基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)_圖文

1、·建筑節(jié)能· 梁新田(1982,男,工程師,從事光伏并網(wǎng)逆變器方面的研究。徐志華(1982,女,工程師,從事電器可靠性方面的研究?；谖锫?lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)梁新田1,徐志華2(1保定科諾偉業(yè)控制設(shè)備有限公司,河北保定071000;2中鐵電氣化局保定鐵道變壓器有限公司,河北保定071000摘要:搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控平臺(tái)。以光伏發(fā)電系統(tǒng)故障檢測(cè)算法和設(shè)備的優(yōu)化管理為基礎(chǔ),通過(guò)建立性能評(píng)估模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估。運(yùn)行結(jié)果表明,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效果好、性能穩(wěn)定可靠,具有很高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);光伏發(fā)電;智能監(jiān)控

2、系統(tǒng);可靠性中圖分類(lèi)號(hào):TU 852文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):1674-8417(201504-0015-040引言根據(jù)目前基礎(chǔ)條件和政策導(dǎo)向的分析,我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)調(diào)整將有望走出低迷,預(yù)計(jì)“十二五”末光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到40GW ,到2020年有可能突破100GW 。隨著規(guī)模性的太陽(yáng)能電站在國(guó)內(nèi)陸續(xù)建設(shè)并投入運(yùn)行,如何實(shí)時(shí)了解電站的運(yùn)行狀況,如何滿(mǎn)足上一級(jí)系統(tǒng)或電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)控需求,成為亟待解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏電站系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測(cè)預(yù)警、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、能源調(diào)度與分配,對(duì)提高光伏系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本具有重要的意義。本文建立了一個(gè)區(qū)域分布式光伏發(fā)

3、電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控平臺(tái),融合智能無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)、實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘分析平臺(tái)技術(shù),以及整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的可視化技術(shù)和故障預(yù)測(cè)與優(yōu)化檢修技術(shù)。1系統(tǒng)概況該項(xiàng)目以10MW 屋頂BIPV 光伏發(fā)電示范工程項(xiàng)目為研究依托,分成若干子系統(tǒng)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集傳感器的選擇配置;構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信傳輸網(wǎng)絡(luò);通過(guò)光伏電站管理中心,構(gòu)建基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的監(jiān)控平臺(tái),并設(shè)計(jì)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理策略;基于區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息,研究建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型、特征曲線(xiàn)、故障檢測(cè)、系統(tǒng)性能評(píng)估方法及數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)的可視化技術(shù)等。基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。2系統(tǒng)技術(shù)方案21系統(tǒng)數(shù)

4、據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊主要由單片機(jī)、電源電路、數(shù)據(jù)采樣電路、無(wú)線(xiàn)通信電路和外殼組成,可以采集當(dāng)?shù)亟尤朦c(diǎn)各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)先配置的上傳策略進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào),這些數(shù)據(jù)可通過(guò)模擬或數(shù)字接口導(dǎo)出給無(wú)線(xiàn)傳感器通信模塊。采集模塊分布在太陽(yáng)能光伏組件、匯流箱、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜等系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。其中光伏組件的數(shù)據(jù)采集模塊安裝在背板上,與接線(xiàn)·建筑節(jié)能· 圖1基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架盒相連,可以采集直流電壓、直流電流、平均功率、日輻照量、風(fēng)速、環(huán)境溫度、光伏組件溫度。光伏逆變器的數(shù)據(jù)采集模塊主要采集輸入直流電壓/電流、輸出交流電流/電壓、輸出功率、電網(wǎng)電流、

5、電網(wǎng)電壓等參數(shù)。逆變器輸入端的直流電壓、電流和輸出端的三相交流電壓、電流都是通過(guò)霍爾傳感器測(cè)得。設(shè)計(jì)選用霍爾電壓CLSM-10MA 傳感器,電源電壓為15V ,絕緣電壓為5kV ,輸入額定電流為10mA ,輸出額定電流為25mA 。逆變器輸出端三相交流電壓采樣電路如圖2所示。 圖2逆變器輸出端三相交流電壓采樣電路圖2中,U sa 、U sb 、U sc 為霍爾電壓傳感器采集到的輸出信號(hào),利用運(yùn)算放大器LF247將霍爾電壓傳感器的輸出信號(hào)送到同步采樣A /D 轉(zhuǎn)換器引腳AD1、AD2、AD3。22通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建光伏發(fā)電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3光伏發(fā)電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于無(wú)線(xiàn)傳感器

