光伏电站汇流箱的检测系统和方法与流程

文档序号：14776199发布日期：2018-06-23 03:24阅读：1364来源：国知局

本发明涉及光伏电站的技术范畴；特别是指面向汇流箱，采用磁隔离和电磁屏蔽技术采集/输出汇流箱的运行参数，借助Modbus和 TCP双层网络传输数据，根据汇流箱组串电流的绝/相对离散率、判断光伏阵列状态的检测系统和方法。

背景技术：

2017年1月5日，国家能源局发布能源发展规划(以下简称规划)。规划制定的约束性指标：“到2020年把能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内”，“规划时期非化石能源消费比重提高到15％以上”，“2020 年，太阳能发电装机达到1.1亿千瓦以上”。能源作为经济增长的投入要素隶属支撑社会发展的三大支柱(能源、材料和信息)，同时全球气候变暖、生态环境恶化的温室气体主角非化石能源莫属。依据我国能源贮备结构，无论增加国内化石能源供应还是利用国外资源，都面临巨大压力。需求的快速增长对能源资源的可供量、环境承担能力，以及国家能源安全均提出了严峻的挑战。

2004年11月，广东省南澳光伏电站投产，开启我国光伏电站建设序曲。2008年，国内大批厂家涌入光伏行业，光伏企业一举破百； 2011年，三年5倍跃上500家；2015年，却后余生的光伏企业退缩回 2008年的100家。2011年10月19日，美国光伏巨头solarworld对中国发起反倾销诉讼。2012年，欧美发起光伏“双反”，11家在美上市公司负债总额近1500亿，过半企业停产或半停产。光伏全产业链的上、中、下游分别是硅材料提纯、太阳能电池生产与组件封装、光伏终端应用；从技术含量和附加值大小的视角考量，依次是上、下、中游；中游门槛低，竞争激烈，附加值小，恰是国内企业的栖身之地；一句话，全行业缺乏核心技术支撑。80％原材料进口，97％光伏电池组件出口。

2013年，光伏企业重新发展。首先，产业链向高附加值的上、下游延拓，掌握核心技术；标志性成果，太阳能电池效率的持续提升，组件报价的不断下降：2009年20￥/WP、2012年10￥/WP、2013年9￥/WP、 2015年8.2￥/WP、2020年7.2￥/WP。其次，开发国内的光伏发电市场；代表性成果，近5年的中国光伏装机容量：2011年2.9GW、2012年 6.1GW、2013年9.3GW、2014年12.8GW、2015年16.6GW；2013 年，我国位列全球第一大光伏装机市场；规划期间，新增15～20GW/ 年的装机容量。光伏发电量的增加带动补贴资金的增长，产业发展的可持续性再遇不确定性挑战：2012年是境外挑战，今天是国内挑战。参照调价机制，建立光伏发电年均下调0.03￥/kwh收支模型，规划期间需补贴资金6000亿；电价附加费征4300亿，缺口1700亿；动议：增附加费、填资金缺口，但反对者不在少数。尤其正值经济下行，企业转型升级之机。现有技术条件下，电池组件成本的下降空间有限。光伏电站筹建流程几经优化相当完备，压减建站投资的空间亦不大。 2030年，补贴取消光伏竞价上网；综观光伏全产业链，可行的有效突破点是光伏电站运维品质的提升。

统计表明，设备故障是光伏电站非计划电量损失的根本原因；发电量和经济效益更上一层楼与高品质运维息息相关，更是2030年无补贴光伏竞价上网的有力抓手。退一步，即使事关光伏电站的运维，研究倾向电站控制，检测和维护的研究相对较少。再退一步，系统检测和维护时，业者的关注点往往聚焦在逆变器、太阳跟踪、光伏阵列上；数量众多、分布广泛、不可或缺、貌似简单的直流汇流箱。以250W 单块光伏组件、20块一串、16进1出的汇流箱为例，30MW电站需配400余个汇流箱；汇流箱室外安装，常年与风沙雨雪为伴环境恶劣。目前，国内光伏电站的直流汇流箱故障率居高不下，故障按起因细分成两类；采集的汇流箱运行参数精度欠佳、可靠性较低，汇流箱的通信稳定性差强人意、可靠性不高。此外，汇流箱运行参数的深度挖掘缺失，大多止步于简单的、粗放的数据呈现阶段。

