摘 要： 光伏電站是由一系列光伏電池組件通過串并聯(lián)而組成的，不管是小型分布式電站還是具有一定規(guī)模的較大型光伏電站，光伏電池組件在運(yùn)行過程中部分組件難免會出現(xiàn)一些故障，這些出現(xiàn)故障的組件在什么位置是運(yùn)行管理員十分關(guān)注的問題，也是希望得到解決的問題。針對此問題，該文提出了一種基于WSN的光伏電池組件故障靜態(tài)定位法。該方法是利用安裝在光伏電池組件中的信號采集節(jié)點(diǎn)RFD采集光伏組件的電壓、電流和溫度值，同時(shí)定義該光伏電池組件的地址和方位，將這些數(shù)據(jù)傳至管理軟件，通過數(shù)據(jù)處理后顯示出該光伏電池組件工作狀態(tài)和位置，當(dāng)組件出現(xiàn)故障時(shí)，立刻就能在屏幕上顯示出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法查找故障光伏電池組件位置快速有效。

關(guān)鍵詞： WSN； 電池組件； 故障定位； 故障靜態(tài)定位法

中圖分類號： TN60?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0135?03

Research on WSN?based fault location of photovoltaic cell modules

TAN Jianjun， SUN Xianbo， HUANG Yong， YI Jinqiao， HU Tao， RAO Fang

（College of Information Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China）

Abstract： It is inevitable for some of the photovoltaic cell modules in any photovoltaic power station to appear failures in their running process. The location of these faulted modules is the problem focused by the operation manager， and expected to be solved. Due to this problem， a WSN?based static positioning method of photovoltaic cell module failure is proposed， which uses the signal sampling node RFD installed in the photovoltaic cell modules to collect the voltage， current and temperature of photovoltaic modules. The address and position of the photovoltaic cell modules are defined. These data are transmitted to the management software， and then processed to show the working status and position of the photovoltaic cell module. The location of the module can be immediately displayed on the screen when the module occurs fault. The experimental results show that the method is fast and efficient to find the location of the fault photovoltaic cell module.

Keywords： WSN； photovoltaic cell module； fault positioning； fault static positioning method

0 引 言

光伏電站都是由一系列光伏電池組件通過串并聯(lián)而組成的，無論是規(guī)模較小的分布式電站還是規(guī)模較大的集成式電站，其光伏電池組件數(shù)量少則幾個十幾個，多則幾千個上萬個，尤其較大型的電站，電池組件數(shù)量比較多，安裝規(guī)模較大，占地寬闊。這些大大小小的光伏電站在工作時(shí)都是無法直接觀察到光伏電池組件的工作狀態(tài)的。然而無論光伏電站的大小，光伏組件的多少，光伏電池陣列在運(yùn)行過程中一部分難免會出現(xiàn)故障，如樹葉遮擋、電池組件破裂、引線斷裂等導(dǎo)致電池板不發(fā)電。此時(shí)在眾多的光伏電池組件中尋找故障電池組件的位置就是一件很困難的事情；因此快速定位故障光伏電池組件就顯得非常重要，目前大多數(shù)已建成的光伏電站其電池組件出現(xiàn)故障都不能顯示故障狀況，即使知道，查找定位也很困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳。

本文基于WSN技術(shù)[1?2]，利用安裝在電池組件上的RFD實(shí)時(shí)采集該電池組件的工作電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)，同時(shí)在該RFD中定義電池組件的地址和方位，這些采集和定義得到的數(shù)據(jù)將通過WSN形成的無線網(wǎng)絡(luò)快速傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞給管理軟件系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)處理后在計(jì)算機(jī)屏幕或手機(jī)屏幕上清晰顯示出光伏電池組件的發(fā)電情況和位置。實(shí)驗(yàn)證明，該方法定位故障電池組件效果較好。

光伏電站W(wǎng)SN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 WSN組網(wǎng)辦法

WSN在光伏電站中的應(yīng)用有它的特殊性：

（1） 太陽能光伏電站結(jié)構(gòu)特殊，太陽能光伏電站所用光伏電池組件多用金屬支架支撐，較大規(guī)模的電站，其支架結(jié)構(gòu)就顯得較為復(fù)雜，很顯然，WSN網(wǎng)絡(luò)在這種環(huán)境里通信會明顯受影響；

（2） 電池組件安裝密集，組件之間的距離一般很小，這就決定了RFD節(jié)點(diǎn)安裝比較密集；

（3） 光伏電池工作過程中電能波動較大，當(dāng)光線不足時(shí)，光伏電池幾乎沒有電能輸出，而依靠光伏電池供電的RFD節(jié)點(diǎn)將不可能長期穩(wěn)定工作。

