基于NB?IoT的分布式光伏電站漏電監測系統

謝志遠 張子忠 黃怡然 陳文

摘 ?要： 針對分布式光伏電站缺少漏電流無線監測設備的實際情況，介紹一種基于NB?IoT（窄帶物聯網）無線高精度磁調制電流傳感器的漏電監測系統。該系統由感知層、傳輸層、平臺層和應用層四部分構成。通過對影響磁調制傳感器精度的定性和定量研究，提出雙磁芯半波激勵方案，優化傳感器設計，提高其精度。匯流箱中的電流傳感器采集數據信息通過單片機經由NB?IoT網絡傳輸至云平臺。該系統能夠實現使用云平臺對分布式光伏電站系統漏電流進行在線實時監測和故障定位，且能有效解決分布式光伏電站的漏電監測問題。

關鍵詞： 分布式光伏電站; 漏電監測; NB?IoT; 傳感器設計; 數據采集; 云平臺

中圖分類號： TN99?34; TM933 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0137?05

NB?IoT based electric leakage monitoring system for distributed photovoltaic power station

XIE Zhiyuan， ZHANG Zizhong， HUANG Yiran， CHEN Wen

（School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071000， China）

Abstract： In view of the actual situation that the distributed photovoltaic power stations lack electric leakage monitoring equipments， an electric leakage monitoring system based on high?precision wireless magnetic modulation current sensor of NB?IoT （narrow?band Internet of Things） is introduced. The system consists of perception layer， transport layer， platform layer and application layer. By means of the qualitative and quantitative research on the accuracy of magnetic modulation sensor， a double?core half?wave excitation scheme is proposed for optimizing the sensor design and improving its accuracy. The current sensor in the junction box is applied to collecting the data information which ?will be sent to the cloud platform through the NB?IoT network. The system can realize on?line real?time monitoring and fault location of electric leakage devicesof distributed photovoltaic power stations using cloud platform， and the electric leakage ?monitoring of distributed photovoltaic power stations.

Keywords： magnetic distributed photovoltaic power station;; electric leakage monitoring; NB?IoT; sensor design; data acquisition; cloud platform

0 ?引 ?言

近年來我國光伏發電市場發展迅速，光伏組件產量不斷增高。根據國家能源局的數據顯示，2017年，我國光伏新增裝機5 306萬千瓦，同比增長53.6%。其中，分布式光伏新增裝機1 944萬千瓦，同比增長近[1]400%，分布式光伏電站是未來光伏發電的主要發展趨勢。

分布式光伏電站主要由太陽能電池板陣列、匯流箱、配電柜以及電站數據信息監控系統等部分組成。通常把光伏陣列與匯流箱相連，匯流后的電流由電纜連到直流配電柜[2]。由于分布式光伏電站布置分散，設備種類繁多，分布范圍廣，從光伏陣列到并網逆變器，各種布線非常復雜，容易造成線路漏電故障[3]。因此，光伏電站的安全穩定運行必需要有漏電監測系統來保障。文獻[2]介紹了一種由不同支路電流值結合正負極接地電阻，發現回路對地故障的方法。文獻[4]介紹了一種光伏電站數據由終端經DSP處理后，通過GPRS網絡傳到監控中心的方法。文獻[5]介紹了一種通過ZigBee，GPRS網絡實現光伏電站數據信息傳遞的方法。本文介紹一種基于NB?IoT（窄帶物聯網）傳輸的高精度光伏電站漏電監測系統。

1 ?高精度傳感器的研究和優化

1.1 ?傳感器原理及仿真

發電站的漏電流為大電流下的微弱差電流。霍爾電流傳感器易受大電流干擾，而磁調制電流傳感器不易受干擾更適合檢測漏電流[6]。對磁調制電流傳感器二次繞組上的感應電動勢經過傅里葉變換和濾波得到二次諧波的信號，對此二次諧波進行一系列信號調理后可以間接算出漏電流的大小，這就是磁調制電流傳感器的基本原理[7]。

運用ANSYS基于節點的矢量位分析方法仿真分析傳感器靈敏度，采用1/4模型建立傳感器有限元模型，用掃略網格劃分提高仿真精度。建立模型后，在GUI模式下確定好磁調制傳感器參數設定進行仿真，得到模型如圖1所示。

圖1 ?磁芯有限元模型

在被檢測漏電流大小不變的條件下，電流傳感器感應電動勢越大，靈敏度越高。使用控制變量法，每次改變仿真磁芯的厚度、磁路長度和磁導率，探究影響傳感器靈敏度的因素。

電流在磁芯傳輸時由于存在磁阻會發生損耗，即磁化現象。這是傳感器存在誤差的一個重要原因。根據零磁通原理得出電流傳感器的誤差值表示為：

綜合仿真結果以及誤差公式分析，可得以下定性結論：為提高傳感器的靈敏度并減少誤差，可以增大電流磁芯的磁導率、增大磁芯截面積或者縮短磁芯的磁路。

1.2 ?二次繞組感應電動勢物理證明

為了定量探究影響傳感器感應電動勢大小的因素。假設將幅值為[A]，角頻率為[ω]，周期為[T]的方波信號[I（t）]作為勵磁信號。該方波電流滿足Dirichlet條件，由傅里葉級數展開，此方波信號僅有奇次諧波。感應電動勢仿真結果如圖2所示。

