謝志遠 張子忠 黃怡然 陳文

摘 ?要： 針對分布式光伏電站缺少漏電流無線監(jiān)測設備的實際情況，介紹一種基于NB?IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）無線高精度磁調(diào)制電流傳感器的漏電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由感知層、傳輸層、平臺層和應用層四部分構成。通過對影響磁調(diào)制傳感器精度的定性和定量研究，提出雙磁芯半波激勵方案，優(yōu)化傳感器設計，提高其精度。匯流箱中的電流傳感器采集數(shù)據(jù)信息通過單片機經(jīng)由NB?IoT網(wǎng)絡傳輸至云平臺。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)使用云平臺對分布式光伏電站系統(tǒng)漏電流進行在線實時監(jiān)測和故障定位，且能有效解決分布式光伏電站的漏電監(jiān)測問題。

關鍵詞： 分布式光伏電站; 漏電監(jiān)測; NB?IoT; 傳感器設計; 數(shù)據(jù)采集; 云平臺

中圖分類號： TN99?34; TM933 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0137?05

NB?IoT based electric leakage monitoring system for distributed photovoltaic power station

XIE Zhiyuan， ZHANG Zizhong， HUANG Yiran， CHEN Wen

（School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071000， China）

Abstract： In view of the actual situation that the distributed photovoltaic power stations lack electric leakage monitoring equipments， an electric leakage monitoring system based on high?precision wireless magnetic modulation current sensor of NB?IoT （narrow?band Internet of Things） is introduced. The system consists of perception layer， transport layer， platform layer and application layer. By means of the qualitative and quantitative research on the accuracy of magnetic modulation sensor， a double?core half?wave excitation scheme is proposed for optimizing the sensor design and improving its accuracy. The current sensor in the junction box is applied to collecting the data information which ?will be sent to the cloud platform through the NB?IoT network. The system can realize on?line real?time monitoring and fault location of electric leakage devicesof distributed photovoltaic power stations using cloud platform， and the electric leakage ?monitoring of distributed photovoltaic power stations.

Keywords： magnetic distributed photovoltaic power station;; electric leakage monitoring; NB?IoT; sensor design; data acquisition; cloud platform

0 ?引 ?言

近年來我國光伏發(fā)電市場發(fā)展迅速，光伏組件產(chǎn)量不斷增高。根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2017年，我國光伏新增裝機5 306萬千瓦，同比增長53.6%。其中，分布式光伏新增裝機1 944萬千瓦，同比增長近[1]400%，分布式光伏電站是未來光伏發(fā)電的主要發(fā)展趨勢。

分布式光伏電站主要由太陽能電池板陣列、匯流箱、配電柜以及電站數(shù)據(jù)信息監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。通常把光伏陣列與匯流箱相連，匯流后的電流由電纜連到直流配電柜[2]。由于分布式光伏電站布置分散，設備種類繁多，分布范圍廣，從光伏陣列到并網(wǎng)逆變器，各種布線非常復雜，容易造成線路漏電故障[3]。因此，光伏電站的安全穩(wěn)定運行必需要有漏電監(jiān)測系統(tǒng)來保障。文獻[2]介紹了一種由不同支路電流值結合正負極接地電阻，發(fā)現(xiàn)回路對地故障的方法。文獻[4]介紹了一種光伏電站數(shù)據(jù)由終端經(jīng)DSP處理后，通過GPRS網(wǎng)絡傳到監(jiān)控中心的方法。文獻[5]介紹了一種通過ZigBee，GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)信息傳遞的方法。本文介紹一種基于NB?IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）傳輸?shù)母呔裙夥娬韭╇姳O(jiān)測系統(tǒng)。

