王康民 李彥榮 張 蝶 蘇曼婷

（山西能源學(xué)院）

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可用性是確保其高效發(fā)電的關(guān)鍵要素。然而，由于外部環(huán)境條件（如氣候變化、污染物等）以及內(nèi)部設(shè)備故障等原因，光伏電站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，導(dǎo)致發(fā)電量下降和系統(tǒng)效率降低。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)效率，研究人員和工程師們開始探索基于關(guān)聯(lián)集和可用度的維護(hù)策略。本研究旨在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)策略進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)聯(lián)集和可用度的應(yīng)用。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，主要由光伏方陣、蓄電池、逆變器和太?yáng)光跟蹤系統(tǒng)等組成。光伏方陣?yán)霉夥０宀蹲焦饽苄盘?hào)，并通過(guò)光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能［1-2］。蓄電池用于儲(chǔ)存和釋放電荷，形成電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)光能的轉(zhuǎn)換。為了保護(hù)蓄電池并延長(zhǎng)其使用壽命，控制器會(huì)對(duì)充放電環(huán)節(jié)進(jìn)行管理。逆變器則負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。通常采用正弦逆變器，雖然成本較高，但應(yīng)用廣泛［3］。通過(guò)這些組件的協(xié)同作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠高效地將光能轉(zhuǎn)化為電能，為可再生能源的利用做出貢獻(xiàn)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

圖 光伏發(fā)電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)可用度評(píng)估方法

2.1 可用度的概念和定義

可用度是評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和有效性的一個(gè)指標(biāo)。它衡量了系統(tǒng)在特定時(shí)間內(nèi)正常、可操作的能力。可用度通常以百分比形式表示。

具體而言，可用度可以定義為系統(tǒng)處于可操作狀態(tài)的時(shí)間與總時(shí)間之比?？捎枚确从沉讼到y(tǒng)運(yùn)行期間無(wú)故障或停機(jī)的程度，越高表示系統(tǒng)越穩(wěn)定和可靠?？捎枚鹊亩x可以根據(jù)具體情況而有所差異，但一般來(lái)說(shuō)，可用度可以按照以下方式計(jì)算：

其中，可運(yùn)行時(shí)間是指系統(tǒng)在給定時(shí)間段內(nèi)正常工作的時(shí)間，不考慮計(jì)劃維護(hù)或其他非故障因素引起的停機(jī)時(shí)間?？倳r(shí)間是指給定時(shí)間段的總時(shí)長(zhǎng)。

2.2 基于關(guān)聯(lián)集的可用度評(píng)估方法

在系統(tǒng)可用性評(píng)估中，基于關(guān)聯(lián)集的可用度評(píng)估方法是一種獨(dú)特的方法。關(guān)聯(lián)集是指在一個(gè)系統(tǒng)中，能夠共同工作以完成某項(xiàng)任務(wù)的組件或元素的集合。這種方法的核心思想是通過(guò)評(píng)估每個(gè)關(guān)聯(lián)集的可用性來(lái)推斷整個(gè)系統(tǒng)的可用性。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它可以提供一個(gè)具體的、針對(duì)特定系統(tǒng)的可用性評(píng)估。然而，它也有一些局限性，包括需要精確定義和理解系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)集，以及需要有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估每個(gè)關(guān)聯(lián)集的可用性。在進(jìn)行預(yù)測(cè)之前，需要收集充分的歷史數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和處理，包括去除異常值、缺失值的處理以及數(shù)據(jù)的平滑等。然后，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)方法，并利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和參數(shù)調(diào)整。最后，使用訓(xùn)練好的模型對(duì)未來(lái)的可用度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)常見故障類型

3.1 光伏組件故障

光伏發(fā)電系統(tǒng)常見故障類型包括光伏組件故障、逆變器故障、電網(wǎng)連接故障等。有關(guān)光伏組件故障進(jìn)行詳細(xì)描述見表1。

表1 光伏組件故障類型

需要注意的是，以上故障類型是常見的光伏組件故障情況，但具體故障情況會(huì)受到多種因素的影響，如光伏組件品質(zhì)、安裝質(zhì)量、環(huán)境條件等。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，定期巡檢、維護(hù)和及時(shí)處理故障是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 逆變器故障

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器故障是比較常見的問(wèn)題。一些光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器可能出現(xiàn)的故障類型見表2。

表2 逆變器故障類型

如果不能解決故障，可以聯(lián)系逆變器供應(yīng)商或電力系統(tǒng)專業(yè)人員進(jìn)行進(jìn)一步的排查和修復(fù)。定期檢查和維護(hù)逆變器，確保其正常運(yùn)行對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

3.3 電網(wǎng)連接故障

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中電網(wǎng)連接故障作為比較常見的問(wèn)題，有關(guān)光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見的電網(wǎng)連接故障類型見表3。

