CN107528540A - 光伏阵列在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏阵列在线监测装置及方法，所述光伏阵列包括多个光伏阵列组串，各个所述光伏阵列组串处分别设置有一汇流箱，各个所述汇流箱均连接至一逆变器，所述在线监测装置包括上位机、集中器和多个采集器。该种光伏阵列在线监测装置及方法，采用悬线式霍尔开环电流传感器，不影响汇流箱电路设计；因此，该装置即可用于光伏电站新项目设计，也可用于既有光伏电站智能化升级；采用电力载波技术，无需额外通讯线缆，节省成本；电力线通信网络属于“即插即用”，接入电源就等于连通了通信网络，实时在线；具有自动路由功能，通信网络更加灵活，信号不会受到阻隔；结构简单，应用方便，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及光伏智能运维技术领域，尤其涉及光伏阵列监测技术领域，具体是指一种光伏阵列在线监测装置及方法。
背景技术
随着光伏发电大规模建设并陆续并网，运行维护已成为光伏电站的重中之重，直接关系到电站的安全性和可靠性以及投资收益等。太阳能光伏电站是由若干个光伏阵列组成，而光伏阵列是由成百上千个光伏组件经过串联、并联组合在一起，光伏阵列的发电量是单块光伏组件发电量的总和。在实际应用中，光伏组件阵列的发电量受到诸多因素的制约影响，例如外界环境的温度、日照的强度、风速等的变化，光伏组件故障、损坏和老化等。按照国内在运行光伏电站规模，假定光伏组件的故障率为1％，2015年发电容量损失估计43万kW左右，发电量损失4.3亿千瓦时以上。随着运行年份的增长，光伏电站故障率也将逐年上升。从目前光伏电站的各类故障来看，光伏组件阵列的光斑是最严重故障之一，由于光伏阵列串并联的特点，一旦某一块组件损坏或是发生故障而不能正常工作，故障组件得不到及时替换，将可能使整个光伏阵列失效，最终导致光伏电站沦为摆设。
然而，光伏电站具有分布广泛的特点，或在偏远地区，或在建筑屋顶，甚至鱼塘水上等。对于数量庞大且分散的光伏组件工作状况进行人工监控和维护不仅人工成本高，而且很难在第一时间准确定位故障源，及时排除故障。为了确保光伏电站高效、可靠、稳定地运行，必须建立光伏阵列信息监测***，对光伏组件的工作状况进行监测，采集光伏组件各项运行参数，包括光伏组件的输出电流和电压、光伏组件的温度等，选取合适的通讯方式传送信息，汇集、存储并分析相关原始数据，及时定位故障点，准确诊断故障原因，提高光伏发电管理效率，并为***的优化和改进以及科学研究提供有效的数据。
因此，开发应用光伏阵列的监测设备并推广应用已十分必要。光伏阵列的监测设备技术开发涉及两个问题：一是已有的几十个G的在运行电站95％以上未安装监测设备，这些电站面临严峻的运维问题；二是数据通讯是监测设备的技术核心之一，通讯的可靠性如何保证。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种光伏阵列在线监测装置及方法，结构简单，安装灵活，实时在线监测光伏阵列状态，信号稳定，运行可靠，具有更广泛的应用范围。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
本发明提供了一种光伏阵列在线监测装置，所述光伏阵列包括多个光伏阵列组串，各个所述光伏阵列组串处分别设置有一汇流箱，各个所述汇流箱均连接至一逆变器，所述在线监测装置包括上位机、集中器和多个采集器，其中：
所述采集器与所述汇流箱一一对应，各个所述采集器设置于所对应的汇流箱处，所述采集器用于采集所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器设置于所述逆变器处，所述集中器与所述采集器进行通信以获取各个所述汇流箱的光伏组串数据，且所述集中器将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机；
所述上位机安装于工控机。
可选地，所述汇流箱的光伏组串数据包括光伏组串电压数据和光伏组串电流数据，各个所述采集器包括：
采集器通信模块，用于与所述集中器进行通信，将所述汇流箱的光伏组串数据发送至所述集中器；
A/D转换模块，与所述采集器通信模块相连接，用于将电流和电压模拟信号转换为数字信号；
电流传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电流数据；以及
电压传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电压数据。
可选地，所述电流传感器为霍尔开环电流传感器，在所述汇流相处感应所对应的光伏阵列组串的电流数据。
可选地，所述采集器通信模块为采集器高压直流载波模块，将所述光伏组串电压数据转换成电力载波信号通过串口发送至所述集中器。
可选地，所述集中器包括：
集中器控制模块；
集中器高压直流载波模块，用于与所述采集器进行通信，获取各个所述采集器采集的汇流箱的光伏组串数据的电力载波信号；以及
以太网/GPRS通信模块，用于与所述上位机进行通信，将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机。
可选地，所述装置还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别内置于所述集中器和所述采集器，为所述集中器和所述采集器进行供电。
可选地，所述电源管理模块包括滤波单元和DC/DC降压单元，所述电源管理模块的高压输入端依次经所述滤波单元和所述DC/DC降压单元后接入所述电源管理模块的低压输出端。
