光伏電站運(yùn)維管理中故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究

晉控電力山西新能源有限公司 何 曉

1 光伏電站運(yùn)維管理故障診斷的必要性

本廠光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量達(dá)到100MW，利用布局的光伏板塊實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換處理，從而生產(chǎn)電能。在電站運(yùn)營(yíng)階段，須時(shí)刻檢測(cè)光伏板塊各關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行功率，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并處理。但因電廠建設(shè)位置在偏遠(yuǎn)地區(qū)，實(shí)際占地面積較大、外部環(huán)境惡劣，專業(yè)人員較為缺乏，各種設(shè)備的設(shè)計(jì)都已落后，當(dāng)前還未采用有效的光伏發(fā)電設(shè)備運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)或工具，導(dǎo)致發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程存在隱患，降低了發(fā)電量。

尤其是電廠運(yùn)行的年份較長(zhǎng)，各類設(shè)備漸漸老化也導(dǎo)致故障發(fā)生率提高，運(yùn)維管理變得愈發(fā)困難，人工運(yùn)維手段已然無(wú)法滿足需求，故而本次結(jié)合智能化技術(shù)的運(yùn)用，探析了光伏電站運(yùn)維管理中故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和診斷模式的設(shè)計(jì)。

光伏電站發(fā)展運(yùn)行的目標(biāo)是在不限電條件下實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量，但各種因素的限制使其發(fā)電量無(wú)法達(dá)到最佳狀態(tài)，主要是發(fā)電能力受到設(shè)備性能的影響，如匯流箱電壓較低、組串輸出電流不高以及逆變器輸出功率較低等，其都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降，影響最終發(fā)電量，當(dāng)這些關(guān)鍵組件出現(xiàn)故障時(shí)，還會(huì)給整體發(fā)電帶來(lái)較高的電量損耗，如逆變器會(huì)因轉(zhuǎn)換效率與最大功率點(diǎn)不達(dá)標(biāo)產(chǎn)生一定損耗，因此開(kāi)展光伏發(fā)電運(yùn)維管理時(shí)，針對(duì)各組件結(jié)構(gòu)的故障診斷和監(jiān)測(cè)愈發(fā)重要。

2 光伏電站運(yùn)維管理中的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

為滿足光伏電站運(yùn)維管理需求，其實(shí)施故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還須注意以下幾點(diǎn)要求：首先是科學(xué)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)與原理來(lái)看，其關(guān)鍵組件包括匯流箱、逆變器以及光伏陣列等，這些也是監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋的重點(diǎn)；其次要重視數(shù)據(jù)采集和傳輸處理，主要運(yùn)用先進(jìn)傳感器設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)類型包括電流、電壓、溫度以及光照強(qiáng)度等，最終數(shù)據(jù)會(huì)送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心；再次是做好數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理，在系統(tǒng)內(nèi)可搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)分類整理、歸檔，關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)還需做好備份，之后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，確保其完整、安全；最后是開(kāi)展數(shù)據(jù)分析工作，結(jié)合性能要求分析采集數(shù)據(jù)，像是圍繞著參數(shù)對(duì)發(fā)電量的影響分析，最終生成評(píng)估性的監(jiān)測(cè)報(bào)告，為進(jìn)一步的運(yùn)維工作奠定良好基礎(chǔ)[1]。

2.2 系統(tǒng)通信技術(shù)的選擇

此次研究的光伏電站故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要選擇無(wú)線通信技術(shù)，相比于有線通信技術(shù)來(lái)說(shuō)，其無(wú)須實(shí)施復(fù)雜布線，也能夠降低安裝及維護(hù)的實(shí)際成本，同時(shí)功耗也比較低。該類型技術(shù)多會(huì)采用射頻通信原理，基于通信機(jī)制的不同還會(huì)劃分為藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee 技術(shù)以及Wi-fi 技術(shù)，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，表1為各種無(wú)線射頻通信技術(shù)的性能及參數(shù)對(duì)比。

