一种光伏阵列的故障检测方法及系统与流程

本发明涉及故障监测技术领域，特别涉及一种光伏阵列的故障检测方法及系统。

背景技术：

随着全球经济的快速发展导致人们对于各种形式的能源需求越来越大，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位，如今太阳能光伏电站是国内外都在重点发展的绿色能源装备，可以有效解决日益突出的环境问题和矿物燃料发电相关的气候变化风险。

然而光伏电站的优化、改善和运行成本等问题严重制约了光伏发电的发展。其中光伏阵列作为光伏电站的核心部件，成本可占整个光伏电站的大部分建设成本，是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，占地面积大、分布广泛，容易出现光伏电池组件破裂、线路老化、热斑现象等故障，其中任意一个关键部位的故障，都会使光伏组件输出功率下降，加速组件损坏，甚至出现严重的事故，引起火灾以及较长时间的停机等，对光伏发电的稳定安全运行造成巨大影响，从而降低电站的发电收益。

现有技术中，在光伏组件中的一些电池片中并联二极管，如果任意一片电池片故障，二极管可以将这些电池片都短路来避免热斑效应，降低损失，但电站的维护人员无法确定故障位置。

针对现有技术中无法判断光伏组件是否故障的问题，目前尚未提出有效的解决方案，因此需要一种对光伏阵列的故障监测系统，可以及时发现和分析处理故障，确定发生故障的位置，有利于光伏电站维护人员针对性的及时开展工作，实现光伏电站的稳定、可靠、经济运行，对促进光伏电站的规模化发展，具有极其重要的意义。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提出了一种光伏阵列的故障检测方法及系统，可以及时发现和分析处理故障，确定发生故障的位置，及时通知维护人员和做一些自动化操作。

第一方面，本发明实施例提供一种光伏阵列的故障检测方法，包括以下步骤：

s1、每天定时、间隔预设周期地采集与光伏阵列引起故障情况相关的特征数据；所述相关的特征数据包括：光伏组件的电压、电流以及太阳能电池组件的温度、位置信息和所属光伏组件编号；

s2、将所述相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器；

s3、所述监测中心服务器对所述相关的特征数据进行分析计算，检测对应的光伏组件和/或太阳能电池组件是否处于故障状态；

s4、针对监测到的光伏故障组件开展应急处置工作。

在一个实施例中，所述步骤s3中包括：

s31、计算每次获取光伏组件i的发电量ei：

ei＝ha*s*k1*k2

式中，ha表示倾斜面太阳能总辐照量，单位为kw·h/m²；s表示每个光伏组件面积，单位为m²；k1表示每个光伏组件转换效率；k2表示光伏阵列综合效率；其中ha*s由采集到的光伏组件的电压u*电流i来替代；

s32、计算当天已经记录的正常的光伏组件i每次的发电量平均值eavgi；

eavgi＝(ei1+ei2+…+ein)/n

式中，ein表示正常的光伏组件i，一天中第n次记录的发电量；

s33、循环执行s31～s32，每次执行完s32后，将被采集光伏组件的发电量ei与平均值eavgi对比；

s34、当ei超过eavgi的第一预设比例时，且总体出现次数超过一天中记录总次数的第二预设比例时，则标记该光伏组件为二级故障，下次循环判断其他光伏组件是否故障时，剔除该光伏组件相关的数据，并生成故障报表。

在一个实施例中，所述步骤s3中还包括：

s35、对于二级故障的光伏组件，获取其包括的每次太阳能电池组件j的采集温度tj：

s36、计算所述光伏组件i包括的所有太阳能电池组件j的平均温度tavgj；

tavgj＝(tj1+tj2+…+tjm)/m

式中，tjm表示太阳能电池组件j，一天中第m次记录的温度；

s37、循环执行s35～s36，每次执行完s36后，将被采集太阳能电池组件的温度tj与平均值tavgj对比；

s38、当tj高于tavgj的第三预设比例时，且总体出现次数超过一天中记录总次数的第四预设比例时，记录被采集太阳能电池组件的位置信息、所属光伏组件编号，标记所述太阳能电池组件所属的光伏组件为一级故障，加入到所述故障报表中。

