光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统和方法与流程
本发明涉及光伏发电系统监测设备技术领域，具体涉及一种实时在线监测光伏发电系统状态并可进行故障预报和定位的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统和方法。
背景技术：
随着光伏发电技术的不断发展，光伏发电系统的结构部署越来越多，光伏系统的运行状态、电能质量、以及设备的劣化情况越来越受到关注。
光伏组件暴露在太阳光下，组件中常有被泥巴、鸟粪或树叶等杂物遮挡的区域，或者光伏板本身有缺陷区域，如裂纹、气泡、脱层、脏污、内部连接失效等。光伏组件的这些区域会被当做负载消耗其它区域所产生的能量；光伏组件被遮挡的部分会消耗整正常光伏组件所产生的部分能量或者所有能量，降低输出功率；严重时导致局部过热，产生热斑效应。热斑可能导致整个光伏组件损坏，一块约占电池1/60面积的热斑，将影响整块光伏电板1/3的发电量，同时也会导致光伏组件的使用寿命至少减少10％。严重情况下，将会永久性破坏太阳能电池组件、甚至烧毁组件，造成无法弥补的损失。
光伏组件要求质保20-25年，但很多光伏组件在6-8年内发生损坏，如不及时发现和更换，将影响整个光伏系统的发电效率。
由于光伏板光通常部署在农田、沙漠或屋顶等维修人员不常去或不易达到的区域。光伏发电系统监测点多，光伏组件、汇流箱、和分布式组串逆变器大多安装在屋顶和野外等人员不易到达，也不易布线的场合，因此需要采用采用电池供电，低功耗设计，通信距离远的无线监测装置。目前检测热斑的方式通常采用两种方法。一种方法是采用热成像方式，由人工巡检或者无人机定期检测，根据发热点进行判断，这种方式只能定期检测，很难做到实时在线；另外，这种方式判断偏差大，很多情况不能检测到。另一种方法是采用监测装置在线检测。检测电压、电流和温度等参数，但现有在线监测装置功能单一，通信费用高，难以适应光伏系统安装环境及场合复杂的特点。
目前在光伏系统状态在线监测装置方面，亟需适应无人值守，低功耗远距离免费通信的需求，采集装置适应采集、传输、数据处理、状态评估和故障预警等需求的多功能模块装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够对光伏发电系统进行在线实时无人值守监测，并集成数据采集、传输、分析、状态评估和故障预警定位等多种功能的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统和方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供的一种光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统，包括现场设备数据采集装置、数据汇聚处理装置和网络端数据服务器；
所述现场设备数据采集装置，用于采集光伏发电系统的现场设备的状态参数；
所述数据汇聚处理装置，包括中央处理单元、存储模块、底层通信模块和上层通信模块；
所述中央处理单元，用于接收所述状态参数，并对所述状态参数进行数据汇聚处理，获取故障定位结果；
所述存储模块，用于存储所述中央处理单元接收的所述状态参数以及所述数据汇聚处理结果；
所述底层通信模块包括lora通信单元和现场总线通信单元；所述lora通信单元，用于完成所述数据汇聚处理装置与所述现场设备数据采集装置间的数据无线通信；所述现场总线通信单元，用于完成所述数据汇聚处理装置与所述现场设备数据采集装置间的数据有线通信；
所述上层通信模块包括以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元，用于将所述中央处理单元接收的所述状态参数发送至数据服务器。
进一步的，所述现场设备数据采集装置包括无线监测设备、有线监测设备和现场仪表；所述无线监测设备通过lora通信单元将所述状态参数发送至所述数据汇聚处理装置，所述有线监测装置和所述现场仪表均通过现场总线单元将所述状态参数发送至所述数据汇聚处理装置。