可选地，所述电源管理模块还包括防雷单元和保险单元，所述防雷单元设置于所述电源管理模块的高压输入端和所述滤波单元之间，所述保险单元设置于所述滤波单元和所述DC/DC降压单元之间。
本发明还提供一种光伏阵列在线监测方法，基于所述的光伏阵列在线监测装置，所述方法包括如下步骤：
所述采集器根据预设电压值采集频率和电流值采集频率从所述汇流箱处获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器根据预设数据采集频率从各个所述采集器获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器各个所述采集器所对应的汇流箱的光伏组串数据汇总后，发送至所述上位机。
可选地，所述采集器每隔1秒从所述汇流箱采集20路电流值和1路电压值；
所述采集器每隔10秒轮询各个所述采集器采集的数据。
采用了该发明中的光伏阵列在线监测装置及方法，具有如下有益效果：
1)结构简单，安装灵活：采用悬线式霍尔开环电流传感器，不影响汇流箱电路设计；因此，该装置即可用于光伏电站新项目设计，也可用于既有光伏电站改装；
2)“无线”通讯，实时在线：电力载波技术无需额外通讯线缆，节省成本；电力线通信网络属于“即插即用”，接入电源就等于连通了通信网络，实时在线；
3)信号稳定，运行可靠：具有自动路由功能，通信网络更加灵活，信号不会受到阻隔。
附图说明
图1为本发明的光伏阵列在线监测装置的结构示意图；
图2为本发明的光伏阵列在线监测装置的信号发送图；
图3为本发明的光伏阵列在线监测装置的采集器的原理框图；
图4为本发明的光伏阵列在线监测装置的集中器的原理框图；
图5为本发明的电源管理模块的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1～2所示，本发明提供了一种光伏阵列在线监测装置，所述光伏阵列包括多个光伏阵列组串，各个所述光伏阵列组串处分别设置有一汇流箱，各个所述汇流箱均连接至一逆变器，所述在线监测装置包括上位机、集中器和多个采集器，其中：
所述采集器与所述汇流箱一一对应，各个所述采集器设置于所对应的汇流箱处，所述采集器用于采集所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器设置于所述逆变器处，所述集中器与所述采集器进行通信以获取各个所述汇流箱的光伏组串数据，且所述集中器将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机。
在一种优选的实施方式中，所述汇流箱的光伏组串数据包括光伏组串电压数据和光伏组串电流数据，各个所述采集器包括：
直流载波通信模块，用于与所述集中器进行通信，将所述汇流箱的光伏组串数据发送至所述集中器；A/D转换模块，与所述采集器通信模块相连接，用于将电流和电压模拟信号转换为数字信号；电流传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电流数据；以及电压传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电压数据。
在一种优选的实施方式中，所述电流传感器为霍尔开环电流传感器，间接感应光伏阵列组串电流值。所述采集器通信模块优选为采集器高压直流载波通信模块，并通过高电力电缆向外发送。
所述采集器可以每隔1s中采集20路电流和1路电压值，范围0～4096；解析传感器数据，并通过高压直流载波通讯向外发送采集的数据。所述采集器应用于实际中的原理框图可参见图3所示。其中，所述采集器的芯片或模块选型可参照下表1。
表1采集器元器件选型表
| 芯片/模块选型 | 描述 |
| STM32F107 | 支持串口 |
| 载波模块TN | 串口转载波模块 |
| 电压采集模块 | PCB安装模式 |
| 电流采集模块 | 霍尔开环电流传感器 |
在一种优选的实施方式中，所述集中器包括：
集中器控制模块；集中器高压直流载波通信模块，用于与所述采集器进行通信，获取各个所述采集器采集的汇流箱的光伏组串数据的载波信号；以及以太网/GPRS通信模块，用于与所述上位机进行通信，将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机。
所述集中器可以每隔10sec轮询各采集器采集的数据；作为tcpServer，监听客户机连接，并处理modebus协议；集中器支持Modbus TCP/IP标准协议，03H和17H集中器监听502端口。
所述集中器应用于具体实施例中的结构如图4所示，图4中各个芯片或模块的选型可参照下表2。
表2集中器元器件选型表
管理***电源要求满足输入电压200～1500伏，输出电压12伏，输出功率大于20W；采用的是金升阳DCDC电源模块PV40-29B12；可以在电源前端加入防雷，滤波，保险等安全措施；***内部可以采取降压芯片LM317，实现3.3伏和5伏弱电供电。
基于此，在一种优选的实施方式中，所述装置还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别给所述集中器、所述采集器和所述上位机进行供电。
如图5所示，在一种优选的实施方式中，所述电源管理模块包括滤波单元和DC/DC降压单元，所述电源管理模块的高压输入端依次经所述滤波单元和所述DC/DC降压单元后接入所述电源管理模块的低压输出端。
在一种优选的实施方式中，所述电源管理模块还包括防雷单元和保险单元，所述防雷单元设置于所述电源管理模块的高压输入端和所述滤波单元之间，所述保险单元设置于所述滤波单元和所述DC/DC降压单元之间。
本发明还涉及一种光伏阵列在线监测方法，基于所述的光伏阵列在线监测装置，所述方法包括如下步骤：