表3 電網(wǎng)連接故障類型

如果問(wèn)題無(wú)法解決，可以聯(lián)系電網(wǎng)供應(yīng)商或光伏發(fā)電系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步的排查和修復(fù)。確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，對(duì)于發(fā)揮其最佳性能和安全運(yùn)行至關(guān)重要。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)預(yù)測(cè)維護(hù)方法

4.1 基于可用度和故障歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)維護(hù)模型

基于可用度和故障歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)維護(hù)模型是一種使用過(guò)去的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)故障和維護(hù)需求的方法。以下是一種常見的基于可用度和故障歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)維護(hù)模型：

（1）數(shù)據(jù)收集：收集光伏發(fā)電系統(tǒng)的可用度數(shù)據(jù)和故障歷史數(shù)據(jù)。可用度數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、故障時(shí)間等信息。故障歷史數(shù)據(jù)包括故障類型、故障發(fā)生時(shí)間、故障修復(fù)時(shí)間等信息。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和處理，去除異常值，填充缺失值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化處理，以便后續(xù)的分析和建模。

（3）特征工程：從數(shù)據(jù)中提取有意義的特征，可以包括以下幾個(gè)方面：

①可用度特征：計(jì)算系統(tǒng)的平均可用度、停機(jī)時(shí)間、故障時(shí)間等指標(biāo)。

②故障特征：統(tǒng)計(jì)不同類型的故障頻率、持續(xù)時(shí)間、修復(fù)時(shí)間等指標(biāo)。

③時(shí)間特征：考慮季節(jié)性、周期性等與故障相關(guān)的時(shí)間因素。

（4）模型選擇和訓(xùn)練：選擇適合的預(yù)測(cè)模型，如回歸模型、時(shí)間序列模型或機(jī)器學(xué)習(xí)方法（如決策樹、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林等），并使用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練。

（5）模型評(píng)估：使用測(cè)試數(shù)據(jù)集對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估模型的性能和準(zhǔn)確度。可以使用指標(biāo)如均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）等來(lái)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)效果。

（6）故障預(yù)測(cè)和維護(hù)計(jì)劃：利用訓(xùn)練好的模型對(duì)未來(lái)的可用度和故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，制定相應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃，包括定期檢修、更換可能存在問(wèn)題的組件或系統(tǒng)部件，并合理安排人力資源和維修設(shè)備。

4.2 預(yù)測(cè)維護(hù)決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)測(cè)維護(hù)決策支持系統(tǒng)旨在提供智能化的決策支持和優(yōu)化方案，以下是一個(gè)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)維護(hù)決策支持系統(tǒng)的框架：

（1）數(shù)據(jù)采集與清洗：系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)或定期收集光伏發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括故障歷史、運(yùn)行狀態(tài)、維護(hù)記錄等。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、去噪和處理，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

（2）特征工程與數(shù)據(jù)處理：基于采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維等操作，構(gòu)建與維護(hù)相關(guān)的特征集合。這些特征可以包括故障次數(shù)、維護(hù)周期、環(huán)境條件等。

（3）預(yù)測(cè)模型建立：選擇合適的機(jī)器學(xué)習(xí)或統(tǒng)計(jì)模型，如回歸模型、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，用于建立預(yù)測(cè)模型。通過(guò)訓(xùn)練這些模型，使其能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)的維護(hù)需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（4）維護(hù)優(yōu)化決策：基于預(yù)測(cè)模型的結(jié)果和實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)該能夠生成維護(hù)優(yōu)化方案。例如，通過(guò)計(jì)算最佳的維護(hù)時(shí)間、資源分配方案和維護(hù)策略，最大程度地提高系統(tǒng)的可用性和維護(hù)效率。

（5）可視化與報(bào)告：系統(tǒng)應(yīng)該提供直觀且易于理解的可視化界面，以展示預(yù)測(cè)結(jié)果、維護(hù)計(jì)劃和優(yōu)化方案。同時(shí)，生成詳盡的報(bào)告，包括維護(hù)歷史、故障統(tǒng)計(jì)和性能分析，幫助用戶進(jìn)行決策和評(píng)估。

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整：系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)情況，當(dāng)出現(xiàn)異?；蜃兓瘯r(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)整預(yù)測(cè)模型和維護(hù)優(yōu)化方案，以保證決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（7）安全性和隱私保護(hù)：系統(tǒng)需具備嚴(yán)格的權(quán)限控制和安全機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。同時(shí)，遵守相關(guān)法律法規(guī)，保障用戶權(quán)益和合規(guī)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于關(guān)聯(lián)集和可用度的光伏發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)研究，得出以下結(jié)論。首先，關(guān)聯(lián)集分析能夠幫助我們了解光伏發(fā)電系統(tǒng)中不同故障和維護(hù)事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)和維護(hù)措施的提前采取。其次，可用度分析對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)性能和健康狀況至關(guān)重要，并且能夠幫助我們制定出針對(duì)性的維護(hù)策略。最后，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策能夠提供科學(xué)準(zhǔn)確的維護(hù)決策，幫助提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。