进一步的，所述中央处理单元，还用于完成lora通信单元与以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元间的lora通信协议-tcp/ip通信协议转换、lora通信单元与现场总线通信单元间的lora通信协议-现场总线通信协议转换以及以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元与现场总线通信单元间的tcp/ip通信协议-现场总线通信协议转换。
进一步的，所述lora通信协议链路层帧结构包括前导码、物理头、物理头校验、mac头、mac数据域和校验域；所述现场总线通信协议的链路层帧结构包括帧起始、控制域、数据域、校验域和帧结束；所述tcp/ip通信协议的帧结构包括前导码、目的地址、原地址、类型、子报文、校验域。
进一步的，所述lora通信协议-tcp/ip通信协议转换包括：首先读取lora通信协议中的数据域，然后按照tcp/ip协议帧进行组帧，如果将数据发送至数据服务器，帧中的源地址为中央处理单元的身份或地址，目的地址为数据服务器地址；若从数据服务器中接收，则目的地址为中央处理单元的地址，源地址为数据服务器的地址；
所述lora通信协议-现场总线通信协议转换包括：分别获取lora通信协议与现场总线通信协议的帧结构的数据信息和数据地址或身份信息，然后对数据进行身份标记，如果转换，则按照目标协议帧的要求进行组帧，此时，lora帧对应的mac头、物理头，以及现场总线对应的控制域均为中央处理器自身的地址或身份信息；
所述tcp/ip通信协议-现场总线通信协议转换包括：首先读取现场数据总线通信协议中的数据域，然后按照tcp/ip协议帧进行组帧，如果将数据发送至数据服务器，帧中的源地址为中央处理单元的身份或地址，目的地址为数据服务器地址；若从数据服务器中接收，则目的地址为中央处理单元的地址，源地址为数据服务器的地址。
进一步的，所述状态参数包括：光伏组件的辐照度数据，汇流箱的直流电压、直流电流和电能数据，逆变器的交流电压、交流电流和电量数据，以及通过信号调理电路接收的监测信号。
另一方面，本发明提供一种利用上述的光伏发电系统状态在线监测及故障预警定位系统进行故障预警定位的方法，包括如下流程步骤：
确定获取的汇流箱数据和逆变器数据对应的天气类型和时间段；
分析相同天气类型和时间段下的汇流箱直流电参数数据，得到汇流箱的初期故障定位；
分析相同天气类型和时间段下的逆变器交流电参数数据，得到逆变器的初期故障定位。
进一步的，所述确定获取的汇流箱数据和逆变器数据对应的天气类型和时间段具体包括：
根据光伏组件的辐照度参数，结合历史数据所对应的天气类型，对获取的汇流箱的直流电参数数据和逆变器的交流电参数数据进行异常判断，若数据正常，则更新不同汇流箱和逆变器的对应天气类型下的阈值算子。
进一步的，所述得到汇流箱的初期故障定位具体包括：
将每个汇流箱同一时刻的电压和电流的数据分别与其他汇流箱的电压和电流数据作比，得到每个汇流箱对应的一组电压比和电流比，根据环境监测数据确定电压比和电流比的天气类型，然后将同天气类型和同一时刻下的电压比和电流比求平均值，并将电压比平均值和电流比平均值作为该天气类型和时刻下的汇流箱的电压基准值和电流基准值；如果有新的数据到来，则更新基准值，确定汇流箱阈值算子为减去误差率的值；
当前时刻汇流箱监测数据如果正常，中央处理单元将实时采集到的汇流箱数据作比与基准值比较，如果判断出比值与基准值有偏差且超过预设的误差阈值，则该比值所对应的一串光伏组件中存在故障组件；最后通过对故障光伏组串中每个光伏组件温度数据进行分析并将温度最高的光伏组件设定为可能的故障组件，发送预警指示。
进一步的，所述得到逆变器的初期故障定位具体包括：
如果逆变器输入端瞬时功率与逆变器输出端的瞬时功率的差大于误差阈值，则该瞬时功率对应的逆变器可能存在故障，发送预警指示；其中汇流箱输出端的瞬时电压和瞬时电流可以作为逆变器输入端的瞬时电压和瞬时电流，用于计算逆变器输入端的瞬时功率，逆变器阈值算子是减去汇流箱和逆变器线缆以及逆变器本身功率损耗率的值。
本发明有益效果：引入长距离低功耗的lora通信方式连接现场的无线监测装置，解决了现有技术中存在的通信费用高、无法适应多个节点部署、多类型光伏发电系统对光伏监测的适应性等的问题。对在线监测获取的数据进行融合分析，得到光伏组件的运行状态，并对可能的故障进行预警；解决了现有监测装置无法给出光伏系统性能分析和评价，以及早期光伏系统劣化的预警问题。
具体的：
