周盛龍 常夢(mèng)星 楊鶴松 張曉萱 李紹庚

（華能新能源股份有限公司云南分公司）

0 引言

光伏電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)已成為能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，光伏發(fā)電在電力行業(yè)中的地位日益凸顯。然而，光伏電站的運(yùn)行過程中仍存在諸多問題，如設(shè)備故障、效率低下等，其設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境也直接影響到電站的效率和穩(wěn)定性［1-2］。所以對(duì)光伏電站進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及故障診斷成為了保證其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)的定期檢查和維修方式往往無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障，從而給電站的運(yùn)營(yíng)帶來不利影響。因此，采用在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)對(duì)光伏電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷顯得尤為重要［3］。本文將探討光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在為提高光伏電站的運(yùn)營(yíng)效率和穩(wěn)定性提供技術(shù)支持和參考。

1 光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)需要的設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器、攝像頭和通信模塊等。

數(shù)據(jù)采集器：選擇杭州習(xí)知科技有限公司的XZDSC-1型數(shù)據(jù)采集器，該設(shè)備能夠采集光伏電站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心或移動(dòng)設(shè)備上［4］。設(shè)備參數(shù)設(shè)置包括數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)傳輸速率等。

傳感器：選擇北京恒星時(shí)育科技有限公司的HXTS-1型溫度傳感器和HX-HS-1型濕度傳感器，分別用于監(jiān)測(cè)電池板的溫度和環(huán)境濕度。設(shè)備參數(shù)設(shè)置包括測(cè)量范圍、精度等，需要根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)定。

攝像頭：選擇大華股份的DH-CVTF16型網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用于拍攝和記錄光伏電站的現(xiàn)場(chǎng)情況。設(shè)備參數(shù)設(shè)置包括分辨率、幀率等。

通信模塊：選擇華為的ME909s-256型LTE通信模塊，該模塊能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)和視頻信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心或移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理［5］。設(shè)備參數(shù)設(shè)置包括通信速率、傳輸距離等。

這些設(shè)備在光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的作用。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)收集和分析數(shù)據(jù)，傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，攝像頭拍攝和記錄現(xiàn)場(chǎng)情況，通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控［6］。通過對(duì)這些設(shè)備的合理選擇和參數(shù)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的全面監(jiān)測(cè)和管理，提高電站的運(yùn)行效率和安全性。

2 光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在確定硬件設(shè)備后，進(jìn)行光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 預(yù)處理光伏發(fā)電工作數(shù)據(jù)

對(duì)逆變器及傳感設(shè)備進(jìn)行通信數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集的數(shù)據(jù)是未經(jīng)任何加工的原始信號(hào)，這些信號(hào)包括電流信號(hào)，電壓信號(hào)，溫度信號(hào)，輻照度信號(hào)，風(fēng)速及風(fēng)向信號(hào)。因此，在采集到原始數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是去除無關(guān)數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，在收集到的數(shù)據(jù)中，有時(shí)會(huì)存在缺失值，需要對(duì)缺失值進(jìn)行填充。而在處理異常值時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行修正異常值或刪除含有異常值的數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)在數(shù)據(jù)集中，有時(shí)會(huì)存在重復(fù)的數(shù)據(jù)記錄。本文根據(jù)固定時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)選擇刪除重復(fù)值或合并重復(fù)值。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此時(shí)得到了更加準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)集。但在光伏電站中，傳感器器件還會(huì)受到環(huán)境的影響，采集到的發(fā)電數(shù)據(jù)中含有大量的近似高斯白噪聲，因此本文需要選用低通高斯濾波器對(duì)光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除原始發(fā)電功率信號(hào)中的隨機(jī)噪聲干擾，具體表達(dá)式如（1）所示。

式中，Qgf為濾波后的光伏發(fā)電功率信號(hào)，Wx為以x為中心，大小為M（M為奇數(shù)）的領(lǐng)域，i為該領(lǐng)域內(nèi)的采樣間隔步數(shù)，Wd為高斯濾波器的加權(quán)系數(shù)，O為原始光伏發(fā)電功率信號(hào)。

通過上述步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電工作數(shù)據(jù)的處理，為后續(xù)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷提供有力的支持。

