基于大數(shù)據(jù)分析的eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)在光伏電站巡檢中的應(yīng)用

黃 凱，熊 玉

(1.國華衛(wèi)星數(shù)據(jù)科技有限公司，西安 710000；2.國華衛(wèi)星數(shù)據(jù)科技有限公司，上海 200235)

0 引言

作為一種重要的太陽能利用方式，近年來全球光伏發(fā)電的規(guī)模不斷擴(kuò)大，光伏電站逐漸增多。而光伏陣列作為光伏電站的主要組成部分，對包括其在內(nèi)的光伏設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷與故障定位變得日益重要。

目前，光伏陣列的日常巡檢方式主要有人工巡檢和無人機(jī)巡檢2 種方式。其中，人工巡檢存在巡檢工作量大、部分缺陷無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)等缺點(diǎn)；無人機(jī)巡檢存在檢測精度低、設(shè)備費(fèi)用較高、獲取檢測結(jié)果的實(shí)時(shí)性差等問題。

為解決上述問題，國華衛(wèi)星數(shù)據(jù)科技有限公司(下文簡稱“國華衛(wèi)星”)研發(fā)了一款可用于光伏電站全站光伏設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷的智能診斷系統(tǒng)——eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)。該智能診斷系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集到的光伏電站全站光伏設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，在云端利用大數(shù)據(jù)的批處理和流處理技術(shù)，實(shí)時(shí)對全站光伏設(shè)備進(jìn)行線上智能巡檢，并將智能巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常信息以報(bào)警的形式推送給光伏電站運(yùn)維工程師，運(yùn)維工程師可根據(jù)得到的故障診斷信息到達(dá)故障設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行故障排查處理，及時(shí)消除設(shè)備缺陷，提高電站光伏設(shè)備利用率，從而降低光伏電站的發(fā)電量損失。

圖1 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式簡圖Fig.1 Simplified diagram of data processing method of eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

1 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的工作方式

1.1 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的巡檢工作流程

eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)針對光伏電站中全部光伏設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對低效、故障光伏設(shè)備的智能診斷和故障預(yù)警。該智能診斷系統(tǒng)根據(jù)光伏電站所在地的太陽能資源、新能源消納等實(shí)際情況，制定線上自動(dòng)巡檢策略，從而可以及時(shí)有效地分析全站光伏設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，判斷光伏設(shè)備是否存在異常。若發(fā)現(xiàn)異常，智能診斷系統(tǒng)將以報(bào)警的形式將異常情況推送給光伏電站運(yùn)維工程師，運(yùn)維工程師及時(shí)進(jìn)行處理，從而降低設(shè)備的故障恢復(fù)時(shí)間，提高設(shè)備可利用率，為光伏電站安全生產(chǎn)起到重要的保障作用，保證光伏電站全站光伏設(shè)備在25 年全生命周期內(nèi)始終保持最佳的發(fā)電狀態(tài)。eHorus智慧云智能診斷系統(tǒng)的報(bào)警流程圖如圖2 所示。

圖2 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的報(bào)警流程圖Fig.2 Alarm flow chart of eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

1.2 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的故障診斷方式

根據(jù)光伏電站中光伏設(shè)備的類型不同，eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的故障診斷方式主要包括基于偏差率的故障診斷方式和基于數(shù)據(jù)特性的故障診斷方式2 種。

1)基于偏差率的故障診斷方式。此種故障診斷方式主要是分析一段時(shí)間內(nèi)光伏組串和逆變器的運(yùn)行參數(shù)，對于逆變器負(fù)載率、逆變器等效利用小時(shí)數(shù)、逆變器機(jī)柜溫度、光伏組串電流等情況的故障判斷都是基于偏差率進(jìn)行判斷的。該診斷方式可以快速分析光伏組串或逆變器在該時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行性能，自動(dòng)定位異常運(yùn)行的光伏組串或逆變器，從而指導(dǎo)光伏電站運(yùn)維工程師及時(shí)到達(dá)故障設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備消缺，減少光伏組串或逆變器發(fā)生故障的時(shí)間，從而降低光伏電站的發(fā)電量損失。此種故障診斷方式的基本流程如圖3所示。

圖3 基于偏差率的故障診斷方式流程圖Fig.3 Flow chart of fault diagnosis method based on deviation rate

