基于智能匯流箱的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

中圖分類(lèi)號(hào)：[TK514] 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-3769（2025）03-0027-07

在“雙碳”政策背景下，全球加速推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，清潔能源成為能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略導(dǎo)向。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)的能源解決方案，得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著光伏電站數(shù)量的迅速增加，對(duì)其進(jìn)行高效監(jiān)控和管理變得至關(guān)重要。目前，許多研究針對(duì)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)展開(kāi)，這些研究聚焦于不同技術(shù)在光伏電站監(jiān)控中的應(yīng)用，旨在解決實(shí)際問(wèn)題，提升光伏電站的運(yùn)行效率和管理水平。

在現(xiàn)代能源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)電站監(jiān)控。它通過(guò)構(gòu)建特定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效減少了人工巡檢工作量-。云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在分布式光伏電站、光伏溫室及各類(lèi)光伏系統(tǒng)監(jiān)管中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，借助多種硬件設(shè)備與軟件算法，對(duì)光伏電站進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)與管理[3-。Cat.1、LoRa等技術(shù)應(yīng)用于光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，搭配云組態(tài)等技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下顯著提升了監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率7-9。同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程智能終端通信、逆變器技術(shù)及MPPT控制等，可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。此外，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)如基于“源網(wǎng)荷”一體項(xiàng)目的平臺(tái)以及戶(hù)用光伏組件遠(yuǎn)程監(jiān)控Web端，分別基于不同架構(gòu)和技術(shù)，為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供了有效的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理方案，有力推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展[I-2]。這些研究成果從不同角度為光伏電站監(jiān)控提供了創(chuàng)新思路和有效方法，對(duì)推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在一些不足，例如每個(gè)光伏電站都需要獨(dú)立開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本較高，不同系統(tǒng)之間的兼容性和擴(kuò)展性較差，難以滿(mǎn)足多樣化的需求；在故障監(jiān)測(cè)與分析方面，現(xiàn)有系統(tǒng)的顆粒度不足，無(wú)法快速準(zhǔn)確地診斷故障，滿(mǎn)足日常監(jiān)測(cè)需求。

本文擬設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種以組串為最小監(jiān)測(cè)單位的光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障的高顆粒度監(jiān)測(cè)與分析，提高診斷效率和準(zhǔn)確性；同時(shí)，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足不同規(guī)模和架構(gòu)的光伏電站的使用需求，具有較強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，努力實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)多電站獨(dú)立監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，這樣不僅能夠降低開(kāi)發(fā)成本，還提升了光伏電站的監(jiān)控管理效率和通用性。

一、光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電主要依靠光生伏特效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程，在其大規(guī)模應(yīng)用方面，主要通過(guò)建設(shè)光伏電站來(lái)達(dá)成。而在光伏電站中，直流匯流箱能夠保證光伏組件實(shí)現(xiàn)有序連接并具備匯流功能，同時(shí)還能夠在對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、檢查時(shí)，方便工作人員切斷電路，從而有效減小停電的范圍。

就目前來(lái)看，傳統(tǒng)匯流箱大多僅具備匯流功能以及一些基本的防護(hù)功能，并不具備針對(duì)所接入光伏組件的狀態(tài)檢測(cè)功能，一旦匯流箱發(fā)生故障，工作人員必需前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障排查，極大地增加了匯流箱的維護(hù)成本。鑒于此種情況，本文提出了一種具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的智能直流匯流箱，目的為提高光伏電站的監(jiān)控管理效率，降低維護(hù)成本，滿(mǎn)足在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所出現(xiàn)的多樣化需求。