表1 各種無(wú)線射頻通信技術(shù)的性能及參數(shù)對(duì)比

由于光伏發(fā)電的組件復(fù)雜且多，為了確保數(shù)據(jù)可靠傳輸，同時(shí)考慮到系統(tǒng)后續(xù)開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展需求，本廠決定在搭建在線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)選定ZigBee技術(shù)支持通信，該技術(shù)通過(guò)路由器、協(xié)調(diào)器等裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效選擇和中轉(zhuǎn)，還配備了專業(yè)采集傳感器，形成多類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)主要依據(jù)網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)

在布置的光伏電站采集節(jié)點(diǎn)上，要保證硬件結(jié)構(gòu)順利采集電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)等，基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收發(fā)，因此其硬件設(shè)計(jì)可圍繞下述幾點(diǎn)。

第一，核心控制模塊可選擇CC2530型號(hào)芯片的微處理器，這種處理裝置遵循了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議，還可以選擇Flash 容量，在發(fā)生斷電情況之后仍舊可以將采集數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，重啟系統(tǒng)并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)后可直接搜索，因此具有較強(qiáng)的可靠性及穩(wěn)定性。

第二，對(duì)于采集電流和電壓數(shù)據(jù)電路，其將會(huì)傳送故障監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)，因此可基于特性需求來(lái)設(shè)計(jì)，本廠的電流采集電路安裝了型號(hào)為ACS712-20A的霍爾轉(zhuǎn)傳感器，其可針對(duì)直流電流高效采集，設(shè)計(jì)測(cè)量的電流范圍在-20～+20A，誤差標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)超過(guò)1.5%，運(yùn)行時(shí)電壓為5V，內(nèi)部電阻較小，故而能夠減少損耗功率。電壓采集電路的設(shè)備應(yīng)基于電壓參考值3.3V 選擇，本廠光伏生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用了電阻串聯(lián)分壓的方式，因此可以在電路中布置AD 轉(zhuǎn)換通道。

第三，光伏設(shè)備及電路的溫度參數(shù)采集方面設(shè)計(jì)了溫度傳感器，其規(guī)格為DS18B20且具有3個(gè)引腳，測(cè)量溫度的變化范圍從-55℃到125℃，主要采集光伏組件的背板位置溫度，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電壓為5.5V，數(shù)據(jù)采集偏差不會(huì)超過(guò)±0.5℃。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

首先是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置，本廠光伏發(fā)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的協(xié)議棧版本為Zstack-2.5.1a，其結(jié)合了main（）函數(shù)，為系統(tǒng)的初始化和各項(xiàng)操作執(zhí)行提供支持，函數(shù)性質(zhì)為無(wú)返回值、持續(xù)循環(huán)。其次是下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的布置設(shè)計(jì)，圍繞著ZigBee網(wǎng)絡(luò)特性需求，開(kāi)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)程序、協(xié)調(diào)器程序以及路由器程序。最后是上位機(jī)管理軟件的開(kāi)發(fā)，基于LabVIEW 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要設(shè)計(jì)用戶管理模塊（包括用戶注冊(cè)、身份信息匹配以及密碼設(shè)置等功能）、串口通信模塊（借助協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)信息并下發(fā)指令）、數(shù)據(jù)管理模塊（包括數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)以及查詢歷史數(shù)據(jù)等功能）。

3 光伏電站運(yùn)維管理中的故障診斷技術(shù)運(yùn)用

光伏電站開(kāi)展運(yùn)維管理工作，對(duì)故障的準(zhǔn)確判斷將會(huì)影響針對(duì)性處理效果，因而要結(jié)合實(shí)際需求采用適宜的、科學(xué)的以及有效的診斷技術(shù)，主要是基于粒子群優(yōu)化算法并搭建數(shù)學(xué)分析模型來(lái)增強(qiáng)診斷的可靠性，實(shí)際診斷方法的運(yùn)用形式包括下述兩種。

