淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的光儲一體化系統(tǒng)監(jiān)測與電氣故障研究

安科瑞 陳聰

摘要：隨著可再生能源特別是光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，光伏-儲能一體化系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。然而，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和效率問題一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為光伏-儲能一體化系統(tǒng)提供了有效的遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷手段。本文系統(tǒng)地研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏-儲能一體化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷技術(shù)，分析了在集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)勢，并提出了一套有效的故障檢測和診斷流程。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)在提高光伏發(fā)電效率、降低維護(hù)成本和保障系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的有效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；光伏發(fā)電；儲能系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)測；故障診斷

0引言

光伏-儲能一體化系統(tǒng)作為一種新型的可再生能源利用方式，因其綠色環(huán)保、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和應(yīng)用場景的增多，系統(tǒng)的運(yùn)行安全、穩(wěn)定性和維護(hù)效率成為亟待解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入為遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷提供了新的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過智能傳感器、通信技術(shù)和云計(jì)算等手段，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的問題。本文旨在探討如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于光伏-儲能一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷功能的優(yōu)化。

1光伏-儲能系統(tǒng)的重要性與發(fā)展趨勢

光伏-儲能系統(tǒng)作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其重要性在于它能夠有效地將太陽能這種清潔、可再生的能源轉(zhuǎn)換為電能，并通過儲能設(shè)施解決了太陽能發(fā)電的間歇性問題，提升了能源的利用效率和系統(tǒng)的供電可靠性。隨著全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)和對傳統(tǒng)化石能源依賴的減少，光伏-儲能系統(tǒng)在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著越來越重要的作用。該系統(tǒng)不僅能夠減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖問題，而且還能夠?yàn)槠h(yuǎn)地區(qū)和電網(wǎng)不穩(wěn)定地區(qū)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

技術(shù)創(chuàng)新不斷推動光伏發(fā)電效率的提升和儲能成本的降低。例如，光伏電池材料的研究開發(fā)正朝著更有效率、更低成本的方向發(fā)展，如鈣鈦礦太陽能電池等新型材料的出現(xiàn)。同時(shí)，儲能技術(shù)也在不斷進(jìn)步，鋰離子電池的能量密度提高，成本下降，其他類型的儲能技術(shù)如液流電池、壓縮空氣儲能等也在不斷地被研究和開發(fā)。系統(tǒng)集成和智能化水平的提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，光伏-儲能系統(tǒng)越來越多地采用智能監(jiān)控和管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的*優(yōu)化，提高了能源的使用效率和系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。系統(tǒng)能夠根據(jù)天氣變化、用戶需求和電價(jià)變動等因素自動調(diào)整發(fā)電和儲能策略，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的*大化。

2光伏-儲能一體化系統(tǒng)架構(gòu)

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏-儲能一體化系統(tǒng)的核心組成部分是光伏發(fā)電系統(tǒng)，它利用太陽能電池板將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為直流電能。這種轉(zhuǎn)換過程是通過半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)太陽光照射到光伏電池板上時(shí)，光子與半導(dǎo)體中的電子相互作用產(chǎn)生電流。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括光伏電池板、支架、逆變器、監(jiān)控設(shè)備以及配套的電纜和接線盒等組件。光伏電池板是系統(tǒng)通常由多個(gè)光伏電池串聯(lián)或并聯(lián)組成，以提供所需的電壓和電流。光伏電池的效率和質(zhì)量直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。目前，市場上常見的光伏電池主要有單晶硅、多晶硅和薄膜三種類型，各有其特點(diǎn)和適用環(huán)境。

2.2　儲能系統(tǒng)的作用

光伏-儲能一體化系統(tǒng)是一種集成了光伏發(fā)電與電力儲存的**能源系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)（起著至關(guān)重要的作用。由于太陽能發(fā)電具有天氣依賴性和日夜周期性，因此其產(chǎn)生的電力供應(yīng)并不穩(wěn)定。這就是儲能系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。儲能系統(tǒng)，通常采用諸如鋰離子電池或鉛酸電池等電池儲能技術(shù)，可以在光伏發(fā)電產(chǎn)生過剩電力時(shí)儲存電能，并在無陽光或需求高峰期釋放電能，從而確保電力供應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.3　一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢

光伏-儲能一體化系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于其能夠?qū)⑻柲馨l(fā)電與能量存儲緊密結(jié)合，形成一個(gè)既能夠有效轉(zhuǎn)換也能夠靈活應(yīng)對各種供電需求的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)不僅能夠在白天將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，還能通過儲能設(shè)備存儲多余的電能，以供夜間或陰雨天氣使用，有效地解決了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)受自然條件限制而產(chǎn)生的間歇性問題。具體來說，一體化系統(tǒng)中的光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率可以表示為：