(1)可进行多类型监测输入融合分析：多功能模块装置汇聚了光伏组件、汇流箱和逆变器的状态数据。根据光伏组件的状态监测的温度和光照对数据进行自然条件的分类和时段的分类。根据相同的自然条件和时段进行多类型数据处理，得到历史数据、阈值和知识等。
(2)可以对光伏组件的劣化和早期故障进行初步定位：根据汇流箱监测的直流电压和直流电流与历史数据的比对，可以初步判断光伏组件的劣化或早期故障，并能够定位到一个组串。
(3)可以对光伏逆变器的状态进行分析评价：根据逆变器状态监测的交流电压、交流电流、交流电能与历史数据的比对，可以初步判断光伏逆变器的工作状态，对其可能的故障发出预警信息。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统的数据汇聚处理装置结构示意图。
图2为本发明实施例二所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统与光伏发电系统的现场设备连接状态示意图。
图3为本发明实施例二所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统与现场设备的无线监测模块采用lora连接结构示意图。
图4为本发明实施例二所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统与现场设备的有线监测模块采用总线接口连接结构示意图。
图5为本发明实施例二所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统与现场监测传感器的连接结构示意图。
图6为本发明实施例二所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统的协议转换流程示意图。
图7为本发明实施例三所述的利用光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统进行数据分析及故障定位的方法流程示意图。
图8为本发明实施例四所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统的数据汇聚处理装置结构示意图。
图9为本发明实施例四所述的光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统与光伏发电系统的现场设备连接状态示意图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供一种光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统的数据汇聚处理装置，用于实现光伏发电站系统中光伏组件及现场设备的状态数据采集及光伏组件性能分析和故障预警定位。
lora(longrange)是低功耗广域网lpwan(lowpowerwide-areanetwork)通信技术中的一种，是美国semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的实现远距离、低功耗、多节点组网的无线传输方案，没有运行费用，非常适合光伏板状态采集的场合。
本发明实施例一中，将lora技术引入光伏发电站的状态监测系统，构成了融合现场总线、工业以太网、lora、gprs、4g等多种通信方式为一体，同时采用多种信号调理电路构成可以接入多类型传感器，根据现场需求采用多种传输方式的多功能采集传输装置。该装置可以作为独立连接传感器，作为传感器接入节点；可以作为lora与工业以太网、现场总线与工业以太网的转换网关；可以作为独立光伏系统、并网光伏系统监测的接入节点和网关节点等。本装置适应光伏系统无人值守、不易到达的现实情况对低功耗电池供电和长距离免费传输、多功能采集传输装置的需求。
上述光伏发电站状态监测及故障预警定位系统，包括现场设备数据采集装置、数据汇聚处理装置和网络端数据服务器；
所述现场设备数据采集装置，用于采集光伏发电系统的现场设备的状态参数；
所述数据汇聚处理装置，包括中央处理单元、存储模块、底层通信模块和上层通信模块；
所述中央处理单元，用于接收所述状态参数，并对所述状态参数进行数据汇聚处理，获取故障定位结果；
所述存储模块，用于存储所述中央处理单元接收的所述状态参数以及所述数据汇聚处理结果；
