光伏匯流箱監測單元的現存問題分析及解決方案

李 嘉，胡劍生，王旭昊，王海明

（許昌許繼風電科技有限公司,河南許昌,461000）

0 引言

光伏匯流箱是大型光伏電站最基本的電量匯集單元，在大型光伏電站中數量眾多，安裝數量在360臺～1200臺之間。同時，由于光伏電站地域廣袤，導致匯流箱的分布也極其分散。正是因為匯流箱具有數量多、分布廣的特點，所以匯流箱對其監測單元的采樣的質量、運行的可靠性、功能的豐富性提出越來越高的要求。如果匯流箱監測單元采樣質量低、無法正常運行或功能貧乏，就會導致用戶對光伏方陣的監測出現盲區。當匯流箱或其連接的光伏組串出現事故后，用戶無法第一時間獲取信息并趕赴現場，從而造成事故蔓延，產生巨大的經濟損失。

1 監測單元的應用現狀及存在問題分析

目前匯流箱監測單元大都可以對箱內電流、電壓進行采樣,對防雷、母線、光伏組串進行簡單的故障診斷，并具備與主站通訊的功能，但是，監測單元的應用依然存在以下問題。

1.1 采樣質量不夠高

采樣的高質量可解析為4個標準：精確、可靠、穩定、靈敏。目前的匯流箱監測單元針對上述4個方面或多或少都存在不足。

精確：目前大部分監測單元的精確度都標稱為1%，實際上很多客戶的要求都已經達到0.5%。產品采樣精確性與市場需求產生脫節。

可靠：要求監測單元受到外界干擾后依然能夠正常采樣或采樣出現異常后能夠自行恢復。

從實際工程來看，黎明和傍晚時段對采樣的可靠性影響最大。這是由于監測單元絕大多是為自供電方式，即電源輸入取自光伏組件本身。在黎明傍晚時段，光照強度波動大且較小的光照強度使得光伏組件產生的電壓恰在監測單元的電源啟動門檻值附近。圖1為監測單元的電源施加門檻啟動電壓時的輸出上升波形，電源正常輸出電壓為24 V，從圖中可見在0 V到24 V的變化過程中斜率非常大，持續時間僅為120ms。圖2為監測單元掉電時的輸出跌落波形，從圖中可見在24 V到0 V的變化過程中斜率相對較小，持續時間達到600ms。

圖1 電源輸出上升波形Fig.1 Rising waveform of power output

圖2 電源輸出跌落波形Fig.2 Falling waveform of power output

當監測單元的電源輸入電壓在啟動門檻值附近波動時導致電源輸出的抖動較為劇烈，見圖3。從圖3中可見電源輸出從24 V降落到12 V時突然又恢復到24 V。

圖3 電源輸出波動波形Fig.3 Fluctuation waveform of power output

監測單元電源的輸出為測量芯片提供工作電壓，工作電壓的波動會導致測量芯片反復初始化。在測量芯片初始化過程中一般涉及到對芯片的配置，一旦初始化失敗則無法正常采樣。實踐證明該概率雖然不到1%，但是由于光伏電站中匯流箱數量眾多，黎明傍晚時段仍會出現監測單元初始化失敗的情況，從而無法正常采樣給用戶帶來損失。

穩定：當采樣對象在一段時間內穩定時要求采樣值的波動也穩定在一定范圍內（電流采樣值的波動一般不超過100 mA，電壓采樣值的波動一般不超過5 V），且各組串電流采樣之間沒有相互干擾（即某組串的電流改變時其他組串電流的采樣應該不受影響）。

實際工程中很多監測單元不滿足穩定性要求。采樣波動大是因為沒有合適的濾波算法。各組串電流采樣之間存在相互干擾是因為目前主流電流采樣元件為傳感器，傳感器的一次、二次側通過磁場進行耦合。當傳感器之間相鄰距離太近或主回路導線不平直，則主回路電流的磁場對相鄰傳感器產生干擾，從而出現組串電流采樣相互干擾的情況。

靈敏：要求采樣滿足一定的刷新速率，一般為0.5 s。這是考慮到單臺監測單元與主站之間每次信息交互時間通常小于0.6 s，采樣刷新速率小于0.6 s是比較合理的。

實際上很多匯流箱的采樣刷新速率會大于1 s。這是因為濾波算法中整個量程范圍內使用同一個誤差條件f或采樣窗口過長所致。倘若整個量程范圍內使用同一個誤差條件勢必導致小采樣值或大采樣值刷新速率慢；當采樣窗口過長則意味著參與誤差比較的樣本過多，當任意一個不滿足誤差條件則導致本次采樣不刷新，因此也會延緩刷新速率。

1.2 故障診斷種類較少，個別故障診斷邏輯造成誤判

目前監測單元很少具備“弧光故障診斷”。匯流箱內產生弧光后，弧光會以300m/s的速度迸發，摧毀途中的物質。只要匯流箱不斷電，弧光就會一直存在，因此很有必要加設弧光故障診斷。

容易造成誤判的故障診斷是“組串斷路故障”。導致此種故障的原因多是熔斷器熔斷或組串回路松動，診斷的目的是及時告知用戶采取相應措施以免損失更多的發電量。常見故障邏輯為圖4。

圖4 常見斷路故障診斷框圖Fig.4 Usual block diagram of open circuit

Udoor-電壓門檻

|Im|-第m路電流絕對值

Idoor-有流門檻值

Tdl-延時時間

圖4的弊端是當人為斷開匯流箱斷路器或逆變器停止工作時造成測量裝置的誤判給客戶帶來不便。

1.3 不具備電能計量功能且不能保證電能值的長期讀寫

一些用戶為了比較組串之間的發電效率都會要求監測單元具備單個組串電能計量及整個匯流箱的總電能計量。實際上很多監測單元不具備電能計量功能。有些監測單元具備此功能卻面臨著頻繁讀寫電能值的問題。這是因為光伏電站的設計運行時間通常為20年，正常情況下測量裝置每天上電時讀取一次累計電能值，掉電時存儲一次累計電能值，則20年內每臺測量裝置需要讀寫7300次，考慮到黎明傍晚時段測量裝置的電源在啟動門檻附近波動，很可能導致測量裝置1天內多次讀寫累計電量值，因此對存儲芯片的讀寫次數非常可觀。但是存儲芯片的擦寫壽命是有限的，因此必須最大程度地利用存儲芯片的寫操作次數。

1.4 監測單元為裸露電路板

裸露電路板存在以下缺陷：

a)考慮到出廠安裝的復雜度，監測單元的電路板大多平鋪在匯流箱內，占用匯流箱大量面積，據統計約為797 cm2，從而導致匯流箱體積龐大。加之匯流箱的箱體材質多為冷軋鋼板，現場搬運費時費力。

b)雖然監測單元的強電回路標有危險標志，但是由于監測單元均為裸露電路板，還是存在運行人員遭受電擊的風險。

c)現場施工不規范的現象大有存在，箱體IP65的防護等級由于施工的原因可能會受到削弱。匯流箱是戶外設備，長期受到風沙雨雪及鹽霧的腐蝕后，監測單元的裸露電路板極易短路銹蝕，從而無法可靠運行。

2 解決方案

2.1 高質量采樣的實現

精確：更大程度上取決于硬件的分辨率，選用一款高精度測量芯片并配合軟件上的偏移及增益校準一般都能保證，此處不再贅述。

可靠：增加測量芯片故障診斷功能以便實時診斷測量芯片工作狀態。一旦檢測出測量芯片故障則進行可靠的初始化使測量芯片快速恢復正常工作狀態。

測量芯片故障診斷的方法如下：由于測量芯片初始化過程中對一些特殊寄存器進行寫操作配置，則可以實時讀取這些特殊寄存器的數值與“預寫數值”進行比對，一旦二者不吻合則認為測量芯片故障，此時觸發測量芯片初始化操作以便測量芯片恢復正常工作。

要確保測量芯片的可靠初始化，特別要注意芯片各引腳時序的配合。時序的時延選用典型時間，切不可為了追求裝置的快速啟動而冒險選用最小時間。當時序時延采用最小臨界值時會導致初始化失敗。

穩定：需要采用濾波算法進行實現及改善電流采樣回路。采樣示意圖見圖5。

圖5 電源輸出波動波形Fig.5 Sampling sketch

設采樣窗口長度為n，采樣值為a1～an，采樣順序為循環采樣，即當采樣窗填滿后，下一個采樣覆蓋第1個采樣。設當前采樣為第m個采樣，其采樣值為am，將am與n個采樣值進行比較，如果誤差均滿足誤差條件f，則采樣讀數刷新為am，如果差值不全滿足條件f，則采樣讀數不刷新，但am仍需保存，因為有可能此刻采樣對象確實已經發生了變化，當再次進行完n-1次采樣后采樣對象的變化便能通過采樣讀數顯示出來。

設計電路板時要保證采樣回路中的傳感器之間不存在交錯重疊，從裝配工藝上保證各個組串回路中導線的平直。

靈敏：誤差條件函數f采用分段函數。小采樣值的誤差條件應為絕對誤差，大采樣值的誤差體檢應為相對誤差。采樣窗口長度建議小于等于5，過小會失去濾波意義，過大則延長刷新時間。

2.2 故障診斷的完善與優化

弧光故障診斷：由于弧光故障持續時間短，因此將弧光信號開入量的采樣放在中斷中實現，中斷周期為1 ms。累積5次采樣到弧光信號開入量為高電平時（每次定時器中斷采樣1次，弧光信號開入量為高電平時正向累積1次，為低電平時負向累積1次。），弧光故障診斷遙信位動作同時輸出開出保護信號，常開繼電器在閉合接點Thg時間后斷開接點。故障遙信位動作保持時間為60 s，60 s后如果累積5次采樣到弧光信號開入量為低電平時（每次定時器中斷采樣1次），弧光故障診斷遙信位清零。弧光故障診斷邏輯見圖6。

Thg-保護繼電器吸合時間

圖6 弧光故障診斷框圖Fig.6 Block diagram of arcing fault

組串斷路故障診斷：結合第1節中對常見斷路故障診斷判據的分析，考慮到匯流箱所有組串同時斷路為小概率事件，因此增加電流閉鎖條件：輸出電流大于組串有流門檻值與組串數量的乘積，實踐證明這樣可以較好的規避上述誤判情況，故障邏輯見圖7。

圖7 優化斷路故障診斷框圖Fig.7 Optimal block diagram of open circuit

|Iout|-輸出電流絕對值

Udoor-電壓門檻

OpenCircuitDoor -斷路故障警報啟動門檻, 數值上為組串有流門檻值與組串數量的乘積。

|Im|-第m路電流絕對值

Idoor-有流門檻值

Tdl-延時時間

2.3 電能計量及電能值長期讀寫的實現

電能計量可以通過對△t*P（時間與功率的乘積）的求和方式實現，△t應盡量小以便保證電能值的準確度。最終將量綱歸算為千瓦時或度。需要注意的是考慮到長時間的累計電能值長度很大，所以存儲類型應為長整形。

電能值長期讀寫的實現方法如下：以存儲芯片的最小擦寫地址范圍(稱為每一頁)為基本單元進行分區循環擦寫，并確保每一頁可以有效的寫入累計電能值和其他必要信息。設分區頁數為n，則將存儲芯片的累計電能讀寫次數擴展n倍，但同時又帶來累計電量值讀寫的復雜性。為方便描述，列表進行符號聲明，見表1。

表1 符號聲明Tab.1 Notation declaration

監測單元上電操作

a)主芯片上電后先讀出存儲芯片中p到q頁的WEFTp～WEFTq。

b)如果WEFTp～WEFTq均為0xffff，則說明主芯片從未存儲過電能，將p到q頁的1～6字節賦值為0；本次電能存儲操作在第p+1頁。

c)如果WEFTp～WEFTq不全為0xffff，則找出其中最大值WEFTmax。

d)假設WEFTmax在第m頁，且第m頁中的WEFT比前一頁的WEFT大1（如果m=p，則前一頁為q），則認為第m頁的WE為最后一次有效存儲的電能值。

e)如果d)不滿足，則確認次大值所在頁的WEFT是否比前一頁的WEFT大1，以此類推，目的是為防止寫操作失敗導致WEFT為隨機值。

f)讀出最后一次有效存儲的電能值WE及其所在頁x，將WE賦值給TE。

2.4 監測單元改為封裝方式

監測單元不再以裸露電路板的形式展現給用戶，而是擁有自身的殼體，見圖8。封裝后的監測單元具有以下優勢：

a)利用外殼的支撐，監測單元各電路板實現了從平面安裝到立體安裝的轉變。由于封裝監測單元的最高點小于匯流箱內斷路器的最高點，故不會引起箱體深度的增加，但卻能減少匯流箱的面積，封裝后的監測單元的面積約為512 cm2，相對常規監測單元減少284 cm2，因此顯得小巧精致。

b)封裝外殼的材質為PC與ABS的合成塑膠，阻燃等級在V-1以上，同時具有絕緣特性。通過外殼將強電回路封裝起來以后，規避了用戶遭受電擊的風險。

c)封裝式外殼對電路板防護后，極大程度減小了風沙雨雪及鹽霧對監測單元的侵蝕速率，提高了可靠性。

圖8 爆炸圖Fig.8 Explode diagram

3 結論

本文第1節中所述的問題在光伏匯流箱監測單元當前工程應用中普遍存在，對用戶的運維及供應商的售后工作帶來很大的困擾，第2節中所述的解決方案原理簡單、易于實現、操作方便，經實踐驗證能夠有效解決第1節中描述的問題，具有廣泛推廣的現實意義。

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