光伏电站电气火灾监控预警系统研究

科技创新与应用

2020年23期光伏电站电气火灾监控预警系统研究刘璟璇，高源辰，杨志豪，刘皓明

（河海大学能源与电气学院，江苏南京211100）

摘要：目前光伏发电在我国发展势头十分迅猛，但暴露的安全问题也不容忽视，基于光伏发电现实生产需求，以及国家标准对于

传输层、应用层，光伏发电并网的监控要求，设计了此光伏电站电气火灾监控预警系统。系统分为监控层、结合Zigbee、4G技术等技术，

系统结合光伏电池建模，旨在实现光伏发电本地控制、远程数据呈现以及远程控制等功能。提出了一套全面的监控策略，为提升光伏发

电安全效能提供高效解决方案。

关键词：光伏发电；监控预警；安全；工控机；Zigbee中图分类号院TM615

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2020冤23-0098-04

lemscannotbeignored.Basedontheactualproductionneedsofphotovoltaicpowergeneration,aswellastherequirementsofna鄄tionalstandardforphotovoltaicpowergridmonitoring,thephotovoltaicpowerplantelectricalfiremonitoringandwarningsystemisCombinedwithphotovoltaiccellmodeling,asetofcomprehensivemonitoringstrategyisproposedtoprovideanefficientsolutionforimprovingthesafetyandefficiencyofphotovoltaicpowergeneration.

Keywords:photovoltaicpowergeneration;monitoringandearlywarning;safety;industrialcomputer;Zigbee

designed.Thesystemisdividedintomonitoringlayer,transmissionlayerandapplicationlayer.CombinedwithZigbee,4Gandothertechnologies,thesystemaimstorealizelocalcontrolofphotovoltaicpowergeneration,remotedatapresentationandremotecontrol.

Abstract:Inrecentyears,thedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationinChinaisveryfast,buttheexposedsafetyprob鄄

引言

近年来，我国光伏发电持续快速发展。截止2019年5月装机总容量超过2.043亿千瓦[1]，技术水平不断提升，成本显著降低，开发建设质量和消纳利用明显改善，在部分地区实现了家庭分布式光伏并入电网，为建设清洁低碳、安全高效能源体系发挥了重要作用。然而，光伏发电带来的安全问题非常严峻。夏季温度过高、太阳辐射强度过大等环境因素，以及光伏板隐裂等自身安全问题，都会导致光伏电池过热甚至烧毁，引发串组光伏板大面积火灾。

目前光伏电站监控系统采用的通信技术主要有

工业RS485总IEEE802.15.4标准的Zigbee通信组网技术、

线以及4G技术[2]。Zigbee技术反应时间短，功耗低，但传输距离有较大限制，适合于光伏电站本地数据呈现与本地控制的功能要求；工业总线实时性好，但铺设成本高，对于偏远的光伏电站监控是不可实现的；4G技术可靠性高，适合远程数据传输。

根据GB/T31366-2015（《光伏发电站监控系统技术要求》），该标准规定了适用于光伏发电并网监控装置和系统的相关要求。通过查阅资料[3]，我国光伏发电系统最主要起火部件为光伏板，其火灾数量达到光伏发电火灾总量的42%，笔者基于该标准设计此光伏电站电气火灾监控预警系统，主要针对光伏板进行监控保护，实现光伏发电实时数据远程呈现、远程预警与远程控制，以确保光伏发电生产单位安全性。

1系统总体设计

光伏电站大多分布偏远，发电现场天气环境多变，不利于精密电子仪器工作；而监控预警系统要求控制设备可

靠性要求高、设备安装运营成本较低。根据设备安装运营的地点，本系统分为监控层、传输层、应用层三个层级。监控层主要实现现场数据采集与上传功能，并且根据反馈信号控制光伏板通断，其设备一般考虑安装在户外光伏发电现场；传输层作为系统核心部分，其作用在于完成数据接收、处理和发送，其设备应考虑安装在光伏电站室内；应用层是基于4G面向系统管理者和用户的层级，其系统管理PC端和终端APP不受地域条件的限制。

（1）监控层。该层配置的监控设备主要包括安装在各个光伏板上的信号采集单元和与光伏板相连的继电器开关模块。信号采集单元包括安装在光伏板上的各类传感器（DS18b20温度传感器、GY-30数字光强度传感器）和与光

