一種居民屋頂光伏電站巡檢運維系統

王 禹 李旭東

（1. 中國人民大學附屬中學，北京 100082；2. 浙江省教育科學研究院，杭州 310012）

近年來，光伏發電技術的高速發展，為人們利用太陽能發電提供了廣闊的舞臺[1-3]。早先建設的光伏電站基本上以大中型集中式光伏電站為主[2-4]，這類大中型集中式光伏電站有人值班巡檢，有一整套運行維護體系[2-4]。目前，光伏電站日常的運行維護工作包括光伏組件的運維、匯流箱的運維、逆變器的運維、變電設備的運維[5-6]。在光伏板灰塵清理方面，在傳統人工手動清理的基礎上，已經出現了光伏板灰塵自動清掃系統。在電氣設備檢測方面，Sunny Portal光伏電站監控系統介紹了相關電站的光伏發電、消耗與自消耗，通過無線電遙控實現負載的自動化智能控制，具有實時數據可視化的特點[7]。但是，這類巡檢運維方式費用昂貴，需要投入大量的人力物力，同時需要由專業人員來完成，顯然不適合農村居民家庭屋頂光伏電站的維護。因此，建立一種簡單易行且低成本的居戶屋頂光伏電站巡檢運維系統并推廣其檢測方法勢在必行[8]。

1 系統總體設計方案

本巡檢運維系統由三個子系統組成：

1）光伏板清潔子系統。該子系統用于隨時對農戶屋頂光伏電站的光伏板進行清潔，保證光伏板的發電效率。

2）信息采集通信子系統。該子系統用于實時采集光伏電站運行相關數據，通過分析這些數據，判斷光伏電站的運行狀況，給出故障及異常定位確切信息，同時將信息上傳到4G總控板。

3）監控運維中心子系統。每個區域設置一個監控運維中心，每天定期收集各農戶設備運行所有相關數據，并上傳到監控中心，以方便運維工及時解決問題。

本系統研建技術流程如圖1所示。

2 各子系統組成及功能

2.1 光伏板清潔子系統

考慮到農村居民經濟條件有限且文化水平低，無法操作高科技設備。因此，為了保障農戶的經濟利益，節約成本是該子系統設計的最根本原則。故，光伏板清潔裝置各零部件都由成本最低的初級產品構成。

該子系統由微型電動閥、結合固定件（包括加壓水箱、引至屋頂的水管、清洗光伏板灰塵的帶孔水管）及電源線組成，其電源線與控制主模塊輸出繼電器連接。當控制主模塊通過直流電流及日累計發電量判斷出是大風沙塵天氣時，及時接通微型電動閥，讓壓力水從噴水孔快速流出，實現對光伏板活灰塵的清洗，保證光伏板的發電效率。

2.2 信息采集通信子系統

該子系統由一塊采集板構成，用于采集每塊光伏板端電壓、逆變器交流側電壓、電流及計費表脈沖量，通過計算，獲得逆變器效率、電能量以及收益電度量。通過對端電壓數據、逆變器與電能計費表之間數據比較，可判斷電氣設備的工作狀態。

該子系統由光伏板檢測模塊、并網逆變器檢測模塊、計費電度表檢測模塊、綜合采集模塊及控制主模塊組成。

1）光伏板檢測模塊

該模塊的功能是對光伏板的一進一出接線端子進行轉接，形成一進兩出接線端子，其中一進一出接線端子依舊采用多塊光伏板之間串接，而另一個出線端子則引至綜合采集模塊的直流電壓回路。

2）并網逆變器檢測模塊

（1）該模塊功能及工作原理

該模塊的功能是對并網逆變器直流側直流電流及交流側電壓電流進行檢測。其工作原理為：①利用開口型霍爾電流互感器串入并網逆變器直流回路，交流開口型電流互感器串入并網逆變器交流側各相回路，而交流側電壓則是直接并接到并網逆變器交流側各相接線端子；②開口型霍爾電流互感器輸出接線引至綜合采集模塊直流電流端子，交流開口型電流互感器輸出接線引至綜合采集模塊交流電流端子，并網逆變器交流側各相接線直接引至綜合采集模塊交流相電壓端子。

（2）并網逆變器異常故障情景模型

假設所有光伏板電壓值和為 Uadd，在各光伏板工作狀態良好條件下，通過逆變器直流側電壓Uadd，可以判斷天氣狀態其及白天所處時間段區位。在不考慮陰、雨、風暴天氣等情況下，并網逆變器直流側電壓和電流有如下關系（見表1）。