所述底层通信模块包括lora通信单元和现场总线通信单元；所述lora通信单元，用于完成所述数据汇聚处理装置与所述现场设备数据采集装置间的数据无线通信；所述现场总线通信单元，用于完成所述数据汇聚处理装置与所述现场设备数据采集装置间的数据有线通信；
所述上层通信模块包括以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元，用于将所述中央处理单元接收的所述状态参数发送至数据服务器。
所述现场设备数据采集装置包括无线监测设备、有线监测设备和现场仪表；所述无线监测设备通过lora通信单元将所述状态参数发送至所述数据汇聚处理装置，所述有线监测装置和所述现场仪表均通过现场总线单元将所述状态参数发送至所述数据汇聚处理装置。
所述中央处理单元，还用于完成lora通信单元与以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元间的lora通信协议-tcp/ip通信协议转换、lora通信单元与现场总线通信单元间的lora通信协议-现场总线通信协议转换以及以太网通信单元和gprs/3g/4g通信单元与现场总线通信单元间的tcp/ip通信协议-现场总线通信协议转换。
所述lora通信协议链路层帧结构包括前导码、物理头、物理头校验、mac头、mac数据域和校验域；所述现场总线通信协议的链路层帧结构包括帧起始、控制域、数据域、校验域和帧结束；所述tcp/ip通信协议的帧结构包括前导码、目的地址、原地址、类型、子报文、校验域。
所述lora通信协议-tcp/ip通信协议转换包括：首先读取lora通信协议中的数据域，然后按照tcp/ip协议帧进行组帧，如果将数据发送至数据服务器，帧中的源地址为中央处理单元的身份或地址，目的地址为数据服务器地址；若从数据服务器中接收，则目的地址为中央处理单元的地址，源地址为数据服务器的地址；
所述lora通信协议-现场总线通信协议转换包括：分别获取lora通信协议与现场总线通信协议的帧结构的数据信息和数据地址或身份信息，然后对数据进行身份标记，如果转换，则按照目标协议帧的要求进行组帧，此时，lora帧对应的mac头、物理头，以及现场总线对应的控制域均为中央处理器自身的地址或身份信息；
所述tcp/ip通信协议-现场总线通信协议转换包括：首先读取现场数据总线通信协议中的数据域，然后按照tcp/ip协议帧进行组帧，如果将数据发送至数据服务器，帧中的源地址为中央处理单元的身份或地址，目的地址为数据服务器地址；若从数据服务器中接收，则目的地址为中央处理单元的地址，源地址为数据服务器的地址。
所述状态参数包括：光伏组件的辐照度数据，汇流箱的直流电压、直流电流和电能数据，逆变器的交流电压、交流电流和电量数据，以及通过信号调理电路接收的监测信号。
在本发明的一个具体实施例一中，所述lora通信单元包括lora芯片和lora天线接口，分为两部分：lora管理通道和lora通信通道，所述lora管理通道负责lora节点申请入网、新接入的lora节点的地址分配；所述lora通信通道，是将获得地址分配的lora节点通过该通信通道发送和接收数据。
在本发明实施例一中，本领域技术人员可根据具体情况具体设置lora通信信道的个数，每一信道可根据具体情况采用不同的频率传输数据。lora通常应用于光伏组件、汇流排状态等状态的监测。
实施例二
由于光伏发电系统状态在线监测需要采集的数据类型多，范围广。本发明实施例二提供一种光伏发电站状态监测及故障预警定位系统整体分为两层结构。
第一层是现场设备状态数据采集层。由无线监测设备、有线监测设备、现场仪表等组成。该层主要是用于采集光伏发电系统的光伏组件状态、汇流箱状态、室外天气条件等相关数据信息；光伏发电系统的光伏组件和汇流箱通常安装在屋顶、沙漠、鱼塘、农田等场合，光伏组件的状态监测需要采集光伏组件的温度、汇流箱的电压和电流、逆变器输出端的电压、电流、瞬时功率以及功率因数。该第一层现场设备状态数据采集层，也即现场设备数据采集装置。
无线监测装置通常设置在人工不易到达和无法部署信号传输线的场合，如屋顶光伏组件的温度、汇流箱的电压和电流的采集。无线采集节点采用lora通信方式向汇聚节点(多功能模块装置)传输采集数据。
有线监测装置通过现场总线，如rs485、can等向汇聚节点(多功能模块装置)传输数据。现场仪表也是有线采集节点的一种类型。
