基于物联网的光伏发电智能监控系统
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图 4 数据分析模块的功能流程图
2． 5 状态监测与维修计划研究 状态监测是指通过测定设备在运行过程中
所反映出来的特征参数（ 如震动、噪声、温度等） ， 来检查其状态是否正常。对光伏发电系统关键 元件进行状态监测和故障诊断是将采集到的各 种数据与设定参数对比分析，用辨识方法估计模 型参数，如果偏离正常值过大，那就是故障，由模 型参数可 推 算 出 机 理 模 型 的 参 数，找 出 故 障 根 源。该方法可以发现系统潜在故障及其原因、故 障部位及轻 重 程 度，预 报 故 障 发 展 趋 势，提 出 维
对于光伏发电系统采集数据，分为两类进行 可视化。
（ 1） 生成数据，用曲线、饼图、棒图以及轮廓 图刻画系统的实时运行状态。
（ 2） 利用分析、挖掘、处理后的特征或结果 信息，开 发 更 加 深 刻、醒 目 的 2D、3D 可 视 化 技术。
3 系统搭建及运行
搭建基于无线传感网的光伏发电系统智能 监测 试 验 网。试 验 网 外 场 选 址 为 10 MW 屋 顶 BIPV 光伏发电示范工程试验场地，部署 20 套无 线传感器通信模块来监测对应太阳能光伏发电 系统，包括光伏组件、电池和逆变器，并通过 4 个 无线中继通信设备和 1 个网关设备接入到公共 互联网。另外，外场还布设 1 个现场控制和显示 设备。
水平辐全局射量 /［kWh / （ m2 ·d） ］
倾斜面全局辐射量 普通监控 智能监控
发电量
/［kWh / （ m2 ·d） ］ 发电量 / kWh 发电量 / kWh 差值 / kWh
2． 21 3． 02 4． 03 5． 06 5． 95 5． 84 4． 97 4． 55 4． 22 3． 27 2． 31 1． 91 3． 95
943 318 827 260 13 983 565
1 002 315 1 062 346 1 344 996 1 390 921 1 523 140 1 368 680 1 227 083 1 220 396 1 253 582 1 185 915
971 618 852 078 14 403 072
图 2 逆变器输出端三相交流电压采样电路
图 2 中，Usa 、Usb 、Usc 为霍尔电压传感器采集 到的输出 信 号，利 用 运 算 放 大 器 LF247 将 霍 尔 电压传感器的输出信号送到同步采样A /D转换器 引脚 AD1、AD2、AD3。
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图 3 光伏发电实时数据通信网络结构
基于无线传感器网络的通信模块是项目技术 方案的关键，其工作原理是利用 IEEE 802． 15． 4的 短距无线传输技术作为节点之间的通信信道，并 通过系统芯片 SOC 来控制外接的各类传感模块， 定时读取太阳能电池和光伏逆变器组件特定的 物 理 量，并 通 过 多 跳 的 通 信 方 式 传 送 到 远 端 设 备。通常无线传感器网络通信模块需要普通的 外接电源或化学电池供电，该项目将利用太阳能 电池输出的低压直流电进行供电。
2013 年全年统计的相关数据如表 1 所 示。 由表 1 可知，单从年发电量角度来看，智能监控 系统相比普通监控系统，前期增加的 82 万元资 金投入，预计 2 年多就可以收回成本。
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·建筑节能·
月份
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 12 月 总计
表 1 发电量对照表
修建议。为 缩 短 维 修 时 间、降 低 维 修 费 用，可 以 在一定范围内合理安排维修时间，使停机所造成 的经济损失wenku.baidu.com到最低限度。 2． 6 建筑光伏发电监测系统的可视化研究