针对上述三大缺陷，设计相应的解决方案。N(N＞1)路光伏组串导入汇流箱检测柱，汇流箱检测柱上安装N只霍尔电流传感器、一一对应检测组串电流；霍尔电流传感器i(1≤i≤N)检测组串i的电流时，将受相邻组串的干扰，导致“采集的汇流箱运行参数精度欠佳、可靠性较低”；解决方案是霍尔电流传感器外增设电磁屏蔽。RS485理论传输距离1200m；工程中＞600m，通信稳定性和可靠性就无法保证，况且大中型光伏电站的空间距离＞1200m；解决方案是Modbus和TCP 双层网络架构：距离≤300m的装置用Modbus组网，距离＞300m时通过Modbus/TCP网关组网。汇流箱运行参数隐涵光伏阵列的状态，以导入汇流箱的N路组串作为样本；计算每路光伏组串发电量在样本中的绝对离散率，获取光伏阵列的实时状态；考察存储的历史绝对离散率，每路光伏组串均用绝对离散率比对历史绝对离散率，导出相对离散率；相对离散率表征光伏组串离散率的变化趋势；相对离散率辅助绝对离散率得综合离散率，综合离散率表征光伏组串的实时状态和变化趋势，有助全面评判光伏阵列的状态。必须指出，选定的“历史绝对离散率”要满足可信度要求。以西部光伏电站通行的运维为例，每季度1次，一年安排4次检修；光伏阵列的清洗周期1次/月；因此，标定“历史绝对离散率”的工作宜定在清洗或检修时进行，确保标定的“历史绝对离散率”具有最佳的可信度。光伏电站汇流箱检测系统较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“一种太阳能发电系统及其汇流箱的控制方法” (ZL200910092186.7)，提出控制太阳能阵列之间的串并联方式，达到并网逆变器所需的工作电压和电流。

·发明专利“一种光伏阵列汇流箱”(ZL201210066897.9)，提出汇流箱每路支路具备最大功率跟踪功能，每路支路工作在各自最大功率点处；汇流箱包括与各支路串联的电压补偿单元，电压补偿使支路的输出电压值等于最大值。

·发明专利“一种汇流箱的熔断器状态检测系统及其方法” (ZL201210095092.7)，提出通过光伏电池输入电压、直流母线电压、第一检测电路、第二检测电路和第三检测电路的输出信号，监控汇流箱熔断器状态。

第1、2件专利专注光伏组串的拓扑重组和光伏组串的电压补偿，理论可行，工程中难觅踪迹；第3件专利监控汇流箱熔断器，光伏组串电流映射熔断器状态，引入专用的熔断器监控单元，必要性值得商榷。就汇流箱的三大不足而言，现有研究成果存在局限、应对之策缺位；因此，有必要作进一步的创新设计。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光伏电站汇流箱的检测系统和方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：光伏电站汇流箱的检测系统，系统由第1光伏组串的电流检测模块、第 2光伏组串的电流检测模块、第3光伏组串的电流检测模块、第4光伏组串的电流检测模块、电压检测模块、温度检测模块、信号处理通信主控模块、Modbus/TCP网关组成；第1光伏组串的电流检测模块、第2光伏组串的电流检测模块、第3光伏组串的电流检测模块、第4 光伏组串的电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块分别与信号处理通信主控模块相连；距离≤300m的信号处理通信主控模块采用 Modbus组网，距离＞300m的信号处理通信主控模块经Modbus/TCP 网关组网，汇流箱检测系统借助Modbus和TCP双层网络传输数据；低层Modbus网络中，信号处理通信主控模块为从机、Modbus/TCP 网关为主机，遵循Modbus主从协议交换信息；上层TCP网络中， Modbus/TCP网关之间则遵循TCP协议交换信息；基于Modbus帧嵌入TCP帧的隧道技术，TCP传输Modbus协议数据；

光伏电站由光伏阵列、汇流箱、逆变器、交流低压开关柜、升压变压器组成，串并光伏组件组合成光伏阵列，输出额定电压电流值的光伏能；光伏阵列的正负端各引组串+和组串－电缆，组串+和组串－电缆分别与汇流箱的组串正端和组串负端相连；组串正端引出的电缆从汇流箱电流检测柱相应的引导孔导出、经过各组串对应的电流检测模块、防反二极管、熔断器接入正汇流板，汇流箱的组串负端引出电缆从汇流箱电流检测柱相应的引导孔导出、经过各组串对应的防反二极管、熔断器接入负汇流板；正汇流板和负汇流板经断路器输出汇流箱汇集的、光伏阵列的光伏能至逆变器，交流低压开关柜和升压变压器；断路器的输入端并接浪涌保护装置、电压检测模块，电压检测模块采集断路器输入端的电压值；温度检测模块紧贴汇流箱壳体安装、采集汇流箱的工作温度；