第二层是数据汇聚及分析层。该层采用模块集成、功能融合的技术手段，在一个装置中，集成不同模块，在同一个中央处理单元控制下实现多种功能的有效融合，构成一多功能模块装置。该层结构包含gprs或3g或4g模块、以太网模块、现场总线模块和lora模块，可以根据设置实现这些模块的设置，并通过lora模块设置配置相关的无线采集节点并汇聚它们采集的数据；通过现场总线模块配置相关的有线采集节点并汇聚它们采集的数据同时多功能模块装置还能接入不同类型的传感器。该第二层数据汇聚及分析层，也即数据汇聚处理装置。
多功能模块装置处于第二层，主要是汇聚第一层采集装置的数据。通过lora方式汇聚无线采集节点的数据，通过现场总线方式汇聚有线采集节点和现场仪表的数据。同时汇聚节点可以直接连接传感器检测现场设备的某个状态。
多功能模块装置可以作为多功能网关，实现不同协议的转换、帧的解析和重组。多功能模块装置利用lora功能实现远距离、低功耗、低成本和多节点的无线组网；利用gprs或3g或4g在无法部署网线的场合将汇聚数据传输至服务器；在能够部署网线的场合采用(工业)以太网向数据服务器传输汇聚数据；利用现场总线实现与光伏系统的计量电表和其他相关仪器进行连接。
多功能模块装置根据同一类监测点内各个光伏装置运行状态数据间进行相关性分析，找出正常情况下光伏组件的阈值范围并作为知识存储在装置中。光伏组件如果出现劣化或早期故障，其汇流箱的电压电流值会发生变化。通过与存储在装置中的阈值进行对比，可以发现并定位光伏组件的劣化或早期故障区域。并把劣化信息传输至数据服务器，并发出预警信息，实现光伏系统光伏组件劣化和早期故障的发现和处理问题。
多功能模块装置通过软件的控制和资源调度与分配，实现采集、数据处理、协议转换、分析评价和预警等功能融合为一体。
如图1所示，为本发明实施例二提供的上述一种多功能模块装置组成示意图。多功能模块装置由控制器模块、功能模块、和电源模块组成。
控制器模块包括中央处理单元、存储模块、usb模块等。中央处理单元是整个多功能网关的控制器，完成控制各个模块的工作，完成数据的协议转换工作。存储部分主要包括存储器和存储控制，中央处理单元将获取的数据，以及数据处理的结果或缓存中无法及时处理的数据暂时存到存储器中；存储控制控制存储器数据的存入和清除。usb模块包括usb芯片和接口，用于网关调试。
功能模块包括调理电路、底层通信模块、上层通信模块等。
调理电路用于直接接入传感器，包括三种类型的调理电路，分别对应三种通用的传感器的输出信号。电压型调理电路是将传感器的输出电压进行压频转换后输入到中央处理单元的计数器；电流型调理电路先将传感器的输出电流转换为电压信号，然后再进行压频转换后输入到中央处理单元；脉冲型调理电路先将传感器的脉冲型号整型后，输入到中央处理单元的io口。
底层通信模块包括lora模块和现场总线模块。lora模块应用于长距离低功耗场合的采集数据通信，lora模块包括lora芯片和天线接口，lora模块分为两部分，一部分为lora管理通道，负责lora节点申请入网、新接入的lora节点的地址分配；另一部分为lora通信通道，获得地址分配的lora节点通过通信通道发送和接收数据。lora通信信道可以有多个，采用不同的频率传输数据。lora通常应用于光伏组件、汇流排状态等状态的监测。现场总线模块包括总线控制器、总线驱动器和接口；与现场的有线监测装置或现场仪表采用相同的总线类型，通过现场总线模块获取有线监测装置或现场仪表的数据。这两种底层通信模块可以根据现场需求而设置其中的一种或两种。
上层通信模块包括以太网模块、gprs或3g或4g模块。以太网部分包括以太网控制器、隔离和工业以太网接口，将中央处理单元要发送的数据从工业以太网接口处发出。gprs或3g或4g模块包括通信芯片和通信天线。多功能模块装置获取的无线监测装置的数据、有线监测装置的数据、直连的传感器数据，根据监测任务进行融合处理后，通过上层通信模块将数据传输至数据服务器。以太网模块、gprs或3g或4g模块可根据现场条件进行设置和使用。gprs或3g或4g模块可根据光伏发电系统采集数据量的不同而选用不同的无线通信模块。
电源模块为网关提供工作所需的电源。电源模块包括两类接口：电池接口和交流电接口，分别应用于使用电池和交流电的场合。