2)基于數(shù)據(jù)特性的故障診斷方式。在利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，由于某些數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的特性，而這些特性是其他數(shù)據(jù)不具備的，因此可以根據(jù)此類數(shù)據(jù)特性的變化來判斷某些問題。

對于光伏電站而言，某些光伏設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)也存在特定的規(guī)律，當(dāng)這類光伏設(shè)備的運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生明顯變化，eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)可以通過對這些特定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)規(guī)律，從而可對此類光伏設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

以1 臺(tái)逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，當(dāng)逆變器正常運(yùn)行時(shí)，逆變器的直流電壓、機(jī)柜溫度均是在一定范圍內(nèi)變化；當(dāng)逆變器在運(yùn)行過程中發(fā)生短路放電現(xiàn)象時(shí)，其機(jī)柜溫度會(huì)明顯上升，此時(shí)eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這一數(shù)據(jù)特性的變化，結(jié)合報(bào)警規(guī)則，自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，然后光伏電站運(yùn)維工程師可及時(shí)至故障設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行排查和設(shè)備消缺，防止設(shè)備發(fā)生火災(zāi)，引發(fā)更大的損失。圖4 為逆變器發(fā)生異常時(shí)eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)推送的報(bào)警信息。

圖4 逆變器發(fā)生異常時(shí)eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)推送的報(bào)警信息Fig.4 Alarm information pushed by eHorus smart cloud intelligent diagnosis system when inverter is abnormal

2 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速故障處置

為了指導(dǎo)光伏電站的運(yùn)維工程師能及時(shí)快速地對eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)推送的報(bào)警信息進(jìn)行現(xiàn)場排查，并進(jìn)行設(shè)備消缺處理，國華衛(wèi)星結(jié)合光伏設(shè)備故障知識(shí)庫，形成了基于eHorus智慧云智能診斷系統(tǒng)的光伏電站常見故障處理和設(shè)備消缺作業(yè)指導(dǎo)書，如表1 所示。

3 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

當(dāng)前已采用eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的光伏電站的總裝機(jī)規(guī)模超過2 GW，共71 座光伏電站，且光伏電站類型包括山地光伏電站、漁光互補(bǔ)光伏電站、沙漠戈壁灘涂光伏電站、農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站、屋頂分布式光伏電站等。根據(jù)光伏電站的類型不同，eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)可制定不同的診斷策略和模型，實(shí)現(xiàn)每日全站自動(dòng)巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏設(shè)備故障，指導(dǎo)光伏電站運(yùn)維工程師及時(shí)進(jìn)行設(shè)備消缺，減少設(shè)備故障時(shí)間。

對近3 年來各光伏電站應(yīng)用eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)的故障缺陷進(jìn)行了匯總，各類故障缺陷的占比情況如圖5 所示。

圖5 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的故障缺陷匯總Fig.5 Summary of faults and defects discovered by eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

由圖5 可知，在這些故障缺陷中，通信異常、匯流箱監(jiān)測模塊故障、熔斷器損壞等原因的占比位列前3。雖然發(fā)生這些故障缺陷的器件較小，但若長期對這些故障置之不理，也會(huì)造成光伏電站的發(fā)電量損失。因此，應(yīng)加強(qiáng)對這些故障缺陷的監(jiān)管。

1)匯流箱監(jiān)測模塊故障屢見不鮮。各光伏電站普遍存在匯流箱監(jiān)測模塊故障導(dǎo)致匯流箱支路電流數(shù)據(jù)采集異?；蛑冯娏鳛榱愕那闆r，雖然短期內(nèi)該類缺陷不會(huì)影響光伏電站發(fā)電量，但是若長時(shí)間不進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)及智能化管理系統(tǒng)一定程度的“失聰”，設(shè)備缺陷也將被掩蓋。若后期再因該類缺陷引發(fā)匯流箱支路電流為零或偏低的情況發(fā)生，運(yùn)維工程師將無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，最終會(huì)造成光伏電站發(fā)電量損失。

表1 基于eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的光伏電站常見故障處理和設(shè)備消缺作業(yè)指導(dǎo)書Table 1 Operating instructions for common fault handling and equipment defect elimination of PV power station based on eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

