù)。

1 系統(tǒng)概況

該項目以10 MW屋頂BIPV光伏發(fā)電示范工程項目為研究依托,分成若干子系統(tǒng)進行各種數(shù)據(jù)采集傳感器的選擇配置;構(gòu)建實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信傳輸網(wǎng)絡;通過光伏電站管理中心,構(gòu)建基于實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的監(jiān)控平臺,并設計平臺體系結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫管理策略;基于區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時信息,研究建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型、特征曲線、故障檢測、系統(tǒng)性能評估方法及數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡的可視化技術(shù)等。

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由單片機、電源電路、數(shù)據(jù)采樣電路、無線通信電路和外殼組成,可以采集當?shù)亟尤朦c各種不同類型的數(shù)據(jù)。根據(jù)預先配置的上傳策略進行數(shù)據(jù)上報,這些數(shù)據(jù)可通過模擬或數(shù)字接口導出給無線傳感器通信模塊。采集模塊分布在太陽能光伏組件、匯流箱、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜等系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。其中光伏組件的數(shù)據(jù)采集模塊安裝在背板上,與接線盒相連,可以采集直流電壓、直流電流、平均功率、日輻照量、風速、環(huán)境溫度、光伏組件溫度。光伏逆變器的數(shù)據(jù)采集模塊主要采集輸入直流電壓/電流、輸出交流電流/電壓、輸出功率、電網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓等參數(shù)。逆變器輸入端的直流電壓、電流和輸出端的三相交流電壓、電流都是通過霍爾傳感器測得。設計選用霍爾電壓CLSM-10MA傳感器,電源電壓為±15 V,絕緣電壓為5 kV,輸入額定電流為±10 mA,輸出額定電流為±25 mA。逆變器輸出端三相交流電壓采樣電路如圖2所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架

圖2 逆變器輸出端三相交流電壓采樣電路

圖2中,Usa、Usb、Usc為霍爾電壓傳感器采集到的輸出信號,利用運算放大器LF247將霍爾電壓傳感器的輸出信號送到同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器引腳AD1、AD2、AD3。

2.2 通信網(wǎng)絡的構(gòu)建

光伏發(fā)電實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡的通信模塊是項目技術(shù)方案的關鍵,其工作原理是利用IEEE 802.15.4的短距無線傳輸技術(shù)作為節(jié)點之間的通信信道,并通過系統(tǒng)芯片SOC來控制外接的各類傳感模塊,定時讀取太陽能電池和光伏逆變器組件特定的物理量,并通過多跳的通信方式傳送到遠端設備。通常無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊需要普通的外接電源或化學電池供電,該項目將利用太陽能電池輸出的低壓直流電進行供電。

無線中繼通信設備是傳感器網(wǎng)絡的中間路由節(jié)點,本身不承擔數(shù)據(jù)采集的工作,但需要在長距離傳輸時進行中繼路由,并且具有MESH組網(wǎng)和自愈能力,即在通信鏈路發(fā)生故障時協(xié)議可以自適應地修改中繼路徑,保障端到端的通信質(zhì)量。該設備的引入極大地降低了原有總線監(jiān)測技術(shù)方案的風險,實現(xiàn)了多路徑的動態(tài)組網(wǎng)拓撲,提高了監(jiān)測通信鏈路的可靠性。

3G無線傳感網(wǎng)網(wǎng)管設備是傳感網(wǎng)與3G移動通信網(wǎng)的融合節(jié)點,同時具備與傳感網(wǎng)和3G網(wǎng)絡通信的功能。它利用3G通信模塊將采集到的多個光伏發(fā)電設備的數(shù)據(jù)進行上報,并轉(zhuǎn)發(fā)遠程監(jiān)測控制中心下達的各項操作和查詢指令。該網(wǎng)關設備的形態(tài)可分為固定式和移動式。固定式采用普通工業(yè)級通信網(wǎng)關設備開發(fā),具備一定的防水、防震等要求,采用電源供電,適合露天長期部署。移動式采用智能手機或平板電腦終端,適合便攜使用。

2.3 體系結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設計

利用C++語言,并采用C/S和B/S相結(jié)合的混合模式,開發(fā)光伏發(fā)電監(jiān)測平臺;數(shù)據(jù)庫包含實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫,兩者的訪問都采用標準的UML語言。

2.4 系統(tǒng)功能與性能的評估

監(jiān)控平臺的功能可工作在應用管理模式、研究模式。應用模式一般面向用戶,而研究模式面向PV開發(fā)研究人員和PV廠家。數(shù)據(jù)分析模塊的功能流程如圖4所示。通過輸入數(shù)據(jù)的用戶界面,使用者在用戶界面中選擇試驗數(shù)據(jù)的類別,輸入試驗采集到的數(shù)據(jù);通過性能評估模塊內(nèi)核進行試驗數(shù)據(jù)失效分布類型的估計,并在估計基礎上進行檢驗,確定試驗數(shù)據(jù)的失效分布類型,計算出相應的可靠性試驗數(shù)據(jù)的特征量;通過結(jié)果顯示界面,讀取性能評估結(jié)果。

圖4 數(shù)據(jù)分析模塊的功能流程圖

2.5 狀態(tài)監(jiān)測與維修計劃研究

狀態(tài)監(jiān)測是指通過測定設備在運行過程中所反映出來的特征參數(shù)(如震動、噪聲、溫度等),來檢查其狀態(tài)是否正常。對光伏發(fā)電系統(tǒng)關鍵元件進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是將采集到的各種數(shù)據(jù)與設定參數(shù)對比分析,用辨識方法估計模型參數(shù),如果偏離正常值過大,那就是故障,由模型參數(shù)可推算出機理模型的參數(shù),找出故障根源。該方法可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在故障及其原因、故障部位及輕重程度,預報故障發(fā)展趨勢,提出維修建議。為縮短維修時間、降低維修費用,可以在一定范圍內(nèi)合理安排維修時間,使停機所造成的經(jīng)濟損失達到最低限度。