2.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算分析在線監(jiān)測(cè)模塊

通過對(duì)工作數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到有關(guān)光伏電站的理想數(shù)據(jù)。此時(shí)按照輸出項(xiàng)的需求，還需對(duì)光電器件的照度、溫度、光伏陣列的輸出電壓和電流以及逆變器輸出的功率進(jìn)行歸類和計(jì)算。

（1）光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率：

式中，Pаrrеy為光伏陣列的實(shí)時(shí)發(fā)電量；PT1為光伏陣列的理論發(fā)電量，在理論發(fā)電量公式中，是光伏方陣測(cè)試時(shí)間間隔（Δt）內(nèi)，基準(zhǔn)狀態(tài)下實(shí)際有效發(fā)電時(shí)間。

光伏組件由于受到輻照度和溫度的影響，在實(shí)際計(jì)算理論發(fā)電量的時(shí)候，應(yīng)對(duì)輻照度和溫度因素進(jìn)行修正。光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率可以根據(jù)Δt的不同設(shè)置，分別得到：

實(shí)時(shí)發(fā)電效率：Δt＝最小取樣周期；日發(fā)電效率：Δt＝每天累計(jì)發(fā)電時(shí)間；月發(fā)電效率：Δt＝每月累計(jì)發(fā)電時(shí)間。

（2）逆變器轉(zhuǎn)換效率

在給定的測(cè)試期間TM內(nèi)，逆變器AC端所輸出的功率和其直流側(cè)的功率之比。

式中，PAC(t)為逆變器的逆變電源在AC端口的瞬時(shí)輸出功率；PDC(t)為逆變器在直流端的瞬時(shí)輸入功率。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，對(duì)逆變器的加權(quán)效率進(jìn)行了權(quán)重劃分。

根據(jù)上述表達(dá)式以及現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)。通過整合數(shù)據(jù)內(nèi)容，結(jié)合電站規(guī)定指標(biāo)，將輸出的各項(xiàng)指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，實(shí)現(xiàn)光伏電站的在線監(jiān)測(cè)。

2.3 建立故障診斷模型

當(dāng)監(jiān)測(cè)到電站存在故障后，為維護(hù)光伏電站運(yùn)行狀態(tài)，需要進(jìn)一步判斷故障類型。影響光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行的故障包括通信故障、設(shè)備故障和限電故障，針對(duì)這三類故障，本文建立了一種基于實(shí)際發(fā)電功率信號(hào)分析的故障診斷模型，模型表述如下。首先為了分析故障頻域特征，對(duì)實(shí)際功率信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換處理。

式中，P[m]是離散傅里葉變換結(jié)果分量，N為采樣點(diǎn)數(shù)，m為頻率間隔步數(shù)，n為時(shí)域采樣步數(shù)。離散傅里葉變換結(jié)果中，m取0時(shí)，頻率分量為逆變器實(shí)際功率數(shù)據(jù)的低頻分量；m取N/2時(shí)，頻率分量為逆變器實(shí)際功率數(shù)據(jù)的高頻分量。利用帕塞瓦爾定理對(duì)低頻振幅和高頻振幅進(jìn)行歸一化，從而消除時(shí)域幅值的影響。歸一化的低高頻振幅如下所示：

式中，L(P)為歸一化的信號(hào)低頻振幅，P[0]|是逆變器實(shí)際功率數(shù)據(jù)的低頻振幅；H(P)為歸一化的信號(hào)高頻振幅，為逆變器實(shí)際功率數(shù)據(jù)的高頻振幅。結(jié)合歸一化的高低頻振幅及各類型故障的頻域特征，得出：

表1 故障分類規(guī)則庫

依據(jù)表1的分類規(guī)則庫，區(qū)分故障類型特征，實(shí)現(xiàn)故障診斷模型的建立。

2.4 設(shè)定診斷參數(shù)實(shí)現(xiàn)故障診斷

根據(jù)所選的診斷模型，在充分考慮本地氣象條件的情況下，設(shè)定相應(yīng)的模型參數(shù)。首先設(shè)定輸出電流參數(shù)，具體表達(dá)式如（7）所示：

