基于窄帶物聯網與機器學習的智慧光伏運維系統

張財貴　羅林祿　余輝　陳輝煌　徐振磊

摘 要：基于物聯網思維設計了一款基于NB-IoT技術的智能匯流箱，該產品使用多傳感器采集實時數據，并利用基于μCOS-III的嵌入式系統以及MQTT協議云服務器，在極低的配置需求下，保證可靠的數據發布，使客戶端的手機APP可實時查看當前每個子光伏陣列的運行情況。

關鍵詞：物聯網;光伏

1 作品簡介

文中設計了一款基于NB-IoT的智能光伏陣列匯流箱數據監測系統，系統具有實時監控各種數據，并提示預警信息等功能，科學監控光伏陣列系統可在短時間內找到故障，便于系統維護與故障處理。一方面，電氣數據采集系統將監測光伏陣列的多種環境參數，包括輻照度、溫度和濕度等，然后通過無線透傳的方式將數據傳輸到智能匯流箱之中;另一方面，通過匯流系統實時監測光伏陣列的電流和電壓輸出值（即光伏陣列的原始功率值），然后匯流系統統計兩部分數據并編碼后，通過NB-IoT網絡上傳至MQTT云服務器。移動客戶端的設計目標：設計與安卓系統手機或平板電腦匹配的APP軟件，只需要設備連接互聯網，與本系統服務器響應并訂閱相關主題，服務器就會自動將訂閱的內容發送到所需要的客戶端APP。最后，通過將采集的多種環境參數數據和光伏陣列的原始功率實現對光伏陣列發電功率的預測和對光伏陣列進行故障診斷，從而實現對光伏陣列的智能運維和調控。電氣數據采集模塊如圖1所示，系統模塊組成如圖2所示。

2 工作原理

本系統架構主要分為硬件組成和軟件算法兩部分。

硬件組成包括電氣氣象數據采集系統和匯流系統，其工作流程如下：

（1）通過電氣氣象數據采集系統對光伏陣列周圍環境參數進行實時監測，包括光伏陣列水平光照度、有效光照度、溫度和濕度等，將采集到的環境參數通過無線透傳方式傳輸給匯流系統;

（2）匯流系統實時監測光伏陣列的電流和電壓輸出值;

（3）將兩部分數據進行匯總并編碼后通過NB-IoT網絡上傳至MQTT云服務器，選用安裝有Ubuntu操作系統的ESC服務器，計劃搭建屬于自己的云服務器而非使用第三方提供的接口服務;

（4）移動客戶端通過聯網訂閱相關主題信息進行數據接收，本地客戶端通過數據線連接接收數據。

系統的硬件組成如圖3所示。

系統的軟件算法主要通過采集的多種環境參數和光伏陣列的原始功率對光伏陣列發電功率進行預測和對光伏陣列進行故障診斷，從而實現對光伏陣列的智能運維和調控。采用小波變換（WT）結合極限學習機神經網絡（ELM）建立預測模型以實現對光伏輸出功率的預測;采用差分進化算法（DE）和隨機森林算法（Random Forest）實現對光伏陣列的故障診斷。系統的算法流程如圖4所示。

3 創新點

（1）對于智能匯流箱領域，本設計首次對環境各傳感器參數以及陣列的電氣參數進行實時監測，有效提升數據的可靠性;對網頁端、本地客戶端、移動客戶端進行終端程序設計，實現遠程實時監測。

（2）融合LoRa和NB-IoT技術，保證數據的端對端傳輸，并上傳至MQTT云服務器，實現可靠的數據發布。

（3）使用基于機器學習的故障診斷算法，對光伏電站的運行狀態進行監測，以精確判定故障類型、鎖定故障區域，為客戶提供決策支持。

（4）使用基于機器學習和信號處理的功率預測算法，對光伏電站的短期發電功率進行精準預測，為電力的調控、調度提供有力保障。

4 市場前景

太陽能屬于可再生能源，具有儲量大、清潔無污染、可再生、就地可取等特點，因此成為目前人類所知的可利用的最佳能源。自20世紀50年代美國貝爾實驗室三位科學家研制成功單晶硅電池以來，光伏電池技術經過不斷改進與發展，目前已經形成了一套完整且成熟的技術。隨著全球可持續發展戰略的實施，該技術得到了許多國家政府的大力支持，在全球范圍內廣泛使用。尤其在21世紀，光伏產業以令世人驚嘆的速度高速發展。2000年至2016年間，全球累計裝機容量從

1 250 MW增至304 300 MW，年復合增長率達40.98%。2017年，全球的光伏市場增長強勁，全年新增裝機容量達102 GW，同比增長33.7%;光伏發電累計裝機容量達401 GW，同比增長32%，2018年約為495 GW。

世界市場分析概況如下：

（1）中國市場：仍有巨大發展空間;

（2）美國市場：需求持續旺盛;

（3）日本市場：趨于穩定;

（4）新興市場：新興市場小而多，印度市場快速崛起。

國內運維市場現狀：

（1）在國內，擁有自主知識產權的智能光伏運維的功率預測和故障診斷系統的企業尚少，國外競爭對手產品開拓的市場規模比較小;

（2）中國光伏電站的投資主體將更加多元化。除了傳統的電力企業之外，很多金融投資、機械設備等企業也參與其中，光伏運維企業的機會似乎更多;

（3）智能光伏運維的功率預測和故障診斷滿足了消費者對生活質量和財產安全的需求，現購買力主體主要是電力系統的電網企業和持有光伏發電站的企業。有通信業務背景的公司公開表示關注和看好智能光伏運維和故障診斷的前景。