所述采集器根据预设电压值采集频率和电流值采集频率从所述汇流箱处获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器根据预设数据采集频率从各个所述采集器获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器各个所述采集器所对应的汇流箱的光伏组串数据汇总后，发送至所述上位机。
在一种优选的实施方式中，所述采集器每隔1秒从所述汇流箱采集20路电流值和1路电压值；
所述采集器每隔10秒轮询各个所述采集器采集的数据。
将本发明的光伏阵列在线监测装置应用于现场后，随光伏电站自动运行。该装置配备有上位机***，通过以太网或者GPRS即可连接集中器，安装有上位机***的工控电脑可实时收集和分析数据，实现光伏电站智能运维。
采用了该发明中的光伏阵列在线监测装置及方法，具有如下有益效果：
1)结构简单，安装灵活：采用悬线式霍尔开环电流传感器，不影响汇流箱电路设计；因此，该装置即可用于光伏电站新项目设计，也可用于既有光伏电站改装；
2)“无线”通讯，实时在线：电力载波技术无需额外通讯线缆，节省成本；电力线通信网络属于“即插即用”，接入电源就等于连通了通信网络，实时在线；
3)信号稳定，运行可靠：具有自动路由功能，通信网络更加灵活，信号不会受到阻隔。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述光伏阵列包括多个光伏阵列组串，各个所述光伏阵列组串处分别设置有一汇流箱，各个所述汇流箱均连接至一逆变器，所述在线监测装置包括上位机、集中器和多个采集器，其中：
所述采集器与所述汇流箱一一对应，各个所述采集器设置于所对应的汇流箱处，所述采集器用于采集所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器设置于所述逆变器处，所述集中器与所述采集器进行通信以获取各个所述汇流箱的光伏组串数据，且所述集中器将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机；
所述上位机安装于工控机。
2.根据权利要求1所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述汇流箱的光伏组串数据包括光伏组串电压数据和光伏组串电流数据，各个所述采集器包括：
采集器通信模块，用于与所述集中器进行通信，将所述汇流箱的光伏组串数据发送至所述集中器；
A/D转换模块，与所述采集器通信模块相连接，用于将电流和电压模拟信号转换为数字信号；
电流传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电流数据；以及
电压传感器，用于从所述汇流箱处获取光伏组串电压数据。
3.根据权利要求2所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述电流传感器为霍尔开环电流传感器，在所述汇流相处感应所对应的光伏阵列组串的电流数据。
4.根据权利要求2所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述采集器通信模块为采集器高压直流载波模块，将所述光伏组串电压数据转换成电力载波信号通过串口发送至所述集中器。
5.根据权利要求1所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述集中器包括：
集中器控制模块；
集中器高压直流载波模块，用于与所述采集器进行通信，获取各个所述采集器采集的汇流箱的光伏组串数据的电力载波信号；以及
以太网/GPRS通信模块，用于与所述上位机进行通信，将所述光伏组串数据汇总后发送至所述上位机。
6.根据权利要求1所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述装置还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别内置于所述集中器和所述采集器，为所述集中器和所述采集器进行供电。
7.根据权利要求6所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述电源管理模块包括滤波单元和DC/DC降压单元，所述电源管理模块的高压输入端依次经所述滤波单元和所述DC/DC降压单元后接入所述电源管理模块的低压输出端。
8.根据权利要求7所述的光伏阵列在线监测装置，其特征在于，所述电源管理模块还包括防雷单元和保险单元，所述防雷单元设置于所述电源管理模块的高压输入端和所述滤波单元之间，所述保险单元设置于所述滤波单元和所述DC/DC降压单元之间。
9.一种光伏阵列在线监测方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的光伏阵列在线监测装置，所述方法包括如下步骤：
所述采集器根据预设电压值采集频率和电流值采集频率从所述汇流箱处获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器根据预设数据采集频率从各个所述采集器获取所对应的汇流箱的光伏组串数据；
所述集中器各个所述采集器所对应的汇流箱的光伏组串数据汇总后，发送至所述上位机。
10.根据权利要求9所述的光伏阵列在线监测方法，其特征在于，所述采集器每隔1秒从所述汇流箱采集20路电流值和1路电压值；
所述采集器每隔10秒轮询各个所述采集器采集的数据。
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