式中，Iout表示根據(jù)天氣預(yù)報(bào)推算出的輸出電流；I表示當(dāng)前電流數(shù)據(jù)；T2表示利用天氣預(yù)報(bào)資料推測(cè)的下一溫度點(diǎn)；T1表示所獲取的當(dāng)前溫度；G2表示基于天氣預(yù)報(bào)信息推斷的下一次輻照值；G1表示目前獲取的輻照值。

由當(dāng)前元件輸出的電流推斷出元件所在的溫度區(qū)間，并能對(duì)隨后發(fā)生的故障進(jìn)行診斷，需要注意的是，在設(shè)定診斷參數(shù)時(shí)，考慮光伏電站的實(shí)際情況和設(shè)備特性，選擇合適的參數(shù)閾值。通過上述操作，進(jìn)行診斷參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)故障診斷。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

選取某地一座2.5MW分布式光伏電站A、一座5MW地面光伏電站B、一座l0MW地面光伏電站C作為數(shù)據(jù)源。電站都有小型氣象站測(cè)量輻照度、溫度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、降水量數(shù)據(jù)，三座光伏電站分別有6、21、63個(gè)逆變器。收集一個(gè)月發(fā)電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為10min。部分光伏電站故障數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)

在這個(gè)表格中，記錄了光伏電站中不同設(shè)備的故障信息。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以了解光伏電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種問題，同時(shí)，還可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來評(píng)估在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

為了合理評(píng)估各類故障，本文選擇各類故障的影響發(fā)電小時(shí)數(shù)作為故障程度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電站存在故障，向嶺回歸模型輸入預(yù)測(cè)發(fā)電功率，輸出預(yù)測(cè)等效發(fā)電小時(shí)數(shù)。計(jì)算預(yù)測(cè)等效發(fā)電小時(shí)數(shù)與實(shí)際發(fā)電量差的絕對(duì)值，得到故障影響等效發(fā)電小時(shí)數(shù)來評(píng)價(jià)故障程度。由于不同故障對(duì)于電站穩(wěn)定運(yùn)行的影響程度不同，對(duì)電站整體進(jìn)行故障診斷時(shí)，對(duì)三種故障類型及其程度進(jìn)行加權(quán)求和得到電站故障程度指標(biāo)S：

式中，ws為第S類故障的加權(quán)系數(shù)；s=1，2，3；t=1，…，q；Yt s表示s類第t個(gè)故障?；谏鲜鰞?nèi)容，開展實(shí)驗(yàn)。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

利用光伏電站A全站6臺(tái)逆變器的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。采用四分位數(shù)法獲得故障監(jiān)測(cè)閾值，并用訓(xùn)練集進(jìn)行修正。圖1為本文系統(tǒng)對(duì)故障逆變器一段時(shí)間內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 光伏電站故障逆變器的監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖1可知，逆變器故障監(jiān)測(cè)特征與故障監(jiān)測(cè)閾值相比波動(dòng)性強(qiáng)且差距過大，據(jù)此本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該逆變器為故障逆變器，監(jiān)測(cè)效果優(yōu)異。

接著驗(yàn)證本文系統(tǒng)的故障診斷效果，根據(jù)電站故障程度指標(biāo)，將電站故障程度S與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的故障程度相對(duì)比，數(shù)值越接近表示與實(shí)際情況越相符，診斷效果越好。故障診斷結(jié)果如表3所示。

表3 電站故障診斷結(jié)果

分析結(jié)果表明，由于設(shè)備故障和限電故障，A站的運(yùn)行狀況比其他站差，需要對(duì)A電站加強(qiáng)發(fā)電設(shè)備維護(hù)。電站C運(yùn)行狀態(tài)一般，通信狀態(tài)不穩(wěn)定，需加強(qiáng)維護(hù)、檢修通信電纜。電站B運(yùn)行狀態(tài)良好，對(duì)通信設(shè)備和發(fā)電設(shè)備定期檢修維護(hù)即可保證電站運(yùn)行穩(wěn)定。并且該診斷結(jié)果與電站實(shí)際運(yùn)行報(bào)告基本一致，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)故障診斷的精確性。

4 結(jié)束語

光伏電站在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保障光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本文從光伏電站的實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)夥娬镜闹饕O(shè)備和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷故障，為維修人員提供準(zhǔn)確的故障信息，縮短維修時(shí)間，提高維修效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。