1 ?高精度傳感器的研究和優(yōu)化

1.1 ?傳感器原理及仿真

發(fā)電站的漏電流為大電流下的微弱差電流?；魻栯娏鱾鞲衅饕资艽箅娏鞲蓴_，而磁調(diào)制電流傳感器不易受干擾更適合檢測漏電流[6]。對磁調(diào)制電流傳感器二次繞組上的感應電動勢經(jīng)過傅里葉變換和濾波得到二次諧波的信號，對此二次諧波進行一系列信號調(diào)理后可以間接算出漏電流的大小，這就是磁調(diào)制電流傳感器的基本原理[7]。

運用ANSYS基于節(jié)點的矢量位分析方法仿真分析傳感器靈敏度，采用1/4模型建立傳感器有限元模型，用掃略網(wǎng)格劃分提高仿真精度。建立模型后，在GUI模式下確定好磁調(diào)制傳感器參數(shù)設定進行仿真，得到模型如圖1所示。

圖1 ?磁芯有限元模型

在被檢測漏電流大小不變的條件下，電流傳感器感應電動勢越大，靈敏度越高。使用控制變量法，每次改變仿真磁芯的厚度、磁路長度和磁導率，探究影響傳感器靈敏度的因素。

電流在磁芯傳輸時由于存在磁阻會發(fā)生損耗，即磁化現(xiàn)象。這是傳感器存在誤差的一個重要原因。根據(jù)零磁通原理得出電流傳感器的誤差值表示為：

綜合仿真結果以及誤差公式分析，可得以下定性結論：為提高傳感器的靈敏度并減少誤差，可以增大電流磁芯的磁導率、增大磁芯截面積或者縮短磁芯的磁路。

1.2 ?二次繞組感應電動勢物理證明

為了定量探究影響傳感器感應電動勢大小的因素。假設將幅值為[A]，角頻率為[ω]，周期為[T]的方波信號[I（t）]作為勵磁信號。該方波電流滿足Dirichlet條件，由傅里葉級數(shù)展開，此方波信號僅有奇次諧波。感應電動勢仿真結果如圖2所示。

圖2 ?感應電動勢仿真結果

由式（5）可以看出雙磁芯傳感器感應電動勢是單磁芯的兩倍，靈敏度更高[8]。雙磁芯結構可以在一定程度上抑制零點漂移，所以高精度磁調(diào)制傳感器多采用雙磁芯結構。

1.3 ?信號調(diào)理電路的改進優(yōu)化

傳統(tǒng)磁調(diào)制傳感器激勵為方波信號，若使用半波信號作為激勵，得出的波形比方波更加理想，一次諧波即可反映被測電流大小，此時感應電動勢為：

在這種情況下，感應電動勢信號的奇次諧波與偶次諧波都可反映漏電流。半波激勵省去倍頻電路，可以有效降低電路復雜程度和干擾[9]。

信號調(diào)理電路的結構如圖3所示，帶通濾波器由二階巴特沃斯有源高、低通濾波器串聯(lián)構成，用來截取奇次諧波。信號經(jīng)過濾波后幅度小，需要使用高的共模抑制比和高輸入阻抗的儀用放大器對信號放大。由于帶通濾波器改變了信號的相位，檢波信號需要和參考信號有著相同的頻率和相位，所以需要使用微積分電路作為移相器。最后信號經(jīng)過相敏檢波和低通濾波器后輸出[10]。

圖3 ?改進后的信號調(diào)理電路

傳感器輸出電壓不能被直接測量，需要對波形進行整流。整形電路采用遲滯比較器，將不規(guī)則波形變?yōu)榉讲?，由單片機通過定時器和外部中斷測量波形脈沖寬度，通過計算處理得到電流大小，表示為數(shù)字量輸出[4]。這種測量方式比傳統(tǒng)A/D轉換測量方法更簡單，通過電路硬件優(yōu)化提升了傳感器性能。

2 ?系統(tǒng)設計方案

2.1 ?系統(tǒng)整體設計

基于NB?IoT的分布式光伏電站漏電監(jiān)測系統(tǒng)分為四個部分：感知層、傳輸層、平臺層和應用層。感知層由MCU與高精度傳感器等數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成，負責采集電站漏電流和故障定位信息[4?5]。傳輸層應用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，將數(shù)據(jù)傳至云平臺。應用層獲取從云平臺傳來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和處理。系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

