光伏建筑非電量安全監測系統

珠海興業新能源科技有限公司 ■ 譚奇特

光伏建筑非電量安全監測系統

珠海興業新能源科技有限公司 ■ 譚奇特

為防范屋面光伏發電系統出現火災與荷載安全事故，通過多年工程技術經驗的積累，本研究開發了一套光伏建筑非電量安全監測系統，實現光伏組件及電纜線槽的溫度實時監測，采用直流用電在線絕緣監測系統對電纜的絕緣老化實時監測，采用不可恢復式纜式線型定溫火災探測器對光伏直流線路實時監測，當屋面荷載、溫度、絕緣阻值任一參數越限時，監控后臺立即發出預警或報警信號，有火災發生時，第一時間聲光報警將事故損失降到最低，最大限度保證光伏建筑的安全。

光伏建筑；安全；非電量；監測；預警

0　引言

與建筑結合的屋面光伏發電系統因其不占用土地資源、負荷就地消納、清潔無害等特點，迅速成為近年來新能源應用的一個重要方向。然而，隨著光伏建筑的大規模展開，不斷出現光伏系統電氣火災，甚至出現極端氣候的風雪壓力致使光伏廠房垮塌的安全事故，為此，美國在2014年5月20日頒布了一套針對分布式屋頂光伏系統認證及測試的新標準ANSI 1703，以保證光伏建筑的安全。作為具有豐富分布式光伏電站建設經驗的興業太陽能集團，旗下湖南興業公司與長沙全程公司合作研制出《光伏建筑非電量安全監測系統》，通過檢測電站運行中的溫度、荷載、絕緣、火災信息等參數，集中傳送至計算機監控后臺，再與設定的參數對比分析，及時發出預警或報警信號，有效保證了建筑光伏系統安全運行，該研究于2013年通過湖南省科技研究成果鑒定。

1　研制思路

屋面光伏電站的安全主要分為電氣火災和建筑結構安全兩大部分。

1.1溫度監測

電氣火災的預防重點在光伏系統的組件與直流線路部分。光伏組件質量不達標，過早老化、熱斑效應等易造成電池板高溫日照下自燃[1]，對于貼近金屬屋面安裝的光伏系統，夏季屋面溫度可達約60 ℃，直流電纜溫度甚至接近90 ℃，故通過監測組件、組件與屋面間隔層及直流線槽里的溫度是有效防范系統自燃的重要措施。

1.2絕緣監測

因光伏組件的短路電流很接近于正常工作電流，光伏直流線路采用傳統的斷路器過流或電磁保護方法難以實現跳閘保護，而線路的正負極之間短路或正、負極接觸金屬地，易形成直流拉弧放電，從而引發火災事故。針對此，可通過檢測漏電流與絕緣阻值來判斷直流線路的絕緣是否老化或遭到破壞。

1.3火災監測

光伏電站失火，通常是先從一小處開始起燃并擴大，如在事故前期及時發現處理，損失會降到最低。在易出現火災的直流線槽與匯流箱里設置纜式線型感溫電纜，對其安裝長度范圍內任意一點的溫度變化進行探測。當溫度上升至響應值，感溫電纜線芯的熱敏絕緣材料熔化，導體相互接觸短路，通過接口模塊和終端模塊感應后立即產生報警信號。

1.4荷載監測

在既有建筑加裝光伏系統后，增加了建筑物的恒荷載，同時光伏系統承受到的風、雪荷載及溫度荷載會傳遞到既有建筑物，影響其活荷載[2]。荷載監測既要考慮負風壓產生的拉力，同時又要考慮大雪產生的壓力。建筑物坍塌一般為主體梁柱受力變形直至折斷，故可采用光纖光柵傳感器監測其形變是否達到警戒值，也可在屋面與光伏支架基礎連接處布點，設置拉壓力傳感器，實時監測屋面荷載變化值，通過軟件計算建筑物是否安全。

2　監測系統集成

2.1系統原理

圖1　光伏建筑非電量安全監測系統原理圖

如圖1所示，整個系統由各類傳感器、數據采集模塊、通信模塊與線纜、控制計算機組成。溫度監測單元是由貼片式溫度傳感器、變送器組成。貼片式溫度傳感器與被測物體接觸面積大、接觸緊密，在組件表面溫度測量方面具有較明顯的優勢。絕緣監測單元設置在匯流箱與直流配電柜里，由絕緣智能漏電流傳感器、絕緣平衡電阻、絕緣電壓變送器組成。通過高性能總線式智能漏電流傳感器測量絕緣漏電流，母線對地電壓測量采用高精度高壓隔離變送器完成。荷載監測單元由拉壓力傳感器和相關附件組成，拉壓力傳感器可同時承受拉、壓兩方面的外力，通過壓力的感應來監測建筑物對新增光伏系統重量的最大抗壓能力，再通過拉力的感應來監測建筑光伏陣列對自然環境(如臺風)破壞力的抗擊能力。上述各個單元通過RS485口與數據采集單元相連，再由上位機單元處理各項數據，當監測到各項數值超過正常設定安全限值時，根據越限程度及時發出預警或報警信號，并可推送至手機，讓運維人員在第一時間采取措施。