這些特殊的問題決定了WSN組網(wǎng)也具有特殊性，最突出的問題就是如何穩(wěn)定地建立通信網(wǎng)絡(luò)，也就是組網(wǎng)的問題，一般而言，WSN組網(wǎng)要求工作電壓穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)分布均勻且保持一定距離，特別是帶有路由器的網(wǎng)絡(luò)，工作時(shí)一般不允許路由器和協(xié)調(diào)器掉電，也不允許路由器周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)超過路由器最大地址管理范圍，否則會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)崩潰無法恢復(fù)的嚴(yán)重問題。顯然，光伏電池供電的WSN網(wǎng)絡(luò)恰恰就是面對這樣的問題，電壓不穩(wěn)、節(jié)點(diǎn)密集。鑒于這樣一種情況，用于光伏電站的WSN網(wǎng)絡(luò)采用了固化協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)配置、非固化路由器以及RFD節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置、且保證協(xié)調(diào)器和路由器供電相對穩(wěn)定，并增加路由器遠(yuǎn)程復(fù)位功能，這些技術(shù)措施的應(yīng)用保證了光伏電站W(wǎng)SN網(wǎng)絡(luò)可靠且穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 靜態(tài)定位設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

安裝于光伏電池組件上的RFD節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。由于RFD節(jié)點(diǎn)是固定在光伏電池組件上的，且工作在室外；一是要面臨溫差變化大、結(jié)露、潮濕等環(huán)境問題，二是要解決好供電穩(wěn)定問題。因此，電路板設(shè)計(jì)和元器件選擇都要求較高，一般得按照汽車級電子設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)，在供電電路設(shè)計(jì)上要考慮低諧波、低輻射和較寬的電壓調(diào)整范圍。綜合考慮這些因素，穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)采用兩級穩(wěn)壓設(shè)計(jì)：一級為脈沖式穩(wěn)壓電路；一級為模擬式穩(wěn)壓電路，電路圖如圖2所示。

從圖2可以看出，供電電路主要由無線單片機(jī)CC2430、光電耦合器、VMOS開關(guān)管、電阻R1，R2構(gòu)成的電壓取樣電路、電阻R3和電容C1組成的延時(shí)電路、3.3 V穩(wěn)壓模塊等組成。由太陽能電池相關(guān)資料并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一個額定輸出電壓為24 V的太陽能電池，輸出電壓與太陽輻照能量緊密相關(guān)，最低時(shí)可接近0 V輸出，最高時(shí)[4?5]可超過24 V。若將多組電池串聯(lián)，則電池組總輸出電壓的變化之大就可想而知。AMS1117穩(wěn)壓模塊的最大輸入電壓只有15 V，不能承受15 V以上太陽能電池的直接饋電。為了確保電路工作安全正常，在本電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用VMOS管T1來調(diào)節(jié)過高的直流電壓，保證AMS1117穩(wěn)壓模塊的輸入電壓能在允許的范圍內(nèi)變化，確保AMS1117穩(wěn)壓模塊的工作安全可靠。本電路系統(tǒng)高效工作的關(guān)鍵就在于VMOS管T1必須工作于開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)盡可能降低AMS1117穩(wěn)壓模塊的輸入電壓，以降低整個電源電路的直流功耗，提高電路工作效率，降低電路的發(fā)熱。由圖2可以看出，太陽能電池輸出電壓由電阻R1和電阻R2構(gòu)成的分壓電路取樣并由CC2430的A/D通道采集變換[6]，在CC2430中通過軟件產(chǎn)生PWM波并由CC2430的P0.4輸出，可以直接驅(qū)動VMOS管T1，也可以直接驅(qū)動光藕器件，由于電路中VMOS管T1三個電極的工作電壓均超過了CC2430的安全工作電壓，因此，CC2430的P0.4端口不能直接連接到VMOS管T1的柵極上，而是通過了一個光藕隔離，PWM波通過光藕直接驅(qū)動VMOS管T1工作，當(dāng)太陽能電池輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，通過PWM波占空比變化使VMOS管T1調(diào)節(jié)輸入電壓，保證AMS1117的輸入直流電壓在允許的范圍內(nèi)。本電路設(shè)計(jì)中，RC延時(shí)電路的設(shè)計(jì)也很重要，其是為了防止電路系統(tǒng)突然供電時(shí)，因CC2430初始化需要時(shí)間，不能馬上輸出PWM波，有可能導(dǎo)致AMS1117穩(wěn)壓模塊的輸入端承受過高直流電壓而帶來危險(xiǎn)。同時(shí)，電路設(shè)計(jì)中還考慮到了CC2430芯片單獨(dú)復(fù)位時(shí)帶來的危險(xiǎn)因素，那就是RC延時(shí)電路和CC2430芯片復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)聯(lián)動?？紤]到CC2430芯片故障時(shí)不至于造成更大的損失，在電源電路的輸入端還加裝了保險(xiǎn)絲。通過這一系列的設(shè)計(jì)考慮，確保了本設(shè)計(jì)的安全可靠。