（IM1253功率测量模块）伏板相连的电气测量装置，用以实

时采集光伏板的实时参数并上传至传输层。监控层根据传输层指令通过继电器开关控制光伏板工作状态。

（2）传输层。该层级以工控机为核心，用以处理监控层的信号；工控机通过Zigbee模块和监控层相连，和应用层设备通过4G相连。

（3）应用层。应用层包括PC端的系统管理端，以及APP用户服务端。PC端是系统管理者用以监控系统工作

用户通过APP用户服务端查看光伏板工状态及网络维护；

作状态，接受报警信息，并控制光伏板工作状态。

2监控层设计

2.1监控层总体设计

监控层主要实现现场数据采集与控制功能，具体包括

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2020年23期TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

设计创新图1系统总体设计配置图传感器模块、功率计量模块以及继电器开关模块。传感器模块和功率测量模块获取实时参数，通过Zigbee模块与传输层设备连接；Zigbee模块和继电器开关控制信号输入管脚相连，用以控制光伏板工作状态。2.2图2监控2.2.1传感器层总体设计图温度传DS18b20感器采用温DS18B20度传感器传感器。这是一种单总线数字式温度传感器，体积小，抗干扰能力强，成本低，精度高，便DS18B20于维修与更换，适应于户外长时间使用即可。

传感器的输出管脚与Zigbee主板输入管。只脚需相将连2.2.2BH1750FVIGY-30GY-30数字数字光强度传感器

于视觉灵敏芯度片的，分可光光检强特测性的度传感器采用ROHM原装可光对照广泛的度范围为亮度0-65535lx进行高精，接度近测定[4]。传感器内置16bitAD转换器，直接数字输出，无需模数转换2.3。

2.3.1功率本系统采设备测量模块用选INA225型数字功率监视器来测量光伏板瞬时输出功率。INA226具有I2CTM或SMBUS兼容接口。该器件60V可实现，最高电失流调值电和压功为率10值滋的V，直最接大读增取整益。电误待流差测测量量为电压0.1范围为程以豫0-[5]，并且可以通过选择采样电阻Rm大小调及大电流时的线性度。

2.3.2根据原采理样图电图，阻3INA225选功择率测量模块原理图

数字功率监视器电流测量的量程以及大电流时的线性度主要由采样电阻R需要根据光伏板设备的额定工况电压、

m决定，因此

电流选择合适大小的采样电阻阻值。根据资料显示[6]，我国工业用单个光伏板功率在120w-200w，以200w光伏板为例，选用采样电阻阻值30A为时线2m赘3性情度况良好下，待测电流范围为0-40A，在电流小于[7]，适合高精度大电流范围检测。

3.1传输层传输传层输在层设计

系统总体中设计起到数据接受、存储、处理及转发的作用，其软硬件设计的可靠性往往关系整个系统的运行效果。Zigbee因运用模块此传建输立层以工业与信号级采设集备模块工控之机为间的核实心时，通信，工控机通并通过

过3.24G技术与应用本系统采Zigbee层互联。

用互Zigbee联模块

模块实现信号采集模块与工控机的互联。Zigbee技术能较好地应用于短距离和低速率下的

无线通信，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各

种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。本系统采用树状式的Zigbee组网拓补结构，拓补结构如图4所示。图4Zigbee组网拓补结构配置ZigBee协调器，作为网络各节点信息的汇聚点，负责组建、维护和管理网络。ZigBee协调器有较强的通信

能力、处理能力和发射能力，能够把数据发送至远程控制

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设计创新TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

2020年23期端。工控机作为终端节点，与协调器直接相连。考虑到光伏电站生产实际，生产现场光伏板数量较大，相应地，以信号采集单元数量也较大，将其直接与Zigbee协调器连接不利于分区、分层管理，因此需配置部分Zigbee节点作为路由器，将3.3信号处理单元通过路由器连本系统采工控机

接到协调器。

用以N2805为CPU的双核双线的工业控制计算机（IPC），IPC机是基于PC总线的微型工业电脑，采用底板+CPU卡结构，具有很强的输入输出功能，支持通电

自动开、网络唤醒、长时间运行、自动故障诊断，相较于普

通微型计算机稳定性与可靠性有较大提升[8]。同时，工控机耐60受烟图益5，所适雾示合、高。

应用温于、光伏风沙发电等环境生产，现最场高。正其常软件设计工作温度可流程达如4图5工控机软件设计流程图

tAssist工应用层控机与设计

用数据子库程调序用程将远程序Zigbee终端通存储串过在行Oracle通信4G实现模块远数据库的程通信。通中。数据工报控文机解过访析Uar问数，并原据库，将所得数据送入后台进行数据处理与分析，完成后

