光伏電站電氣火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究

劉璟璇　高源辰　楊志豪　劉皓明

摘? 要：目前光伏發(fā)電在我國發(fā)展勢頭十分迅猛，但暴露的安全問題也不容忽視，基于光伏發(fā)電現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求，以及國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于光伏發(fā)電并網(wǎng)的監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)了此光伏電站電氣火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)分為監(jiān)控層、傳輸層、應(yīng)用層，結(jié)合Zigbee、4G技術(shù)等技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電本地控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以及遠(yuǎn)程控制等功能。系統(tǒng)結(jié)合光伏電池建模，提出了一套全面的監(jiān)控策略，為提升光伏發(fā)電安全效能提供高效解決方案。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;監(jiān)控預(yù)警;安全;工控機(jī);Zigbee

中圖分類號(hào)：TM615? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）23-0098-04

Abstract： In recent years， the development of photovoltaic power generation in China is very fast， but the exposed safety problems can not be ignored. Based on the actual production needs of photovoltaic power generation， as well as the requirements of national standard for photovoltaic power grid monitoring， the photovoltaic power plant electrical fire monitoring and warning system is designed. The system is divided into monitoring layer， transmission layer and application layer. Combined with Zigbee， 4G and other technologies， the system aims to realize local control of photovoltaic power generation， remote data presentation and remote control. Combined with photovoltaic cell modeling， a set of comprehensive monitoring strategy is proposed to provide an efficient solution for improving the safety and efficiency of photovoltaic power generation.

Keywords： photovoltaic power generation; monitoring and early warning; safety; industrial computer; Zigbee

引言

近年來，我國光伏發(fā)電持續(xù)快速發(fā)展。截止2019年5月裝機(jī)總?cè)萘砍^2.043億千瓦[1]，技術(shù)水平不斷提升，成本顯著降低，開發(fā)建設(shè)質(zhì)量和消納利用明顯改善，在部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了家庭分布式光伏并入電網(wǎng)，為建設(shè)清潔低碳、安全高效能源體系發(fā)揮了重要作用。然而，光伏發(fā)電帶來的安全問題非常嚴(yán)峻。夏季溫度過高、太陽輻射強(qiáng)度過大等環(huán)境因素，以及光伏板隱裂等自身安全問題，都會(huì)導(dǎo)致光伏電池過熱甚至燒毀，引發(fā)串組光伏板大面積火災(zāi)。

目前光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信技術(shù)主要有IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee通信組網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)RS485總線以及4G技術(shù)[2]。Zigbee技術(shù)反應(yīng)時(shí)間短，功耗低，但傳輸距離有較大限制，適合于光伏電站本地?cái)?shù)據(jù)呈現(xiàn)與本地控制的功能要求;工業(yè)總線實(shí)時(shí)性好，但鋪設(shè)成本高，對(duì)于偏遠(yuǎn)的光伏電站監(jiān)控是不可實(shí)現(xiàn)的;4G技術(shù)可靠性高，適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)GB/T31366-2015（《光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用于光伏發(fā)電并網(wǎng)監(jiān)控裝置和系統(tǒng)的相關(guān)要求。通過查閱資料[3]，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)最主要起火部件為光伏板，其火災(zāi)數(shù)量達(dá)到光伏發(fā)電火災(zāi)總量的42%，筆者基于該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)此光伏電站電氣火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，主要針對(duì)光伏板進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程預(yù)警與遠(yuǎn)程控制，以確保光伏發(fā)電生產(chǎn)單位安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光伏電站大多分布偏遠(yuǎn)，發(fā)電現(xiàn)場天氣環(huán)境多變，不利于精密電子儀器工作;而監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)要求控制設(shè)備可靠性要求高、設(shè)備安裝運(yùn)營成本較低。根據(jù)設(shè)備安裝運(yùn)營的地點(diǎn)，本系統(tǒng)分為監(jiān)控層、傳輸層、應(yīng)用層三個(gè)層級(jí)。監(jiān)控層主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與上傳功能，并且根據(jù)反饋信號(hào)控制光伏板通斷，其設(shè)備一般考慮安裝在戶外光伏發(fā)電現(xiàn)場;傳輸層作為系統(tǒng)核心部分，其作用在于完成數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)送，其設(shè)備應(yīng)考慮安裝在光伏電站室內(nèi);應(yīng)用層是基于4G面向系統(tǒng)管理者和用戶的層級(jí)，其系統(tǒng)管理PC端和終端APP不受地域條件的限制。