6、網(wǎng)絡(luò)的通信模塊是項(xiàng)目技術(shù)方案的關(guān)鍵,其工作原理是利用IEEE 802154的短距無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)作為節(jié)點(diǎn)之間的通信信道,并通過(guò)系統(tǒng)芯片SOC 來(lái)控制外接的各類(lèi)傳感模塊,定時(shí)讀取太陽(yáng)能電池和光伏逆變器組件特定的物理量,并通過(guò)多跳的通信方式傳送到遠(yuǎn)端設(shè)備。通常無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊需要普通的外接電源或化學(xué)電池供電,該項(xiàng)目將利用太陽(yáng)能電池輸出的低壓直流電進(jìn)行供電。無(wú)線(xiàn)中繼通信設(shè)備是傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間路由節(jié)點(diǎn),本身不承擔(dān)數(shù)據(jù)采集的工作,但需要在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)進(jìn)行中繼路由,并且具有MESH 組網(wǎng)和自愈能力,即在通信鏈路發(fā)生故障時(shí)協(xié)議可以自適應(yīng)地修改中繼路徑,保障端到端的通信質(zhì)量。該設(shè)備的引入極大地降低了原有總線(xiàn)

7、監(jiān)測(cè)技術(shù)方案的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)了多路徑的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)拓?fù)?提高了監(jiān)測(cè)通信鏈路的可靠性。3G 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)管設(shè)備是傳感網(wǎng)與3G 移動(dòng)通信網(wǎng)的融合節(jié)點(diǎn),同時(shí)具備與傳感網(wǎng)和3G 網(wǎng)絡(luò)通信的功能。它利用3G 通信模塊將采集到的多個(gè)光伏發(fā)電設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào),并轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制中心下達(dá)的各項(xiàng)操作和查詢(xún)指令。該網(wǎng)關(guān)設(shè)備的形態(tài)可分為固定式和移動(dòng)式。固定式采用普通工業(yè)級(jí)通信網(wǎng)關(guān)設(shè)備開(kāi)發(fā),具備一定的防水、防震等要求,采用電源供電,適合露天長(zhǎng)期部署。移動(dòng)式采用智能手機(jī)或平板電腦終·建筑節(jié)能 ·端,適合便攜使用。23體系結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用C +語(yǔ)言,并采用C /S 和B /S 相結(jié)合的混合模式

8、,開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)平臺(tái);數(shù)據(jù)庫(kù)包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù),兩者的訪(fǎng)問(wèn)都采用標(biāo)準(zhǔn)的UML 語(yǔ)言。24系統(tǒng)功能與性能的評(píng)估監(jiān)控平臺(tái)的功能可工作在應(yīng)用管理模式、研究模式。應(yīng)用模式一般面向用戶(hù),而研究模式面向PV 開(kāi)發(fā)研究人員和PV 廠(chǎng)家。數(shù)據(jù)分析模塊的功能流程如圖4所示。通過(guò)輸入數(shù)據(jù)的用戶(hù)界面,使用者在用戶(hù)界面中選擇試驗(yàn)數(shù)據(jù)的類(lèi)別,輸入試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù);通過(guò)性能評(píng)估模塊內(nèi)核進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)失效分布類(lèi)型的估計(jì),并在估計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行檢驗(yàn),確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的失效分布類(lèi)型,計(jì)算出相應(yīng)的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征量;通過(guò)結(jié)果顯示界面,讀取性能評(píng)估結(jié)果。 圖4數(shù)據(jù)分析模塊的功能流程圖25狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維修計(jì)劃研究狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指通過(guò)測(cè)

9、定設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中所反映出來(lái)的特征參數(shù)(如震動(dòng)、噪聲、溫度等,來(lái)檢查其狀態(tài)是否正常。對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵元件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是將采集到的各種數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)對(duì)比分析,用辨識(shí)方法估計(jì)模型參數(shù),如果偏離正常值過(guò)大,那就是故障,由模型參數(shù)可推算出機(jī)理模型的參數(shù),找出故障根源。該方法可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在故障及其原因、故障部位及輕重程度,預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì),提出維修建議。為縮短維修時(shí)間、降低維修費(fèi)用,可以在一定范圍內(nèi)合理安排維修時(shí)間,使停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到最低限度。26建筑光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可視化研究遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制中心是光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能管理平臺(tái),具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力,對(duì)區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、

10、查詢(xún)、開(kāi)關(guān)控制等操作,預(yù)計(jì)可支持10萬(wàn)套的管理能力。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),分為兩類(lèi)進(jìn)行可視化。(1生成數(shù)據(jù),用曲線(xiàn)、餅圖、棒圖以及輪廓圖刻畫(huà)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。(2利用分析、挖掘、處理后的特征或結(jié)果信息,開(kāi)發(fā)更加深刻、醒目的2D 、3D 可視化技術(shù)。3系統(tǒng)搭建及運(yùn)行搭建基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)試驗(yàn)網(wǎng)。試驗(yàn)網(wǎng)外場(chǎng)選址為10MW 屋頂BIPV 光伏發(fā)電示范工程試驗(yàn)場(chǎng)地,部署20套無(wú)線(xiàn)傳感器通信模塊來(lái)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),包括光伏組件、電池和逆變器,并通過(guò)4個(gè)無(wú)線(xiàn)中繼通信設(shè)備和1個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到公共互聯(lián)網(wǎng)。另外,外場(chǎng)還布設(shè)1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制和顯示設(shè)備。與相同裝機(jī)容量的普通光伏發(fā)電監(jiān)控

