多通道光伏汇流箱在线监控系统的研究
陈鸣+麦倩屏
摘 要： 光伏汇流箱是光伏发电系统中必不可少的设备，对光伏汇流箱监测可以提高光伏电站运维水平。该文采用递推最小二乘法来测量光伏阵列电流，减小了随机测量误差的干扰，使测量值更加接近真值，提高了测量精度，并利用 LabVIEW对光伏汇流箱设计一个多通道在线光伏阵列电流数据采集系统。实验结果证明，该系统监控界面能同时实现8个通道的电流数据实时显示、数据保存、故障警示等，可有效地观测出每一路组件的工作情况。
关键词： 光伏汇流箱； 多通道电流巡检； 递推最小二乘法； 汇流支路故障定位
中图分类号： TN948.64?34； TP274.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0172?04
Abstract： The photovoltaic （PV） combiner box is an essential device of photovoltaic power generation system， and monitoring for it can improve the operation and maintenance level of PV power plant. The recursive least square （RLSE） method is used to measure the current of PV array， which can reduce the interference of random measurement error， make the measured value closer to the true value， and improve the measurement accuracy. The LabVIEW is used to design a multi?channel online PV array current data acquisition system for PV combiner box. The experimental results demonstrate that the monitoring interface of the system can realize the real?time display， data storage and fault alarm for 8?channel current data simultaneously， and the system can observe the working condition of the components of each channel.
Keywords： photovoltaic combiner box； multi?channel current inspection； recursive least square method； fault location of combining branch
0 引 言
在传统化石能源不断减少的今天，同时人们认识到火力发电排放大量的污染物对环境造成了十分严重的危害，为了降低污染物的排放，采用新能源发电是减小污染物排放的一个重要途径。 而光伏发电[1]作为一种高度清洁的能源技术，几乎不产生污染物，越来越得到大家的重视。随着光伏电站规模的扩大，由于太阳电池的串并联特性[2]，使光伏汇流箱的应用得到广泛应用。特别是大型屋顶光伏电站，由于云层、飞鸟、尘土遮挡等引起光伏组件热斑效应以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使导线的绝缘受到破坏，引起汇流支路的故障，进而造成光伏发电站的发电量降低，所以对光伏汇流箱的监控就变得尤为重要。文献[3]通过分析该汇流箱组串电流离散率，定位电流偏低和电流值的异常组串，但不能做到在线实时判断异常组串。文献[4]通过单片机控制固态继电器的通断来实现故障光伏组串的投入和切除，可是没有实时保存运行数据。本文在研究光伏汇流箱[5?7]的基础上，研究设计了一种多通道光伏汇流箱在线监控系统，采用递推最小二乘法算法来测量光伏阵列电流，减少测量误差，使测量值更加接近真值，该在线监测系统基于LabVIEW的特点，可以实时监测每路引到汇流箱的汇流支路电流和电压，由于光伏组件的反向并联二极管和汇流支路中的二极管的钳位作用[8]，各汇流支路汇流后的电压是相同的，即所有阵列电压是相同的，同时在线处理大量的测试数据，判断和定位故障光伏组串。
1.2 利用Matlab的仿真计算
利用Matlab语言强大的运算功能，可对量测数据进行处理。因为是仿真在线测量，所以利用三角波模拟测量信号，同时根据所需辨识的参数只有一个参量，取测量矩阵的维数为1×1。图1是参数辨识的结果，图2是参数辨识误差。
图1中实线是在线输入的测量值，虚线是参数估计真值，从图2中可以看出，随着量测次数的增大，辨识精度逐步提高，并到达一个工程上可以接受的范围。图2中的小图是辨识精度放大后的情况，可以看出在三角波模拟测量值的情况下其辨识精度达到±0.012。从仿真计算中看到，递推最小二乘算法能快速准确地估计出需测量的参数真值，获得较好的辨识结果，同时计算量没有大幅增加，说明这种辨识方法更适用于计算机在线辨识。
2 光伏汇流箱在线监控系统
2.1 电流巡检电路
