光伏電站技術(shù)故障分析診斷計(jì)算技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

沈陽工程學(xué)院 周昰彤 鞠振河

本文從最大功率點(diǎn)跟蹤的直接計(jì)算方法以及分布式最大功率點(diǎn)跟蹤方法針對太陽能行業(yè)監(jiān)控與故障診斷技術(shù)落后的現(xiàn)狀，應(yīng)用改進(jìn)原有方法提出一類面向光伏監(jiān)控與故障診斷的系統(tǒng)理論。將最大功率點(diǎn)跟蹤的直接計(jì)算方法以及分布式最大功率點(diǎn)跟蹤方法應(yīng)用之后會有效反映實(shí)際系統(tǒng)的不確定性，能夠提升系統(tǒng)的故障診斷準(zhǔn)確度。并且通過對最大功率點(diǎn)跟蹤曲線的記錄，創(chuàng)建大數(shù)據(jù)，針對對曲線數(shù)據(jù)的記錄，可以有效減少由于系統(tǒng)存在復(fù)雜性，非線性、時(shí)變性，不確定性和不完全性無法精準(zhǔn)判斷故障點(diǎn)而損失掉的時(shí)間和資源的浪費(fèi)。結(jié)合無人機(jī)技術(shù)使光伏故障檢測系統(tǒng)更加智能。

將智能的計(jì)算機(jī)技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于光伏電站故障分析與處理，應(yīng)用上述技術(shù)方法改進(jìn)后的系統(tǒng)將原故障診斷技術(shù)方法與當(dāng)前現(xiàn)代電站大數(shù)據(jù)以及當(dāng)前現(xiàn)代無人機(jī)電站監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)的相互應(yīng)用結(jié)合進(jìn)行研究，并提出一類專門用于面向太陽光伏電站故障監(jiān)控與光伏發(fā)電系統(tǒng)故障監(jiān)測分析系統(tǒng)診斷的電站監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)理論。為故障分析與檢測提供了新思路。

1 光伏診斷技術(shù)的重要意義

光伏組件作為發(fā)電設(shè)備，長期工作運(yùn)行戶外的自然環(huán)境中，光照、雨水、風(fēng)沙等的自然環(huán)境變化，侵蝕應(yīng)力等等因素都會直接影響、加速光伏組件和戶外電源系統(tǒng)連接器等光伏發(fā)電設(shè)備的長期性能老化，導(dǎo)致這些設(shè)備內(nèi)部絕緣體的性能大大下降，造成一些設(shè)備發(fā)生故障甚至可能引發(fā)設(shè)備火災(zāi)。設(shè)備表面以及金屬絕緣體涂層本身都會長期受到來自外界惡劣環(huán)境的嚴(yán)重侵蝕。所以環(huán)境對于光伏電站的影響不容忽視。因此我們通常需要定期對光伏發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)的電氣連接線路，安裝布線和光伏發(fā)電設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)部件進(jìn)行安全維護(hù)測試，對于已經(jīng)發(fā)生老化的光伏電纜和其他電源連接設(shè)備也我們應(yīng)定期進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)維修或維護(hù)更換，以保證系統(tǒng)的安全正常工作運(yùn)行。光伏電站相關(guān)組件的一些質(zhì)量安全問題是非常重要的，但也是較難及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并采取措施，作為一個大型光伏電站的一個重要核心組成部分，組件上任何一個小小的質(zhì)量問題都會很容易帶來它的經(jīng)濟(jì)巨大損失，而如今作為一個光伏電站中最普遍存在且通過各種常規(guī)質(zhì)量檢測技術(shù)手段難以及時(shí)得到檢測的光伏電站組件等安全問題，那當(dāng)然就要?dú)w屬”熱斑效應(yīng)”。據(jù)英國國內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)南格萊德的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，熱斑累計(jì)故障發(fā)生占總的故障比率高達(dá)11%。所以針對可以反映故障的熱斑效應(yīng)，采取了針對性的措施。并且光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般工作運(yùn)行在很少有人可以進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程值守的工作環(huán)境情況下，對山區(qū)地域上廣泛分散的光伏電站發(fā)電系統(tǒng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)管控監(jiān)測以及日常維護(hù)及其管理往往是非常重要且十分困難、繁瑣的。需要大量的財(cái)力、時(shí)間、人力以及物力，因此更加智能的光伏故障檢測診斷分析方法可以應(yīng)用在對于大型太陽能光伏電站發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的診斷中也就具有非常大的重大意義。如今的大型商用光伏電站大多為人工巡檢，由于大型光伏電站占地面積龐大且地理環(huán)境條件受周圍自然界和地形環(huán)境條件因素影響大等諸多因素，需要長期巡檢將會耗費(fèi)大量的的電力巡檢時(shí)間，這樣會拉長排查故障的周期，會導(dǎo)致某些故障難以發(fā)現(xiàn)，或者被忽略，從而導(dǎo)致降低了光伏發(fā)電總體效率。并且人工巡查需要耗費(fèi)大量的人力以及人工成本，這在無形之中增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，并對于光伏電站的維護(hù)以及修理故障增加了難度，又由于技術(shù)等各個方面的因素，也會出現(xiàn)無法全面準(zhǔn)確地在檢測大型光伏電站組件，從而導(dǎo)致可能面臨存在的安全隱患問題的狀況。

