本发明涉及分布式电源状态监测技术领域，特别是一种基于物联网的分布式电源状态监测装置及方法。
背景技术：
太阳能是最易获得的清洁能源。近来年，随着环境问题的日益严重和我国政府的政策支持，分布式光伏发电在电力系统中的比例越来越大。光伏发电可利用戈壁、山区、居民楼屋顶等平面空间铺设光伏太阳能电池板进行发电，方便快捷。大型分布式电源也日益增多。
然而随着分布式光伏并网问题也日益突出。首先，分布式光伏设备受表面灰尘、环境温度、直射角度以及风速等因素的影响，受环境影响较大，光伏板故障率较高，传统的监控设备未能获取以上的所有环境参数，因此对光伏设备的监控并不全面。其次，光伏板和逆变器设备会有自然老化，目前尚未有对光伏发电设备进行状态评估和全生命周期管理研究。光伏板和逆变器等设备多数仅进行电参数监控，其他环境状态参数只能依靠人工检修获得，劳动强度大，效率较低。
技术实现要素：
本发明的目的提供一种基于物联网的分布式电源状态监测装置，该系统通过zigbee搭建物联网络，通过设置传感器节点获取光伏板表面温度，获取逆变器直流输入参数和交流输出参数，进行电能质量分析和谐波分析，并且获取风速和风向信息、光伏阵列输出直流电压电流、逆变器输入直流电压电流、gps定位坐标、太阳辐射强度、大气温度以及光伏表面灰尘附着程度等多种环境信息。后台监控终端通过vpn虚拟局域网，获取各个传感器结点信息，并保存历史数据。结合分布式光伏量测系统获取的电力信号信息和配电自动化的设备台账等管理信息，对分布式电源设备进行状态评价。后台终端软件通过人工智能技术，通过样本集的训练，实现分布式电源状态监测和故障预测。
本发明采取的技术方案为：
一种基于物联网的分布式电源状态监测装置，其特征是，包括前端采集单元和后台监控终端；前端采集单元用于获取包括光伏和风电在内的分布式电源工作状态和气象环境信息；所述后台终端实时记录前端采集单元获取的数据，并结合分布式电源电气监测数据和分布式电源设备台账数据，对分布式电源进行状态监测和全生命周期评估；通过对分布式电源故障数据集的学习、训练，评估分布式电源的健康状态和对故障进行预判。
所述前端采集单元在分布式电源处建立zigbee蜂窝网络，将多个传感器结点通过物联网链接起来。
所述传感器结点包括：
贴片温度传感器，用于监测光伏电池板表面温度；
交流电压电流感知模块，用于获取逆变器输出端信息，分析并网电能质量；
风速与风向传感器，用于获取光伏板附近风力信息；
直流电压电流传感器，用于监测光伏阵列的输出和逆变器的输入；
gps定位传感器，根据经纬度坐标和gps时间基准计算当地太阳俯仰角，得到太阳直射角度和光伏发电效率的相互关系；
总辐射度传感器，用于记录当地太阳光辐射强度信息；
大气温度传感器，用于获取分布式电源的环境温度；
光伏板表面清洁度传感器，用于监测光伏板表面附灰程度。
所述前端采集单元还包括单片机控制器，用于将各个传感器结点的信息进行汇集。
还包括一工控机，单片机控制器汇集采集信息后通过串口发送给工控机网络。
所述工控机连接到互联网，并通过vpn服务和远程监控终端组件虚拟局域网络；工控机和后台监控终端均具有独立ip地址，从而实现点对点通讯。
所述后台监控终端根据获取的分布式电源周边大气温度、风速、风向、太阳辐射度、太阳辐射俯仰角和光伏板表面附尘环境参数，得出分布式电源发电效率、运行状态与环境参数的耦合关系。
所述后台监控终端根据获取的分布式电源周边的环境参数，预测分布式电源供电出力能力。
一种基于物联网的分布式电源状态监测方法，其特征是，由前端采集单元获取包括光伏和风电在内的分布式电源工作状态和气象环境信息；
后台终端实时记录前端采集单元获取的数据，并结合分布式电源电气监测数据和分布式电源设备台账数据，对分布式电源进行状态监测和全生命周期评估；
通过对分布式电源故障数据集的学习、训练，评估分布式电源的健康状态和对故障进行预判。
有益效果
本发明通过采用物联网技术，在前端采集分布式电源(如光伏和风电)工作状态和气象环境信息，并通过机器学习技术，在后台开展数据分析评估，进而对分布式电源进行状态评估和全生命周期管理，从而实现分布式电源实时状态监测和故障预警，对分布式电源友好并网和可靠运行提供了有效的技术支撑手段。
附图说明
图1是本发明组成框图。
图2为本发明电压电流感知模块电路原理图。
图3为本发明机器学习流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，多个传感器结点采用zigbee蜂窝网络。zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，zigbee可以自动组建蜂窝网络。本发明采用基于cc2530芯片的zigbee模块。各个传感器结点均连接一个cc2530传感器模块，并且各结点拥有独立的id编码，通过自定义的协议进行相互通讯。各个传感器结点通过特定的标识码定义各自的结点功能。
