光伏電站電氣火災監控預警系統研究

劉璟璇　高源辰　楊志豪　劉皓明

摘? 要：目前光伏發電在我國發展勢頭十分迅猛，但暴露的安全問題也不容忽視，基于光伏發電現實生產需求，以及國家標準對于光伏發電并網的監控要求，設計了此光伏電站電氣火災監控預警系統。系統分為監控層、傳輸層、應用層，結合Zigbee、4G技術等技術，旨在實現光伏發電本地控制、遠程數據呈現以及遠程控制等功能。系統結合光伏電池建模，提出了一套全面的監控策略，為提升光伏發電安全效能提供高效解決方案。

關鍵詞：光伏發電;監控預警;安全;工控機;Zigbee

中圖分類號：TM615? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，我國光伏發電持續快速發展。截止2019年5月裝機總容量超過2.043億千瓦[1]，技術水平不斷提升，成本顯著降低，開發建設質量和消納利用明顯改善，在部分地區實現了家庭分布式光伏并入電網，為建設清潔低碳、安全高效能源體系發揮了重要作用。然而，光伏發電帶來的安全問題非常嚴峻。夏季溫度過高、太陽輻射強度過大等環境因素，以及光伏板隱裂等自身安全問題，都會導致光伏電池過熱甚至燒毀，引發串組光伏板大面積火災。

目前光伏電站監控系統采用的通信技術主要有IEEE802.15.4標準的Zigbee通信組網技術、工業RS485總線以及4G技術[2]。Zigbee技術反應時間短，功耗低，但傳輸距離有較大限制，適合于光伏電站本地數據呈現與本地控制的功能要求;工業總線實時性好，但鋪設成本高，對于偏遠的光伏電站監控是不可實現的;4G技術可靠性高，適合遠程數據傳輸。

根據GB/T31366-2015（《光伏發電站監控系統技術要求》），該標準規定了適用于光伏發電并網監控裝置和系統的相關要求。通過查閱資料[3]，我國光伏發電系統最主要起火部件為光伏板，其火災數量達到光伏發電火災總量的42%，筆者基于該標準設計此光伏電站電氣火災監控預警系統，主要針對光伏板進行監控保護，實現光伏發電實時數據遠程呈現、遠程預警與遠程控制，以確保光伏發電生產單位安全性。

1 系統總體設計

光伏電站大多分布偏遠，發電現場天氣環境多變，不利于精密電子儀器工作;而監控預警系統要求控制設備可靠性要求高、設備安裝運營成本較低。根據設備安裝運營的地點，本系統分為監控層、傳輸層、應用層三個層級。監控層主要實現現場數據采集與上傳功能，并且根據反饋信號控制光伏板通斷，其設備一般考慮安裝在戶外光伏發電現場;傳輸層作為系統核心部分，其作用在于完成數據接收、處理和發送，其設備應考慮安裝在光伏電站室內;應用層是基于4G面向系統管理者和用戶的層級，其系統管理PC端和終端APP不受地域條件的限制。

（1）監控層。該層配置的監控設備主要包括安裝在各個光伏板上的信號采集單元和與光伏板相連的繼電器開關模塊。信號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數字光強度傳感器）和與光伏板相連的電氣測量裝置（IM1253功率測量模塊），用以實時采集光伏板的實時參數并上傳至傳輸層。監控層根據傳輸層指令通過繼電器開關控制光伏板工作狀態。

（2）傳輸層。該層級以工控機為核心，用以處理監控層的信號;工控機通過Zigbee模塊和監控層相連，和應用層設備通過4G相連。

（3）應用層。應用層包括PC端的系統管理端，以及APP用戶服務端。PC端是系統管理者用以監控系統工作狀態及網絡維護;用戶通過APP用戶服務端查看光伏板工作狀態，接受報警信息，并控制光伏板工作狀態。

2 監控層設計

2.1 監控層總體設計

監控層主要實現現場數據采集與控制功能，具體包括傳感器模塊、功率計量模塊以及繼電器開關模塊。傳感器模塊和功率測量模塊獲取實時參數，通過Zigbee模塊與傳輸層設備連接;Zigbee模塊和繼電器開關控制信號輸入管腳相連，用以控制光伏板工作狀態。

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。這是一種單總線數字式溫度傳感器，體積小，抗干擾能力強，成本低，精度高，便于維修與更換，適應于戶外長時間使用。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數字光強度傳感器

GY-30數字光強度傳感器采用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廣泛的亮度進行高精度測定[4]。傳感器內置16bitAD轉換器，直接數字輸出，無需模數轉換。

2.3 功率測量模塊

2.3.1 設備選型

本系統采用INA225數字功率監視器來測量光伏板瞬時輸出功率。INA226具有I2CTM或SMBUS兼容接口。該器件可實現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大小調整電流測量量程以及大電流時的線性度。

2.3.2 采樣電阻選擇

根據原理圖，INA225數字功率監視器電流測量的量程以及大電流時的線性度主要由采樣電阻Rm決定，因此需要根據光伏板設備的額定工況電壓、電流選擇合適大小的采樣電阻阻值。根據資料顯示[6]，我國工業用單個光伏板功率在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時線性度良好[7]，適合高精度大電流范圍檢測。