（1）監(jiān)控層。該層配置的監(jiān)控設(shè)備主要包括安裝在各個(gè)光伏板上的信號(hào)采集單元和與光伏板相連的繼電器開關(guān)模塊。信號(hào)采集單元包括安裝在光伏板上的各類傳感器（DS18b20溫度傳感器、GY-30數(shù)字光強(qiáng)度傳感器）和與光伏板相連的電氣測量裝置（IM1253功率測量模塊），用以實(shí)時(shí)采集光伏板的實(shí)時(shí)參數(shù)并上傳至傳輸層。監(jiān)控層根據(jù)傳輸層指令通過繼電器開關(guān)控制光伏板工作狀態(tài)。

（2）傳輸層。該層級(jí)以工控機(jī)為核心，用以處理監(jiān)控層的信號(hào);工控機(jī)通過Zigbee模塊和監(jiān)控層相連，和應(yīng)用層設(shè)備通過4G相連。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括PC端的系統(tǒng)管理端，以及APP用戶服務(wù)端。PC端是系統(tǒng)管理者用以監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)維護(hù);用戶通過APP用戶服務(wù)端查看光伏板工作狀態(tài)，接受報(bào)警信息，并控制光伏板工作狀態(tài)。

2 監(jiān)控層設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控層總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控層主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制功能，具體包括傳感器模塊、功率計(jì)量模塊以及繼電器開關(guān)模塊。傳感器模塊和功率測量模塊獲取實(shí)時(shí)參數(shù)，通過Zigbee模塊與傳輸層設(shè)備連接;Zigbee模塊和繼電器開關(guān)控制信號(hào)輸入管腳相連，用以控制光伏板工作狀態(tài)。

2.2 傳感器

2.2.1 DS18b20溫度傳感器

溫度傳感器采用DS18B20傳感器。這是一種單總線數(shù)字式溫度傳感器，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，精度高，便于維修與更換，適應(yīng)于戶外長時(shí)間使用。只需將DS18B20傳感器的輸出管腳與Zigbee主板輸入管腳相連即可。

2.2.2 GY-30數(shù)字光強(qiáng)度傳感器

GY-30數(shù)字光強(qiáng)度傳感器采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，可檢測的光照度范圍為0-65535lx，接近于視覺靈敏度的分光特性可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行高精度測定[4]。傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.3 功率測量模塊

2.3.1 設(shè)備選型

本系統(tǒng)采用INA225數(shù)字功率監(jiān)視器來測量光伏板瞬時(shí)輸出功率。INA226具有I2CTM或SMBUS兼容接口。該器件可實(shí)現(xiàn)電流值和功率值的直接讀取。待測電壓范圍為0-60V，最高失調(diào)電壓為10μV，最大增益誤差為0.1%[5]，并且可以通過選擇采樣電阻Rm大小調(diào)整電流測量量程以及大電流時(shí)的線性度。

2.3.2 采樣電阻選擇

根據(jù)原理圖，INA225數(shù)字功率監(jiān)視器電流測量的量程以及大電流時(shí)的線性度主要由采樣電阻Rm決定，因此需要根據(jù)光伏板設(shè)備的額定工況電壓、電流選擇合適大小的采樣電阻阻值。根據(jù)資料顯示[6]，我國工業(yè)用單個(gè)光伏板功率在120w-200w，以200w光伏板為例，選用采樣電阻阻值為2mΩ情況下，待測電流范圍為0-40A，在電流小于30A時(shí)線性度良好[7]，適合高精度大電流范圍檢測。