贴片传感器采用铂电阻温度传感器pt100。通过机械固定安装方式紧贴安装在光伏板上，并涂抹硅脂。铂电阻温度传感器性能稳定，并且市场上有成熟的铂电阻变送器，可将pt100的电阻值转换为0-10v的电压信号。
交流电压电流感知模块用于监测逆变器的输出，以便进行逆变输出电压、电流、功率、电能质量以及谐波的测量分析。交流电压电流感知模块通过电压互感器和电流互感器获取逆变器输出端的三相电压和电流。由于zigbee的传输能力有限，而交流电压电流信号数据量较大，故本发明采用就地处理并结果上传的方式进行监测，采用ade7880电能监控芯片进行电参数测量和电能质量分析，电参数测量包括电压电流有效值，有攻功率和无功功率。电能质量分析主要包括工频电压和电流偏差、电压扰动和闪边、电压暂降、三相平衡度、谐波分析等指标进行计量，并将结果定时上传。其电路原理图见图2所示。
风速与风向传感器采用北京华控兴业的一体式风速风向变送器hs-fsx03。其可将风速和风向信息按照量程线性转换为0-5v的电压信号。单片机控制器通过ad接口即可读取风速和风向信息。
直流电压电流采用隔离型的霍尔传感器进行直流量的测量。其型号为hnv-025a的霍尔电压传感器和hnc-025sy的霍尔电流传感器。霍尔器件采用闭环霍尔磁补偿原理制造，使原边与副边信号有效隔离，保证了光伏阵列的对地绝缘。此外，霍尔传感器还具有测量精度高、线性度好、过载能力强、工作温度范围宽等特点，适合光伏阵列的现场测量。为了避免长距离传输过程中信号的衰减和噪声干扰，本发明设计中选用输出标准信号为电流型的电压、电流传感器。
gps定位模块采用neo-6mublox模块，该模块采用标准at指令通讯，可获取gps坐标和时基信号。
太阳高度角的计算公式如下所示：
其中，hs表示太阳高度角，
太阳方位角的计算公式如下所示：
其中，hs表示太阳高度角，
太阳赤纬δ的计算公式为：
δ(deg)＝0.006918-0.399912cos(b)+0.070257sin(b)-0.006758cos(2b
+0.000907sin(2b)-0.002697cos(3b)+0.00148sin(3b)
其中b＝2×pi×(n-1)/365，n是从每年1月1日起到计算日的天数。pi表示圆周率。
太阳时角t正午时为0。上午为负值，下午为正值。日出时为-90°，日落时为+90°。
太阳时角t＝(真太阳时-12)×15°
而真太阳时计算公式如下：
真太阳时＝平太阳时+真太阳时时差
其中平太阳时通过北京时间以及经度换算而来，真太阳时时差没有规律，查表获得。
因此通过经纬度坐标和网络时间，即可算出分布式光伏实时太阳方位角，该方位角带有时间坐标。监控终端可根据太阳方位角信息和同样带有时间坐标的光伏功率、太阳辐射强度等多维度的信息进行融合，以供后期进行多维度的分析。
总辐射度传感器采用仁硕公司的高精度光照度变送器rs-gz-i20，该传感器可将特定量程的照度信号转换为4-20ma的电流信号，通过接入电阻即可转成电压信号。
大气温湿度传感器采用sht11集成式温湿度传感器。
光伏表面清洁度传感器基于光的散射原理，采用激光以一定角度照射其表面，在其另一侧检测激光强度。当光伏板表面积灰越多，散射光越强，反射光越弱，测量与激光束同侧的散射光光强，通过定标计算，即可得到光伏板的清洁度。
单片机控制器为stm32单片机，其主要功能是将zigbee模块的数据流转换为串口数据流，并发送给工控机。
工控机通过vpn服务同监控终端组成虚拟局域网。工控机完成数据的采集和预处理。
所述工控机进行的预处理为采集终端数据的多源异构融合、滤波以及丢包补齐。
监控终端实时获取采集终端采集的分布式电源状态数据和环境数据，同时调取逆变器返回的内部电气参量，以及供电公司设备台账，采用一定的权重系数对光伏设备进行评估。
监控终端集成人工智能技术，通过对大量光伏故障数据的学习，训练，完成光伏设备故障的预判。其学习过程见图3。首先，准备大量的光伏设备故障历史数据，以及这些数据对应的故障类型，该故障类型往往是经过专家确认的故障类型。即训练集需要人为确定。
基于谷歌的mapreduce框架，对基于贝叶斯的故障模型进行训练，以获得最佳参数。
再者，对前端采集单元采集的数据进行滤波，填充处理。
最后，采用训练好的模型，对未知的实时数据进行故障判别。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。