在汇流箱的电流检测柱中，等距设置第1光伏组串的电流检测模块、第2光伏组串的电流检测模块、第3光伏组串的电流检测模块、第4光伏组串的电流检测模块；第1光伏组串的电流检测模块包括3 个同心孔：由内向外分别是引导孔、电流检测模块传感器电路的安装孔、隔离和屏蔽孔，引导孔为通孔、用于组串电缆的引导；安装孔为盲孔，盲孔的深度＝0.6电流检测柱厚度，盲孔用于安装第1光伏组串的电流检测模块的霍尔电流传感器电路；隔离和屏蔽孔为通孔，用于安装磁隔离和电磁屏蔽环；磁隔离和电磁屏蔽环由内层铜材制成的电磁屏蔽体、外层铁氧体制成的磁屏蔽体组成，电磁屏蔽体接地，磁隔离和电磁屏蔽环的高度＝电流检测柱厚度。

作为一种优选方案，第1光伏组串的电流检测模块的霍尔电流传感器电路包括型号HBC06LTS3.3的霍尔电流传感器单元、型号OP-27 的运放单元，第1光伏组串的电缆穿过霍尔电流传感器单元的空心圆，运放单元为巴特沃斯滤波器、调理霍尔电流传感器单元采集的第1光伏组串电流信号；R121、R122、C122相连，R121的另一端接HBC06LTS3.3 的脚9，R122的另一端与C121、OP-27的脚3相连，C121的另一端接地， C122的另一端接OP-27的脚6；R123和R124相连，相连后的连接点连接OP-27的脚2，R123的另一端接地，R124的另一端接OP-27的脚6；OP-27的脚6与信号处理通信主控模块的ATmega128脚61相连；第 2/3/4光伏组串的霍尔电流传感器电路，其输出分别与信号处理通信主控模块的ATmega128脚60、59、58相连；电压检测模块的输出与信号处理通信主控模块的ATmega128脚57相连；温度检测模块以温度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3接入VCC， R600的两端并接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与信号处理通信主控模块的ATmega128脚56相连；信号处理通信主控模块包括信号处理主控单元、RS485通信单元，信号处理主控单元的MCU是ATmega128， RS485通信单元的磁隔离RS485芯片是ADM2483；ATmega128的脚 3、2分别与ADM2483的脚3、6相连，ADM2483的脚13、12分别导出B485、A485，接入Modbus网络；

Modbus/TCP网关包括RS485接口单元、协议转换主控单元、TCP 网卡单元、光耦单元，RS485接口单元的磁隔离RS485芯片采用 ADM2483，协议转换主控单元的MCU采用AT91RM9200，TCP网卡单元采用DM9161芯片，光耦单元的光电隔离芯片采用4片6N137； RS485接口单元与Modbus网络相连，协议转换主控单元通过RS485 接口单元、发送/接收Modbus帧，Modbus主从网络中，Modbus/TCP 网关作为主机、调度管理Modbus网络；协议转换主控单元将Modbus 帧嵌入打包成TCP帧，发送至TCP网络，或接收TCP网络的TCP 帧，从TCP帧中解析出Modbus帧；光耦单元接收的TCP帧、通过 TCP网卡单元的DM9161至协议转换主控单元，协议转换主控单元的TCP帧、通过TCP网卡单元的DM9161至光耦单元发送；光耦单元通过RJ45接入TCP网络。

一种检测系统的光伏组串综合离散率判断方法，方法的流程是；

变量说明:

光伏组串综合离散率的阈值threshold_integration

光伏组串综合离散率的低阈值threshold_integration_low

光伏组串综合离散率的中阈值threshold_integration_middle

光伏组串综合离散率的高阈值threshold_integration_high

绝对离散率dispersion_absolute，汇流箱光伏组串电流的实时离散率

历史绝对离散率dispersion_absolute_history，检修或清洗时、选定作为参照标准的绝对离散率，每次检修或清洗后均更新一次

相对离散率dispersion_relative，相对离散率＝绝对离散率－历史绝对离散率，表征绝对离散率的变化趋势

综合离散率dispersion_integration，表征绝对离散率融合变化趋势的离散率

算法说明：

①光伏组串电流采样时的中位均值滤波算法

式中I[]为光伏组串的采样电流值数组

②综合离散率的加权算法

dispersion_relative＝dispersion_absolute－

dispersion_absolute_history (1)

dispersion_integration＝dispersion_absolute_history

+θ×dispersion_relative，加权系数θ＞0 (2)