2 針對應(yīng)用大數(shù)據(jù)的分析及目的

信息處理系統(tǒng)可以針對很多具有復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等性質(zhì)的問題提供比較好的解決方案。通過分析記錄的數(shù)據(jù)來獲得比較精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)分析計(jì)算模型，通過對很難從表面上看出關(guān)聯(lián)的信息中，找到他們之間的規(guī)律，建立數(shù)據(jù)庫，并且這種方法可以與各種技術(shù)相結(jié)合，針對不同的問題來提供更加智能，更加合理的方案。將大數(shù)據(jù)與光伏電站故障分析結(jié)合在一起，根據(jù)最大功率點(diǎn)追蹤曲線的分析，記錄曲線的變化，以及相應(yīng)的環(huán)境條件，以及故障類型等等全方面的信息來分析故障，具體來說可以記錄所有供電系統(tǒng)輸出特性的特點(diǎn)以及所有與大型光伏電站發(fā)電系統(tǒng)使用運(yùn)行過程中發(fā)生各種故障時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)都經(jīng)過統(tǒng)籌統(tǒng)一整理起來。通過統(tǒng)籌統(tǒng)計(jì)綜合進(jìn)行分析，找出所有當(dāng)熱斑效應(yīng)第一次發(fā)生時(shí)對所有供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的直接構(gòu)成影響，總結(jié)出其特性以及變化，通過分析統(tǒng)計(jì)綜合分析來找出在什么樣的氣候天氣變化條件下最容易導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生二次性的熱斑效應(yīng)，這樣也就等于可以高效率的做到在一次性的熱斑效應(yīng)再次發(fā)生前盡量及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)防，也所以可對二次熱斑輻射效應(yīng)更加敏感，通過對所有數(shù)據(jù)采集曲線的跟蹤觀察以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖的分析，可具體的，更加精準(zhǔn)的找出可能發(fā)生故障的故障點(diǎn)以及故障發(fā)生的條件，再將數(shù)據(jù)記錄下來，不斷的更新數(shù)據(jù)，提高信息的準(zhǔn)確性。這樣也就可以有效地做到避免光伏電站在相似的條件下發(fā)生二次熱斑效應(yīng)，也可更好的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫在光伏故障檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。從而達(dá)到大大減少發(fā)電火災(zāi)等災(zāi)害事故的頻繁發(fā)生的目的。并且還可以針對在某些條件下，易發(fā)生故障的故障點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防?？偟膩碚f，應(yīng)用大數(shù)據(jù)的光伏電站檢測技術(shù)的好處，首先就是通過對故障數(shù)據(jù)診斷曲線的大量數(shù)據(jù)分析紀(jì)錄和統(tǒng)計(jì)分析，可以有效積累故障診斷系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，提高進(jìn)行故障技術(shù)診斷的系統(tǒng)整體技術(shù)水平，而且同時(shí)還有效的利于故障系統(tǒng)的診斷改進(jìn)與系統(tǒng)優(yōu)化、以及能夠科學(xué)的為研究人員提供有用的大數(shù)據(jù)。太陽能光伏電站故障的故障信息結(jié)構(gòu)變化比較快，不能僅根據(jù)幾個主要故障特征信息量就可以進(jìn)行故障診斷，必須通過充分利用目前監(jiān)測采集到的各種故障診斷系統(tǒng)信息，將單個診斷傳感器所能獲取的單維診斷信息大量融合在一起來才能形成多維的診斷信息，這種信息量的含量比任何一個具有單維屬性的信息的簡單得出各種信息量都必要得多。多類型傳感器系統(tǒng)信息融合技術(shù)是充分利用多個類型傳感器信息資源，通過多各種類型傳感器及其主要觀測對象信息的合理相互支配與融合使用，以各種類型傳感器在使用空間和觀測時(shí)間上的信息互補(bǔ)與冗余使該信息可為環(huán)境故障的實(shí)時(shí)檢測和信息分離分析提供準(zhǔn)確診斷信息，采用某種系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，產(chǎn)生能夠反映不同環(huán)境觀測信息物理特征的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確描述。信息系統(tǒng)融合的研究目標(biāo)主要是基于各種信息傳感器分別實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)信息，通過對系統(tǒng)信息的融合優(yōu)化進(jìn)行組合來推導(dǎo)出更多的有效系統(tǒng)信息，降低系統(tǒng)信息的高度不確定性，將其融合應(yīng)用推廣到設(shè)備狀態(tài)故障檢測和系統(tǒng)故障狀態(tài)診斷就有可能同時(shí)得到更加準(zhǔn)確和可靠的故障信息。通過種種手段，首先在獲取數(shù)據(jù)上，采取多種類型傳感器來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，其次將數(shù)據(jù)記錄下來，通過大數(shù)據(jù)的手段，針對光伏電站故障方面，提供更加可靠，精準(zhǔn)的故障診斷技術(shù)。