3 傳輸層設(shè)計(jì)

3.1 傳輸層總體設(shè)計(jì)

傳輸層在系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)接受、存儲(chǔ)、處理及轉(zhuǎn)發(fā)的作用，其軟硬件設(shè)計(jì)的可靠性往往關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。因此傳輸層以工業(yè)級(jí)設(shè)備工控機(jī)為核心，工控機(jī)通過Zigbee模塊建立與信號(hào)采集模塊之間的實(shí)時(shí)通信，并通過運(yùn)用4G技術(shù)與應(yīng)用層互聯(lián)。

3.2 Zigbee互聯(lián)模塊

本系統(tǒng)采用Zigbee模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集模塊與工控機(jī)的互聯(lián)。Zigbee技術(shù)能較好地應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

本系統(tǒng)采用樹狀式的Zigbee組網(wǎng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

配置ZigBee協(xié)調(diào)器，作為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)調(diào)器有較強(qiáng)的通信能力、處理能力和發(fā)射能力，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端。工控機(jī)作為終端節(jié)點(diǎn)，與協(xié)調(diào)器直接相連。考慮到光伏電站生產(chǎn)實(shí)際，生產(chǎn)現(xiàn)場光伏板數(shù)量較大，相應(yīng)地，以信號(hào)采集單元數(shù)量也較大，將其直接與Zigbee協(xié)調(diào)器連接不利于分區(qū)、分層管理，因此需配置部分Zigbee節(jié)點(diǎn)作為路由器，將信號(hào)處理單元通過路由器連接到協(xié)調(diào)器。

3.3 工控機(jī)

本系統(tǒng)采用以N2805為CPU的雙核雙線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），IPC機(jī)是基于PC總線的微型工業(yè)電腦，采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的輸入輸出功能，支持通電自動(dòng)開、網(wǎng)絡(luò)喚醒、長時(shí)間運(yùn)行、自動(dòng)故障診斷，相較于普通微型計(jì)算機(jī)穩(wěn)定性與可靠性有較大提升[8]。同時(shí)，工控機(jī)耐受煙霧、高溫、風(fēng)沙等環(huán)境，最高正常工作溫度可達(dá)60℃，適合應(yīng)用于光伏發(fā)電生產(chǎn)現(xiàn)場。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

工控機(jī)與遠(yuǎn)程終端通過4G實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。通過UartAssist子程序?qū)igbee串行通信模塊的數(shù)據(jù)報(bào)文解析，并用數(shù)據(jù)庫調(diào)用程序存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫中。工控機(jī)訪問數(shù)據(jù)庫，將所得數(shù)據(jù)送入后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，完成后發(fā)送給終端APP。對(duì)于終端而言，一方面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息在終端呈現(xiàn);另一方面，終端可以發(fā)出控制指令，同理，控制指令反饋給工控機(jī)，工控機(jī)通過Zigbee模塊向繼電器開關(guān)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制要求。

5 系統(tǒng)監(jiān)控策略及實(shí)現(xiàn)效果

本系統(tǒng)的監(jiān)控策略包括遠(yuǎn)程用戶控制與本地控制。用戶基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，可以遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制異常工作的光伏板與匯流箱的連接通斷;系統(tǒng)本地控制通過工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的運(yùn)算判斷子程序?qū)崿F(xiàn)，在滿足條件時(shí)切斷光伏電池與逆變器的連接，可以脫離4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作。

本地控制通過測量光照強(qiáng)度Ei和實(shí)時(shí)功率Pi，通過模型判斷光伏板是否工作在合適狀態(tài)，并給出安全的工作范圍。

查詢文獻(xiàn)可得到光伏電池每個(gè)模塊的輸出電流I和輸出電壓V之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[9]