3.1 結(jié)合偏差率參數(shù)計(jì)算的故障診斷方法

光伏電站的發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程中，其核心設(shè)備運(yùn)行參數(shù)應(yīng)當(dāng)處于一個(gè)穩(wěn)定范圍，但若是遇到故障情況，參數(shù)就會(huì)出現(xiàn)較大偏差，基于實(shí)際偏差率的測(cè)定與計(jì)算能夠判斷各單元在某個(gè)時(shí)期運(yùn)行是否穩(wěn)定，確認(rèn)性能是否良好，再結(jié)合自動(dòng)化、智能化的診斷定位確認(rèn)故障位置與表現(xiàn)類型，對(duì)于確保運(yùn)維管理設(shè)備的穩(wěn)健運(yùn)行及優(yōu)化功能來(lái)說(shuō)很有幫助，也能促進(jìn)光伏電站發(fā)電量的進(jìn)一步提高。

可基于偏差率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)搭建診斷故障的模型，模型實(shí)際診斷操作的流程包括以下三點(diǎn)：對(duì)于光伏發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)施周期性采集，還要?jiǎng)澐殖刹煌瑫r(shí)間段；自動(dòng)整理同一設(shè)備不同單元在相同時(shí)間段內(nèi)的參數(shù)，再比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)據(jù)了解設(shè)備不同單元運(yùn)行偏差情況；基于設(shè)備不同單元性能指標(biāo)產(chǎn)生的偏差，進(jìn)一步明確設(shè)備運(yùn)行的性能水平，方便提出整改維修的對(duì)策[2]。

從光伏發(fā)電設(shè)備內(nèi)部各單元性能指標(biāo)的測(cè)量執(zhí)行出發(fā)，其實(shí)際測(cè)量的指標(biāo)參數(shù)類型眾多，包括單元電流、溫度、單位容量電流、單位容量溫度、單位容量輸出功率，以及單元輸出功率等，不同單元還會(huì)有多種數(shù)據(jù)。在此次研究的本廠案例中，針對(duì)匯流箱設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，該設(shè)備內(nèi)部包含支路數(shù)目為16條，所有支路都配置了1串光伏組，在故障診斷分析匯流箱性能時(shí)，則可直接測(cè)定各支路輸出電流參數(shù)，一般衡量規(guī)則時(shí)輸出電流值越大表示性能越佳，結(jié)合上述概況可知，其電流測(cè)量診斷故障時(shí)，主要測(cè)量支路單元電流、容量電流、溫度等相關(guān)指標(biāo)。此外，還有逆變器設(shè)備也會(huì)影響電能生產(chǎn)，其實(shí)際故障診斷會(huì)測(cè)量分析支路溫度、支路輸出功率以及單位容量輸出功率等指標(biāo)參數(shù)的偏差情況。

單個(gè)設(shè)備性能指標(biāo)存在偏差，將會(huì)影響總體光伏發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行，而這種偏差可劃分成正向性能偏差及負(fù)向性能偏差，前者在偏差值變大過(guò)程中性能也會(huì)越來(lái)越佳，后者則是完全相反，由此可判定個(gè)體設(shè)備在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行性能情況，其與性能指標(biāo)存在明顯映射聯(lián)系，分析是否發(fā)生故障。比如，匯流箱支路的電流指標(biāo)與功率指標(biāo)，同匯流箱設(shè)備運(yùn)行性能間存在正比關(guān)系，因而若測(cè)量發(fā)現(xiàn)功率、電流參數(shù)靠近標(biāo)準(zhǔn)值，則表示設(shè)備具有較好的性能狀態(tài)，否則表示性能下滑存在故障問(wèn)題，同樣原理，匯流箱支路的溫度指標(biāo)和匯流箱設(shè)備運(yùn)行性能間存在反比關(guān)系，故而支路溫度越高，則表示設(shè)備性能狀態(tài)越差，判斷其發(fā)生故障。

