一种居民屋顶光伏电站巡检运维系统

王 禹 李旭东

（1. 中国人民大学附属中学，北京 100082；2. 浙江省教育科学研究院，杭州 310012）

近年来，光伏发电技术的高速发展，为人们利用太阳能发电提供了广阔的舞台[1-3]。早先建设的光伏电站基本上以大中型集中式光伏电站为主[2-4]，这类大中型集中式光伏电站有人值班巡检，有一整套运行维护体系[2-4]。目前，光伏电站日常的运行维护工作包括光伏组件的运维、汇流箱的运维、逆变器的运维、变电设备的运维[5-6]。在光伏板灰尘清理方面，在传统人工手动清理的基础上，已经出现了光伏板灰尘自动清扫系统。在电气设备检测方面，Sunny Portal光伏电站监控系统介绍了相关电站的光伏发电、消耗与自消耗，通过无线电遥控实现负载的自动化智能控制，具有实时数据可视化的特点[7]。但是，这类巡检运维方式费用昂贵，需要投入大量的人力物力，同时需要由专业人员来完成，显然不适合农村居民家庭屋顶光伏电站的维护。因此，建立一种简单易行且低成本的居户屋顶光伏电站巡检运维系统并推广其检测方法势在必行[8]。

1 系统总体设计方案

本巡检运维系统由三个子系统组成：

1）光伏板清洁子系统。该子系统用于随时对农户屋顶光伏电站的光伏板进行清洁，保证光伏板的发电效率。

2）信息采集通信子系统。该子系统用于实时采集光伏电站运行相关数据，通过分析这些数据，判断光伏电站的运行状况，给出故障及异常定位确切信息，同时将信息上传到4G总控板。

3）监控运维中心子系统。每个区域设置一个监控运维中心，每天定期收集各农户设备运行所有相关数据，并上传到监控中心，以方便运维工及时解决问题。

本系统研建技术流程如图1所示。

2 各子系统组成及功能

2.1 光伏板清洁子系统

考虑到农村居民经济条件有限且文化水平低，无法操作高科技设备。因此，为了保障农户的经济利益，节约成本是该子系统设计的最根本原则。故，光伏板清洁装置各零部件都由成本最低的初级产品构成。

该子系统由微型电动阀、结合固定件（包括加压水箱、引至屋顶的水管、清洗光伏板灰尘的带孔水管）及电源线组成，其电源线与控制主模块输出继电器连接。当控制主模块通过直流电流及日累计发电量判断出是大风沙尘天气时，及时接通微型电动阀，让压力水从喷水孔快速流出，实现对光伏板活灰尘的清洗，保证光伏板的发电效率。

2.2 信息采集通信子系统

该子系统由一块采集板构成，用于采集每块光伏板端电压、逆变器交流侧电压、电流及计费表脉冲量，通过计算，获得逆变器效率、电能量以及收益电度量。通过对端电压数据、逆变器与电能计费表之间数据比较，可判断电气设备的工作状态。

该子系统由光伏板检测模块、并网逆变器检测模块、计费电度表检测模块、综合采集模块及控制主模块组成。

1）光伏板检测模块

该模块的功能是对光伏板的一进一出接线端子进行转接，形成一进两出接线端子，其中一进一出接线端子依旧采用多块光伏板之间串接，而另一个出线端子则引至综合采集模块的直流电压回路。

2）并网逆变器检测模块

（1）该模块功能及工作原理

该模块的功能是对并网逆变器直流侧直流电流及交流侧电压电流进行检测。其工作原理为：①利用开口型霍尔电流互感器串入并网逆变器直流回路，交流开口型电流互感器串入并网逆变器交流侧各相回路，而交流侧电压则是直接并接到并网逆变器交流侧各相接线端子；②开口型霍尔电流互感器输出接线引至综合采集模块直流电流端子，交流开口型电流互感器输出接线引至综合采集模块交流电流端子，并网逆变器交流侧各相接线直接引至综合采集模块交流相电压端子。

（2）并网逆变器异常故障情景模型

假设所有光伏板电压值和为 Uadd，在各光伏板工作状态良好条件下，通过逆变器直流侧电压Uadd，可以判断天气状态其及白天所处时间段区位。在不考虑阴、雨、风暴天气等情况下，并网逆变器直流侧电压和电流有如下关系（见表1）。