如图2所示，为上述所述的多功能模块装置的应用状态示意图。多功能模块装置是光伏发电系统在线监测的核心。多功能模块装置可以通过lora接口、现场总线接口和调理电路与光伏发电系统现场监测装置连接和通信，获取现场设备的状态数据；可以根据现场条件选择以太网模块，gprs或3g或4g模块将监测数据传输至数据服务器。
根据光伏发电系统的现场条件，现场设备的状态采集是通过有线监测装置、无线监测装置、现场仪表或传感器中的一种或多种。
有线监测装置包括传感器及调理电路、控制器和现场总线接口，完成现场设备状态采集、处理和传输，通过现场总线将数据上传至多功能模块装置。
无线监测装置包括传感器及调理电路、控制器和lora接口，完成现场设备状态采集、处理和传输，通过lora将数据上传至多功能模块装置。
现场仪表具有现场总线接口，可通过该接口与多功能模块装置传输数据。
状态监测的传感器，有些条件下需要安装到现场设备上，这些传感器通过多功能模块装置的不同类型调理电路将信号传输至中央其处理。
多功能模块装置可以同时接收现场总线和lora接口的数据，也可以单独接收lora或现场总线的数据。多功能模块装置接收数据后，经过处理后，通过以太网接口或gprs或3g或4g模块上传至数据服务器。
如图3所示，为上述所述的多功能模块装置与现场无线监测装置采用lora连接示意图。采用lora通信的无线监测装置通常采用电池供电，采用低功耗工作方式。多功能模块装置可以连接几百个现场无线监测装置，设置有lora管理通道和lora通信通道。通过管理通道，多功能模块装置可以对接入的无线监测装置的lora模块进行设置，包括设置节点地址、通信信道、工作模式等。设置后无线监测装置在规定信道内将监测数据上传至多功能模块装置。多功能模块装置接收后，进行数据处理。然后再与其他监测数据一起进行上传帧的组装。
如图4所示，为上述所述的多功能模块装置与现场有线监测装置采用现场总线接口连接示意图。采用现场总线接口，多功能模块装置可以与有线监测装置和现场仪表相互传输数据并组成网络。
有线监测装置包括传感器及调理电路、控制器和现场总线接口，完成现场设备状态采集、处理和传输，通过现场总线将数据上传至多功能模块装置。
现场仪表通常具有现场总线接口，可通过该接口与多功能模块装置传输数据。
多功能模块装置首先通过现场总线接口配置有线监测装置和现场仪表，设置其逻辑地址，传输速率。然后采用轮询方式逐个获取有线监测装置和现场仪表的数据。
如图5所示，为上述多功能模块装置与现场监测的传感器连接示意图。
在有些场合，现场设备需要增加部署传感器，多功能模块装置可以直接通过调理电路连接传感器。调理电路包括三种类型的调理电路，分别对应三种通用的传感器的输出信号。
电压型调理电路将传感器的输出电压进行压频转换后输入到中央处理单元的计数器；主要由电压变换电路、压频转换电路组成；电压变换电路是将传感器输出的电压信号进行放大或缩小至适合后级输入要求的电压范围，压频转换电路将电压信号转换为与之呈线性关系的频率信号，将频率信号输入到中央处理单元的计数器中，中央处理单元根据定时时间的计数量计算频率值，然后转换为电压值。
电流型调理电路先将传感器的输出电流转换为电压信号，然后再进行压频转换后输入到中央处理单元；主要由电流电压转换、压频转换电路及脉冲型调理电路组成。电流电压转换是将传感器输出的电流信号转换为电压信号，转换的同时对电压信号进行放大或缩小以适合后级输入要求的电压范围；压频电路及其后级输入与电压型调理电路相同。
脉冲型调理电路先将传感器的脉冲型号整型后，输入到中央处理单元的io口，中央处理单元根据相关协议读出传感器的数值。
如图6所示，为上述所述的多功能模块装置的协议转换示意图。多功能模块装置包括lora通信、现场总线通信和tcp/ip通信三种协议。其装换类型包括lora和tcp/ip、现场总线和tcp/ip、以及现场总线和lora之间的相互转换。
lora链路层帧结构包括前导码、物理头、物理头校验、mac头、mac数据域和校验域；现场总线链路层帧的结构包括帧起始、控制域、数据域、校验域和帧结束；以太网的帧结构包括前导码、目的地址、原地址、类型、子报文(若干)、校验域。
多功能模块装置通过管理通道向无线监测装置的lora进行信道分配和身份地址分配，在帧结构中对应的是物理头和mac头。通过通信通道接收其数据或向其发送查询信息。多功能模块装置收到无线监测装置lora发送的数据后，取出其数据域的数据，根据物理头和mac头对数据进行标记后待用。
