軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測探討

北京科諾偉業科技股份有限公司 ■ 王哲楊靜 王勝利 付勛波 許蘭剛

軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測探討

北京科諾偉業科技股份有限公司 ■ 王哲*楊靜 王勝利 付勛波 許蘭剛

探討一種軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測裝置，該裝置由移動平臺控制器紅外成像儀、視頻攝像機、無線數傳模塊、位置感應模塊、電機驅動器、直流電機組成。利用光伏組件支架安裝鋼纜式軌道，該鋼纜同時兼顧軌道式光伏方陣紅外和視頻在線監測裝置的系統供電電源，并通過滾動輪與DC/DC穩壓電源模塊摩擦連接為系統供電。采用軌道鋼纜上的位置傳感器精確定位，將紅外成像及視頻信息無線傳送到電站監控中心，實現軌道式光伏方陣紅外和視頻在線監測，達到故障快速發現及排除的目的。

光伏陣列；軌道；紅外；視頻；定位

0　引言

目前光伏電站建設飛速發展，其規模越來越大，而光伏電站發生故障的幾率也在同步增加，包括電纜接觸不良、局部放電、組件熱斑、匯流箱連接件發熱等隱形故障，很難被及時發現和定位，并且故障持續時間越長，光伏發電損失越大，同時面臨火災發生的危險，若不及時處理將導致不堪設想的后果。目前國內外很多電站都有電站數據監控系統，但由于監控點分布數量及測試精度的限制，很難對光伏方陣系統每個點進行精細化檢測及定位(光伏方陣系統包含除儲能、功率轉換設備和負載之外的所有部分)，只能依據后臺監控數據分析對設備故障告警，或利用手持式紅外成像儀不定時地檢測發現問題。然而大型電站勞動強度大，采用人工檢查不能做到每天相對實時的精細化巡檢。目前有人提出利用無人機監測光伏組件故障，但實際操作上還存在著一定問題。

本文提出一種軌道式紅外成像、視頻監測移動平臺(如圖1所示)，利用大型電站組件安放結構相同的特點，組件支架固定安裝鋼纜軌道，使紅外成像、視頻監測移動平臺在上移動，不但對組件前后板、連接電纜進行紅外成像、視頻自動循環移動監測，而且對故障能夠快速定位，并通過無線傳輸圖像及數據，終端進行分析故障告警及未來趨勢的預警評估。為提高分析精準度，在終端采用同一組件的前面與背板的數據進行對比分析驗證；對于電池片隱裂等可視故障，可通過遠程視頻遙控進一步分析；實現故障隱患早發現并及時處理，避免電量損失及火災發生。

圖1　軌道式紅外成像、視頻監測移動平臺

1　工作原理

光伏組件多發生背板粘附失效、接線盒破損、支架斷裂、EVA材料褪色、電池片破碎、玻璃板損壞、熱斑、旁路二極管故障、連接器內微電弧、電氣連接電纜接觸不良等故障。故障特征分為局部過熱和可視圖像特征改變(顏色、結構、外觀等)。局部過熱特征通過紅外成像儀實時監測光伏組件性能特征的二維分布及所捕捉到電氣紅外特征圖，并結合電器參數分析判斷；而可視圖像特征改變，利用視頻攝像、識別圖像軟件的對比分析技術、自學習方法將原始圖像典型特征記憶功能與實時視頻對比分析鑒別。

依據上述特征及光伏電站每排組串/陣列相互平行安裝的特點，在光伏組串/陣列的支架后面，通過絕緣材料固定安裝兩根平行鋼纜作為軌道鋼纜，將所有光伏組串/陣列的支架串接一起，在軌道上等間距安裝磁性感應器。兩根軌道鋼纜一方面作為紅外成像在線監測裝置的移動軌道，另一方面兼作對紅外成像在線監測裝置供電的導體，詳見圖2。

圖2　軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測模塊連接關系圖

紅外成像在線監測裝置分別由移動平臺、控制器、紅外成像儀、視頻攝像機、位置感應模塊、無線數傳模塊、直流電機及直流電機驅動器組成，置于密封防塵透明罩中，詳見圖3。

圖3　軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測系統組成

監控終端在有光照時，通過無線數傳模塊向移動平臺控制器對電機控制模塊發送命令，控制直流電機驅動金屬滾輪使移動平臺沿軌道鋼纜往復移動，紅外成像儀監測每塊光伏組件、電纜及匯流箱的發熱情況，一旦發現高熱點，該紅外成像在線監測裝置將停止移動，并通過位置感應模塊和位置磁感應器精確定位，定位精確到每塊光伏組件，電纜定位到兩傳感器位置之間。紅外成像儀聚焦高溫點，視頻攝像頭對該高溫點處進行視頻監測，同時定位；紅外成像及視頻圖像數據通過無線數傳模塊上傳到監控終端，監控終端報警提示，現場技術人員或互聯網上終端專家通過紅外高溫點或視頻圖像進行成因數據分析。當移動平臺利用光伏方陣之間架設的導軌移動到光伏陣列終點時，如圖4所示，紅外成像儀、視頻攝像機旋轉軸自動翻轉，對光伏組串/陣列的另一面進行監測。

圖4　陣列之間軌道連接關系示意圖

由于光伏組串/陣列的組件安裝分為正面(即接受陽光的一面)和反面(即背板)，電纜及接線盒都置于反面，而兩面都有可能發生故障，所以需要對光伏組串/陣列進行正反兩面監測。以上操作實現組串/陣列正反兩面監測，及時發現由于光伏組件、電纜、連接件、匯流箱等發熱特征故障，可避免故障蔓延及次生災害發生，組光伏電站提供快速直觀監測的手段。

系統供電電源由光伏電站內電源提供，經直流DC-48 V低壓供電，利用鋼纜做導體(詳見圖2)，并通過滾動輪與軌道鋼纜摩擦為移動平臺上的DC/DC電源模塊提供直流電源；再由DC/DC穩壓電源模塊輸出穩壓電源，為移動平臺上的所有模塊供電。在供電系統中可實時監測軌道之間的絕緣參數，當由于雨后等絕緣降低時該系統停止供電。冬季軌道結冰時，在軌道末端將兩條軌道短路，供電系統啟動手動融冰電源。

為保證每組光伏陣列之間的通道功能，在每組光伏陣列之間安裝光伏陣列活動連接器，當人或物體通過時上推連桿即可(見圖4)。

2　結論

軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測實現無人值守，利用軌道式的紅外成像、視頻監測移動平臺，定時或實時對光伏組件前后板和連接電纜進行紅外成像、視頻自動循環移動監測，對故障快速定位，并通過無線傳輸圖像及數據，終端進行分析故障告警。

未來光伏電站的全生命周期，將面對材料老化、設備性能下降、故障率增加、發電量降低等問題。然而隨著光伏組件制造工藝的變化，對光伏組件在電站生命周期中的故障和缺陷認知也在改變，如何識別光伏方陣中的故障及缺陷缺乏判定依據和標準，為保證光伏電站有效、可靠的工作，光伏電站的趨勢分析、預防性檢修顯得格外重要。如何利用軌道式光伏方陣紅外、視頻在線監測的大量歷史數據抽絲剝繭甄別、分析問題，并結合光伏電站基礎數據等，為光伏電站安全運維、保障光伏電站高效發電提出新的挑戰。

2016-03-10

國家國際科技合作專項(2014DFG62130)

王哲(1957—)，男，高級工程師，主要從事光伏系統測控技術方面的研究。wangzhe@bjcorona.com