表1 正常狀態下并網逆變器直流側電壓、電流關系

當電壓電流違背上述關系時，即可判斷逆變器工作異常或轉換效率下降；當有電壓而逆變器交流側無電流輸出時，立即可判斷逆變器發生故障。

3）計費電度表檢測模塊

該模塊主要功能是對計費電度表脈沖輸出端子進行檢測。計費電度表的1kW·h等于3200個脈沖。對計費電度表脈沖輸出端子預處理后，引至控制主模塊輸入回路端子。

4）綜合采集模塊

綜合采集模塊直流電壓電流回路為20組電壓2組電流，其電壓回路范圍可達 50V。交流電壓采用4個端子布列，交流電流采用 6個端子布列；交流電壓回路的第1與第4個端子以及交流電流回路第1個與第 2個端子連接形成了單相電對象應用，而交流電壓4個端子全連接及交流電流6個端子全連接則是三相電對象應用。

5）控制主模塊

控制主模塊為單片機或嵌入式控制器，其與綜合采集模塊連接。控制主模塊開關量輸入回路與計費電度表檢測模塊脈沖接口連接，控制主模塊開關量輸出回路與光伏板清潔子系統的微型電動閥電源線連接，控制主模塊通信回路向監控運維中心上傳數據。該模塊通過運行指定工作流程，實現居戶屋頂光伏電站各電氣設備的檢測與評估。

2.3 監控運維中心子系統

每個區域設置一個監控運維中心，每天定期收集各農戶設備運行所有相關數據，上傳到監控中心。監控運維中心存儲了運維工的相關信息，當檢測出居民屋頂光伏電站故障或異常時，監控運維中心自動推送居民屋頂位置、故障異常類型等信息給運維工，以方便運維工開展具體的運維工作。

3 居戶屋頂光伏電站檢測流程

1）光伏板設備檢測工作流程

（1）計算各光伏板電壓Ui。

（2）計算所有光伏板的平均電壓Umean。

（3）建立正常光伏板電壓變化曲線模型，其規律為：日出后電壓上升，然后上升至峰值電壓，15∶00—16∶00電壓會下降到峰值電壓以下，日落后電壓下降比較快但不會到降零。

（4）判斷 Ui?Umean是否接近于 0，如偏差超過法限值，則置異常標志。

（5）如果電壓Ui不符合電壓變化曲線模型，可判斷該光伏板工作異常。

2）并網逆變器設備檢測工作流程

（1）計算所有光伏板電壓值之和Uadd。

（2）建立光伏板狀態良好條件下總電壓與電流對照表（見表1）。

（3）當總電壓電流違背上述總電壓與電流對照表時，即可判斷并網逆變器工作異常。

3）計費電度表設備檢測工作流程

（1）檢查光伏板設備及并網逆變器設備，讓設備處于完好狀態。

（2）計算并網逆變器交流側功率，每秒采集一次并累加，每小時形成電量P1。

（3）計算計費電度表輸出脈沖數積累后轉換為電量P2。

（4）比較兩個電量數值P1、P2，并求差，當偏差超過限值時，可判定計費電度表異常。

本巡檢運維系統光伏電站檢測流程如圖2所示。

圖2 居戶屋頂光伏電站檢測流程

4 結論

本運維巡檢系統提供了一種簡便易行的農村居戶屋頂光伏電站檢測技術方法，該系統的建立，將徹底改變農村光伏電站重建設輕運行維護的弊端，從而保障困難農戶的利益，為國家扶貧政策保駕護航。

本系統與現有技術相比，具有以下優點：

1）光伏板清掃利用了壓力水，設備簡單，成本低。

2）綜合采集模塊集中了全部電氣設備的檢查回路，通過控制主模塊上傳異常信號，區域專業人員可及時發現問題并解決問題，對實現居戶屋頂光伏電站高效、快捷、經濟運行維護具有一定的應用價值。

該系統中，“利用壓力水清掃光伏板、采集光伏板端電壓、比較逆變器與計費表之差”等關鍵技術是本系統的創新之處，該技術已獲國家專利。

[1] 楊金煥, 葛亮, 談蓓月, 等. 太陽能光伏發電的應用[J]. 節能技術, 200(4): 15-17.

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[6] 李凌銳. 基于 MCGS的光伏電站數據監測系統的設計與實現[J]. 太陽能, 2008(6): 31-33.

[7] 馮波. 變電站SCADA系統數據庫的設計與開發[D].濟南: 山東大學, 2013.

[8] 國家發展改革與發展委員會能源局. 關于實施光伏發電扶貧工作的意見[Z]. 北京, 2016.