多功能模块装置通过现场总线与有线监测装置连接，解析现场总线的过程为：当接收现场总线帧，校验通过后，将数据域读出来，根据控制域提供的身份或地址信息对数据进行标记，然后待用。
多功能模块装置通过以太网、gprs或3g或4g与数据服务器连接，其数据帧为tcp/ip协议帧的格式。
多功能模块装置的lora模块和现场总线协议的转换是分别读出这两类帧的数据信息和数据地址或身份信息，然后对数据进行身份标记。如果装换，再按照目标协议帧的要求进行组帧，此时lora帧对应的mac头、物理头，以及现场总线对应的控制域都是多功能模块装置自身的地址或身份信息。
多功能模块装置tcp/ip协议和现场总线协议的装换，以及tcp/ip协议和lora协议的装换方法类似，先读出现场总线或lora协议中的数据域，然后按照tcp/ip协议帧进行组帧。如果将数据发送至数据服务器，帧中的源地址为多功能模块装置的身份或地址；目的地址为数据服务器地址。若从数据服务器中接收，其中目的地址为多功能模块装置的地址，源地址为数据服务器的地址。
实施例三
如图7所示，本发明实施例三提供了一种利用上述实施例所述的系统进行数据分析预警定位的方法。
由于光伏组件、汇流箱和分布式组串逆变器大多安装在屋顶和野外等人员不易到达，也不易布线的场合，采用无线监测装置，利用lora模块传输数据到多功能模块装置。汇流箱是多个光伏组件串联后再并联后的接入点；光伏组件通常是几个串联为一组，几组光伏组件在汇流箱并联，几组汇流箱的输出连接到逆变器。光伏逆变器分为集中式逆变器和组串式逆变器，分别对应集中式高压并网和分布组串式低压并网的光伏发电系统。
光伏组件的状态监测主要包括温度和光照；汇流箱状态监测主要包括直流电压、直流电流、电能和环境温度；逆变器状态监测主要包括交流电压、交流电流、交流电能和环境温度。
多功能模块装置在分析光伏组件、汇流箱和逆变器状态时，首先将天气、照度和温度等自然条件分成几类(雨雪、阴天、阴间多云、多云转晴、晴)；分析监测数据是在同一类自然条件下。其次，将光伏发电系统在不同类型自然条件下的可发电的时间分成不同时段(根据情况可确定15分钟或30分钟为一个时段)，相同时段的数据进行分析和判断。
多功能模块装置的中央处理单元汇聚无线监测装置、有线监测装置和现场仪表的数据，进行融合处理和分析。
多功能模块装置的中央处理单元对获取的监测数据的处理过程如下：
1)根据当时的环境监测数据对天气进行类型判断，并对采集时刻所处的时段进行判断。相同的自然天气类型和相同的时段数据进行计算。
2)根据相同天气类型和相同各时段，计算各自监测装置相关数据的最大值、最小值、平均值、方差和标准差；这些值用于判断后续监测数据是否异常。得到的数据为汇流箱的直流电压和直流电流的最大最小值、平均值、方差和标准差；逆变器输出电能的最大值、最小值、平均值、方差和标准差。
3)对于汇流箱获取的数据，根据相同天气类型和相同各时段，计算各组电压的相互比值，得到的比值进行平均，作为基准比值；电流的基准比值按照相同方式得到。得到汇流箱电压的基准比值、电流的基准比值。
4)对于逆变器获取的数据，根据相同天气类型和相同各时段，根据逆变输入和输出端的电压及电流计算逆变器输入和输出端的瞬时功率。
对以上在正常情况下得到的各类值作为知识存储在存储器中。
在以上基础上，对多类型传感器数据进行融合处理，分析和评价，可以判断光伏组件和逆变器的劣化和初期故障，并定位可能的故障。
多功能装置的中央处理单元对光伏发电系统在线监测数据的分析、评价和预警的工作流程包括：
1)获取光伏组件的温度和光照数据，得到当时的天气类型和所述的时间段。
获取光伏组件的汇流箱的直流电压、直流电流和电能数据，获取逆变器的交流电压、交流电流和电量数据。对获取的每项数据，根据历史数据的处理结果，按照统计规律进行异常判断。若数据正常，则加入到阈值和知识更新中，并更新不同汇流箱和逆变器的阈值算子αn(n＝1,2,3,4,5；n分别代表雨雪、阴天、阴间多云、多云转晴、晴等五种天气类型)和β。
2)分析汇流箱数据，得到光伏组件的劣化情况和初期故障定位。
将光伏组件正常情况下，获取汇流箱的直流电压和直流电流的数据。将正常情况下每个汇流箱同一时刻的电压或电流的数据分别与其他汇流箱的电压和电流数据作比，这样每个汇流箱将有一组电压和电流比，根据环境监测数据的判断当天天气属于哪一类自然条件的直流电压比和直流电流比，然后将同一类自然条件和同一时刻下的电压比和电流比求平均，并将其作为该类自然条件和同一时刻下汇流箱电压和电流的基准比值。如果有新的数据到来，更新基准比值，确定汇流箱阈值算子an，其中an为减去误差率的值。