2)光伏組件被遮擋現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。一些光伏電站存在組件被遮擋從而導(dǎo)致光伏組串支路電流偏低的現(xiàn)象。遮擋現(xiàn)象中，一部分是在光伏電站建設(shè)初期就已經(jīng)存在的光伏組件前后排遮擋、建筑物遮擋等，另一部分則是在光伏電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的雜草遮擋、鳥糞遮擋等。雖然小范圍的雜草、鳥糞等遮擋對光伏組件發(fā)電量的影響不是很大，但若長期不對這些遮擋物進(jìn)行處理，有可能使光伏組件形成熱斑，對光伏組件造成不可逆的損傷。eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些低效運(yùn)行的光伏組串，提示光伏電站運(yùn)維工程師及時(shí)對這些光伏組串進(jìn)行檢查，并對相應(yīng)光伏組件進(jìn)行處理，從而保證光伏組件正常、安全的運(yùn)行，減少其發(fā)電量損失。

圖6 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)提供的報(bào)警信息Fig.6 Alarm information provided by eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

4 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的巡檢優(yōu)勢

eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的巡檢優(yōu)勢主要體現(xiàn)在精確采集數(shù)據(jù)，安全、穩(wěn)定、高效地?cái)?shù)據(jù)傳輸，安全可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析算法與分析模型。

1)精確采集數(shù)據(jù)。在信息時(shí)代，數(shù)據(jù)是決策的基礎(chǔ)，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策。對于光伏電站的運(yùn)維而言，數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要，數(shù)據(jù)精度越高，對光伏電站全站光伏設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和故障分析將會(huì)更加精準(zhǔn)。相比于傳統(tǒng)的定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方式，eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)序監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，能夠更加真實(shí)地反映光伏設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和趨勢。

2)安全、穩(wěn)定、高效地?cái)?shù)據(jù)傳輸。由于光伏電站具有設(shè)備數(shù)量多、占地面積廣的特點(diǎn)，因此依靠人工巡檢的運(yùn)維模式很難快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行的光伏設(shè)備，此時(shí)需要依靠采集到的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷；而eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)與光伏電站之間可通過互聯(lián)網(wǎng)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地?cái)?shù)據(jù)傳輸，并通過VPN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的加密傳輸，保證了安全、穩(wěn)定、高效地?cái)?shù)據(jù)傳輸。

3)安全可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、高效傳輸和數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。由于光伏電站的光伏組件數(shù)量較多，導(dǎo)致設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量也較多，1 個(gè)裝機(jī)容量為100 MW的光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量可超過7 萬個(gè)。結(jié)合光伏電站的這一特點(diǎn)，國華衛(wèi)星自建的存儲(chǔ)級(jí)別為PB 級(jí)的光伏電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)中心可為數(shù)量超過100 萬個(gè)的設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，從而保證了eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析算法與分析模型。精確采集數(shù)據(jù)，安全、穩(wěn)定、高效地?cái)?shù)據(jù)傳輸和安全可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)只是基礎(chǔ)，有了這些數(shù)據(jù)之后，如何應(yīng)用好數(shù)據(jù)，真正發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值，需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析算法和分析模型。eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)可進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、清理數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、可視化數(shù)據(jù)等一系列數(shù)據(jù)操作，其基本流程如圖7 所示。該智能診斷系統(tǒng)采用分類分析、回歸分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則等分析算法，能夠及時(shí)有效地分析、判斷光伏設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)，從而可達(dá)到精確定位異常運(yùn)行光伏設(shè)備的目的。

圖7 eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作基本流程Fig.7 Basic flow of data operation of eHorus smart cloud intelligent diagnosis system

5 結(jié)論

本文介紹了一款可用于光伏電站全站光伏設(shè)備的智能診斷系統(tǒng)——eHorus 智慧云智能診斷系統(tǒng)。該智能診斷系統(tǒng)不僅可以高效地幫助光伏電站運(yùn)維工程師進(jìn)行故障診斷分析，還可以指導(dǎo)、督促電站端進(jìn)行故障搶修，提升故障設(shè)備消缺率，降低設(shè)備的平均故障恢復(fù)時(shí)長；并且該智能診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對光伏電站規(guī)范化、流程化管理，幫助企業(yè)建立基于智能化應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析手段的“O2O”運(yùn)維管理模式，讓整個(gè)光伏電站在25年全生命周期中實(shí)現(xiàn)“運(yùn)行狀態(tài)可知、運(yùn)維過程可控、運(yùn)營收益可測”。