具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的智能直流匯流箱，包括箱體、箱門(mén)、觸摸屏、箱門(mén)鎖、防水接口、浪涌保護(hù)器、電流電壓變送器、銅排、直流塑殼斷路器、熔斷器、直流電源，PLC控制板、中繼器、繼電器、二極管。箱內(nèi)配置多個(gè)繼電器以實(shí)現(xiàn)每路輸入的獨(dú)立通斷控制，并裝有直流塑殼斷路器及上方的電流電壓變送器。內(nèi)置PLC控制板，根據(jù)電流電壓變送器監(jiān)測(cè)的電流值和電壓值，通過(guò)觸摸屏顯示并控制繼電器的通斷。箱門(mén)配備觸摸屏與箱門(mén)鎖，底部設(shè)多個(gè)防水接口，側(cè)面設(shè)計(jì)有多個(gè)箱體固定孔。觸摸屏與PLC控制板連接，可顯示匯流箱中每一路輸入的電流值、電壓值并支持人工控制。電流電壓變送器，PLC控制板，中繼器和觸摸屏之間采用RS485協(xié)議通信，并由直流電源統(tǒng)一供電。圖1為匯流箱的內(nèi)部主視圖，圖2為匯流箱的仰視圖。二極管（15）安裝在匯流箱上部左側(cè);正極輸入的熔斷器（10）安裝在匯流箱的下部左側(cè);繼電器（14）安裝在二極管與正極輸入的熔斷器中間；負(fù)極輸入的熔斷器分成上下兩部分安裝在匯流箱的右部；浪涌保護(hù)器（6）與直流塑殼斷路器（9）分別安裝在匯流箱的中上部，電流電壓變送器7安裝在直流塑殼斷路器（9）的上方與正極輸入的熔斷器的下部；PLC控制板（12）中繼器（13）和直流電源（11）均安裝在匯流箱的中下部。在正負(fù)極熔斷器的輸入端與直流塑殼斷路器（9）的輸出端對(duì)應(yīng)的匯流箱底部分別設(shè)計(jì)有相應(yīng)的防水接口（5）。

如圖3所示，光伏組件的正極輸出端首先經(jīng)過(guò)電流電壓變送器（7）（在電路連接圖中，XT1-XT21代表電流電壓變送器。其中XT1-XT20用于測(cè)量每一路光伏組串輸入的電流和電壓，XT21用于測(cè)量匯總電流和電壓，電流電壓變送器將這些電流數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)電壓數(shù)據(jù)采集匯總后，傳輸至PLC），然后經(jīng)過(guò)正極輸入的熔斷器后通過(guò)二極管（確保電流單向流動(dòng)，維持電路的正常運(yùn)行秩序）;負(fù)極輸入端則是經(jīng)過(guò)電流電壓變送器和負(fù)極輸入端的熔斷器之后，與正極輸人端多路輸入經(jīng)過(guò)匯流后共同通過(guò)銅排（8）流入直流塑殼路斷器（用于設(shè)備的過(guò)載、短路和欠電壓保護(hù)）。當(dāng)電壓高于1000伏時(shí)，并聯(lián)在電路中的浪涌保護(hù)器則將過(guò)高的電壓接地，防止匯流箱受到雷擊，保障匯流箱及其內(nèi)部組件的安全。

圖1智能匯流箱內(nèi)部主視圖

圖2智能匯流箱仰視圖

隨后，傳感器獲取相關(guān)信號(hào)并傳遞給中繼器，中繼器將信號(hào)匯總給PLC控制板。PLC控制板由直流電源供電，電流電壓變送器與中繼器連接，中繼器與PLC控制板連接，且電流電壓變送器、中繼器和PLC控制板之間依靠RS485協(xié)議進(jìn)行通信。PLC控制板的輸出端與繼電器電性連接，其中線圈KM1至KM20（常閉觸點(diǎn)，用于控制單組光伏組串的輸出與斷開(kāi)。當(dāng)某一組串出現(xiàn)故障時(shí)，匯流箱能夠通過(guò)這些常閉觸點(diǎn)，斷開(kāi)故障組串的輸出，保障其余19個(gè)組串正常輸出不受影響）的繼電器分別由兩塊PLC控制板控制。當(dāng)某一路光伏組件的輸出出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制板可根據(jù)電流電壓變送器采集到的數(shù)值迅速做出反應(yīng)，通過(guò)繼電器14控制對(duì)應(yīng)路的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的智能直流匯流箱作為主要驅(qū)動(dòng)載體，構(gòu)建起一個(gè)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠直接實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的故障監(jiān)測(cè)與分析，并且適用于不同規(guī)模和構(gòu)架的光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)具備滿(mǎn)足不同規(guī)模和架構(gòu)光伏電站監(jiān)測(cè)的特性，用戶(hù)可以通過(guò)服務(wù)器讀取匯流箱信息，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)與分析。在圖4所示的參數(shù)界面，用戶(hù)可靈活設(shè)置組串上下限，不僅能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)不同組件產(chǎn)生的組串結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)對(duì)這些參數(shù)以及點(diǎn)位數(shù)的設(shè)置，使系統(tǒng)能夠完美適應(yīng)不同規(guī)模的電站。一旦采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的上下限范圍，系統(tǒng)便能迅速進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)與分析。其中，電站信息用于區(qū)分不同電站的名稱(chēng)標(biāo)識(shí)；總面積指電站建設(shè)占用的土地面積；裝機(jī)容量為電站發(fā)電設(shè)備額定功率總和；監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量是從匯流箱可監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置數(shù)量；功率密度表示單位面積上太陽(yáng)能輻射的平均功率；組件傾角即光伏組件安裝時(shí)與水平面的夾角；組件使用面積是光伏組件用于發(fā)電的實(shí)際面積；電流、電壓上/下限則是光伏組件正常輸出的電流、電壓范圍，設(shè)置上下限可以很好地根據(jù)該電站光伏組件的參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，這也是該系統(tǒng)可以用于不同容量、不同光伏組件設(shè)備的電站監(jiān)控的原因。而可能出現(xiàn)的故障及原因分析如表1所示，根據(jù)表1的故障分析情況，監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程預(yù)判光伏電站的故障問(wèn)題。