在一个实施例中，所述步骤s4包括：

当所述故障报表中存在一级故障的光伏组件时，所述监测中心服务器发送指令给与该太阳能电池组件所属的控制装置；控制所述太阳能电池组件的所属光伏组件的正常工作信号非正常，停止其工作；

并通知光伏组件维护人员针对故障报表去现场查看并处理，并将已处理好的光伏组件标记为正常，工作信号设置为正常。

第二方面，本发明还提供一种光伏阵列的故障检测系统，包括：采集装置、控制装置和监测中心服务器；

所述采集装置，包括多个电流电压传感器和多个温度传感器；多个所述电流电压传感器与光伏阵列所包括的多个光伏组件一一对应连接，用于采集光伏组件的电压和电流；多个温度传感器与所述光伏组件所包括的多个太阳能电池组件一一对应连接，用于采集太阳能电池组件的温度，记录所述太阳能电池组件的位置信息和所属光伏组件编号；

所述控制装置与所述温度传感器及温度传感器均通过rs485接口连接；并将相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器；所述相关的特征数据包括：光伏组件的电压、电流以及太阳能电池组件的温度、位置信息和所属光伏组件编号；

所述监测中心服务器，对所述相关的特征数据进行分析计算，检测对应的光伏组件和/或太阳能电池组件是否处于故障状态；并针对监测到的光伏故障组件开展应急处置工作；

每个所述光伏组件连接一个工作信号组件；所述工作信号组件控制对应的光伏组件是否工作；所述控制装置与多个所述光伏组件的工作信号组件连接。

在一个实施例中，所述监测中心服务器包括：

设置模块，用于分别设置电流电压传感器及温度传感器的工作参数；所述工作参数包括：工作的开始、结束时间以及采集间隔；

监测模块，用于根据当天记录的正常的光伏组件发电值，监测是否有光伏组件故障；以及对应的太阳能电池组件温度非正常时，确定故障等级，生成故障报表；

处理模块，用于根据所述故障报表，发送指令给所述控制装置，通过控制故障光伏组件的工作信号组件，实现停止该光伏组件的工作。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种光伏阵列的故障检测方法，包括：每天定时、间隔预设周期地采集与光伏阵列引起故障情况相关的特征数据；所述相关的特征数据包括：光伏组件的电压、电流以及太阳能电池组件的温度、位置信息和所属光伏组件编号；将所述相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器；所述监测中心服务器对所述相关的特征数据进行分析计算，检测对应的光伏组件和/或太阳能电池组件是否处于故障状态；针对监测到的光伏故障组件开展应急处置工作。该方法可及时发现和分析处理故障，确定发生故障的位置，便于及时处理；防止引起重大事故。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的光伏阵列的故障检测系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的光伏阵列的故障检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1：

参照图1所示，光伏阵列包括多组光伏组件，每一组光伏组件包括多个太阳能电池组件。本发明实施例提供的一种光伏阵列的故障检测系统，包括：采集装置、控制装置和监测中心服务器；

其中，采集装置，包括多个电流电压传感器和多个温度传感器；多个电流电压传感器与光伏阵列所包括的多个光伏组件一一对应连接，用于采集光伏组件的电压和电流；多个温度传感器与光伏组件所包括的多个太阳能电池组件一一对应连接，用于采集太阳能电池组件的温度，每个温度传感器均有自己的唯一身份标识，该唯一身份标识，可包括太阳能电池组件的位置信息和所属光伏组件编号；因此，可实现记录太阳能电池组件的位置信息和所属光伏组件编号；

其中，图1中的采集器a表示电流电压传感器。采集器b表示温度传感器。比如该电流电压传感器选用中创智合的产品，型号为zh-4023a-14d1，工作温度-20℃～+60℃，采用rs485通讯；

该温度传感器，可选用金贝莱的产品，测量温度为-40℃～+80℃，采用rs485通信，可配置位置信息和所属光伏组件编号。

控制装置与温度传感器及温度传感器均通过rs485接口连接，将相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器；该相关的特征数据包括：光伏组件的电压、电流以及太阳能电池组件的温度、位置信息和所属光伏组件编号；