2.2 ?感知層設計

如圖5所示，感知層由磁調(diào)制電流傳感器、低功耗 STM32L476單片機、移遠BC?95的NB?IoT模組、移遠低功耗GPS定位模塊L70?R等組成，物聯(lián)網(wǎng)模塊采用電信物聯(lián)網(wǎng)專用10649卡。STM32L476單片機負責實時監(jiān)控電流數(shù)據(jù)，通過NB?IoT將電流數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)由LWM2M+CoAP協(xié)議發(fā)送到云端。

圖4 ?系統(tǒng)結構框圖

圖5 ?感知層結構設計圖

通過向單片機中移植SDK實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該協(xié)議架構包括三部分：上層是基于LWM2M協(xié)議的IPSO資源模型，用于對磁調(diào)制傳感器終端進行屬性標識，中間是基于CoAP的LWM2M協(xié)議，下層是UDP協(xié)議。STM32軟件總流程圖如圖6所示。

圖6 ?數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

2.3 ?平臺層和應用層的設計

平臺層和應用層的設計基于中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET。該平臺擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端設備接入，并且還能夠滿足數(shù)據(jù)安全及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求。其中，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的傳輸層協(xié)議為CoAP，應用層采用LWM2M協(xié)議實現(xiàn)[11?12]。

LWM2M 協(xié)議有三層資源模型：Object，Object Instance，Resource。其中，Object為傳感器類別，Object Instance為傳感器實例，Resource為傳感器測量數(shù)值，每個Resource具有不同的權限和數(shù)據(jù)類型，包括可讀（R）/可寫（W）/可執(zhí)行（E）。遵循IPSO文檔的資源聲明設置傳感器資源模型[13]，如表1所示。

表1 ?LWM2M協(xié)議的資源模型與OneNET的數(shù)據(jù)模型匹配

3 ?實驗及結果

在室溫下，用電流源連接10 A電流的正負線，設置電流源模擬0～100 mA漏電流，用1#～5#五個雙磁芯半波激勵傳感器和作為對照的單磁芯傳統(tǒng)磁調(diào)制傳感器串聯(lián)一起進行實驗，數(shù)據(jù)上傳到云平臺，驗證傳感器的準確度和線性度。實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 ?電流傳感器準確度實驗

實驗結果表明，雙磁芯磁調(diào)制傳感器零漂小，準確度和線性度很高，比傳統(tǒng)單磁芯傳感器性能更好。由于外界電磁干擾和雙磁芯平衡問題，其電流值還存在微小誤差。該傳感器設計已經(jīng)滿足漏電流監(jiān)測的需求。

用該系統(tǒng)對光伏電池陣列做漏電流監(jiān)測實驗來驗證實際應用效果。太陽能電池陣列將太陽能轉化為電能后，以直流形式輸入?yún)R流箱。在匯流箱的正負極輸入端安裝電流傳感器，監(jiān)測每塊太陽能電池板的漏電情況。

監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺，自定義設計應用層數(shù)據(jù)庫、地圖界面，應用界面如圖8所示。通過該系統(tǒng)可以簡單方便地在線監(jiān)測電站漏電流情況。

圖8 ?應用界面設計

如圖8所示，該監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測光伏電站每塊太陽能電池板的漏電情況，如果發(fā)生漏電情況可以及時了解和定位故障信息，確保電站安全穩(wěn)定運行，有一定的應用價值。

4 ?結 ?語

本文介紹一種基于NB?IoT網(wǎng)絡高精度磁調(diào)制電流傳感器的漏電監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)使用云平臺對分布式光伏電站系統(tǒng)漏電流進行在線實時監(jiān)測和故障定位，可以有效解決分布式光伏電站的漏電問題。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，未來基于這種NB?IoT物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)將在光伏電站監(jiān)測領域發(fā)揮越來越重要的作用。

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