发送给终端APP。对于终端而言，一方面实时数据、

历史数据等信息在终端呈现；另一方面，终端可以发出控制指令，同理，控制指令反馈给工控机，工控机通过Zigbee模块向继电器5开本系统系统关发监控策略及实现效果

送指令，实现远程控制要求。

的监控策略包括远程用户控制与本地控制。用

户基于远程数据呈现，可以远程精准控制异常工作的光伏

板与汇流箱的连接通断；系统本地控制通过工控机软件设计中的运算判断子程序实现，在满足条件时切断光伏电池与逆变器的连接，可以脱离4G网络运作。本地控制通过测量光照强度Ei和实时功率Pi，通过模

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型判断光伏板是否工作在合适状态，并给出安全的工作范围。

查询文献可得到光伏电池每个模块的输出电流I和输出电压V之间的数学关系[9]

Uq(Vph

dIRS

)

IINAkT

VIRS

（5.1）RIph-1)p

Ios(e

Rsh

其中

qEGOII(T

osor)3Bk(11

TT

)rTe

r

（5.2）IphISCRKI(T298.15)/1000

（5.3）E（5.4）

0

E0

可P=MVI

以得到光伏板工况直流功率理论计算值表1变量解释

（5.5）

在系统中不可避免地存在测量误差、随机误差，使得

测得的光照强度Ei和输出功率Pi与真实值有偏离。以额定功率为300W的光伏板为例，引入随机扰动的思想，得到置信度为0.95的双侧置信区间S，如图6所示。其意义为：在图中S区域内工作状态称为安全运作状态。

图6系统安全工作状态图基于上述的光伏电池建模结果，系统本地控制功能实现的自动控制光伏板与发电系统断开的条件，为以下两个

判据有至少一个成立：

（1）工作温度超过额定工况温度；2）光伏电池工作点离开安全工作区一定时间驻t。

通过查阅文献[10-11]，光伏电池故障时，继电器开关（2020年23期TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

设计创新控制光伏电池与汇流设备会产生电弧，对电网及其他光伏组件产生冲击电流。因此需要设置继电器开关延时断开，在汇流装置中设置保护措施。同样，不可避免地，本地控制系统存在Zigbee组网通信延时，继电器开关机械延时。延时切断期间光伏电池会有额外温升，可能导致光伏板老化甚至引起火灾。因此系统通过有效切除率这一指标来定量描述系统的监控预警效果。

有效切除率：光伏组件达到最高耐温前有效切除光伏

选用驻t为5s时的实验状况下，组件与电网连接的概率。能

最大程度地保证光伏电池发电量，对于由太阳辐射强度与环境温度等外部环境条件的变化而导致的光伏电池过热的问题，本地控制的有效切除率可以达到95.6%；对于由光伏板质量不合格、隐裂等问题引起的光伏电池发热问题，有效切除率最低可以达到60%。

6结束语

本文通过光伏发电理论分析的基础上，针对光伏电站分布偏远等特点，提出了一种基于Zigbee技术和4G技术的系统化光伏电站电气火灾监控预警系统。主要完成了以下工作：（1）提出了一套层级化设计的监控预警系统设计方案，并对系统中各个层级的设备选型与连接方式作了详细

（2）介绍。设计了一套基于光伏电池建模的监控策略，从工作温度、安全运作区间等角度精确判断光伏板工作状态，设计了远程控制与本地控制两种控制方式。（3）运用4G技术实现用户远程数据查看与控制功能。

光伏发电电气火灾防控是一项需要不同行业协作，共同参与治理的系统性工程。本监控预警系统主要作为一种成本不高、预测性强、容易实施的技术性手段，主要针对光伏板进行参数检测、远程预警与控制。本系统选用的设备大多为工业级设备，可适应不同气候环境要求，适合应用

于光伏发电现场。随着光伏发电在我国进一步普及，以及

“安全生产”工业生产原则的进一步落地，此系统在解决并网光伏发电安全性问题领域，必将展示出其独特的优越性。参考文献院

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[11]lvaroHuertaHerraiz，AlbertoPliegoMarug佗n，FaustoPedro

渊上接97页冤

用速度调节装置的灌水均匀度（B）如图8所示。在图中可

该圆形喷灌机以看出，在采用了合理的行走方式控制后，

能够提高喷灌作业的灌水均匀度。

自动实施喷灌作业，并且能够自动调整三台电机达到同步

能行走的目的。本系统能够现场或远程监控设备的运行，参数计及时有效的处理突发事件。通过合理的设备选型、

算和软件设计，达到提高普通喷灌机灌水均匀度的目的。参考文献院

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图8机组在不同控制方式下的水量分布

6结束语

本设计通过触摸屏、可编程序控制器配合跨电机变频

水泵调速，通过操作触摸屏或手动控制按钮实现电动机、

的自动或手动的启动、停止。同时还可根据灌水量的要求

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