2.6 建筑光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的可視化研究

遠程監(jiān)測控制中心是光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠程智能管理平臺,具有強大數(shù)據(jù)處理能力,對區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、查詢、開關控制等操作,預計可支持10萬套的管理能力。

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),分為兩類進行可視化。

(1) 生成數(shù)據(jù),用曲線、餅圖、棒圖以及輪廓圖刻畫系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。

(2) 利用分析、挖掘、處理后的特征或結(jié)果信息,開發(fā)更加深刻、醒目的2D、3D可視化技術(shù)。

3 系統(tǒng)搭建及運行

搭建基于無線傳感網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)智能監(jiān)測試驗網(wǎng)。試驗網(wǎng)外場選址為10 MW屋頂BIPV光伏發(fā)電示范工程試驗場地,部署20套無線傳感器通信模塊來監(jiān)測對應太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),包括光伏組件、電池和逆變器,并通過4個無線中繼通信設備和1個網(wǎng)關設備接入到公共互聯(lián)網(wǎng)。另外,外場還布設1個現(xiàn)場控制和顯示設備。

與相同裝機容量的普通光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)相比,前期需要增加設備資金投入約為82萬元。據(jù)不完全統(tǒng)計,普通光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)每年每10 MW光伏電站用于維護、檢修、檢測投入的人力費用約為40萬元;設備監(jiān)管不力,造成光伏組件損毀燒壞280塊,價值約30萬元;考慮光伏組件的更換和安裝,損失發(fā)電量等綜合費用總計為10萬元。在光伏發(fā)電系統(tǒng)25 a生命期內(nèi),將共計損失2 000萬元。采用智能監(jiān)控系統(tǒng)大大減少了非系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)下電站的損失額。

2013年全年統(tǒng)計的相關數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,單從年發(fā)電量角度來看,智能監(jiān)控系統(tǒng)相比普通監(jiān)控系統(tǒng),前期增加的82萬元資金投入,預計2年多就可以收回成本。

表1 發(fā)電量對照表

注:電費單價按0.94元/kWh計。

綜上所述,該監(jiān)控系統(tǒng)可最大限度地節(jié)約資源,實現(xiàn)資源的合理優(yōu)化,降低光伏系統(tǒng)電站潛在危險損失,提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電可靠性。通過對光伏發(fā)電運行參數(shù)和數(shù)據(jù)的分析研究,得出以下信息:

(1) 光伏組件功率輸出與光照輻射度、PV電池板安裝角度和溫度、環(huán)境溫度以及風速的關系,建立了相關的分析模型,為光伏組件生產(chǎn)廠設計出效率高的光伏電池提供參考。

(2) 影響區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的各種因素,為設計更高效的逆變器控制算法提供了可靠的依據(jù)。

(3) 光伏發(fā)電的動態(tài)模型,便于進行不同應用(潮流、短路、穩(wěn)定分析等)的動態(tài)模擬仿真。

(4) 動態(tài)模型能夠與電力系統(tǒng)模型結(jié)合,以便研究PV電源對電網(wǎng)安全、可靠運行的影響。

(5) 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)(具有易變、不確定性特征)建立了有效、通用、標準的潮流計算和穩(wěn)定性分析模型。

4 結(jié) 語

光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對示范光伏發(fā)電系統(tǒng)各類動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化,運行效果良好,將產(chǎn)生極大的示范效應,對于推動光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國家智能電網(wǎng)建設具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1] ULIERU V D,CEPISCA C,IVANOVICI T.Data acquisition in photovoltaic systems[C]∥Proceedinds of the 13th WSEAS Internatinal Conference on Circuits,2008.

[2] 米增強,王飛,劉興杰,等.并網(wǎng)型光伏電站發(fā)電功率預測方法:中國,101728984A[P].2010-06-09.

[3] 蘇乘風,趙春江,洪崇恩.10 kW建筑一體化屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的研制[J].華東電力,2010,38(7):1084-1086.

[4] 徐維.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型研究與分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(10):17-21.

[5] 劉光浩,王虎奇.基于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的供水泵組狀態(tài)維修方法研究[J].機械設計與制造,2008(1):129-130.

[6] 吳孟卿.辦公樓光伏發(fā)電系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(5):49-52.

Photovoltaic Power Generation Intelligent Monitoring System Based on Internet of Things

LIANG Xintian1, XU Zhihua2

(1.Baoding Corona Control Equipment Co., Ltd., Baoding 071000, China;2.Baoding Railway Transformer Co., Ltd., China CREC Railway Electrification Bureau Group, Baoding 071000, China)

This paper built an intelligent monitoring system of integrated photovoltaic power generation based on Internet of Things.Based on the fault detection algorithm and the optimal management of devices,the evaluation model was built to evaluate the operation performances of regional distributed photovoltaic power generation system.The test results show that the system has the effective data transmission,reliable and steady performances,which has high application and promotion value.

Internet of Things(IOT); photovoltaic power generation; intelligent monitoring system; reliability

梁新田(1982—),男,工程師,從事光伏并網(wǎng)逆變器方面的研究。

TU 852

B

1674-8417(2015)04-0015-04

2014-12-07

徐志華(1982—),女,工程師,從事電器可靠性方面的研究。