摘要：随着国内外大量地面大型光伏电站的建立，运维一直是大型光伏电站的一个重要难题，汇流箱作为光伏电站的主要设备模块时时反映着光伏组件的发电情况，本文通过对后台监控系统汇流箱各支路电压、电流和功率大数据分析处理、报警系统的构建，组串各种常见问题故障的详细分析以及一种新的智能无人巡检模式的提出以达到一种高效的运维体系。
关键词：大型光伏电站；VIP；电池组串；无人巡检；高效运维
引言
据国家能源局统计数据显示，截至2015年年底，我国光伏发电累计装机容量达4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中，光伏电站和分布式装机容量分别达到了3712万千瓦和606万千瓦，每年可发电约400亿度电 [1]。随着我国光伏装机量的连年增加极大地推动了我国的光伏制造业，去年新增装机1500多万千瓦，连续3年都始终保持着超过千万千瓦的新增装机量。
目前大型光伏电站后台运行各种通信设施已基本完善，对于各种故障、保护等信号都能及时采集并报警。但，对于全厂大范围的汇流箱线路故障处理还不能及时通过后台发现。
对于一个60MW的光伏电站，汇流箱达到500多个，汇流箱内支路达到6千多个，现有的后台监控系统只是把汇流箱各路电压、电流和功率采集进去，运行人员需要花费大量的工作进行数据分析，而这些分析又由于没有对比性而缺乏准确度。华为提出了智能光伏电站解决方案[2]；王涛等设计了基于Web的大型光伏电站汇流箱远程监测及数据分析系统[3]；傅国轩、李雪提出了并网光伏电站基于汇流箱组串电流离散率的分析方法及应用[4]。因此，本文具体阐述了后台监控系统汇流箱各支路电压、电流和功率（简称VIP）进行大数据分析处理的详细方法，利用专业设备对组串常见问题进行检测分析，以期到达运行与检修的高效协作。
1.VIP大数据分析系统的构建
VIP是判断光伏组件能否正常发电，是否达到最大功率的直观表现。
本文提出的数据分析系统主要通过汇流箱信息模块采集的VIP数据导入，设定相应的VIP阈值和时间间隔以及报警系统达到直观的显示。
图1 VIP分析系统构建图
1.1VIP相对阈值设定
想要找到正常发电情况下的不正常VIP信息，可以通过VIP的横向、纵向对比从而判断判断该组串是否出现问题。电压设置为电池板出厂的开路电压，电流值取为两个：一是理论短路电流作为组串健康状态的分析对比；而是为了达到最大发电效率电流值而取得的整个电厂的最大汇流箱支路电流。其他所有汇流箱支路电流与这两个电流值进行对比，当相对差值大于5%时默认为该支路出现故障。
1.2时间间隔设置
由于天气等各种外界气候变化原因，会导致大量的VIP数值偏小因此需要设置相应的时间间隔来消除因天气问题带来的干扰。
后台数据导入软件处理设为1分钟收集一次（实时对比），并通过信息页面进行显示百分比，后台软件每30分钟自动对收集的不正常VIP信息进行处理（同一方阵横向对比），当收集的某个汇流箱支路不正常VIP信息超过30次时会自动页面显示平均百分比（可保存、导出打印报表）。每过2个小时通过后台软件对所收集的所有不正常信息进行分析处理（不同方阵纵向对比），超过60次的视为故障并另外进行页面平均百分比显示（可保存、导出打印报表）。
1.3报警程序设计
报警设定为只为出现大故障情况下进行，当VIP某一信息为0时立即显示报警，每30分钟显示的页面当平均百分比超过10%时自动报警，每30分钟显示的页面当平均百分比超过20%时自动报警.