圖3智能匯流箱電路連接圖

由于系統(tǒng)具備可適應(yīng)不同電站且直接實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)分析的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，用戶(hù)可借助圖5所示的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，便捷獲取組串編碼、設(shè)備狀態(tài)、組串電流、組串電壓、組串功率、匯流箱編號(hào)、匯流箱總功率、匯流箱濕度、匯流箱溫度、上報(bào)時(shí)間等數(shù)據(jù)。其中，組串編碼用于定位故障組串，設(shè)備狀態(tài)由數(shù)據(jù)分析得出，組串電流、電壓、功率由XT1-XT20測(cè)量，匯流箱編號(hào)用以區(qū)分不同匯流箱。其總電流、總電壓和總功率由

修改點(diǎn)位信息

圖4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)界面圖

表1光伏電站常見(jiàn)故障分析表

圖5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)報(bào)表

圖6監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

XT21測(cè)得，匯流箱溫、濕度通過(guò)傳感器采集，可輔助判斷箱內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀況。同時(shí)，該界面提供篩選與導(dǎo)出功能，用戶(hù)可利用組串編碼進(jìn)行模糊查詢(xún)，并通過(guò)上報(bào)時(shí)間進(jìn)行組合查詢(xún)，充分滿(mǎn)足不同用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)處理的多樣化需求，體現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性與實(shí)用性。

三、實(shí)驗(yàn)成效

通過(guò)給一個(gè)900平方米的光伏電站進(jìn)行部署，其中裝有 110kWp 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位裝機(jī)容量、20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量，每個(gè)組串供電30伏，經(jīng)過(guò)設(shè)備運(yùn)行，可得到如圖6所示的監(jiān)控系統(tǒng)界面。

參數(shù)設(shè)置部分包括點(diǎn)位信息模塊（監(jiān)測(cè)點(diǎn)位裝機(jī)容量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位數(shù)量）效能分析模塊（功率密度、組件傾角、組件使用面積）。在點(diǎn)位信息模塊中，總面積代表輸入光伏電站總體占地面積值，裝機(jī)容量代表輸入光伏電站裝機(jī)容量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量代表輸入整個(gè)光伏電站的具體使用點(diǎn)位數(shù)量，也就是總

組串?dāng)?shù)。

在效能分析模塊中，功率密度可根據(jù)氣象信息或光傳感器信息輸入太陽(yáng)光功率面積（此處可在后續(xù)使用中直接接入傳感器數(shù)據(jù)），組件傾角需輸入組件架設(shè)的太陽(yáng)傾角值，組件使用面積則根據(jù)組件的數(shù)量和面積輸入光伏電站所用組件的總面積。

點(diǎn)位信息模塊、效能分析模塊均通過(guò)點(diǎn)位信息模塊進(jìn)行維護(hù)與管理。其中點(diǎn)位信息顯示電站裝機(jī)容量及當(dāng)前監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位數(shù)量，其他模塊數(shù)據(jù)均由組串設(shè)備上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析與展示。

數(shù)據(jù)采集部分包括運(yùn)營(yíng)信息模塊、點(diǎn)位離線日志模塊、發(fā)電監(jiān)測(cè)模塊、近7日發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模塊、本年度發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模塊、發(fā)電量對(duì)比模塊、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)功率TOP5模塊、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)發(fā)電量TOP5模塊。其中，運(yùn)營(yíng)信息模塊根據(jù)組串設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)滾動(dòng)展示匯流箱采集并上報(bào)的異常事件數(shù)據(jù)；點(diǎn)位離線日志模塊顯示電流/電壓異常或組件信號(hào)中斷時(shí)的上報(bào)記錄，用于快速排查通訊故障；發(fā)電量對(duì)比模塊可通過(guò)下拉列表選擇全部組串或指定組串，對(duì)比兩個(gè)日期的發(fā)電數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)功率/發(fā)電量TOP5模塊實(shí)時(shí)展示各點(diǎn)位發(fā)電能力排名，輔助分析電站布局合理性；發(fā)電監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站總發(fā)電量、今日發(fā)電量及實(shí)時(shí)功率；近7日發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模塊可以通過(guò)下拉列表選擇全部組串或指定組串查看近7日的發(fā)電情況；本年度發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模塊可監(jiān)測(cè)記錄各個(gè)月份的總發(fā)電量。