2.2控制與通信的實現

控制系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分以PLC為處理器，采集荷載、溫度、火災、絕緣各模塊的數據，所有模塊除傳感器需安裝在所需測點外，其余均集成于一個控制柜內；軟件部分又分為底層軟件(PLC 控制程序)和上層軟件(上位機操作系統)。控制通信系統示意圖如圖2所示。

圖2　控制通信系統示意圖

整個系統主要由監控系統主機、一體化智能匯集器，以及各種智能電子設備(IED)和通信設備組成。電站的數據流主要有3個節點：采集、匯集和集成，分別對應站內智能傳感器、一體化智能匯集裝置和站內監控系統。其中存在2個接口：一體化智能匯集裝置或自動化信息監測裝置與站內監控系統之間的接口，這些接口之間需要有標準的信息模型及通信模型來進行數據交換。其中，系統模型和信息模型是整個支撐技術體系的基礎，通信模型是信息交換基礎。系統模型是對整個監測系統結構進行描述的規范，信息模型是對各IED交換信息語義的規范，通信模型是站內信息集成與交換的規范，以上各模型的研究與實現能夠實現電站系統無縫數據交換及信息共享，從而實現監測系統的智能運行。

2.3在光伏建筑中的布置

如圖3所示，系統各類傳感器與屋面光伏系統緊密相連，控制系統機柜也可就近設置于屋頂，上位機與報警系統則可設置于建筑的主控室或消防室，各單元之間通過通信電纜連通。

圖3　系統在光伏建筑中的布置示意圖

3　創新與關鍵點

3.1功能創新

光伏建筑的電力監控比較成熟，但國內還未出現比較全面的監測火災與荷載等安全方面的系統，本研究首次實現了集中監測光伏建筑中關鍵性的非電參量：屋面荷載、光伏組件及屋面溫度、線槽及電纜溫度、電纜線槽火災、直流支路絕緣信息，并實現了非電量監測及危險預報的智能化、網絡化。

3.2技術創新

1)光伏直流系統不同于傳統的直流電源，其電壓高達600～1000 V，通過電壓變送器測量母線電壓，智能漏電流傳感器監測支路漏電流，再通過投入平衡電阻模塊組建數學模型。這樣，通過多參量間接計算出被測系統的絕緣電阻值，再通過報警門限設置等方法實現在線智能化自動監測。這避免了傳統的高頻注入法所帶來的紋波大、需配置信號發生裝置等缺陷，同時保持了精度高、響應快、安全性高的優點。

2)光伏建筑布置范圍廣、直流線路長，可采用纜式線型火災探測器，其特點是可分布于空間狹小的線槽內，走向、范圍都不受控制，實現了重點區域電氣火災的有效報警。

3)利用功能強大、抗干擾能力強、I/O端口功能種類齊全的PLC作為工業控制計算機，利用組態軟件來編寫上位機程序，可充分利用組態軟件的功能模塊化、移植性好并配置強大的網絡化通信控制功能，如以太網、因特網、有線、無線、移動通信、電話線多種通信功能選擇。

4　應用案例

圖4　系統運行工作畫面

本系統應用于與建筑結合的分布式光伏電站，已在湖南興業太陽能科技有限公司3#廠房光伏屋頂成功應用，日常工作運行界面如圖4所示。

通過一段時間的有效運行，得到各項指標的實際參數值，截取部分數據見表1和表2。

由表1和表2可知，系統能實時監測到光伏系統的布點位置、溫度變化、荷載變化，及直流線路的絕緣情況，上述數值均未超過正常限值，纜式火災探測器亦無觸發信號，反映系統處于安全穩定運行狀態。

表1　部分監測點溫度記錄（單位：℃）

表2　部分支路絕緣與荷載監測記錄

5　結語

光伏系統設計運行壽命一般為25年，在既有建筑安裝光伏發電系統，其長久的安全運行是發電收益與節能的前提條件。本文根據光伏建筑自身的固有特點，研發了一套光伏建筑非電量安全監測系統，為各類分布式光伏電站與光伏建筑一體化項目的安全穩定運行保駕護航，具有一定的推廣價值。

2016-03-29

譚奇特(1984—)，男，大學本科、工程師，主要從事太陽能光伏工程技術應用方面的研究。dstr666@126.com

[1] 楊立中, 楊紅運, 章濤林, 等. 光伏太陽能電池板組件火災危險性研究[J]. 熱科學與技術, 2015, 14(3): 173-177.

[2] 張宏偉. 既有建筑安裝光伏系統對建筑和電氣的安全性影響分析[J]. 智能建筑與城市信息, 2013, (12): 229.