基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧光伏運(yùn)維系統(tǒng)

張財貴　羅林祿　余輝　陳輝煌　徐振磊

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)思維設(shè)計了一款基于NB-IoT技術(shù)的智能匯流箱，該產(chǎn)品使用多傳感器采集實(shí)時數(shù)據(jù)，并利用基于μCOS-III的嵌入式系統(tǒng)以及MQTT協(xié)議云服務(wù)器，在極低的配置需求下，保證可靠的數(shù)據(jù)發(fā)布，使客戶端的手機(jī)APP可實(shí)時查看當(dāng)前每個子光伏陣列的運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);光伏

1 作品簡介

文中設(shè)計了一款基于NB-IoT的智能光伏陣列匯流箱數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有實(shí)時監(jiān)控各種數(shù)據(jù)，并提示預(yù)警信息等功能，科學(xué)監(jiān)控光伏陣列系統(tǒng)可在短時間內(nèi)找到故障，便于系統(tǒng)維護(hù)與故障處理。一方面，電氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將監(jiān)測光伏陣列的多種環(huán)境參數(shù)，包括輻照度、溫度和濕度等，然后通過無線透傳的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軈R流箱之中;另一方面，通過匯流系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測光伏陣列的電流和電壓輸出值（即光伏陣列的原始功率值），然后匯流系統(tǒng)統(tǒng)計兩部分?jǐn)?shù)據(jù)并編碼后，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至MQTT云服務(wù)器。移動客戶端的設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計與安卓系統(tǒng)手機(jī)或平板電腦匹配的APP軟件，只需要設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)，與本系統(tǒng)服務(wù)器響應(yīng)并訂閱相關(guān)主題，服務(wù)器就會自動將訂閱的內(nèi)容發(fā)送到所需要的客戶端APP。最后，通過將采集的多種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和光伏陣列的原始功率實(shí)現(xiàn)對光伏陣列發(fā)電功率的預(yù)測和對光伏陣列進(jìn)行故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的智能運(yùn)維和調(diào)控。電氣數(shù)據(jù)采集模塊如圖1所示，系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

2 工作原理

本系統(tǒng)架構(gòu)主要分為硬件組成和軟件算法兩部分。

硬件組成包括電氣氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和匯流系統(tǒng)，其工作流程如下：

（1）通過電氣氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對光伏陣列周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，包括光伏陣列水平光照度、有效光照度、溫度和濕度等，將采集到的環(huán)境參數(shù)通過無線透傳方式傳輸給匯流系統(tǒng);

（2）匯流系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測光伏陣列的電流和電壓輸出值;

（3）將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總并編碼后通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至MQTT云服務(wù)器，選用安裝有Ubuntu操作系統(tǒng)的ESC服務(wù)器，計劃搭建屬于自己的云服務(wù)器而非使用第三方提供的接口服務(wù);

（4）移動客戶端通過聯(lián)網(wǎng)訂閱相關(guān)主題信息進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，本地客戶端通過數(shù)據(jù)線連接接收數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

系統(tǒng)的軟件算法主要通過采集的多種環(huán)境參數(shù)和光伏陣列的原始功率對光伏陣列發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測和對光伏陣列進(jìn)行故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的智能運(yùn)維和調(diào)控。采用小波變換（WT）結(jié)合極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ELM）建立預(yù)測模型以實(shí)現(xiàn)對光伏輸出功率的預(yù)測;采用差分進(jìn)化算法（DE）和隨機(jī)森林算法（Random Forest）實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的故障診斷。系統(tǒng)的算法流程如圖4所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）對于智能匯流箱領(lǐng)域，本設(shè)計首次對環(huán)境各傳感器參數(shù)以及陣列的電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，有效提升數(shù)據(jù)的可靠性;對網(wǎng)頁端、本地客戶端、移動客戶端進(jìn)行終端程序設(shè)計，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。

（2）融合LoRa和NB-IoT技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的端對端傳輸，并上傳至MQTT云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)發(fā)布。

（3）使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷算法，對光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以精確判定故障類型、鎖定故障區(qū)域，為客戶提供決策支持。

（4）使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)和信號處理的功率預(yù)測算法，對光伏電站的短期發(fā)電功率進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，為電力的調(diào)控、調(diào)度提供有力保障。

4 市場前景

太陽能屬于可再生能源，具有儲量大、清潔無污染、可再生、就地可取等特點(diǎn)，因此成為目前人類所知的可利用的最佳能源。自20世紀(jì)50年代美國貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家研制成功單晶硅電池以來，光伏電池技術(shù)經(jīng)過不斷改進(jìn)與發(fā)展，目前已經(jīng)形成了一套完整且成熟的技術(shù)。隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，該技術(shù)得到了許多國家政府的大力支持，在全球范圍內(nèi)廣泛使用。尤其在21世紀(jì)，光伏產(chǎn)業(yè)以令世人驚嘆的速度高速發(fā)展。2000年至2016年間，全球累計裝機(jī)容量從

1 250 MW增至304 300 MW，年復(fù)合增長率達(dá)40.98%。2017年，全球的光伏市場增長強(qiáng)勁，全年新增裝機(jī)容量達(dá)102 GW，同比增長33.7%;光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量達(dá)401 GW，同比增長32%，2018年約為495 GW。

世界市場分析概況如下：

（1）中國市場：仍有巨大發(fā)展空間;

（2）美國市場：需求持續(xù)旺盛;

（3）日本市場：趨于穩(wěn)定;

（4）新興市場：新興市場小而多，印度市場快速崛起。

國內(nèi)運(yùn)維市場現(xiàn)狀：

（1）在國內(nèi)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能光伏運(yùn)維的功率預(yù)測和故障診斷系統(tǒng)的企業(yè)尚少，國外競爭對手產(chǎn)品開拓的市場規(guī)模比較小;

（2）中國光伏電站的投資主體將更加多元化。除了傳統(tǒng)的電力企業(yè)之外，很多金融投資、機(jī)械設(shè)備等企業(yè)也參與其中，光伏運(yùn)維企業(yè)的機(jī)會似乎更多;

（3）智能光伏運(yùn)維的功率預(yù)測和故障診斷滿足了消費(fèi)者對生活質(zhì)量和財產(chǎn)安全的需求，現(xiàn)購買力主體主要是電力系統(tǒng)的電網(wǎng)企業(yè)和持有光伏發(fā)電站的企業(yè)。有通信業(yè)務(wù)背景的公司公開表示關(guān)注和看好智能光伏運(yùn)維和故障診斷的前景。