下面以汇流箱的电流为例：假设光伏系统有四个汇流箱，在晴天的情况下其阈值算子为a1，测得m天同一时刻的电流，其电流的基准比值为：
其中inm代表的是第n个汇流箱第m天同一时刻的电流值。汇流箱电压基准比值与计算电流基准比值原理相同。
当前时刻汇流箱监测数据如果正常，多功能采集装置运算单元将实时采集到的汇流箱数据作比与基准比值比较，如果判断出比值与基准比值有偏差且超过预设的误差阈值，这说明比值出错数据所对应的那一串光伏组件中存在故障组件。最后通过对故障光伏组串中每个光伏组件温度数据进行分析并将温度最高的光伏组件设定为可能的故障组件，发送预警指示。
以上面的例子为例，具体分析过程如下：
电流比值：
与其对应的基准比值
其余汇流箱电流比较的判断以及电压比值的比较同理。
3)分析逆变器数据，得到逆变器的劣化情况和初期故障定位。
由于光伏发电系统中组串逆变器数量相对于光伏组件数量少很多，可以通过逆变器输入端和输出端瞬时功率的差异分析逆变器的运行情况。如果逆变器输入端瞬时功率与逆变器输出端的瞬时功率的差大于误差阈值，这说明逆变器的可能存在故障，发送预警指示。其中汇流箱输出端的电压和电流可以作为逆变器输入端的电压和电流，阈值算子β是减去汇流箱和逆变器线缆以及逆变器本身功率损耗率的值。
例如，逆变器输入端的电压，电流分别为u1和i1，输出端的电压电流为u2和i2。
输入端瞬时功率：p1＝u1×i1，输出端瞬时功率：
以上计算方法排除了因光照变化因素对光伏组件和逆变器故障预警的不利影响。
实施例四
如图8所示，本发明实施例四提供的一种光伏发电系统状态在线监测及故障定位系统的数据汇聚处理装置。
中央处理单元有armstm32f4构成，存储器由w25q128构成，lora采用sx1278，现场总线采用rs485，以太网采用cs8900构成。
电压型调理电路由运放构成电压变换电路，有压控振荡器产生与电压相关的脉冲频率信号输入到中央处理单元。
电流型调理电路由运放构成电流电压变换电路，再由压控振荡器产生与电压相关的脉冲频率信号输入到中央处理单元。
脉冲型调理电路由光耦构成，不仅实现了电平变换，还实现了隔离。
如图9所示，为上述光伏发电站状态监测及故障预警定位系统在组串逆变式光伏发电系统的应用示意图。若干光伏组件(太阳能电池板)直流电流汇聚到汇流箱，经过分布式小型逆变器后进入交流柜。
无线环境监测装置负责采集太阳能电池板正反面温度和光照强度，主要由温度传感器、信号调理电路、光照检测电路、stm8l主控和lora无线模块组成。
无线汇流箱监测装置负责检测汇流后直流电参数，主要由stm32主控单元、直流电压、直流电流检测单元、环境温度检测单元和电源管理模块组成。
无线逆变器监测装置负责检测逆变器出线端的交流电参数，主要由stm32主控单元、交流电压、交流电流检测单元、交流电能检测单元、环境温度检测单元和电源管理模块组成。
多功能装置通过lora接收无线环境监测装置、无线汇流箱监测装置、无线逆变器监测装置的数据。同时通过rs485接收计量电表的数据。在此基础上进行分析、状态评级和故障预警。
综上所述，本发明实施例所述的光伏发电系统状态在线监测和故障定位系统通过集成lora模块、现场总线模块、以太网和gprs/3g/4g模块以及中央处理单元实现了多类型监测装置的接入、多类型数据的实时在线采集，通过中央处理单元实现了多类型数据的通信协议转换，并通过对数据的处理分析，实现了光伏发电站的状态监测，并能够初步判断和定位光伏组件和逆变器的劣化和早期故障；以太网和gprs或3g或4g作为与服务器的传输方式，将lora模块、现场总线和传感器直接连接相结合作为与现场监测装置和仪表的连接方式，扩展了光伏发电系统在线监测装置的应用范围，能够适应各类现场条件。特别是采用低功耗和长距离无线通信的lora技术和相关模块，能够适应光伏组件状态监测采用电池供电，满足低成本运行的需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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