圖2 ?感應電動勢仿真結果

由式（5）可以看出雙磁芯傳感器感應電動勢是單磁芯的兩倍，靈敏度更高[8]。雙磁芯結構可以在一定程度上抑制零點漂移，所以高精度磁調制傳感器多采用雙磁芯結構。

1.3 ?信號調理電路的改進優化

傳統磁調制傳感器激勵為方波信號，若使用半波信號作為激勵，得出的波形比方波更加理想，一次諧波即可反映被測電流大小，此時感應電動勢為：

在這種情況下，感應電動勢信號的奇次諧波與偶次諧波都可反映漏電流。半波激勵省去倍頻電路，可以有效降低電路復雜程度和干擾[9]。

信號調理電路的結構如圖3所示，帶通濾波器由二階巴特沃斯有源高、低通濾波器串聯構成，用來截取奇次諧波。信號經過濾波后幅度小，需要使用高的共模抑制比和高輸入阻抗的儀用放大器對信號放大。由于帶通濾波器改變了信號的相位，檢波信號需要和參考信號有著相同的頻率和相位，所以需要使用微積分電路作為移相器。最后信號經過相敏檢波和低通濾波器后輸出[10]。

圖3 ?改進后的信號調理電路

傳感器輸出電壓不能被直接測量，需要對波形進行整流。整形電路采用遲滯比較器，將不規則波形變為方波，由單片機通過定時器和外部中斷測量波形脈沖寬度，通過計算處理得到電流大小，表示為數字量輸出[4]。這種測量方式比傳統A/D轉換測量方法更簡單，通過電路硬件優化提升了傳感器性能。

2 ?系統設計方案

2.1 ?系統整體設計

基于NB?IoT的分布式光伏電站漏電監測系統分為四個部分：感知層、傳輸層、平臺層和應用層。感知層由MCU與高精度傳感器等數據采集節點組成，負責采集電站漏電流和故障定位信息[4?5]。傳輸層應用窄帶物聯網技術，將數據傳至云平臺。應用層獲取從云平臺傳來的數據，實現數據查詢和處理。系統結構框圖如圖4所示。

2.2 ?感知層設計

如圖5所示，感知層由磁調制電流傳感器、低功耗 STM32L476單片機、移遠BC?95的NB?IoT模組、移遠低功耗GPS定位模塊L70?R等組成，物聯網模塊采用電信物聯網專用10649卡。STM32L476單片機負責實時監控電流數據，通過NB?IoT將電流數據和定位數據由LWM2M+CoAP協議發送到云端。

圖4 ?系統結構框圖

圖5 ?感知層結構設計圖

通過向單片機中移植SDK實現數據傳輸協議。該協議架構包括三部分：上層是基于LWM2M協議的IPSO資源模型，用于對磁調制傳感器終端進行屬性標識，中間是基于CoAP的LWM2M協議，下層是UDP協議。STM32軟件總流程圖如圖6所示。

圖6 ?數據采集軟件流程圖

2.3 ?平臺層和應用層的設計

平臺層和應用層的設計基于中國移動物聯網開放平臺OneNET。該平臺擁有豐富的協議適配能力，支持海量多樣化終端設備接入，并且還能夠滿足數據安全及大數據分析等平臺級服務需求。其中，數據傳輸協議的傳輸層協議為CoAP，應用層采用LWM2M協議實現[11?12]。

LWM2M 協議有三層資源模型：Object，Object Instance，Resource。其中，Object為傳感器類別，Object Instance為傳感器實例，Resource為傳感器測量數值，每個Resource具有不同的權限和數據類型，包括可讀（R）/可寫（W）/可執行（E）。遵循IPSO文檔的資源聲明設置傳感器資源模型[13]，如表1所示。

表1 ?LWM2M協議的資源模型與OneNET的數據模型匹配

3 ?實驗及結果

在室溫下，用電流源連接10 A電流的正負線，設置電流源模擬0～100 mA漏電流，用1#～5#五個雙磁芯半波激勵傳感器和作為對照的單磁芯傳統磁調制傳感器串聯一起進行實驗，數據上傳到云平臺，驗證傳感器的準確度和線性度。實驗數據如圖7所示。

圖7 ?電流傳感器準確度實驗

實驗結果表明，雙磁芯磁調制傳感器零漂小，準確度和線性度很高，比傳統單磁芯傳感器性能更好。由于外界電磁干擾和雙磁芯平衡問題，其電流值還存在微小誤差。該傳感器設計已經滿足漏電流監測的需求。

用該系統對光伏電池陣列做漏電流監測實驗來驗證實際應用效果。太陽能電池陣列將太陽能轉化為電能后，以直流形式輸入匯流箱。在匯流箱的正負極輸入端安裝電流傳感器，監測每塊太陽能電池板的漏電情況。

監測數據上傳到OneNET平臺，自定義設計應用層數據庫、地圖界面，應用界面如圖8所示。通過該系統可以簡單方便地在線監測電站漏電流情況。

圖8 ?應用界面設計

如圖8所示，該監測系統可以實時監測光伏電站每塊太陽能電池板的漏電情況，如果發生漏電情況可以及時了解和定位故障信息，確保電站安全穩定運行，有一定的應用價值。

4 ?結 ?語

本文介紹一種基于NB?IoT網絡高精度磁調制電流傳感器的漏電監測系統設計方案。該系統能夠實現使用云平臺對分布式光伏電站系統漏電流進行在線實時監測和故障定位，可以有效解決分布式光伏電站的漏電問題。

隨著“互聯網+”時代的到來，未來基于這種NB?IoT物聯網無線監測系統將在光伏電站監測領域發揮越來越重要的作用。

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