2.2 靜態(tài)定位的軟件設(shè)計(jì)

由于每一個RFD節(jié)點(diǎn)都是固定在對應(yīng)的光伏電池組件上的，這些光伏電池組件拼裝成電站時(shí)，每一個組件的空間位置也就確定下來，也就是說每一個RFD節(jié)點(diǎn)的位置就確定了，因此，在每一個RFD節(jié)點(diǎn)中要有一個固定不變的地址，這個地址可以代表該RFD節(jié)點(diǎn)的位置，毫無疑問，這個固定不變的地址就是RFD中的MAC地址，它可以做到惟一性。

這些帶有惟一地址的光伏電池組件在拼裝成電站時(shí)，可以任意安裝，這就意味著電站的光伏電池組件陣列地址是可能沒有順序的，為了確定已經(jīng)安裝好的光伏電池組件的具體位置。本文中采用了二維碼掃描定位技術(shù)，將已經(jīng)安裝好的光伏電池組件陣列按照一定順序掃描入庫，此時(shí)，光伏電池組件安裝位置和該組件的地址完全對應(yīng)，為了直觀顯示故障光伏電池組件的位置，在管理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了光伏電池位置可視化圖示功能模塊。當(dāng)光伏電池組件陣列中某個組件出現(xiàn)故障，就可以在顯示終端屏幕上實(shí)時(shí)顯示故障組件及位置，靜態(tài)定位軟件程序流程圖如圖3所示，其運(yùn)行效果如圖4所示。

3 結(jié) 語

本文就基于WSN的光伏電池組件陣列靜態(tài)定位問題進(jìn)行了近兩年的研究和實(shí)驗(yàn)。期間不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案，安裝實(shí)驗(yàn)電站，觀測電站的運(yùn)行，其相關(guān)技術(shù)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可以滿足大規(guī)模應(yīng)用；同時(shí)也注意到了由于RFD節(jié)點(diǎn)電路板成本還比較高，對在電站的大規(guī)模應(yīng)用中推廣還會面臨一定困難，但隨著RFD主要芯片價(jià)格的降低，這個問題也會逐步得到解決。

參考文獻(xiàn)

[1] SONG W， WANG B， ZHOU Y B. Technology and application of wireless sensor network [M]. Beijing： Electronics Industrial Publisher， 2007.

[2] 丁宏毅，李鷗，張效義.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：255?272.

[3] 譚建軍.基于光伏電池組件的ZigBee芯片供電電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）：163?165.

[4] NICULESCU D， NATH B. Ad Hoc positioning system （APS） using AOA [C]// Proceedings of 2003 22th Annual Joint Conference of IEEE Computer and Communications Societies. [S.l.]： IEEE， 2003： 1734?1743.

[5] BULUSU N， HEIDEMANN J， ESTRIN D. GPS?less low?cost outdoor localization for very small devices [J]. IEEE personal communications， 2000， 7（5）： 28?34.

[6] BAHL P， PADMANABHAN V N. RADAR： an in building RF?based user location and tracking system [C]// Proceedings of 2000 19th Annual Joint Conference of IEEE Computer and Communications Societies. Tel Aviv： IEEE， 2000： 775?784.

[7] SUN L M， LI J Z. Wireless sensor network [M]. Beijing： Tsinghua University Publisher， 2005.

[8] NAGPAL R， SHROBE H， BACHRACH J. Organizing a global coordinate system from local information on an Ad Hoc sensor networks [C]// Proceedings of 2003 Second International Workshop. Palo Alto： Springer， 2003： 333?348.

[9] DOHERTY L， PISTER K S， GHAOUI L. Convex position estimation in wireless sensor networks [C]// Proceedings of 2001 12th Annual Joint Conference of IEEE Computer and Communications Societies. Anchorage： IEEE， 2001： 1655?1663.

[10] HE T， HUANG C H D， METALB B. Range free localization schemes in large scale sensor networks [C]// Proceedings of 2003 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. New York： ACM， 2003： 81?95.

[11] SIMIC S N， SASTRY S. Distributed localization in wireless Ad Hoc networks [R]. Berkeley： University of California， 2001.

[12] SAVARESE C， RABAEY J. Robust positioning algorithms for distributed Ad Hoc wireless sensor networks [R]. Delft： Delft University of Technology， 2001.

[13] 尚志軍，曾鵬，于海斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2004，31（10）：35?38.