另外，该控制装置为plc控制器，可采用国产三菱的产品，型号fx2n-26mt，支持rs485通信，可定制通信口数量，并且嵌入智安宝的zw2016a无线产品，使它支持无线数据传输功能；每个plc控制器对应一个光伏组件；

参照图1所示，根据plc控制器的功能，将其分为三个控制模块a、b和c。

其中，plc控制器的控制模块a，即与温度传感器及温度传感器通过rs485来连接；plc控制器的控制模块b，即将相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器。plc控制器的控制模块c，即与工作信号组件采用rs485接口连接。

每个光伏组件连接一个工作信号组件；工作信号组件控制对应的光伏组件是否工作；控制装置与多个光伏组件的工作信号组件连接。光伏组件本身不存在开关，只能通过将光伏组件挪离光照或者用布、硬纸板或者完全不透光的材料遮挡，或者把组件正面放置在光滑、平坦的表面上才会使组件停止工作。

比如：在具体实施时，工作信号组件可以由工作信号器、电机及遮挡板组成。工作信号器与电机控制连接，电机的驱动输出轴与遮挡板连接，带动遮挡板的位置移动。

可以在每个光伏组件背面放置耐高温、不反光、不透明的混凝土制作的与光伏组件大小相同的遮挡板，带有电机，通过让电机旋转一定的角度带动遮挡板的运动，来达到遮挡或者显露光伏组件的目的。工作信号器比如为一个小型的plc，可采西门子产品，支持rs485通讯，输出接电机，控制电机的旋转角度。从而实现带动遮挡板对故障光伏组件进行遮挡，即停止光伏组件的工作。

监测中心服务器，对相关的特征数据进行分析计算，检测对应的光伏组件和/或太阳能电池组件是否处于故障状态；并针对监测到的光伏故障组件开展应急处置工作；该监测中心服务器，具有无线通讯能力和计算处理能力。

进一步地，该监测中心服务器包括：

设置模块，用于分别设置电流电压传感器及温度传感器的工作参数；所述工作参数包括：工作的开始、结束时间以及采集间隔；其中，电流电压传感器及温度传感器有自己独立的数据采集开始、结束时间及间隔时长；

监测模块，用于根据当天记录的正常的光伏组件发电值，监测是否有光伏组件故障；以及对应的太阳能电池组件温度非正常时，确定故障等级，生成故障报表；

处理模块，用于根据所述故障报表，发送指令给所述控制装置，实现设置故障的光伏组件的工作信号组件非正常，停止该光伏组件的工作。

本发明提供的一种光伏阵列故障监测系统，该系统在模块方面高聚合，低耦合，利用每个正常的光伏组件当天采集数据迭代求平均发电量来对比当前的发电量，判断光伏组件是否故障，利用采集的温度具体到某一个独立太阳能电池组件，及时通过控制装置使得故障光伏组件断开，防止引起重大事故，同时可安排维护人员快速定位现场检修，解决了相关技术中无法判断光伏组件是否故障以及具体的位置问题。

实施例2：

基于实施例1提供的光伏阵列故障监测系统，本发明还提供了一种光伏阵列故障监测方法，参照图2所示，包括：

s1、每天定时、间隔预设周期地采集与光伏阵列引起故障情况相关的特征数据；所述相关的特征数据包括：光伏组件的电压、电流以及太阳能电池组件的温度、位置信息和所属光伏组件编号；

s2、将所述相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器；

s3、所述监测中心服务器对所述相关的特征数据进行分析计算，检测对应的光伏组件和/或太阳能电池组件是否处于故障状态；

s4、针对监测到的光伏故障组件开展应急处置工作。

本实施例中，步骤s1采集的数据分为两种，电流电压传感器采集光伏组件的电压和电流；温度传感器采集光伏组件所包括的多个太阳能电池组件的温度参数，并记录太阳能电池组件的位置信息和所属的光伏组件编号。上述数据采集需要根据设置的开始和结束时间以及间隔时间来决定。