在系統(tǒng)中不可避免地存在測量誤差、隨機(jī)誤差，使得測得的光照強(qiáng)度Ei和輸出功率Pi與真實(shí)值有偏離。以額定功率為300W的光伏板為例，引入隨機(jī)擾動(dòng)的思想，得到置信度為0.95的雙側(cè)置信區(qū)間S，如圖6所示。其意義為：在圖中S區(qū)域內(nèi)工作狀態(tài)稱為安全運(yùn)作狀態(tài)。

基于上述的光伏電池建模結(jié)果，系統(tǒng)本地控制功能實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制光伏板與發(fā)電系統(tǒng)斷開的條件，為以下兩個(gè)判據(jù)有至少一個(gè)成立：（1）工作溫度超過額定工況溫度;

（2）光伏電池工作點(diǎn)離開安全工作區(qū)一定時(shí)間？駐t。

通過查閱文獻(xiàn)[10-11]，光伏電池故障時(shí)，繼電器開關(guān)控制光伏電池與匯流設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電弧，對(duì)電網(wǎng)及其他光伏組件產(chǎn)生沖擊電流。因此需要設(shè)置繼電器開關(guān)延時(shí)斷開，在匯流裝置中設(shè)置保護(hù)措施。同樣，不可避免地，本地控制系統(tǒng)存在Zigbee組網(wǎng)通信延時(shí)，繼電器開關(guān)機(jī)械延時(shí)。延時(shí)切斷期間光伏電池會(huì)有額外溫升，可能導(dǎo)致光伏板老化甚至引起火災(zāi)。因此系統(tǒng)通過有效切除率這一指標(biāo)來定量描述系統(tǒng)的監(jiān)控預(yù)警效果。

有效切除率：光伏組件達(dá)到最高耐溫前有效切除光伏組件與電網(wǎng)連接的概率。選用？駐t為5s時(shí)的實(shí)驗(yàn)狀況下，能最大程度地保證光伏電池發(fā)電量，對(duì)于由太陽輻射強(qiáng)度與環(huán)境溫度等外部環(huán)境條件的變化而導(dǎo)致的光伏電池過熱的問題，本地控制的有效切除率可以達(dá)到95.6%;對(duì)于由光伏板質(zhì)量不合格、隱裂等問題引起的光伏電池發(fā)熱問題，有效切除率最低可以達(dá)到60%。

6 結(jié)束語

本文通過光伏發(fā)電理論分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)光伏電站分布偏遠(yuǎn)等特點(diǎn)，提出了一種基于Zigbee技術(shù)和4G技術(shù)的系統(tǒng)化光伏電站電氣火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。主要完成了以下工作：（1）提出了一套層級(jí)化設(shè)計(jì)的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)層級(jí)的設(shè)備選型與連接方式作了詳細(xì)介紹。（2）設(shè)計(jì)了一套基于光伏電池建模的監(jiān)控策略，從工作溫度、安全運(yùn)作區(qū)間等角度精確判斷光伏板工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制與本地控制兩種控制方式。（3）運(yùn)用4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看與控制功能。

光伏發(fā)電電氣火災(zāi)防控是一項(xiàng)需要不同行業(yè)協(xié)作，共同參與治理的系統(tǒng)性工程。本監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要作為一種成本不高、預(yù)測性強(qiáng)、容易實(shí)施的技術(shù)性手段，主要針對(duì)光伏板進(jìn)行參數(shù)檢測、遠(yuǎn)程預(yù)警與控制。本系統(tǒng)選用的設(shè)備大多為工業(yè)級(jí)設(shè)備，可適應(yīng)不同氣候環(huán)境要求，適合應(yīng)用于光伏發(fā)電現(xiàn)場。隨著光伏發(fā)電在我國進(jìn)一步普及，以及“安全生產(chǎn)”工業(yè)生產(chǎn)原則的進(jìn)一步落地，此系統(tǒng)在解決并網(wǎng)光伏發(fā)電安全性問題領(lǐng)域，必將展示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

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