本發(fā)明涉及光伏組件故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

太陽電池陣列是由若干個(gè)太陽電池組件經(jīng)過串、并聯(lián)聯(lián)接組合而成，但在實(shí)際中太陽電池陣列的實(shí)際發(fā)電量卻往往大大低于理論設(shè)計(jì)要求，這是由于太陽能發(fā)電所受的制約因數(shù)相當(dāng)多，其中包括單塊電池組件自身特性差異、電池組件損壞、電池組件老化、外界環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間等均會(huì)引起光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、系統(tǒng)效率等的變化。目前國內(nèi)外對光伏發(fā)電的檢測和控制只側(cè)重于整體電池方陣的研究，只是關(guān)注光伏電站整個(gè)的輸出電壓、電流和功率等，因此無法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的真正意義上的效率最大化，發(fā)電控制自動(dòng)化。

隨著世界各國光伏發(fā)電裝機(jī)容量的快速增長，光伏發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測與故障診斷近年來得到國內(nèi)外越來越多的學(xué)著和相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)注，多種光伏陣列監(jiān)測與故障診斷方法與技術(shù)相繼被提出，包括離線的和在線的。離線監(jiān)測系統(tǒng)是在人工的參與下，通過對離線光伏陣列參數(shù)進(jìn)行分析，主要有紅外圖像分析法、對地電容測量法、基于參數(shù)模型的故障診斷方法等。在線監(jiān)測系統(tǒng)是指實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏陣列的參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，主要有衛(wèi)星監(jiān)測法、基于工作電壓窗口的故障診斷方法、時(shí)域反射分析法等。在這些方法和技術(shù)的幫助下，大大提高了電池組件的壽命，減少了光伏發(fā)電成本。

光伏電站由成千上萬片光伏組件構(gòu)成，它們安裝在室外，受雨雪風(fēng)雹、高溫酷暑的危害時(shí)常出現(xiàn)故障，如異物飄落覆蓋、組件內(nèi)部引線開路、外部接線端子松脫等等，一旦發(fā)現(xiàn)故障就會(huì)影響發(fā)電，但這些故障組件混在成千上萬片光伏組件中很難被發(fā)現(xiàn)。為了提高光伏組件的發(fā)電效率，亟需研究開發(fā)一種能夠診斷光伏組件在線故障的系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明第一方面提供了一種光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)，所述分級診斷系統(tǒng)包括前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊、前級單片機(jī)內(nèi)置診斷模塊、無線發(fā)射和接收模塊、后級dsp故障診斷模塊以及后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊。

其中，所述前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊主要是利用傳感器和數(shù)據(jù)處理電路采集光伏電池組件產(chǎn)生的電流、電壓、溫度和光照強(qiáng)度外部特性數(shù)據(jù)。

其中，所述無線發(fā)射和接收模塊主要是把光伏組件數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速地發(fā)送給所述后級dsp故障診斷模塊中dsp核心處理芯片，同時(shí)將診斷結(jié)果發(fā)送到所述后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊中后臺(tái)上位計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示診斷結(jié)果。

其中，所述后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊主要是通過無線通訊設(shè)備接收來自所述前級單片機(jī)內(nèi)置診斷模塊中前級單片機(jī)與所述后級dsp故障診斷模塊中后級dsp的診斷結(jié)果，并做到實(shí)時(shí)顯示故障信息的作用。

本發(fā)明第二方面提供了一種光伏組件在線故障分級診斷方法，包括以下步驟：

步驟s1：第一級檢測通過前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理電路采集光伏組件的電流、電壓、溫度和光照強(qiáng)度，通過將光伏組件短路和開路故障信息提取在各光伏組件上的單片機(jī)中進(jìn)行初步判斷，檢查光伏組件是否出現(xiàn)短路和開路這些初級且易診斷的故障情況；若出現(xiàn)故障則對旁路二極管進(jìn)行動(dòng)作，泄掉多余的不平衡電流，保護(hù)電路；若檢測正常，進(jìn)入第二級檢測；

步驟s2：第二級檢測通過連接在單片機(jī)上的無線模塊把處理后的電流、電壓數(shù)值以無線通訊模式把數(shù)據(jù)發(fā)送給dsp核心處理芯片，所述dsp核心處理芯片對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并把離線模式下載matlan中建立好的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型在dsp內(nèi)部進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對光伏組件老化和熱斑故障的在線診斷，并把診斷結(jié)果通過xbee以無線形式發(fā)送到后臺(tái)上位計(jì)算機(jī)顯示。