2 组串常见问题分析
现场查找故障原因工作量大，不能及时快速的排除故障，而当组串出现问题时可以通过VIP各种信息直观反映。
电流为零：在实际电厂运行中，电流为零主要原因为汇流箱熔断器（保险丝）烧坏，可以用万用表测其支路电压与保险丝电阻。另一种原因一般为线路断路或软接地[5]。当软接地时可以用钳形表或专业的检测仪器查找接地点。
电压为零分为两种情况：当电流无穷时，为断路；当电流为零时，一般为断路或旁路二极管烧坏造成的断路。当旁路二极管烧坏短接时，电流正常电压下降[6]。
电压正常，电流下降时：通常为电池板遮挡或出现严重热斑现象。热斑现象是影响光伏组件发电效率的主要原因，特别在西南地区会造成大量功率损失，在检修过程中可以使用红外热像仪查找出现热斑严重的电池板[7]。
图2、表1为石林云电投光伏电站部分方阵热斑现象与统计
图2
因此通过运行数据分析与检修现场结合可以实时得出光伏电厂的组件健康情况。
引起电压电流都偏小的基本原因是电池板衰减率过高，可以通过专业仪器I-V曲线测试仪I-V400现场测量。图3、4为现场测得正常与有问题电池板的I-V曲线。
图3 正常电池板的I-V曲线
图4 有问题电池板的I-V曲线
此仪器可以自动生成功率数值以此判断该电池板的衰减情况。
3 智能无人巡检技术
在提升运维效率，实现高效运维方面，可以引入无人机技术，实现大范围快速巡检。
随着全球大型光伏电站以及分布式的建立，智能无人巡检技术得到越来越广的应用。面对拥有大量设备的光伏电站，人工巡检具有很大的局限性。大型光伏电站占地面积大，地形复杂，人工检修很难及时查找故障点，并且很难达到电厂所要求的巡检频率。
智能无人巡检技术目前最常见的为无人机巡检，无人机可搭载红外成像仪与照相机[8]，通过人工操作或自动巡航及时发现受损电池板，并且能精确显示电池组件各种热斑现象。同时无人机可搭载智能计算机，可对组件破损情况、灰尘覆盖程度、热斑效应等进行智能分析诊断和定位。
除此之外，无人机巡检周期短，可以对故障部位快速查找分析，节约了大量的人力成本以及时间成本，达到了很高的故障处置效率，从而降低了大型光伏电站的运维成本和提高了电站的发电效率。
但是无人机应用场景一般只会在大规模的太阳能发电站出现，小型的太阳能发电设施使用这样的无人机成本过高。在已使用中的光伏电站无人机巡检中，无人机会发生各种坠落事故。无人机发生坠落事故的主要原因有维护不力、操作失误、飞行场所判断失误等。另外光伏电站内大量电磁波的存在是造成无人机坠落的另一个主要原因，并且在光伏电站发电高峰期，产生的电磁波会更强。
在对输电塔、升压塔巡检中需要很高的无人机操作技术，稍微操作不当就会引起电厂重大事故。
在此，本文设计了一种小型飞艇+智能巡检模式，相比无人机具有以下优点：
（1）成本低，相对昂贵的无人机小型飞艇价格便宜，间接降低了运维成本。
（2）故障率小，相比无人机复杂的机械结构，小型飞艇机械部件较少只需在底部假装辅助飞行装置即可。
（3）易操作，小型飞艇不需要时刻控制飞行高度与方向，降低了操作难度。
（4）安全性高，小型飞艇只需冲入惰性气体氦气，及时气体泄漏也不会像无人机那样迅速坠落造成设备和人员伤害。
（5）续航时间长、载重量大，无人机耗电量大需要随时更换电池而小型飞艇可以长时间飞行，通过增加GPS定位装置达到有问题区域、电池板精确定位方便检修人员快速查找，并且技术成熟时可以达到自动巡航，不需人工操作。
缺点：
小型飞艇受风力影响较大，但可选择风力较小的月份和天气进行巡检，避免了受风力的影响。
图5 小型飞艇智能巡检模式模型
4 结论
影响大型光伏电站发电量的最小集电单元为汇流箱，最小发电单位为电池板，因此能否及时发现故障并处理至关重要。本文提出了VIP大数据分析系统的构建思路与方法，可以使运行人员直观准确的判断出故障信息和实时的了解光伏电站的发电情况。通过常见故障信息分析帮助检修人员快速判断故障原因并及时处理，减少了因故障而引起的发电量损失。本文又提出了全新的小型飞艇无人巡检模式，提高了高效快速巡检的稳定性、实用性。运行人员与检修人员高度协调配合从而达到大型光伏电站高效运维体系。
参考文献：
[1] 符亚杰. 分布式光伏发电系统的原理及其应用前景[J]. 科技与企业，2015（20）：92-92.
[2]许映童. 以数字信息技术助力打造智能光伏电站[J]. 太阳能，2014（8）：9-12.
[3] 于仝，王涛，王垚，等. 基于Web的大型光伏电站汇流箱远程监测及数据分析系统[C].电力行业信息化年会. 2013.
[4] 傅国轩，李雪，高旭冬. 并网光伏电站基于汇流箱组串电流离散率的分析方法及应用[J]. 电网与清洁能源，2014（11）：109-113.
[5] 姚汉梁，雷振洲，毛世炳. 钳形电流表在直流系统接地处理中的应用[J]. 电力安全技术，2015，17（11）：63-65.
[6] 宋菁. 光伏发电失配补偿及其最大功率跟踪研究[D]. 东南大学，2011.
[7] 刘素梅. 光伏方阵失配现象研究[D]. 汕头大学，2008.
[8] 王古常，郑幸，宫海龙，等. 无人机侦察监视有效载荷技术展望[J]. 飞航导弹，2007（8）：40-43.
论文作者:陈创业
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：光伏论文; 电站论文; 无人机论文; 电流论文; 电池板论文; 飞艇论文; 支路论文; 《电力设备》2019年第4期论文;