根据流入汇流箱的电流是直流电流的特点，电流巡检电路采用直流分流器来采集电流信号，直流分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，测量电压正比于被测电流，具有良好的准确度、线性度和稳定性。一般直流分流器的满负荷电压是75 mV，其满量程是15 A分流器的电阻值为0.075 =0.005 Ω，最大功率损失是1.125 W。由于电流信号是通过分流器得到的，其数值是小于1 V的，为低电平信号，为了抑制接地回路感应误差，同时在一定程度上抑制拾取环境噪声，采用差分测试系统。图3所示是一个8通道差分测试调理电路，通过三个地址端A2，A1，A0控制8选1模拟开关CD4051，可以确定工作通道。使用运算放大电路可以减小模拟开关的误差。
当改变电阻的比值，可以改变式（9）中的量测比值，同时符合电流分流器的要求，使测量的数值转换为实际数值。差分测试调理电路与计算机连接采用NI公司的 USB?6009多功能数据采集卡，它具有8个模拟输入通道和12条数字I/O线，利用其中3条数字I/O线可以通过软件确定A2，A1，A0的数值。
2.2 系统软件设计
软件开发环境采用LabVIEW。LabVIEW是美国NI公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，又称G语言[12]，其包含大量用于数据采集、分析、显示与存储的工具和函数。根据递推最小二乘算法的公式，每一次新的量测真值的估计值计算，是利用新的采集数据对前一次的估计值进行修正，这样需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多个公式组成，在软件实现上使用LabVIEW提供的公式节点，图4是利用公式节点实现递推最小二乘算法的程序框图。因为在线测量8路光伏阵列电流，系统设计前面板上放置8个波形图控件和报警控件，分别实时显示8路光伏组件电流量测真值的估计值变化和报警提示。由于检测系统是采用多路复用的调理电路，同时确定每路的电流采样频率是1 次/s，对8路通道测量，需每隔125 ms转换一路，可以用LabVIEW的定时器进行时间设定，每125 ms产生一个顺序改变测量通道信号。通过 USB?6009多功能数据采集卡的数字I/O线控制调理电路的采集通道，同时通道信号连接对应的通道程序框图，每个通道的程序框图中都含有递推最小二乘算法的公式节点，用于处理电流的采样数值。这样系统对每一通道光伏阵列电流的情况，每1 s自动保存一个新数据到对应的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存储在计算机中，1 min保存60个电流测量真值估计值数据，并且以当日的监测日期作为文件名保存测试结果，并在计算机屏幕上实时显示，这些电流数据为日后故障检测进行数据分析提供了大量有用的信息，数据自动保存在预设的路径中，极大地提高了工作效率。同时使用LabVIEW的数组功能，每分钟判断每路电流测量值的差别，当一路光伏阵列电流连续10 min测得数据小于其他光伏支路的电流，说明该条光伏支路有故障，在前面板上给出故障支路编号信息，进行报警提示，同时通过多功能数据采集卡的数字I/O线进行控制，使出现严重故障的光伏支路脱离汇流箱，其软件设计流程图见图5。
图6主要反映最近2 min内第3支路光伏阵列电流的变化情况。从图6可以看出，在这段时间被测光伏电流变化不是很大，说明采用递推最小二乘算法可以很好地反应出被测量的真值，减小了随机测量误差的干扰。
3 结 论
通过采用递推最小二乘法使在线测量的电流更接近真值，并利用 LabVIEW对光伏汇流箱设计一个多通道在线光伏阵列电流数据采集系统。监控界面能同时实现8个通道的数据实时显示、数据保存、故障警示和汇流支路故障定位等，对光伏电池组件进行实时监测，可有效地观测出每一路组件的工作情况。若汇流支路出现开路、漏电等故障，进行汇流支路故障定位，这样可缩小巡检组件阵列故障的范围。实验结果表明，本系统可以完成长时间采集，不会出现数据的丢失问题，并且可以根据实际的需要扩充至更多通道的实时采样和分析并附加控制功能。
参考文献
[1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.
[2] 刘祝鸿，陈鸣.太阳电池组件中电池的失配现象研究[J].太阳能学报，2012，33（12）：2074?2079.
[3] 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，2014，30（11）：109?113.
[4] 李龙，唐全海.一种汇流箱组串电流自动监控装置的设计[J].硅谷，2015（3）：14?15.
[5] 沙涛，彭柱椋.太阳能光伏汇流箱监测系统设计[J].电子科技，2013，26（3）：69?71.
[6] 海涛，邓力涌，韦皓，等.一种基于LabVIEW的光伏汇流箱监控系统设计[J].装备制造技术，2014（5）：58?60.
[7] 史朝晖，刘晓茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用[J].电气技术，2011（3）：76?79.
[8] 陈鸣，毛焱，刘祝鸿.分析太陽电池及阵列中二极管的作用[J].中山大学学报（自然科学版），2011，50（4）：37?41.
[9] 李先彬.电力系统自动化[M].北京：中国电力出版社，2004.
[10] 李言俊，张科.系统辨识理论及应用[M].北京：国防工业出版社，2003.
[11] 刘金琨，沈晓蓉，赵龙.系统辨识理论及Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2013.
[12] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.2程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2014.