表1 正常状态下并网逆变器直流侧电压、电流关系

当电压电流违背上述关系时，即可判断逆变器工作异常或转换效率下降；当有电压而逆变器交流侧无电流输出时，立即可判断逆变器发生故障。

3）计费电度表检测模块

该模块主要功能是对计费电度表脉冲输出端子进行检测。计费电度表的1kW·h等于3200个脉冲。对计费电度表脉冲输出端子预处理后，引至控制主模块输入回路端子。

4）综合采集模块

综合采集模块直流电压电流回路为20组电压2组电流，其电压回路范围可达 50V。交流电压采用4个端子布列，交流电流采用 6个端子布列；交流电压回路的第1与第4个端子以及交流电流回路第1个与第 2个端子连接形成了单相电对象应用，而交流电压4个端子全连接及交流电流6个端子全连接则是三相电对象应用。

5）控制主模块

控制主模块为单片机或嵌入式控制器，其与综合采集模块连接。控制主模块开关量输入回路与计费电度表检测模块脉冲接口连接，控制主模块开关量输出回路与光伏板清洁子系统的微型电动阀电源线连接，控制主模块通信回路向监控运维中心上传数据。该模块通过运行指定工作流程，实现居户屋顶光伏电站各电气设备的检测与评估。

2.3 监控运维中心子系统

每个区域设置一个监控运维中心，每天定期收集各农户设备运行所有相关数据，上传到监控中心。监控运维中心存储了运维工的相关信息，当检测出居民屋顶光伏电站故障或异常时，监控运维中心自动推送居民屋顶位置、故障异常类型等信息给运维工，以方便运维工开展具体的运维工作。

3 居户屋顶光伏电站检测流程

1）光伏板设备检测工作流程

（1）计算各光伏板电压Ui。

（2）计算所有光伏板的平均电压Umean。

（3）建立正常光伏板电压变化曲线模型，其规律为：日出后电压上升，然后上升至峰值电压，15∶00—16∶00电压会下降到峰值电压以下，日落后电压下降比较快但不会到降零。

（4）判断 Ui−Umean是否接近于 0，如偏差超过法限值，则置异常标志。

（5）如果电压Ui不符合电压变化曲线模型，可判断该光伏板工作异常。

2）并网逆变器设备检测工作流程

（1）计算所有光伏板电压值之和Uadd。

（2）建立光伏板状态良好条件下总电压与电流对照表（见表1）。

（3）当总电压电流违背上述总电压与电流对照表时，即可判断并网逆变器工作异常。

3）计费电度表设备检测工作流程

（1）检查光伏板设备及并网逆变器设备，让设备处于完好状态。

（2）计算并网逆变器交流侧功率，每秒采集一次并累加，每小时形成电量P1。

（3）计算计费电度表输出脉冲数积累后转换为电量P2。

（4）比较两个电量数值P1、P2，并求差，当偏差超过限值时，可判定计费电度表异常。

本巡检运维系统光伏电站检测流程如图2所示。

图2 居户屋顶光伏电站检测流程

4 结论

本运维巡检系统提供了一种简便易行的农村居户屋顶光伏电站检测技术方法，该系统的建立，将彻底改变农村光伏电站重建设轻运行维护的弊端，从而保障困难农户的利益，为国家扶贫政策保驾护航。

本系统与现有技术相比，具有以下优点：

1）光伏板清扫利用了压力水，设备简单，成本低。

2）综合采集模块集中了全部电气设备的检查回路，通过控制主模块上传异常信号，区域专业人员可及时发现问题并解决问题，对实现居户屋顶光伏电站高效、快捷、经济运行维护具有一定的应用价值。

该系统中，“利用压力水清扫光伏板、采集光伏板端电压、比较逆变器与计费表之差”等关键技术是本系统的创新之处，该技术已获国家专利。

[1] 杨金焕, 葛亮, 谈蓓月, 等. 太阳能光伏发电的应用[J]. 节能技术, 200(4): 15-17.

[2] 缪进荣. 太阳能光伏电站监控系统的研究与实现[D].北京: 北京交通大学, 2012.

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