远程监测控制中心是光伏发电系统的远程 智能管理平台，具有强大数据处理能力，对区域 光伏发电系统进行实时监测、查询、开关控制等 操作，预计可支持 10 万套的管理能力。
·建筑节能·
端，适合便携使用。 2． 3 体系结构与数据库管理系统的设计
利用 C + + 语言，并采用 C / S 和 B / S 相结合 的混合模式，开发光伏发电监测平台； 数据库包 含实时数据库和历史数据库，两者的访问都采用 标准的 UML 语言。 2． 4 系统功能与性能的评估
监控平台的功能可工作在应用管理模式、 研究模式。应用 模 式 一 般 面 向 用 户，而 研 究 模 式面向 PV 开 发 研 究 人 员 和 PV 厂 家。数 据 分 析模块的功能流程如图 4 所示。通过输入数据 的用户界面，使用者 在 用 户 界 面 中 选 择 试 验 数 据的类别，输入试验采集到的数据； 通过性能评 估模块 内 核 进 行 试 验 数 据 失 效 分 布 类 型 的 估 计 ，并 在 估 计 基 础 上 进 行 检 验 ，确 定 试 验 数 据 的 失效分布类型，计算 出 相 应 的 可 靠 性 试 验 数 据 的特征 量； 通 过 结 果 显 示 界 面，读 取 性 能 评 估 结果。
基于物联网的光伏发电智能监控系统框架 如图 1 所示。
2 系统技术方案
2． 1 系统数据采集模块 数据采集模块主要由单片机、电源电路、数据
采样电路、无线通信电路和外壳组成，可以采集当 地接入点各种不同类型的数据。根据预先配置的 上传策略进行数据上报，这些数据可通过模拟或 数字接口导出给无线传感器通信模块。采集模块 分布在太阳能光伏组件、汇流箱、直流配电柜、光 伏逆变器、交流配电柜等系统的各个环节。其中 光 伏组件的数据采集模块安装在背板上，与接线
工程项目为研究依托，分成若干子系统进行各种 数据采集传感器的选择配置； 构建实时数据采集 系统的通信传输网络； 通过光伏电站管理中心， 构建基于实时数据通信网的监控平台，并设计平 台体系结构以及数据库管理策略； 基于区域光伏 发电系统的实时信息，研究建筑光伏发电系统的 模型、特征曲线、故障检测、系统性能评估方法及 数据、网络的可视化技术等。
注： 电费单价按 0． 94 元 / kWh 计。
综上所述，该监控系统可最大限度地节约资 源，实现资 源 的 合 理 优 化，降 低 光 伏 系 统 电 站 潜 在危险损失，提高光伏发电系统发电可靠性。通 过对光伏发电运行参数和数据的分析研究，得出 以下信息：
（ 1） 光伏组件功率输出与光照辐射度、PV 电池板安装角度和温度、环境温度以及风速的关 系，建立了 相 关 的 分 析 模 型，为 光 伏 组 件 生 产 厂 设计出效率高的光伏电池提供参考。
关键词： 物联网； 光伏发电； 智能监控系统； 可靠性
中图分类号： TU 852 文献标志码： B 文章编号： 1674-8417（ 2015） 04-0015-04
梁新田（ 1982—） ，男， 工 程 师，从 事 光 伏 并 网逆变器方面的研 究。
0引言
根据目前基础条件和政策导向的分析，我国 光伏产业经过产业调整将有望走出低迷，预计“十 二五”末光伏发电累计装机容量达到 40 GW，到 2020 年有可能突破 100 GW。随着规模性的太阳 能电站在国内陆续建设并投入运行，如何实时了 解电站的运行状况，如何满足上一级系统或电网 调度系统的监控需求，成为亟待解决的问题。太 阳能光伏电站系统运行状态的实时监控，如运行 状态监控、故障检测预警、环境数据采集、能源调 度与分配，对提高光伏系统运行效率、降低系统运 行成本具有重要的意义。
无线中继通信设备是传感器网络的中间路 由节点，本身不承担数据采集的工作，但需要在 长距离传输时进行中继路由，并且具有 MESH 组 网和自愈能力，即在通信链路发生故障时协议可 以自适应地修改中继路径，保障端到端的通信质 量。该设备的引入极大地降低了原有总线监测 技 术 方 案 的 风 险，实 现 了 多 路 径 的 动 态 组 网 拓 扑，提高了监测通信链路的可靠性。
·建筑节能·
基于物联网的光伏发电智能监控系统
梁新田1 ， 徐志华2 （ 1． 保定科诺伟业控制设备有限公司，河北 保定 071000； 2． 中铁电气化局 保定铁道变压器有限公司，河北 保定 071000）
摘 要： 搭建基于物联网的区域光伏发电系统的智能监控平台。以光伏发电系
统故障检测算法和设备的优化管理为基础，通过建立性能评估模型，实现对区域分 布式光伏发电系统的安全运行性能进行评估。运行结果表明，系统数据传输效果 好、性能稳定可靠，具有很高的应用和推广价值。
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·建筑节能·
2． 2 通信网络的构建 光伏发电实时数据通信网络结构如图 3 所示。
图 1 基于物联网的光伏发电智能监控系统框架
盒相连，可以采集直流电压、直 流 电 流、平 均 功 率、日辐照 量、风 速、环 境 温 度、光 伏 组 件 温 度。 光伏逆变器的数据采集模块主要采集输入直流 电压 / 电流、输出交流电流 / 电压、输出功率、电网 电流、电网电压等参数。逆变器输入端的直流电 压、电流和 输 出 端 的 三 相 交 流 电 压、电 流 都 是 通 过霍尔传感器测得。设计选用霍尔电压 CLSM10MA 传感器，电 源 电 压 为 ± 15 V，绝 缘 电 压 为 5 kV，输入额定电流为 ± 10 mA，输出额定电流为 ± 25 mA。逆变器输出端三相交流电压采样电路 如图 2 所示。
与相同装机容量的普通光伏发电监控系统 相比，前 期 需 要 增 加 设 备 资 金 投 入 约 为 82 万 元。据不完全统 计，普 通 光 伏 发 电 监 控 系 统 每 年每 10 MW 光 伏 电 站 用 于 维 护、检 修、检 测 投 入的人力 费 用 约 为 40 万 元； 设 备 监 管 不 力，造 成光伏组件损毁烧坏280 块，价值约 30 万元； 考 虑光伏组件的更 换 和 安 装，损 失 发 电 量 等 综 合 费用总计为 10 万元。在光伏发电系统 25 a 生 命期内，将共计损失 2 000 万元。采用智能监控 系统大 大 减 少 了 非 系 统 监 测 状 态 下 电 站 的 损 失额。
本文建立了一个区域分布式光伏发电系统 的实时安 全 监 控 平 台，融 合 智 能 无 线 传 感 器 技 术、实时无线网络通信技术和数据挖掘分析平台 技术，以及整个系统动态变化的可视化技术和故 障预测与优化检修技术。
1 系统概况
该项目以 10 MW 屋顶 BIPV 光伏发电示范
徐志华（ 1982—） ，女，工程师，从事电器可靠性方面的研究。
3G 无线传感网网管设备是传感网与 3G 移 动通信网的融合节点，同时具备与传感网和 3G 网络通信的功能。它利用 3G 通信模块将采集到 的多个光伏发电设备的数据进行上报，并转发远 程监测控制中心下达的各项操作和查询指令。 该网关设备的形态可分为固定式和移动式。固 定式采用普通工业级通信网关设备开发，具备一 定的防水、防震等要求，采用电源供电，适合露天 长期部署。移动式采用智能手机或平板电脑终
29 194 30 942 39 175 40 512 44 363 39 864 35 740 35 546 36 512 34 541 28 300 24 818 419 507
电费 /元
27 442 29 086 36 824 38 082 41 702 37 473 33 596 33 413 34 321 32 469 26 602 23 329 394 337
（ 2） 影响区域光伏发电系统功率输出的各 种因素，为设计更高效的逆变器控制算法提供了 可靠的依据。
（ 3） 光伏发电的动态模型，便于进行不同应 用（ 潮流、短路、稳定分析等） 的动态模拟仿真。
（ 4） 动态模型能够与电力系统模型结合，以 便研究 PV 电源对电网安全、可靠运行的影响。
（ 5） 建筑光伏发电系统（ 具有易变、不确定 性特征） 建立了有效、通用、标准的潮流计算和稳 定性分析模型。
3． 74 4． 38 5． 01 5． 36 5． 68 5． 27 4． 57 4． 55 4． 83 4． 42 3． 74 3． 18 4． 56
973 121 1 031 404 1 305 821 1 350 409 1 478 777 1 328 816 1 191 343 1 184 850 1 217 070 1 151 374
2． 5 状态监测与维修计划研究 状态监测是指通过测定设备在运行过程中
所反映出来的特征参数（ 如震动、噪声、温度等） ， 来检查其状态是否正常。对光伏发电系统关键 元件进行状态监测和故障诊断是将采集到的各 种数据与设定参数对比分析，用辨识方法估计模 型参数，如果偏离正常值过大，那就是故障，由模 型参数可 推 算 出 机 理 模 型 的 参 数，找 出 故 障 根 源。该方法可以发现系统潜在故障及其原因、故 障部位及轻 重 程 度，预 报 故 障 发 展 趋 势，提 出 维
对于光伏发电系统采集数据，分为两类进行 可视化。
（ 1） 生成数据，用曲线、饼图、棒图以及轮廓 图刻画系统的实时运行状态。
（ 2） 利用分析、挖掘、处理后的特征或结果 信息，开 发 更 加 深 刻、醒 目 的 2D、3D 可 视 化 技术。
3 系统搭建及运行
搭建基于无线传感网的光伏发电系统智能 监测 试 验 网。试 验 网 外 场 选 址 为 10 MW 屋 顶 BIPV 光伏发电示范工程试验场地，部署 20 套无 线传感器通信模块来监测对应太阳能光伏发电 系统，包括光伏组件、电池和逆变器，并通过 4 个 无线中继通信设备和 1 个网关设备接入到公共 互联网。另外，外场还布设 1 个现场控制和显示 设备。
水平辐全局射量 /［kWh / （ m2 ·d） ］
倾斜面全局辐射量 普通监控 智能监控
发电量
/［kWh / （ m2 ·d） ］ 发电量 / kWh 发电量 / kWh 差值 / kWh
2． 21 3． 02 4． 03 5． 06 5． 95 5． 84 4． 97 4． 55 4． 22 3． 27 2． 31 1． 91 3． 95
943 318 827 260 13 983 565
1 002 315 1 062 346 1 344 996 1 390 921 1 523 140 1 368 680 1 227 083 1 220 396 1 253 582 1 185 915
971 618 852 078 14 403 072
图 2 逆变器输出端三相交流电压采样电路
图 2 中，Usa 、Usb 、Usc 为霍尔电压传感器采集 到的输出 信 号，利 用 运 算 放 大 器 LF247 将 霍 尔 电压传感器的输出信号送到同步采样A /D转换器 引脚 AD1、AD2、AD3。
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图 3 光伏发电实时数据通信网络结构
基于无线传感器网络的通信模块是项目技术 方案的关键，其工作原理是利用 IEEE 802． 15． 4的 短距无线传输技术作为节点之间的通信信道，并 通过系统芯片 SOC 来控制外接的各类传感模块， 定时读取太阳能电池和光伏逆变器组件特定的 物 理 量，并 通 过 多 跳 的 通 信 方 式 传 送 到 远 端 设 备。通常无线传感器网络通信模块需要普通的 外接电源或化学电池供电，该项目将利用太阳能 电池输出的低压直流电进行供电。
2013 年全年统计的相关数据如表 1 所 示。 由表 1 可知，单从年发电量角度来看，智能监控 系统相比普通监控系统，前期增加的 82 万元资 金投入，预计 2 年多就可以收回成本。
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月份
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 12 月 总计
表 1 发电量对照表
修建议。为 缩 短 维 修 时 间、降 低 维 修 费 用，可 以 在一定范围内合理安排维修时间，使停机所造成 的经济损失wenku.baidu.com到最低限度。 2． 6 建筑光伏发电监测系统的可视化研究
远程监测控制中心是光伏发电系统的远程 智能管理平台，具有强大数据处理能力，对区域 光伏发电系统进行实时监测、查询、开关控制等 操作，预计可支持 10 万套的管理能力。
·建筑节能·
端，适合便携使用。 2． 3 体系结构与数据库管理系统的设计
利用 C + + 语言，并采用 C / S 和 B / S 相结合 的混合模式，开发光伏发电监测平台； 数据库包 含实时数据库和历史数据库，两者的访问都采用 标准的 UML 语言。 2． 4 系统功能与性能的评估
监控平台的功能可工作在应用管理模式、 研究模式。应用 模 式 一 般 面 向 用 户，而 研 究 模 式面向 PV 开 发 研 究 人 员 和 PV 厂 家。数 据 分 析模块的功能流程如图 4 所示。通过输入数据 的用户界面，使用者 在 用 户 界 面 中 选 择 试 验 数 据的类别，输入试验采集到的数据； 通过性能评 估模块 内 核 进 行 试 验 数 据 失 效 分 布 类 型 的 估 计 ，并 在 估 计 基 础 上 进 行 检 验 ，确 定 试 验 数 据 的 失效分布类型，计算 出 相 应 的 可 靠 性 试 验 数 据 的特征 量； 通 过 结 果 显 示 界 面，读 取 性 能 评 估 结果。
基于物联网的光伏发电智能监控系统框架 如图 1 所示。
2 系统技术方案
2． 1 系统数据采集模块 数据采集模块主要由单片机、电源电路、数据
采样电路、无线通信电路和外壳组成，可以采集当 地接入点各种不同类型的数据。根据预先配置的 上传策略进行数据上报，这些数据可通过模拟或 数字接口导出给无线传感器通信模块。采集模块 分布在太阳能光伏组件、汇流箱、直流配电柜、光 伏逆变器、交流配电柜等系统的各个环节。其中 光 伏组件的数据采集模块安装在背板上，与接线
工程项目为研究依托，分成若干子系统进行各种 数据采集传感器的选择配置； 构建实时数据采集 系统的通信传输网络； 通过光伏电站管理中心， 构建基于实时数据通信网的监控平台，并设计平 台体系结构以及数据库管理策略； 基于区域光伏 发电系统的实时信息，研究建筑光伏发电系统的 模型、特征曲线、故障检测、系统性能评估方法及 数据、网络的可视化技术等。
注： 电费单价按 0． 94 元 / kWh 计。
综上所述，该监控系统可最大限度地节约资 源，实现资 源 的 合 理 优 化，降 低 光 伏 系 统 电 站 潜 在危险损失，提高光伏发电系统发电可靠性。通 过对光伏发电运行参数和数据的分析研究，得出 以下信息：
（ 1） 光伏组件功率输出与光照辐射度、PV 电池板安装角度和温度、环境温度以及风速的关 系，建立了 相 关 的 分 析 模 型，为 光 伏 组 件 生 产 厂 设计出效率高的光伏电池提供参考。
关键词： 物联网； 光伏发电； 智能监控系统； 可靠性
中图分类号： TU 852 文献标志码： B 文章编号： 1674-8417（ 2015） 04-0015-04
梁新田（ 1982—） ，男， 工 程 师，从 事 光 伏 并 网逆变器方面的研 究。
0引言
根据目前基础条件和政策导向的分析，我国 光伏产业经过产业调整将有望走出低迷，预计“十 二五”末光伏发电累计装机容量达到 40 GW，到 2020 年有可能突破 100 GW。随着规模性的太阳 能电站在国内陆续建设并投入运行，如何实时了 解电站的运行状况，如何满足上一级系统或电网 调度系统的监控需求，成为亟待解决的问题。太 阳能光伏电站系统运行状态的实时监控，如运行 状态监控、故障检测预警、环境数据采集、能源调 度与分配，对提高光伏系统运行效率、降低系统运 行成本具有重要的意义。
无线中继通信设备是传感器网络的中间路 由节点，本身不承担数据采集的工作，但需要在 长距离传输时进行中继路由，并且具有 MESH 组 网和自愈能力，即在通信链路发生故障时协议可 以自适应地修改中继路径，保障端到端的通信质 量。该设备的引入极大地降低了原有总线监测 技 术 方 案 的 风 险，实 现 了 多 路 径 的 动 态 组 网 拓 扑，提高了监测通信链路的可靠性。
·建筑节能·
基于物联网的光伏发电智能监控系统
梁新田1 ， 徐志华2 （ 1． 保定科诺伟业控制设备有限公司，河北 保定 071000； 2． 中铁电气化局 保定铁道变压器有限公司，河北 保定 071000）
摘 要： 搭建基于物联网的区域光伏发电系统的智能监控平台。以光伏发电系
统故障检测算法和设备的优化管理为基础，通过建立性能评估模型，实现对区域分 布式光伏发电系统的安全运行性能进行评估。运行结果表明，系统数据传输效果 好、性能稳定可靠，具有很高的应用和推广价值。
·15·
·建筑节能·
2． 2 通信网络的构建 光伏发电实时数据通信网络结构如图 3 所示。
图 1 基于物联网的光伏发电智能监控系统框架
盒相连，可以采集直流电压、直 流 电 流、平 均 功 率、日辐照 量、风 速、环 境 温 度、光 伏 组 件 温 度。 光伏逆变器的数据采集模块主要采集输入直流 电压 / 电流、输出交流电流 / 电压、输出功率、电网 电流、电网电压等参数。逆变器输入端的直流电 压、电流和 输 出 端 的 三 相 交 流 电 压、电 流 都 是 通 过霍尔传感器测得。设计选用霍尔电压 CLSM10MA 传感器，电 源 电 压 为 ± 15 V，绝 缘 电 压 为 5 kV，输入额定电流为 ± 10 mA，输出额定电流为 ± 25 mA。逆变器输出端三相交流电压采样电路 如图 2 所示。
与相同装机容量的普通光伏发电监控系统 相比，前 期 需 要 增 加 设 备 资 金 投 入 约 为 82 万 元。据不完全统 计，普 通 光 伏 发 电 监 控 系 统 每 年每 10 MW 光 伏 电 站 用 于 维 护、检 修、检 测 投 入的人力 费 用 约 为 40 万 元； 设 备 监 管 不 力，造 成光伏组件损毁烧坏280 块，价值约 30 万元； 考 虑光伏组件的更 换 和 安 装，损 失 发 电 量 等 综 合 费用总计为 10 万元。在光伏发电系统 25 a 生 命期内，将共计损失 2 000 万元。采用智能监控 系统大 大 减 少 了 非 系 统 监 测 状 态 下 电 站 的 损 失额。
本文建立了一个区域分布式光伏发电系统 的实时安 全 监 控 平 台，融 合 智 能 无 线 传 感 器 技 术、实时无线网络通信技术和数据挖掘分析平台 技术，以及整个系统动态变化的可视化技术和故 障预测与优化检修技术。
1 系统概况
该项目以 10 MW 屋顶 BIPV 光伏发电示范
徐志华（ 1982—） ，女，工程师，从事电器可靠性方面的研究。
3G 无线传感网网管设备是传感网与 3G 移 动通信网的融合节点，同时具备与传感网和 3G 网络通信的功能。它利用 3G 通信模块将采集到 的多个光伏发电设备的数据进行上报，并转发远 程监测控制中心下达的各项操作和查询指令。 该网关设备的形态可分为固定式和移动式。固 定式采用普通工业级通信网关设备开发，具备一 定的防水、防震等要求，采用电源供电，适合露天 长期部署。移动式采用智能手机或平板电脑终
29 194 30 942 39 175 40 512 44 363 39 864 35 740 35 546 36 512 34 541 28 300 24 818 419 507
电费 /元
27 442 29 086 36 824 38 082 41 702 37 473 33 596 33 413 34 321 32 469 26 602 23 329 394 337
（ 2） 影响区域光伏发电系统功率输出的各 种因素，为设计更高效的逆变器控制算法提供了 可靠的依据。
（ 3） 光伏发电的动态模型，便于进行不同应 用（ 潮流、短路、稳定分析等） 的动态模拟仿真。
（ 4） 动态模型能够与电力系统模型结合，以 便研究 PV 电源对电网安全、可靠运行的影响。
（ 5） 建筑光伏发电系统（ 具有易变、不确定 性特征） 建立了有效、通用、标准的潮流计算和稳 定性分析模型。
3． 74 4． 38 5． 01 5． 36 5． 68 5． 27 4． 57 4． 55 4． 83 4． 42 3． 74 3． 18 4． 56
973 121 1 031 404 1 305 821 1 350 409 1 478 777 1 328 816 1 191 343 1 184 850 1 217 070 1 151 374