摘 要： 光伏汇流箱是光伏发电系统中必不可少的设备，对光伏汇流箱监测可以提高光伏电站运维水平。该文采用递推最小二乘法来测量光伏阵列电流，减小了随机测量误差的干扰，使测量值更加接近真值，提高了测量精度，并利用 LabVIEW对光伏汇流箱设计一个多通道在线光伏阵列电流数据采集系统。实验结果证明，该系统监控界面能同时实现8个通道的电流数据实时显示、数据保存、故障警示等，可有效地观测出每一路组件的工作情况。
关键词： 光伏汇流箱； 多通道电流巡检； 递推最小二乘法； 汇流支路故障定位
中图分类号： TN948.64?34； TP274.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0172?04
Abstract： The photovoltaic （PV） combiner box is an essential device of photovoltaic power generation system， and monitoring for it can improve the operation and maintenance level of PV power plant. The recursive least square （RLSE） method is used to measure the current of PV array， which can reduce the interference of random measurement error， make the measured value closer to the true value， and improve the measurement accuracy. The LabVIEW is used to design a multi?channel online PV array current data acquisition system for PV combiner box. The experimental results demonstrate that the monitoring interface of the system can realize the real?time display， data storage and fault alarm for 8?channel current data simultaneously， and the system can observe the working condition of the components of each channel.
Keywords： photovoltaic combiner box； multi?channel current inspection； recursive least square method； fault location of combining branch
0 引 言
在传统化石能源不断减少的今天，同时人们认识到火力发电排放大量的污染物对环境造成了十分严重的危害，为了降低污染物的排放，采用新能源发电是减小污染物排放的一个重要途径。 而光伏发电[1]作为一种高度清洁的能源技术，几乎不产生污染物，越来越得到大家的重视。随着光伏电站规模的扩大，由于太阳电池的串并联特性[2]，使光伏汇流箱的应用得到广泛应用。特别是大型屋顶光伏电站，由于云层、飞鸟、尘土遮挡等引起光伏组件热斑效应以及施工、老鼠啃咬、老化等原因，使导线的绝缘受到破坏，引起汇流支路的故障，进而造成光伏发电站的发电量降低，所以对光伏汇流箱的监控就变得尤为重要。文献[3]通过分析该汇流箱组串电流离散率，定位电流偏低和电流值的异常组串，但不能做到在线实时判断异常组串。文献[4]通过单片机控制固态继电器的通断来实现故障光伏组串的投入和切除，可是没有实时保存运行数据。本文在研究光伏汇流箱[5?7]的基础上，研究设计了一种多通道光伏汇流箱在线监控系统，采用递推最小二乘法算法来测量光伏阵列电流，减少测量误差，使测量值更加接近真值，该在线监测系统基于LabVIEW的特点，可以实时监测每路引到汇流箱的汇流支路电流和电压，由于光伏组件的反向并联二极管和汇流支路中的二极管的钳位作用[8]，各汇流支路汇流后的电压是相同的，即所有阵列电压是相同的，同时在线处理大量的测试数据，判断和定位故障光伏组串。
1.2 利用Matlab的仿真计算
利用Matlab语言强大的运算功能，可对量测数据进行处理。因为是仿真在线测量，所以利用三角波模拟测量信号，同时根据所需辨识的参数只有一个参量，取测量矩阵的维数为1×1。图1是参数辨识的结果，图2是参数辨识误差。
图1中实线是在线输入的测量值，虚线是参数估计真值，从图2中可以看出，随着量测次数的增大，辨识精度逐步提高，并到达一个工程上可以接受的范围。图2中的小图是辨识精度放大后的情况，可以看出在三角波模拟测量值的情况下其辨识精度达到±0.012。从仿真计算中看到，递推最小二乘算法能快速准确地估计出需测量的参数真值，获得较好的辨识结果，同时计算量没有大幅增加，说明这种辨识方法更适用于计算机在线辨识。
2 光伏汇流箱在线监控系统
2.1 电流巡检电路
根据流入汇流箱的电流是直流电流的特点，电流巡检电路采用直流分流器来采集电流信号，直流分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，测量电压正比于被测电流，具有良好的准确度、线性度和稳定性。一般直流分流器的满负荷电压是75 mV，其满量程是15 A分流器的电阻值为0.075 =0.005 Ω，最大功率损失是1.125 W。由于电流信号是通过分流器得到的，其数值是小于1 V的，为低电平信号，为了抑制接地回路感应误差，同时在一定程度上抑制拾取环境噪声，采用差分测试系统。图3所示是一个8通道差分测试调理电路，通过三个地址端A2，A1，A0控制8选1模拟开关CD4051，可以确定工作通道。使用运算放大电路可以减小模拟开关的误差。
当改变电阻的比值，可以改变式（9）中的量测比值，同时符合电流分流器的要求，使测量的数值转换为实际数值。差分测试调理电路与计算机连接采用NI公司的 USB?6009多功能数据采集卡，它具有8个模拟输入通道和12条数字I/O线，利用其中3条数字I/O线可以通过软件确定A2，A1，A0的数值。
2.2 系统软件设计
软件开发环境采用LabVIEW。LabVIEW是美国NI公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，又称G语言[12]，其包含大量用于数据采集、分析、显示与存储的工具和函数。根据递推最小二乘算法的公式，每一次新的量测真值的估计值计算，是利用新的采集数据对前一次的估计值进行修正，这样需要利用LabVIEW提供的移位寄存器，而式（7）是由多个公式组成，在软件实现上使用LabVIEW提供的公式节点，图4是利用公式节点实现递推最小二乘算法的程序框图。因为在线测量8路光伏阵列电流，系统设计前面板上放置8个波形图控件和报警控件，分别实时显示8路光伏组件电流量测真值的估计值变化和报警提示。由于检测系统是采用多路复用的调理电路，同时确定每路的电流采样频率是1 次/s，对8路通道测量，需每隔125 ms转换一路，可以用LabVIEW的定时器进行时间设定，每125 ms产生一个顺序改变测量通道信号。通过 USB?6009多功能数据采集卡的数字I/O线控制调理电路的采集通道，同时通道信号连接对应的通道程序框图，每个通道的程序框图中都含有递推最小二乘算法的公式节点，用于处理电流的采样数值。这样系统对每一通道光伏阵列电流的情况，每1 s自动保存一个新数据到对应的Excel中，Excel文件格式以每秒1次的形式存储在计算机中，1 min保存60个电流测量真值估计值数据，并且以当日的监测日期作为文件名保存测试结果，并在计算机屏幕上实时显示，这些电流数据为日后故障检测进行数据分析提供了大量有用的信息，数据自动保存在预设的路径中，极大地提高了工作效率。同时使用LabVIEW的数组功能，每分钟判断每路电流测量值的差别，当一路光伏阵列电流连续10 min测得数据小于其他光伏支路的电流，说明该条光伏支路有故障，在前面板上给出故障支路编号信息，进行报警提示，同时通过多功能数据采集卡的数字I/O线进行控制，使出现严重故障的光伏支路脱离汇流箱，其软件设计流程图见图5。
图6主要反映最近2 min内第3支路光伏阵列电流的变化情况。从图6可以看出，在这段时间被测光伏电流变化不是很大，说明采用递推最小二乘算法可以很好地反应出被测量的真值，减小了随机测量误差的干扰。
3 结 论
通过采用递推最小二乘法使在线测量的电流更接近真值，并利用 LabVIEW对光伏汇流箱设计一个多通道在线光伏阵列电流数据采集系统。监控界面能同时实现8个通道的数据实时显示、数据保存、故障警示和汇流支路故障定位等，对光伏电池组件进行实时监测，可有效地观测出每一路组件的工作情况。若汇流支路出现开路、漏电等故障，进行汇流支路故障定位，这样可缩小巡检组件阵列故障的范围。实验结果表明，本系统可以完成长时间采集，不会出现数据的丢失问题，并且可以根据实际的需要扩充至更多通道的实时采样和分析并附加控制功能。
参考文献
[1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.
[2] 刘祝鸿，陈鸣.太阳电池组件中电池的失配现象研究[J].太阳能学报，2012，33（12）：2074?2079.
[3] 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，2014，30（11）：109?113.
[4] 李龙，唐全海.一种汇流箱组串电流自动监控装置的设计[J].硅谷，2015（3）：14?15.
[5] 沙涛，彭柱椋.太阳能光伏汇流箱监测系统设计[J].电子科技，2013，26（3）：69?71.
[6] 海涛，邓力涌，韦皓，等.一种基于LabVIEW的光伏汇流箱监控系统设计[J].装备制造技术，2014（5）：58?60.
[7] 史朝晖，刘晓茹，蔡磊.基于PIC24FJ64的智能光伏汇流采集装置设计及应用[J].电气技术，2011（3）：76?79.
[8] 陈鸣，毛焱，刘祝鸿.分析太陽电池及阵列中二极管的作用[J].中山大学学报（自然科学版），2011，50（4）：37?41.
[9] 李先彬.电力系统自动化[M].北京：中国电力出版社，2004.
[10] 李言俊，张科.系统辨识理论及应用[M].北京：国防工业出版社，2003.
[11] 刘金琨，沈晓蓉，赵龙.系统辨识理论及Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2013.
[12] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.2程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2014.