3 傳輸層設計

3.1 傳輸層總體設計

傳輸層在系統中起到數據接受、存儲、處理及轉發的作用，其軟硬件設計的可靠性往往關系整個系統的運行效果。因此傳輸層以工業級設備工控機為核心，工控機通過Zigbee模塊建立與信號采集模塊之間的實時通信，并通過運用4G技術與應用層互聯。

3.2 Zigbee互聯模塊

本系統采用Zigbee模塊實現信號采集模塊與工控機的互聯。Zigbee技術能較好地應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備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

本系統采用樹狀式的Zigbee組網拓補結構，拓補結構如圖4所示。

配置ZigBee協調器，作為網絡各節點信息的匯聚點，負責組建、維護和管理網絡。ZigBee協調器有較強的通信能力、處理能力和發射能力，能夠把數據發送至遠程控制端。工控機作為終端節點，與協調器直接相連。考慮到光伏電站生產實際，生產現場光伏板數量較大，相應地，以信號采集單元數量也較大，將其直接與Zigbee協調器連接不利于分區、分層管理，因此需配置部分Zigbee節點作為路由器，將信號處理單元通過路由器連接到協調器。

3.3 工控機

本系統采用以N2805為CPU的雙核雙線的工業控制計算機（IPC），IPC機是基于PC總線的微型工業電腦，采用底板+CPU卡結構，具有很強的輸入輸出功能，支持通電自動開、網絡喚醒、長時間運行、自動故障診斷，相較于普通微型計算機穩定性與可靠性有較大提升[8]。同時，工控機耐受煙霧、高溫、風沙等環境，最高正常工作溫度可達60℃，適合應用于光伏發電生產現場。其軟件設計流程如圖5所示。

4 應用層設計

工控機與遠程終端通過4G實現遠程通信。通過UartAssist子程序將Zigbee串行通信模塊的數據報文解析，并用數據庫調用程序存儲在Oracle數據庫中。工控機訪問數據庫，將所得數據送入后臺進行數據處理與分析，完成后發送給終端APP。對于終端而言，一方面實時數據、歷史數據等信息在終端呈現;另一方面，終端可以發出控制指令，同理，控制指令反饋給工控機，工控機通過Zigbee模塊向繼電器開關發送指令，實現遠程控制要求。

5 系統監控策略及實現效果

本系統的監控策略包括遠程用戶控制與本地控制。用戶基于遠程數據呈現，可以遠程精準控制異常工作的光伏板與匯流箱的連接通斷;系統本地控制通過工控機軟件設計中的運算判斷子程序實現，在滿足條件時切斷光伏電池與逆變器的連接，可以脫離4G網絡運作。

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

查詢文獻可得到光伏電池每個模塊的輸出電流I和輸出電壓V之間的數學關系[9]

在系統中不可避免地存在測量誤差、隨機誤差，使得測得的光照強度Ei和輸出功率Pi與真實值有偏離。以額定功率為300W的光伏板為例，引入隨機擾動的思想，得到置信度為0.95的雙側置信區間S，如圖6所示。其意義為：在圖中S區域內工作狀態稱為安全運作狀態。

基于上述的光伏電池建模結果，系統本地控制功能實現的自動控制光伏板與發電系統斷開的條件，為以下兩個判據有至少一個成立：（1）工作溫度超過額定工況溫度;

（2）光伏電池工作點離開安全工作區一定時間？駐t。

通過查閱文獻[10-11]，光伏電池故障時，繼電器開關控制光伏電池與匯流設備會產生電弧，對電網及其他光伏組件產生沖擊電流。因此需要設置繼電器開關延時斷開，在匯流裝置中設置保護措施。同樣，不可避免地，本地控制系統存在Zigbee組網通信延時，繼電器開關機械延時。延時切斷期間光伏電池會有額外溫升，可能導致光伏板老化甚至引起火災。因此系統通過有效切除率這一指標來定量描述系統的監控預警效果。

有效切除率：光伏組件達到最高耐溫前有效切除光伏組件與電網連接的概率。選用？駐t為5s時的實驗狀況下，能最大程度地保證光伏電池發電量，對于由太陽輻射強度與環境溫度等外部環境條件的變化而導致的光伏電池過熱的問題，本地控制的有效切除率可以達到95.6%;對于由光伏板質量不合格、隱裂等問題引起的光伏電池發熱問題，有效切除率最低可以達到60%。

6 結束語

本文通過光伏發電理論分析的基礎上，針對光伏電站分布偏遠等特點，提出了一種基于Zigbee技術和4G技術的系統化光伏電站電氣火災監控預警系統。主要完成了以下工作：（1）提出了一套層級化設計的監控預警系統設計方案，并對系統中各個層級的設備選型與連接方式作了詳細介紹。（2）設計了一套基于光伏電池建模的監控策略，從工作溫度、安全運作區間等角度精確判斷光伏板工作狀態，設計了遠程控制與本地控制兩種控制方式。（3）運用4G技術實現用戶遠程數據查看與控制功能。

光伏發電電氣火災防控是一項需要不同行業協作，共同參與治理的系統性工程。本監控預警系統主要作為一種成本不高、預測性強、容易實施的技術性手段，主要針對光伏板進行參數檢測、遠程預警與控制。本系統選用的設備大多為工業級設備，可適應不同氣候環境要求，適合應用于光伏發電現場。隨著光伏發電在我國進一步普及，以及“安全生產”工業生產原則的進一步落地，此系統在解決并網光伏發電安全性問題領域，必將展示出其獨特的優越性。

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