③绝对离散率的算法

汇流箱组串电流的均值

汇流箱组串电流的均方差

dispersion_absolute＝σ÷μ (5)

④光伏组串综合离散率判据

④-1dispersion_integration≤threshold_integration_low，组串电流正常

④-2threshold_integration_low＜dispersion_integration≤ threshold_integration_middle，组串电流日常巡视

④-3threshold_integration_middle＜dispersion_integration≤ threshold_integration_high，组串电流重点巡视

④-4dispersion_integration＞threshold_integration_high，安排检修；

光伏组串综合离散率判断方法的流程：

S1、设定threshold_integration_low、threshold_integration_middle、 threshold_integration_high和θ

检修或清洗时选定dispersion_absolute_history

S2、采集汇流箱组串电流ILk L＝1,2,….N,K＝1,2,3,4 中位均值滤波算法处理采集的汇流箱组串电流ILk

S3、按公式(3)、(4)和(5)求取绝对离散率

按公式(1)和(2)求取dispersion_relative和 dispersion_integration

S4、按光伏组串综合离散率判据④-1、④-2、④-3、④-4，开展运维。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

光伏电站汇流箱的检测系统，针对汇流箱的恶劣工作环境，采用磁隔离和电磁屏蔽技术采集/输出汇流箱运行参数，提高了采集数据的精度和可靠性；设计Modbus和TCP双层网络传输数据，提升了远程数据传输的稳定性和可靠性，而且具有良好的TCO。深度挖掘汇流箱运行参数隐涵的光伏阵列状态，根据汇流箱组串电流的绝/相对离散率判断光伏阵列状态，有助于光伏电站运维品质、发电量和经济效益更上一层楼。

附图说明

图1(a)是汇流箱检测系统的原理框图；

图1(b)是光伏电站的结构简图；

图1(c)是汇流箱的结构简图；

图1(d)是汇流箱的电流检测柱结构图；

图2(a)是第1光伏组串的霍尔电流传感器电路图；

图2(b)是汇流箱的温度检测模块电路图；

图2(c)是汇流箱的信号处理通信主控模块电路图；

图2(d)是汇流箱的Modbus/TCP网关电路图；

图3是光伏组串综合离散率判断方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种光伏电站汇流箱的检测系统，如图1(a)、图1 (b)、图1(c)、图1(d)所示，光伏电站汇流箱检测系统由第1光伏组串的电流检测模块100、第2光伏组串的电流检测模块200、第 3光伏组串的电流检测模块300、第4光伏组串的电流检测模块400、电压检测模块500、温度检测模块600、信号处理通信主控模块700、 Modbus/TCP网关800组成；第1光伏组串的电流检测模块100、第2 光伏组串的电流检测模块200、第3光伏组串的电流检测模块300、第4光伏组串的电流检测模块400、电压检测模块500和温度检测模块600分别与信号处理通信主控模块700相连；距离≤300m的信号处理通信主控模块700采用Modbus组网，距离＞300m的信号处理通信主控模块700经Modbus/TCP网关800组网，汇流箱检测系统借助Modbus和TCP双层网络传输数据；低层Modbus网络中，信号处理通信主控模块700为从机、Modbus/TCP网关800为主机，遵循 Modbus主从协议交换信息；上层TCP网络中，Modbus/TCP网关800 之间则遵循TCP协议交换信息；基于Modbus帧嵌入TCP帧的隧道技术，TCP传输Modbus协议数据；

光伏电站由光伏阵列、汇流箱、逆变器、交流低压开关柜、升压变压器组成，串并光伏组件组合成光伏阵列、输出额定电压电流值的光伏能；光伏阵列的正负端各引组串+和组串－电缆，组串+和组串－电缆分别与汇流箱的组串正端和组串负端相连；组串正端引出的电缆从汇流箱电流检测柱相应的引导孔导出、经过各组串对应的电流检测模块、防反二极管、熔断器接入正汇流板，汇流箱的组串负端引出电缆从汇流箱电流检测柱相应的引导孔导出、经过各组串对应的防反二极管、熔断器接入负汇流板；正汇流板和负汇流板经断路器输出汇流箱汇集的、光伏阵列的光伏能至逆变器，交流低压开关柜和升压变压器；断路器的输入端并接浪涌保护装置、电压检测模块500，电压检测模块500采集断路器输入端的电压值；温度检测模块600紧贴汇流箱壳体安装、采集汇流箱的工作温度；