系統(tǒng)采用效能分析模塊來(lái)對(duì)電站整體發(fā)電情況進(jìn)行分析，包括光電轉(zhuǎn)化效率和電站系統(tǒng)效率。

光電轉(zhuǎn)化效率是指太陽(yáng)電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的能力，它是一個(gè)重要的參數(shù)，用于衡量太陽(yáng)能電池的性能。光電轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式為：

η=P_m÷A×P_m

其中， P_m 是電池片的峰值功率，A是電池片面積， P_m 是單位面積的入射光功率。

電站系統(tǒng)效率是衡量光伏電站將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能力，并考慮了整個(gè)電站的電力損耗等因素。電站系統(tǒng)效率的計(jì)算公式3為：

PRT=ET（Pe×hT）

其中， PRT 是 T 時(shí)間段內(nèi)的平均系統(tǒng)效率， ET 是 T 時(shí)間段內(nèi)光伏電站內(nèi)上網(wǎng)電量， Pe 是光伏組件標(biāo)稱(chēng)裝機(jī)容量， hT 是 T 時(shí)間段內(nèi)峰值輻照小時(shí)數(shù)。

四、結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)成效，我們可以看出此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，該系統(tǒng)通過(guò)硬件與軟件的良好設(shè)計(jì)，讓用戶(hù)能夠便捷地利用手機(jī)或計(jì)算機(jī)登錄專(zhuān)屬網(wǎng)站，對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與即時(shí)控制，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)配備的可視化大屏，能夠直觀獲取光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。這一特性不僅提升了管理的便捷性，還確保了光伏電站運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性。同時(shí)，系統(tǒng)采用了按指定規(guī)則編號(hào)的組串監(jiān)測(cè)設(shè)備，確保了兼容性和靈活性，使得同一系統(tǒng)能夠輕松適應(yīng)不同規(guī)模和構(gòu)架的光伏電站需求，為用戶(hù)提供了更加多樣化的選擇。最重要的是，系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)與分析功能，能夠準(zhǔn)確識(shí)別如組串電流、電壓異常等故障并分析原因及時(shí)預(yù)警，大大提高了故障處理的效率，減少停機(jī)時(shí)間，顯著降低了新能源電站建設(shè)成本及軟件開(kāi)發(fā)周期，有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式工作量大、數(shù)據(jù)分析難以及現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本高、兼容性和擴(kuò)展性差、故障監(jiān)測(cè)顆粒度不足等問(wèn)題，全面提升了整體運(yùn)營(yíng)效率與經(jīng)濟(jì)效益。

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Design and Research of a Photovoltaic Power Station Monitoring System Based on Intelligent Combiner Boxes

XU Jin-long1，WANG Lina’， ZHENG Bo-wen’，JIANG Bo-wen'， ZHENG Xin-ru2，CHEN Zi-jian2 （1. Tianjin CRRC Equipment Co.，Ltd.，Tianjin 300112，China；2. Tianjin Sino-German Universityof Applied Sciences，Tianjin 30o350，China）

Abstract：Aiming at the situation of heavy workload and high difficulty in data analysis in traditional on -site monitoring methods of photovoltaic power generation systems，a new remote monitoring system for photovoltaic power stations based on cloud servers is proposed. This system integrates multiple functional modules such as power generation monitoring，statistics of power generation in the past 7 days，and statistics of power generation in the current year，aiming to meet the monitoring needs of photovoltaic power stations of diferent scales and architectures.It is also capable of directly monitoring and analyzing common faults in photovoltaic power generation systems，such as communication faults，data anomalies，and system faults，therebypromoting the intelligent management of photovoltaic power generation systems and ensuring their stable operation.To adapt to the actual needs of diffrent projects，the system is designed to support dynamic access to up to 250 monitoring points，and ensures strong compatibility through the use of string monitoring equipment that arenumbered according to specified rules.Thisnot only facilitates the access to subsequent photovoltaic projects but also ffectively reduces the overall operation and maintenance costs.In addition，the system is equipped with multi -channel monitoring and control functions，further enhancingits flexibilityandpracticality.

Key Words：Photovoltaic Power Station；Monitoring System；Fault Diagnosis and Analysis; ：ombiner Box