王 禹 李旭東

（1. 中國人民大學附屬中學，北京 100082；2. 浙江省教育科學研究院，杭州 310012）

近年來，光伏發(fā)電技術的高速發(fā)展，為人們利用太陽能發(fā)電提供了廣闊的舞臺[1-3]。早先建設的光伏電站基本上以大中型集中式光伏電站為主[2-4]，這類大中型集中式光伏電站有人值班巡檢，有一整套運行維護體系[2-4]。目前，光伏電站日常的運行維護工作包括光伏組件的運維、匯流箱的運維、逆變器的運維、變電設備的運維[5-6]。在光伏板灰塵清理方面，在傳統(tǒng)人工手動清理的基礎上，已經(jīng)出現(xiàn)了光伏板灰塵自動清掃系統(tǒng)。在電氣設備檢測方面，Sunny Portal光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)介紹了相關電站的光伏發(fā)電、消耗與自消耗，通過無線電遙控實現(xiàn)負載的自動化智能控制，具有實時數(shù)據(jù)可視化的特點[7]。但是，這類巡檢運維方式費用昂貴，需要投入大量的人力物力，同時需要由專業(yè)人員來完成，顯然不適合農(nóng)村居民家庭屋頂光伏電站的維護。因此，建立一種簡單易行且低成本的居戶屋頂光伏電站巡檢運維系統(tǒng)并推廣其檢測方法勢在必行[8]。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本巡檢運維系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：

1）光伏板清潔子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)用于隨時對農(nóng)戶屋頂光伏電站的光伏板進行清潔，保證光伏板的發(fā)電效率。

2）信息采集通信子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)用于實時采集光伏電站運行相關數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)，判斷光伏電站的運行狀況，給出故障及異常定位確切信息，同時將信息上傳到4G總控板。

3）監(jiān)控運維中心子系統(tǒng)。每個區(qū)域設置一個監(jiān)控運維中心，每天定期收集各農(nóng)戶設備運行所有相關數(shù)據(jù)，并上傳到監(jiān)控中心，以方便運維工及時解決問題。

本系統(tǒng)研建技術流程如圖1所示。

2 各子系統(tǒng)組成及功能

2.1 光伏板清潔子系統(tǒng)

考慮到農(nóng)村居民經(jīng)濟條件有限且文化水平低，無法操作高科技設備。因此，為了保障農(nóng)戶的經(jīng)濟利益，節(jié)約成本是該子系統(tǒng)設計的最根本原則。故，光伏板清潔裝置各零部件都由成本最低的初級產(chǎn)品構成。

該子系統(tǒng)由微型電動閥、結合固定件（包括加壓水箱、引至屋頂?shù)乃堋⑶逑垂夥寤覊m的帶孔水管）及電源線組成，其電源線與控制主模塊輸出繼電器連接。當控制主模塊通過直流電流及日累計發(fā)電量判斷出是大風沙塵天氣時，及時接通微型電動閥，讓壓力水從噴水孔快速流出，實現(xiàn)對光伏板活灰塵的清洗，保證光伏板的發(fā)電效率。

2.2 信息采集通信子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由一塊采集板構成，用于采集每塊光伏板端電壓、逆變器交流側電壓、電流及計費表脈沖量，通過計算，獲得逆變器效率、電能量以及收益電度量。通過對端電壓數(shù)據(jù)、逆變器與電能計費表之間數(shù)據(jù)比較，可判斷電氣設備的工作狀態(tài)。

該子系統(tǒng)由光伏板檢測模塊、并網(wǎng)逆變器檢測模塊、計費電度表檢測模塊、綜合采集模塊及控制主模塊組成。

1）光伏板檢測模塊

該模塊的功能是對光伏板的一進一出接線端子進行轉接，形成一進兩出接線端子，其中一進一出接線端子依舊采用多塊光伏板之間串接，而另一個出線端子則引至綜合采集模塊的直流電壓回路。

2）并網(wǎng)逆變器檢測模塊

（1）該模塊功能及工作原理

該模塊的功能是對并網(wǎng)逆變器直流側直流電流及交流側電壓電流進行檢測。其工作原理為：①利用開口型霍爾電流互感器串入并網(wǎng)逆變器直流回路，交流開口型電流互感器串入并網(wǎng)逆變器交流側各相回路，而交流側電壓則是直接并接到并網(wǎng)逆變器交流側各相接線端子；②開口型霍爾電流互感器輸出接線引至綜合采集模塊直流電流端子，交流開口型電流互感器輸出接線引至綜合采集模塊交流電流端子，并網(wǎng)逆變器交流側各相接線直接引至綜合采集模塊交流相電壓端子。