其中，所述dsp核心處理芯片的型號為tm320f28335。

其中，所述步驟s1中：

當(dāng)光伏組件支路短路電流為0時(shí)，通過光強(qiáng)傳感器估算出實(shí)際的短路電流isc，具體計(jì)算公式如下：

式中，sc為任意光照下的光照強(qiáng)度，isc為此光強(qiáng)下對應(yīng)的短路電流，isc-stc為標(biāo)況下的短路電流；

若isc不為0則可初步判斷光伏組件出現(xiàn)開路故障；

當(dāng)光伏組件支路短路電流不為0時(shí)，通過判斷電壓傳感器數(shù)值判斷是否出現(xiàn)短路故障，支路總開路電壓為uo，其中某一組件上的開路電壓為uo1，假設(shè)一條支路上有n個(gè)單光伏組件串聯(lián)而成，則當(dāng)uo≤(n-1)uo1時(shí)可判斷出現(xiàn)短路故障。

其中，所述步驟s2中：

使用最大功率功率點(diǎn)pm和開路電壓uoc為區(qū)分故障特性因子，使用[stpmuoc]作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型的故障特征量，由于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層4個(gè)變量單位不同，數(shù)量級相差也比較大所以在對bp故障模型進(jìn)行診斷前需要對其進(jìn)行歸一化處理以保證診斷模型的準(zhǔn)確性，歸一化公式如下：

式中，xk為原始輸入數(shù)據(jù)，xmin和xmax為原始數(shù)據(jù)的最小最大值，yk為歸一化后的輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)dsp在接收數(shù)據(jù)后按上式對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理并把已建立好的故障診斷在dsp中進(jìn)行編程完成故障在線診斷，把診斷結(jié)果以無線形式傳輸?shù)胶笈_(tái)上位計(jì)算機(jī)顯示；

通過最大功率點(diǎn)pm和開路電壓uoc之間的差異，光伏組件故障診斷使用[stpmuoc]作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層采用tansig函數(shù)，隱含層的輸出公式如下：

式中ii為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；hj為隱含層的輸出；wij為輸入層與輸出層的連接權(quán)值；bj為閥值；j的范圍為1～n，n為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層個(gè)數(shù)；

最佳隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定如下所示：

式中n為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；i為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為0到10之間的常數(shù)，以此確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；

通過bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷出光伏組件的運(yùn)行狀態(tài)，完成對光伏組件的第二級檢測。

本發(fā)明的有益效果：

由于現(xiàn)有對光伏組件故障診斷方法大多是通過外部或內(nèi)部參數(shù)作為故障診斷信息，通過訓(xùn)練好的故障模型對其所有故障進(jìn)行整體診斷，這樣算法處理的數(shù)據(jù)量大，結(jié)果不明顯，不易對不同故障進(jìn)行分層處理。本發(fā)明以單個(gè)光伏組件作為診斷對象，利用光伏組件故障特性不同，對光伏組件進(jìn)行分級診斷，并采取相應(yīng)的檢測方法，即保證了對故障種類診斷完整性，又降低了故障診斷模型的復(fù)雜程度，保證診斷的準(zhǔn)確性，確保每一個(gè)光伏組件發(fā)揮最大的電性能，同時(shí)保證整個(gè)光伏組件裝置運(yùn)行的安全性。光伏組件是形成光伏電站光伏陣列的基本單元，其安全性，可靠性以及發(fā)電效率直接影響光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，因此本發(fā)明提供的光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)及方法有利于帶動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施方式中需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對應(yīng)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的光伏組件在線故障分級診斷方法的整體流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光伏組件傳感器采集裝置位置圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的光伏組件故障功率特性曲線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的光伏組件故障診斷的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明第一方面提供了一種光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)，所述分級診斷系統(tǒng)包括前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊、前級單片機(jī)內(nèi)置診斷模塊、無線發(fā)射和接收模塊、后級dsp故障診斷模塊以及后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊；所述前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊主要是利用傳感器和數(shù)據(jù)處理電路采集光伏電池組件產(chǎn)生的電流、電壓、溫度和光照強(qiáng)度外部特性數(shù)據(jù)；所述無線發(fā)射和接收模塊主要是把光伏組件數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速地發(fā)送給所述后級dsp故障診斷模塊中dsp核心處理芯片，同時(shí)將診斷結(jié)果發(fā)送到所述后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊中后臺(tái)上位計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示診斷結(jié)果；所述后臺(tái)計(jì)算機(jī)結(jié)果顯示模塊主要是通過無線通訊設(shè)備接收來自所述前級單片機(jī)內(nèi)置診斷模塊中前級單片機(jī)與所述后級dsp故障診斷模塊中后級dsp的診斷結(jié)果，并做到實(shí)時(shí)顯示故障信息的作用。

本發(fā)明第二方面提供了一種光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟s1：第一級檢測通過前段傳感器數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理電路采集光伏組件的電流、電壓、溫度和光照強(qiáng)度，通過將光伏組件短路和開路故障信息提取在各光伏組件上的單片機(jī)中進(jìn)行初步判斷，檢查光伏組件是否出現(xiàn)短路和開路這些初級且易診斷的故障情況；若出現(xiàn)故障則對旁路二極管進(jìn)行動(dòng)作，泄掉多余的不平衡電流，保護(hù)電路；