偏差率參數(shù)的相關(guān)算法原理是對(duì)比分析光伏電站設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)和預(yù)置門限參數(shù)間的差值，相關(guān)對(duì)比結(jié)果除以預(yù)置門限參數(shù)就可得到偏差率，以此來(lái)判斷設(shè)備是否滿足了預(yù)期運(yùn)行性能的需求，對(duì)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)設(shè)備性能情況進(jìn)行了解。實(shí)際分析時(shí)要明確設(shè)定預(yù)置門限參數(shù)，其主要包括兩點(diǎn)，一是數(shù)值門限參數(shù)，二是比例門限參數(shù)，且分別具有偏差值的上限及下限。

如在本文研究的光伏電站運(yùn)維中，相關(guān)設(shè)備的比例門限預(yù)置設(shè)定為上限70%、下限50%，若所有設(shè)備在相同時(shí)間點(diǎn)的各單元性能均值指標(biāo)參數(shù)為A，則其比例上限為70%A，比例下限則為50%A，像是匯流箱支路的指標(biāo)偏差低于了50%A，則判斷其出現(xiàn)故障，之后系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，人員深入檢修后發(fā)現(xiàn)某支路電池組件內(nèi)部的匯流帶發(fā)生斷裂情況，可重新焊接或直接更換處理[3]。

3.2 結(jié)合離散率參數(shù)計(jì)算的故障診斷方法

光伏電站設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵性能參數(shù)可基于離散率相關(guān)模型分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障診斷，判斷設(shè)備性能指標(biāo)離散率是否與標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致性。本廠光伏發(fā)電的匯流箱、逆變器等重要設(shè)備都會(huì)形成組串電流，可將電流指標(biāo)采用離散率算法分析，能夠反映出兩個(gè)設(shè)備電池組發(fā)電的綜合狀態(tài)，一般計(jì)算得到的離散率值較小時(shí)，表示其內(nèi)部電池組串聯(lián)電流較為集中，變化曲線趨勢(shì)相近，實(shí)際發(fā)電也會(huì)愈發(fā)穩(wěn)定、可靠。

以下是假定j 時(shí)刻電廠逆變器設(shè)備，或匯流箱設(shè)備實(shí)際組串電流參數(shù)基于離散率模型計(jì)算的有關(guān)公式：CV=σ/μ，式中：j 時(shí)刻相關(guān)設(shè)備組串電流計(jì)算的離散率用CV 表示，該項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)主要采用統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)差方法進(jìn)行計(jì)算，電流數(shù)據(jù)實(shí)際采集的時(shí)間點(diǎn)即為j，該時(shí)刻測(cè)量組串平均電流的結(jié)果用μ 表示，該時(shí)刻逆變器或匯流箱組串電流的標(biāo)準(zhǔn)差用σ 表示。

基于各時(shí)刻結(jié)果的加權(quán)平均值計(jì)算，就可得到逆變器或匯流箱全天候組串電流的相關(guān)離散率結(jié)果。光伏發(fā)電的已有經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電廠逆變器或匯流箱組串電流離散率結(jié)果可劃分成4項(xiàng)取值范圍，其對(duì)應(yīng)的性能表現(xiàn)見(jiàn)表2。

表2 光伏發(fā)電逆變器或匯流箱組串電流離散率結(jié)果與對(duì)應(yīng)性能表現(xiàn)

本廠在進(jìn)行離散率模型的故障診斷時(shí)，發(fā)現(xiàn)匯流箱組串電流離散率大于20%，因而判斷其存在故障問(wèn)題，會(huì)影響到正常發(fā)電，之后通過(guò)調(diào)整接線及更換保險(xiǎn)絲操作排除了故障[4]。

綜上所述，光伏電站的運(yùn)維管理直接影響到發(fā)電水平，實(shí)際運(yùn)維中要重點(diǎn)關(guān)注故障監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并進(jìn)行處理。由本文分析可知，光伏電站運(yùn)維管理中運(yùn)用的故障診斷技術(shù)類型包括結(jié)合偏差率參數(shù)計(jì)算的故障診斷方法、結(jié)合離散率參數(shù)計(jì)算的故障診斷方法。