11、系統(tǒng)相比,前期需要增加設(shè)備資金投入約為82萬(wàn)元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),普通光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)每年每10MW 光伏電站用于維護(hù)、檢修、檢測(cè)投入的人力費(fèi)用約為40萬(wàn)元;設(shè)備監(jiān)管不力,造成光伏組件損毀燒壞280塊,價(jià)值約30萬(wàn)元;考慮光伏組件的更換和安裝,損失發(fā)電量等綜合費(fèi)用總計(jì)為10萬(wàn)元。在光伏發(fā)電系統(tǒng)25a 生命期內(nèi),將共計(jì)損失2000萬(wàn)元。采用智能監(jiān)控系統(tǒng)大大減少了非系統(tǒng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下電站的損失額。2013年全年統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,單從年發(fā)電量角度來(lái)看,智能監(jiān)控系統(tǒng)相比普通監(jiān)控系統(tǒng),前期增加的82萬(wàn)元資金投入,預(yù)計(jì)2年多就可以收回成本。·建筑節(jié)能· 表1發(fā)電量對(duì)照表 3

12、954561398356514403072419507394337注:電費(fèi)單價(jià)按094元/kWh 計(jì)。綜上所述,該監(jiān)控系統(tǒng)可最大限度地節(jié)約資源,實(shí)現(xiàn)資源的合理優(yōu)化,降低光伏系統(tǒng)電站潛在危險(xiǎn)損失,提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電可靠性。通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)的分析研究,得出以下信息: (1光伏組件功率輸出與光照輻射度、PV 電池板安裝角度和溫度、環(huán)境溫度以及風(fēng)速的關(guān)系,建立了相關(guān)的分析模型,為光伏組件生產(chǎn)廠(chǎng)設(shè)計(jì)出效率高的光伏電池提供參考。(2影響區(qū)域光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的各種因素,為設(shè)計(jì)更高效的逆變器控制算法提供了可靠的依據(jù)。(3光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)模型,便于進(jìn)行不同應(yīng)用(潮流、短路、穩(wěn)定分析等的動(dòng)態(tài)模擬仿

13、真。(4動(dòng)態(tài)模型能夠與電力系統(tǒng)模型結(jié)合,以便研究PV 電源對(duì)電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的影響。(5建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)(具有易變、不確定性特征建立了有效、通用、標(biāo)準(zhǔn)的潮流計(jì)算和穩(wěn)定性分析模型。4結(jié)語(yǔ)光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)示范光伏發(fā)電系統(tǒng)各類(lèi)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化,運(yùn)行效果良好,將產(chǎn)生極大的示范效應(yīng),對(duì)于推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。1ULIEU V D ,CEPISCA C ,IVANOVICI TDataacquisition inphotovoltaicsystems C Proceedinds of the 13th WSEAS Internatinal Conference

14、 on Circuits ,20082米增強(qiáng),王飛,劉興杰,等并網(wǎng)型光伏電站發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法:中國(guó),101728984A P 2010-06-093蘇乘風(fēng),趙春江,洪崇恩10kW 建筑一體化屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的研制J 華東電力,2010,38(7:1084-10864徐維并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究與分析J 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(10:17-215劉光浩,王虎奇基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的供水泵組狀態(tài)維修方法研究J 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(1:129-1306吳孟卿辦公樓光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(5:49-52收稿日期:2014-12-07(下轉(zhuǎn)第41頁(yè)&#

15、183;供配電· 1JGJ 162008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范S 2邱關(guān)源,羅先覺(jué)電路M 5版北京:高等教育出版社,20063IEC 61557-82007Electrical safety in low voltagedistribution systems up to AC 1000V and DC 1500V equipment for testing ,measuring or monitoring of protective measures insulation monitoring devices for IT systems S 4中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工業(yè)與民用配

16、電設(shè)計(jì)手冊(cè)M 3版北京:中國(guó)電力出版社,2005收稿日期:2014-11-19Design of Insulation Monitoring Device Based onSelf-adaptive Low Frequency SignalWANG Zhi 1,XU Jun 2,LI Ping 2,HU Jian 2(1Shanghai Tongji University Huarun Building and esearch Institute Co,Ltd,Shanghai 200092,China ;2Acrel Electric Co,Ltd,Shanghai 201801,China

17、 Abstract :Insulation monitoring devices (IMD are used to monitor the resistance of low voltage IT system ,which have functions of pre-alarm and alarm for insulation faults ,recording events etcThis paper introduced the measuring principle and the designs of hardware and software in detailsThe IMD p

18、roducts can be used in IT systems of mines and ships for a reliable residual current protection solution in those locationsKey words :IT system ;insulation monitoring device ;self-adaptive low frequency signal ;檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿r(shí)eliability(上接第18頁(yè)P(yáng)hotovoltaic Power Generation Intelligent Monitoring SystemBased on Internet of ThingsLIANG Xintian 1,XU Zhihua 2(1Baoding Corona Control Equipment Co,Ltd,Baoding 071000,China ;2Baoding ailway Transformer Co,Ltd,China CEC ailwayElectrification Bureau Group