如圖3所示的光伏組件傳感器采集裝置位置圖首先通過電流傳感器得出光伏組件的支路短路電流值是否為0，當(dāng)光伏組件支路短路電流為0時(shí)，通過光強(qiáng)傳感器估算出實(shí)際的短路電流isc，具體計(jì)算公式如下：

式中，sc為任意光照下的光照強(qiáng)度，isc為此光強(qiáng)下對應(yīng)的短路電流，isc-stc為標(biāo)況下的短路電流；

若isc不為0則可初步判斷光伏組件出現(xiàn)開路故障，對短路電流isc是為了防止出現(xiàn)夜晚或陰天對光伏組件工作狀態(tài)的誤判。

當(dāng)光伏組件支路短路電流不為0時(shí)，通過判斷電壓傳感器數(shù)值判斷是否出現(xiàn)短路故障，支路總開路電壓為uo，其中某一組件上的開路電壓為uo1，假設(shè)一條支路上有n個(gè)單光伏組件串聯(lián)而成，則當(dāng)uo≤(n-1)uo1時(shí)可判斷出現(xiàn)短路故障；

若第一級檢測正常，進(jìn)入第二級檢測。

步驟s2：第二級檢測通過連接在單片機(jī)上的無線模塊把處理后的電流、電壓數(shù)值以無線通訊模式把數(shù)據(jù)發(fā)送給dsp核心處理芯片，采用的dsp核心處理芯片的型號為tm320f28335，所述dsp核心處理芯片對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并把離線模式下載matlan中建立好的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型在dsp內(nèi)部進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對光伏組件老化和熱斑故障的在線診斷，并把診斷結(jié)果通過xbee以無線形式發(fā)送到后臺(tái)上位計(jì)算機(jī)顯示。

如圖4顯示光伏組件老化和熱斑故障下的功率輸出特性，使用最大功率功率點(diǎn)pm和開路電壓uoc為區(qū)分故障特性因子，使用[stpmuoc]作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型的故障特征量，由于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層4個(gè)變量單位不同，數(shù)量級相差也比較大所以在對bp故障模型進(jìn)行診斷前需要對其進(jìn)行歸一化處理以保證診斷模型的準(zhǔn)確性，歸一化公式如下：

式中，xk為原始輸入數(shù)據(jù)，xmin和xmax為原始數(shù)據(jù)的最小最大值，yk為歸一化后的輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)dsp在接收數(shù)據(jù)后按上式對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理并把已建立好的故障診斷在dsp中進(jìn)行編程完成故障在線診斷，把診斷結(jié)果以無線形式傳輸?shù)胶笈_(tái)上位計(jì)算機(jī)顯示。

dsp中的bp故障診斷模型是后級故障診斷的關(guān)鍵所在，本文設(shè)計(jì)的在線故障診斷系統(tǒng)采用的是離線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即根據(jù)建立的故障數(shù)學(xué)模型采集樣本數(shù)據(jù)，在matlab平臺(tái)上訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲取連接權(quán)值、閾值、訓(xùn)練函數(shù)等，然后在dsp中進(jìn)行編程，下面對bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對光伏組件診斷進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖5為bp神經(jīng)網(wǎng)路算法結(jié)構(gòu)圖，通過圖4可以看出光伏組件發(fā)生老化和熱斑情況下其最大功率點(diǎn)pm和開路電壓uoc會(huì)出現(xiàn)差異，所以光伏組件故障診斷就以使用[stpmuoc]作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層數(shù)據(jù)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層則采用tansig函數(shù)，則隱含層的輸出如下式(3)所示：

式中ii為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；hj為隱含層的輸出；wij為輸入層與輸出層的連接權(quán)值；bj為閥值；j的范圍為1～n，n為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層個(gè)數(shù)；

最佳隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定如下所示：

式中n為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；i為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為0到10之間的常數(shù)，以此確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；如表1所示為故障類型輸出層定義表，通過bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷出光伏組件的運(yùn)行狀態(tài)，完成對光伏組件的第二級檢測。

表1故障類型輸出層定義表

本發(fā)明提供的光伏組件在線故障分級診斷系統(tǒng)及方法采取多級分段處理，解決了現(xiàn)有技術(shù)對光伏組件故障診斷種類補(bǔ)全的問題，同時(shí)又按照對不同故障特性進(jìn)行分級處理降低算法對數(shù)據(jù)的處理，提高了診斷的準(zhǔn)確性；并通過無線傳輸技術(shù)達(dá)到對故障結(jié)果的準(zhǔn)確發(fā)送，減少了外部地域和環(huán)境對結(jié)果的影響。以上實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都是屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。