在汇流箱的电流检测柱中，等距设置第1光伏组串的电流检测模块100、第2光伏组串的电流检测模块200、第3光伏组串的电流检测模块300、第4光伏组串的电流检测模块400；第1光伏组串的电流检测模块100包括3个同心孔：由内向外分别是引导孔110、电流检测模块传感器电路的安装孔、隔离和屏蔽孔，引导孔110为通孔, 用于组串电缆的引导；安装孔为盲孔,盲孔的深度＝0.6电流检测柱厚度,用于安装电流检测模块100的霍尔电流传感器电路120；隔离和屏蔽孔为通孔,用于安装磁隔离和电磁屏蔽环130；磁隔离和电磁屏蔽环 130由内层铜材制成的电磁屏蔽体131、外层铁氧体制成的磁屏蔽体 132组成，电磁屏蔽体131接地，磁隔离和电磁屏蔽环130的高度＝电流检测柱厚度。

说明1：不失一般性，令导入汇流箱检测柱的光伏组串数＝4路。考虑表述的完整性，简述光伏电站和汇流箱的结构；相关内容附图中用虚线框标注予以区分，文字中相关装置则用无序号的装置描述加以区分。

如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，电流检测模块100的霍尔电流传感器电路120包括型号HBC06LTS3.3的霍尔电流传感器单元121、型号OP-27的运放单元122，第1光伏组串的电缆穿过霍尔电流传感器单元121的空心圆，运放单元122为巴特沃斯滤波器，调理霍尔电流传感器单元121采集的第1光伏组串电流信号； R121、R122、C122相连，R121的另一端接HBC06LTS3.3的脚9，R122的另一端与C121、OP-27的脚3相连，C121的另一端接地，C122的另一端接OP-27的脚6；R123和R124相连，相连后的连接点连接OP-27 的脚2，R123的另一端接地，R124的另一端接OP-27的脚6；OP-27的脚6与信号处理通信主控模块700的ATmega128脚61相连；第2/3/4 光伏组串的霍尔电流传感器电路，其输出分别与信号处理通信主控模块700的ATmega128脚60、59、58相连；电压检测模块500的输出与信号处理通信主控模块700的ATmega128脚57相连；温度检测模块600以温度传感器DS18B20为核心，DS18B20的脚1接地、脚3 接入VCC，R600的两端并接在脚2和脚3；DS18B20的脚2与信号处理通信主控模块700的ATmega128脚56相连；信号处理通信主控模块700包括信号处理主控单元710、RS485通信单元720，信号处理主控单元710的MCU是ATmega128，RS485通信单元720的磁隔离 RS485芯片是ADM2483；ATmega128的脚3、2分别与ADM2483的脚3、6相连，ADM2483的脚13、12分别导出B485、A485，接入 Modbus网络；

Modbus/TCP网关800包括RS485接口单元810、协议转换主控单元820、TCP网卡单元830、光耦单元840，RS485接口单元810 的磁隔离RS485芯片采用ADM2483，协议转换主控单元820的MCU 采用AT91RM9200，TCP网卡单元830采用DM9161芯片，光耦单元840的光电隔离芯片采用4片6N137；RS485接口单元810与 Modbus网络相连，协议转换主控单元820通过RS485接口单元810、发送/接收Modbus帧，Modbus主从网络中，Modbus/TCP网关800 作为主机、调度管理Modbus网络；协议转换主控单元820将Modbus 帧嵌入打包成TCP帧，发送至TCP网络，或接收TCP网络的TCP 帧，从TCP帧中解析出Modbus帧；光耦单元840接收的TCP帧、通过TCP网卡单元830的DM9161至协议转换主控单元820，协议转换主控单元820的TCP帧、通过TCP网卡单元830的DM9161至光耦单元840发送；光耦单元840通过RJ45接入TCP网络。

说明2：电压检测模块与电流检测模块类同，霍尔电压传感器的型号为HBVOSA3.3，文中仅提及、未展开论述。

如图3所示，光伏电站汇流箱检测系统的光伏组串综合离散率判断方法流程；变量说明: