光伏電站抗風監測裝置分析與設計

陸振宇，馬 健

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

光伏發電是能源結構體中的重要組成部分。而我國是一個臺風、暴雨等自然災害多發的國家，惡劣天氣會對光伏電站的安全性能產生很大影響。而光伏組件作為光伏電站的核心模塊，在安裝時其穩定性就存在客觀性差異，再經歷長期的野外工作后，導致光伏組件安裝孔位的穩定性不斷降低，久而久之可能導致光伏組件發生松動，甚至出現脫落的現象。這對光伏電站的正常運行造成了嚴重的影響，使我國因此遭受巨大的經濟損失。

目前，我國對光伏電站的研究中關于光伏組件的檢測方案類的研究較少，校驗系統與裝備均處于起步階段，對其安全性能的校驗也不盡完善，所以為光伏電站的定期檢測提供技術手段與裝備具有必要性與緊迫性的實踐意義。

因此，本文以克服現有技術的不足為研究目的，設計出了一種光伏電站抗風性能監測裝置。該監測裝置通過設置光伏組件上的震動傳感器，實時檢測光伏組件震動系數，同時測量光伏電站現場的風速和風向，將光伏組件震動與環境數據結合獲得光伏電站的整體抗風性能，提高光伏電站的安全性，解決光伏電站長期運行中的抗風安全性問題[1]。

1 抗風監測裝置原理分析

光伏電站的抗風性能監測主要體現在太陽能板震動系數與環境風速比值的曲線關系上。該裝置通過安裝在太陽能電池板背面的震動傳感器和電站內的風速、風向傳感器，對太陽能電池板的震動系數以及環境風速、風向進行采集；監測各太陽能板震動系數與風速之比，對松動的太陽能板進行警報；對風向數據進行劃分，記錄不同風向區間內同等風速對太陽能電池板抗風性能指數的影響，同時將太陽能電池板警報時抗風性能指數存儲，預測太陽能電池板所能承受最大風力，從而對太陽能板的安全性能進行全面預估與評測[2]。

2 抗風監測裝置流程分析

采集器將風向傳感器輸出的0～360°風向數據平均劃分為8個區間，如圖1所示。

圖1 風向區間分度表Fig.1 Wind interval indexing table

1）光伏電站內太陽能電池板的數量不固定，每塊太陽能電池板對應一個采集器，即每一塊太陽能電池板配有一個采集器對其抗風性能指數進行監測；

2）采集器每分鐘對各參數進行十次數據采集，得出各參數平均值，包括震動數據（V_m）、平均風速（WS_m）、平均風向(WD_m)，m為采樣分鐘值(m=1,2,3…)；

3）采集器根據當前風向值（WD_m），判斷組件所屬風向區間(A-H)；

4）采集器將第m分鐘內震動數據 (V_m)與風速（WS_m）相比，得到第m分鐘太陽能電池板抗風性能指數（V_m/WS_m），將數據存儲后，繼續采樣，得出第m+1分鐘內抗風性能指數（V_m+1/WS_m+1)；

5）若第m+1分鐘風向 （WD_m+1）與第m分鐘風向(WD_m)所屬風向區間相同，對比太陽能電池板在第m+1分鐘和第m分鐘內抗風性能指數大小。

6）若太陽能電池板在第m+1分鐘內的抗風性能指數大于第m分鐘內抗風性能指數(V_m/WS_m

7）若第 m+1分鐘風向 （WD_m+1）與第m分鐘風向(WD_m)所屬風向區間不同，判斷第m+1分鐘風向（WD_m+1）所屬風向區間是否有數據存儲，若沒有數據存儲，將第m+1分鐘內抗風性能指數（V_m+1/WS_m+1)存儲；若有數據存儲，則將所存數據與第m+1分鐘內抗風性能指數比較后取較大值存儲；

8）綜上所述，采集器得出每日各風向區間內太陽能電池板抗風性能指數最大值，記作歷史數據存儲，若某風向區間未進行數據采樣，則記0處理；

9）若同一風向區間內，太陽能抗風性能指數超出歷史數據（非0）平均值的50%，則可推斷太陽能電池板出現松動，采集器發出警報信號；

10）主控制器將每日各個采集器所存數據匯總上傳至PC機繪圖顯示，使監測更加直觀。

3 抗風監測裝置硬件分析

3.1 抗風監測裝置框圖分析

如圖2所示，光伏電站抗風監測裝置主要由主控制部分、信號采集處理部分和數據傳輸存儲部分組成。其主控制電路以單片機MSP430F149為核心處理器,實現了震動、風速、風向信號的采集、處理和傳輸功能；存儲器選用AT25080用于保存一個月內各風向區間太陽能板抗風性能指數，并具有歷史數據查詢的功能；通訊接口采用RS485接口，用于與PC機的遠程通信,實現分布式多點采集和數據集中管理；本文將在下面兩小節中對震動系數采集電路與環境要素采集理電路進行重點分析[3-4]。

圖2 光伏電站抗風監測原理框圖Fig.2 Block diagram of wind monitoring device photovoltaic power plant

3.2 震動系數采集電路

如圖3所示，震動傳感器輸出信號為電壓信號，由于其內阻極高(10～1 000 MΩ)，本設計方案采用Analog公司的運放AD8476作為前端放大隔離電路 （AD8476為專門用于傳感器輸入端高輸入阻抗的運算放大器）。隔離放大后，因震動傳感器輸出信號±5 V滿足所選A/D轉換裝置，故將AD8476輸出端經RC濾波后直接與A/D轉換裝置輸入端相連即可。所選A/D轉換裝置為AD7705（AD7705為16位差分放大器，具有抑制輸入端共模干擾等特點），此AD采用5 V供電時，轉換范圍滿足震動傳感器輸出信號要求，因此，模擬通道未進行電壓增益設計，其放大倍數為1；AD輸入端采用RC濾波，可使輸出電壓更穩定，紋波電壓波動更小[5]。

3.3 環境要素采集電路

如圖4所示，風向傳感器與風速傳感器輸出信號為5 V脈沖信號，而MSP430內部計數器允許接收的脈沖信號門限為3.3 V，所以由傳感器輸出后，先經由上拉電阻確保傳感器輸出信號始終保持在高電平，以提高脈沖信號的抗干擾性和穩定性；后接入1 μF電容，隔直通交，過濾雜波；最后與LM293比較器相連，與0電平進行比較，LM293具有2 V至36 V的寬工作電壓范圍和較好的噪聲抑制能力，采用3.3 V進行供電時，輸出信號滿足單片機內部計數器信號輸入范圍，最終達到脈沖整形的目地[6]。

4 抗風監測裝置軟件分析

圖3 震動傳感器調理電路Fig.3 Vibration sensor conditioning circuit

圖4 風向風速傳感器調理電路Fig.4 The wind sensor conditioning circuit

光伏電站抗風監測裝置以MSP430的IAR軟件為平臺，使用C語言進行編程，整個編程過程全部采用模塊化設計。該監測裝置的主要組成部分包括系統初始化部分、信號采集部分、信號分析計算部分、數據顯示報警部分和數據傳輸部分，其主要工作任務為：1)對光伏電站中各太陽能板震動系數及環境進行采集；2)對采集到的風向信號進行區間劃分，并對各太陽能板抗風性能指數進行計算；3)對太陽能電池板安全狀況異常或監測量超限的組件進行報警；4)定時將光伏電站內各太陽能板抗風性能發送至監控中心。具體流程如圖5所示。

圖5 軟件流程框圖Fig.5 Software flow diagram

5 結束語

光伏電站抗風性能監測裝置主要通過在太陽能電池板上設置震動傳感器，避免太陽能電池板在惡劣天氣中出現緊固螺絲松動的現象，消除電站的安全隱患，并對光伏電站長期運行中的抗風安全性問題進行預測，提高光伏電站長期運行的安全性和穩定性。

[1]張鉦浩，陳虹.基于光伏電站數據采集與監測儀表的設計[J].電測與儀表,2009(9):13-15.ZHANG Zheng-hao,CHENG Hong.Based on data collection and monitoring of photovoltaic power plant instrumentation design[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2009(9):13-15.

[2]胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[3]劉福才，張海良.基于GPRS的光伏電站遠程監控系統的設計[J].總線與網絡，2006:72-76.LIU Fu-cai,ZHANG Hai-liang.PV plant design GPRS-based remote monitoring system[J].Buses and Networks,2006：72-76.

[4]曹晏寧，李峰.光伏電站數據采集與遠程監控[J].能源與節能，2013(9)：34-43.CAO Yan-ning,LI Feng.PV power plant data acquisition and remote monitoring[J].Energy and Energy Conservation,2013(9)：34-43.

[5]劉鑫，董文娟.獨立光伏電站數據監測系統設計[J].電測與儀表，2007(3)：23-26.LIU Xin,DONG Wen-juan.Independent data monitoring PV power plant system design[J].Electrical Measurement&Instrumentaion,2007(3)：23-26.

[6]Wenham S R,Honsberg C B,Cotter J E,et al.Austri-alian educational and research opport-unitiesarising through rapid growth in the photovoltaicindustry[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2011,67(1):647-654.