（2）并網(wǎng)逆變器異常故障情景模型

假設所有光伏板電壓值和為 Uadd，在各光伏板工作狀態(tài)良好條件下，通過逆變器直流側電壓Uadd，可以判斷天氣狀態(tài)其及白天所處時間段區(qū)位。在不考慮陰、雨、風暴天氣等情況下，并網(wǎng)逆變器直流側電壓和電流有如下關系（見表1）。

表1 正常狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器直流側電壓、電流關系

當電壓電流違背上述關系時，即可判斷逆變器工作異?；蜣D換效率下降；當有電壓而逆變器交流側無電流輸出時，立即可判斷逆變器發(fā)生故障。

3）計費電度表檢測模塊

該模塊主要功能是對計費電度表脈沖輸出端子進行檢測。計費電度表的1kW·h等于3200個脈沖。對計費電度表脈沖輸出端子預處理后，引至控制主模塊輸入回路端子。

4）綜合采集模塊

綜合采集模塊直流電壓電流回路為20組電壓2組電流，其電壓回路范圍可達 50V。交流電壓采用4個端子布列，交流電流采用 6個端子布列；交流電壓回路的第1與第4個端子以及交流電流回路第1個與第 2個端子連接形成了單相電對象應用，而交流電壓4個端子全連接及交流電流6個端子全連接則是三相電對象應用。

5）控制主模塊

控制主模塊為單片機或嵌入式控制器，其與綜合采集模塊連接?？刂浦髂K開關量輸入回路與計費電度表檢測模塊脈沖接口連接，控制主模塊開關量輸出回路與光伏板清潔子系統(tǒng)的微型電動閥電源線連接，控制主模塊通信回路向監(jiān)控運維中心上傳數(shù)據(jù)。該模塊通過運行指定工作流程，實現(xiàn)居戶屋頂光伏電站各電氣設備的檢測與評估。

2.3 監(jiān)控運維中心子系統(tǒng)

每個區(qū)域設置一個監(jiān)控運維中心，每天定期收集各農(nóng)戶設備運行所有相關數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控運維中心存儲了運維工的相關信息，當檢測出居民屋頂光伏電站故障或異常時，監(jiān)控運維中心自動推送居民屋頂位置、故障異常類型等信息給運維工，以方便運維工開展具體的運維工作。

3 居戶屋頂光伏電站檢測流程

1）光伏板設備檢測工作流程

（1）計算各光伏板電壓Ui。

（2）計算所有光伏板的平均電壓Umean。

（3）建立正常光伏板電壓變化曲線模型，其規(guī)律為：日出后電壓上升，然后上升至峰值電壓，15∶00—16∶00電壓會下降到峰值電壓以下，日落后電壓下降比較快但不會到降零。

（4）判斷 Ui?Umean是否接近于 0，如偏差超過法限值，則置異常標志。

（5）如果電壓Ui不符合電壓變化曲線模型，可判斷該光伏板工作異常。

2）并網(wǎng)逆變器設備檢測工作流程

（1）計算所有光伏板電壓值之和Uadd。

（2）建立光伏板狀態(tài)良好條件下總電壓與電流對照表（見表1）。

（3）當總電壓電流違背上述總電壓與電流對照表時，即可判斷并網(wǎng)逆變器工作異常。

3）計費電度表設備檢測工作流程

（1）檢查光伏板設備及并網(wǎng)逆變器設備，讓設備處于完好狀態(tài)。

（2）計算并網(wǎng)逆變器交流側功率，每秒采集一次并累加，每小時形成電量P1。

（3）計算計費電度表輸出脈沖數(shù)積累后轉換為電量P2。

（4）比較兩個電量數(shù)值P1、P2，并求差，當偏差超過限值時，可判定計費電度表異常。

本巡檢運維系統(tǒng)光伏電站檢測流程如圖2所示。

圖2 居戶屋頂光伏電站檢測流程

4 結論

本運維巡檢系統(tǒng)提供了一種簡便易行的農(nóng)村居戶屋頂光伏電站檢測技術方法，該系統(tǒng)的建立，將徹底改變農(nóng)村光伏電站重建設輕運行維護的弊端，從而保障困難農(nóng)戶的利益，為國家扶貧政策保駕護航。

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

1）光伏板清掃利用了壓力水，設備簡單，成本低。

2）綜合采集模塊集中了全部電氣設備的檢查回路，通過控制主模塊上傳異常信號，區(qū)域專業(yè)人員可及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，對實現(xiàn)居戶屋頂光伏電站高效、快捷、經(jīng)濟運行維護具有一定的應用價值。

該系統(tǒng)中，“利用壓力水清掃光伏板、采集光伏板端電壓、比較逆變器與計費表之差”等關鍵技術是本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處，該技術已獲國家專利。

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