基于物联网的光伏发电智能监控系统_梁新田
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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。
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
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
·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。
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。
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
DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2015.04.021
·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
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
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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。
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
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。
·16·
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
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。
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
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
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
（ 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。
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。
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。
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 的经济损失达到最低限度。 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。
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。
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
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
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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。
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。
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
DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2015.04.021
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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
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
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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。
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
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
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。
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
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
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
（ 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。
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。
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。
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 的经济损失达到最低限度。 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。
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。