3 無人機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢以及現(xiàn)狀分析

近年代以來，包括智能民用無人機(jī)在內(nèi)的許多行業(yè)隨著智能化，無人化以及智能化等產(chǎn)品的不斷推進(jìn)飛速發(fā)展，當(dāng)然，也為光伏發(fā)電系統(tǒng)以及故障檢測技術(shù)的發(fā)展提供里新思路。無人機(jī)以其自動操作方式立體化，高程自動操控作業(yè)，兼容性強(qiáng)，非常適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域以及類型多樣、環(huán)境復(fù)雜的光伏風(fēng)能發(fā)電設(shè)備行業(yè)。在每次智能飛行在線航拍檢查任務(wù)中，工作人員僅僅使用一臺智能航拍無人機(jī)，方便快捷的操作方式的就可以進(jìn)行對太陽光伏發(fā)電板塊的智能航拍設(shè)備在線飛行檢查、輸電塔臺的在線飛行航拍。同時(shí)無人機(jī)技術(shù)也可以校驗(yàn)數(shù)據(jù)的真是可靠性，從而對故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使其更加的與時(shí)俱進(jìn)，更加的完善。同時(shí)也為建立光伏電站故障時(shí)候的特點(diǎn)與環(huán)境條件等，更加完善了數(shù)據(jù)，并且保證了數(shù)據(jù)的真是可靠性。無人機(jī)技術(shù)可以彌補(bǔ)在故障檢測方面，人工巡檢的不足，提高了效率，在各個方面都展現(xiàn)了其優(yōu)點(diǎn)。

4 故障分析診斷與新技術(shù)相互輔助結(jié)合的應(yīng)用意義分析

光伏電站是國內(nèi)外重點(diǎn)研究發(fā)展的一種綠色再生能源發(fā)電裝備。光伏電站的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善和降低運(yùn)行利用成本等突出問題嚴(yán)重直接制約了光伏電站發(fā)電的發(fā)展。其中光伏發(fā)電陣列由于系統(tǒng)占地面積大、分布廣泛，容易同時(shí)出現(xiàn)光伏動力電池核心組件“裂片”、“線路老化”和“熱斑現(xiàn)象”故障現(xiàn)象，并網(wǎng)光伏逆變器則容易同時(shí)出現(xiàn)供電過壓、過大電流、功率管路等短路和開路等短路故障。這些嚴(yán)重因素影響關(guān)系到光伏基站電池相關(guān)組件的使用壽命難以保證光伏電站的安全穩(wěn)定正常運(yùn)行。而熱斑效應(yīng)則是故障之一，造成熱斑效應(yīng)現(xiàn)象的主要危害原因之一是某些光伏材料電池長期工作受到陽光陰影線的影響，致使其全部輸出正極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常發(fā)電工作的其他光伏材料電池的全部輸出正極電流。根據(jù)這一現(xiàn)象反映在最大功率點(diǎn)跟蹤曲線上的變化。將曲線的變化也加入數(shù)據(jù)庫中，也是對光伏故障檢測技術(shù)的完善。通過光伏數(shù)據(jù)分析記錄和統(tǒng)計(jì)分析，積累故障診斷技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提高光伏故障分析診斷的系統(tǒng)整體技術(shù)水平。通過利用大數(shù)據(jù)將光伏發(fā)電檢測管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化。與智能無人機(jī)直接結(jié)合后可輔助自動排除故障。對目前光伏電站相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行故障情況可以進(jìn)行在線遠(yuǎn)程監(jiān)測，及時(shí)跟蹤分析故障處理發(fā)現(xiàn)故障可能特點(diǎn)，確定光伏設(shè)備運(yùn)行故障可能發(fā)生的主要原因和故障位置，也可以有利于促進(jìn)光伏電站設(shè)備維護(hù)管理人員工作的有效開展。因此將無人機(jī)技術(shù)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合應(yīng)用與故障檢測技術(shù)，以利于實(shí)現(xiàn)我國光伏電站的穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對于有效促進(jìn)光伏電站發(fā)電的持續(xù)規(guī)?；】蛋l(fā)展，具有極其重要的指導(dǎo)意義。