在步骤s2中，控制装置连接每个光伏组件，用于及时断开有故障的光伏组件，停止其工作，避免它过热损坏或者引起重大事故；控制装置连接采集装置，可以获取采集的特征数据值；且具备无线通讯能力，可以控制采集装置的开始、结束以及采集间隔，也可以把采集到相关的特征数据通过无线方式上传到监测中心服务器。

另外，在步骤s2中，是将当采集到的正常的特征数据通过无线方式上传导监测中心服务器，该正常的特征数据，是指去除当天中标记已经故障的光伏组件，其他正常的光伏组件和太阳电池组件上的特征数据。

其中，步骤s3包括：

s31、计算每次获取光伏组件i的发电量ei：

ei＝ha*s*k1*k2

式中，ha表示倾斜面太阳能总辐照量，单位为kw·h/m²；s表示每个光伏组件面积，单位为m²；k1表示每个光伏组件转换效率，大部分在16％-18％之间；k2表示光伏阵列综合效率，需要考虑逆变器、厂用电、线损耗这些因素；其中ha*s可用每个正常的光伏组件上安装的电流电压传感器采集到的电压u*电流i来替代；

该步骤中，每天从开始采集时间开始，第一次预设设定这些光伏组件都是无故障的；根据每个正常的光伏组件上对应的采集装置，计算每次获取光伏组件i的发电量ei。

s32、计算当天已经记录的正常的光伏组件i每次的发电量平均值eavgi；

eavgi＝(ei1+ei2+…+ein)/n

式中，ein表示正常的光伏组件i，一天中第n次记录的发电量；

s33、循环执行s31～s32，每次执行完s32后，将被采集光伏组件的发电量ei与平均值eavgi对比；

s34、当ei超过eavgi的第一预设比例时，且总体出现次数超过一天中记录总次数的第二预设比例时，则标记该光伏组件为二级故障，下次循环判断其他光伏组件是否故障时，剔除该光伏组件相关的数据，并生成故障报表。

比如：如果ei超过eavgi的120％，且总体出现这样的次数超过一天记录总次数的20％时，则标记该光伏组件为二级故障，下次判断其他组件是否故障时不使用即可。

进一步地，上述步骤s3还包括：

s35、对于二级故障的光伏组件，获取其包括的每次太阳能电池组件j的采集温度tj：通过温度传感器获得各个太阳能电池组件温度tj。

s36、计算所述光伏组件i包括的所有太阳能电池组件j的平均温度tavgj；

tavgj＝(tj1+tj2+…+tjm)/m

式中，tjm表示太阳能电池组件j，一天中第m次记录的温度；

s37、循环执行s35～s36，每次执行完s36后，将被采集太阳能电池组件的温度tj与平均值tavgj对比；

s38、当tj高于tavgj的第三预设比例时，且总体出现次数超过一天中记录总次数的第四预设比例时，记录被采集太阳能电池组件的位置信息、所属光伏组件编号，标记所述太阳能电池组件所属的光伏组件为一级故障，加入到所述故障报表中。

比如：如果在当天采集的所有数据中，有tj高于tavgj的10％的值的情况，并且出现总次数的20％以上，则根据温度传感器上的位置信息、所属光伏组件编号，记录该太阳能组件位置信息，和对应的光伏组件编号，标记该光伏组件为一级故障，加入到故障报表中。

上述步骤s4中，当故障报表中存在一级故障的光伏组件时，监测中心服务器发送指令给与该太阳能电池组件所属的控制装置；控制太阳能电池组件的所属光伏组件的工作信号组件，实现停止故障光伏组件的工作，防止出现更大的事故；

应急处置工作，比如包括：通知光伏组件维护人员针对故障报表去现场查看并处理，优先处理一级故障光伏组件，其次处理二级故障光伏组件，并把已处理好的光伏组件标记为正常，工作信号组件恢复到非遮挡状态。

本发明实施例提供的光伏阵列故障监测方法，可操作性强，有利于光伏电站维护人员针对性的及时开展故障工作，减少维护成本，提高用户满意度，且提高维护效率，可及时发现和分析处理故障，确定发生故障的位置，便于及时处理；防止引起重大事故；促进光伏电站的稳定、可靠、经济运行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。