式中，Pout是從光伏板輸出的功率，而Ein是入射到光伏板上的太陽能總量。

此外，一體化系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際用電需求動態(tài)調(diào)節(jié)電力輸出，這一點(diǎn)是通過智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，它能夠監(jiān)控用戶的用電模式和預(yù)測電力需求，進(jìn)而優(yōu)化光伏發(fā)電和儲能設(shè)備的工作狀態(tài)。例如，當(dāng)預(yù)測到用電需求增加時(shí)，系統(tǒng)可以提前儲存更多的電能，以滿足即將到來的高峰時(shí)段。這種智能調(diào)節(jié)可以用以下公式概括：

Pstored(t+1)=Pstored(t)+Pcharge(t)-Pdischarge(t)

式中，Pstored表示當(dāng)前儲存的電能量，Pcharge和Pdischarge分別表示在時(shí)間t的充電和放電功率。

對于偏遠(yuǎn)地區(qū)或電網(wǎng)不穩(wěn)定的地方，光伏-儲能一體化系統(tǒng)更是一種理想的解決方案，因?yàn)樗軌颡?dú)立于傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行，為用戶提供穩(wěn)定和可靠的電力供應(yīng)。隨著儲能技術(shù)的進(jìn)步，如鋰離子電池的能量密度提升和成本下降，一體化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到了顯著提高。儲能設(shè)備的成本效益可以通過其循環(huán)壽命和單位能量成本來評估：

式中，Cstorage是儲能設(shè)備的總成本，N是設(shè)備的循環(huán)次數(shù)，Ecapacity是每次循環(huán)能夠提供的電能量。

3遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)

3.1　傳感器技術(shù)與數(shù)據(jù)采集

遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)在光伏-儲能一體化系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它使得系統(tǒng)的智能化運(yùn)維成為可能。通過集成了**的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信手段以及云平臺的大數(shù)據(jù)處理能力，遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。這種技術(shù)的實(shí)施，依賴于一系列*密的傳感器，它們持續(xù)地從系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，這些節(jié)點(diǎn)包括光伏板、逆變器和儲能設(shè)備等。傳感器技術(shù)提供的數(shù)據(jù)是多方面的，涵蓋了環(huán)境信息和設(shè)備性能指標(biāo)。例如，溫度傳感器可以監(jiān)測光伏板和儲能設(shè)備的溫度，其輸出電壓V與溫度T之間的關(guān)系可以用以下公式表示：

式中，a，b，c，是根據(jù)傳感器特性確定的系數(shù)，T是溫度。電流和電壓傳感器則可以監(jiān)測光伏系統(tǒng)的電氣性能，使用歐姆定律來描述電路中的電流I，電壓V和電阻R之間的關(guān)系V=IR而光照傳感器能夠測量太陽光的強(qiáng)度，從而評估光伏板的發(fā)電潛力，其輸出電流I與入射光強(qiáng)度E之間的關(guān)系可以近似為：I=kE式中，k是傳感器的響應(yīng)系數(shù)。通過這些傳感器收集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)和環(huán)境條件，為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供決策支持。數(shù)據(jù)通信手段確保了這些數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行處理和分析，這通常涉及到數(shù)據(jù)的加密和解密過程，其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，（P代表原始數(shù)據(jù)，（C代表加密后的數(shù)據(jù)，（E_k是加密函數(shù)，（D_k是解密函數(shù)，（k是密鑰。云平臺則負(fù)責(zé)處理這些數(shù)據(jù)，運(yùn)用**的數(shù)據(jù)分析方法，如機(jī)器學(xué)習(xí)算法，來預(yù)測系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢和潛在的維護(hù)需求。這些分析可能會涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，如回歸分析、時(shí)間序列分析等，一個(gè)簡單的線性回歸模型可以表示為：

式中，y是響應(yīng)變量，x1，x2，xn是解釋變量，β0，β1，βn是模型參數(shù)，?是誤差項(xiàng)。

3.2　數(shù)據(jù)通信方式

采集到的數(shù)據(jù)需要通過可靠的數(shù)據(jù)通信方式傳輸至監(jiān)控*心或云平臺。數(shù)據(jù)通信可以通過有線網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)，也可以通過無線方式如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信或者Wi-Fi進(jìn)行。在一些偏遠(yuǎn)或者不方便布線的地區(qū)，無線通信方式更顯其便利性和靈活性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)如LoRa和NB-IoT等也開始被越來越多地應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)

測系統(tǒng)中，這些技術(shù)特別適合于傳輸小數(shù)據(jù)量的場景，具有覆蓋范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)通信方式具體特點(diǎn)見表。

表1數(shù)據(jù)通信方式特點(diǎn)

3.3　云平臺與數(shù)據(jù)處理

當(dāng)數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)成功傳輸?shù)皆破脚_后，接下來就是數(shù)據(jù)處理階段。云平臺具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算能力，可以對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過**的數(shù)據(jù)處理算法，比如機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，云平臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能夠進(jìn)行故障預(yù)測、性能分析和優(yōu)化建議等高*功能。此外，用戶可以通過云平臺提供的接口，隨時(shí)隨地通過電腦或移動設(shè)備查看系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理，大幅提升了系統(tǒng)的運(yùn)維效率和智能水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏云平臺與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)見圖1

圖1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏云平臺與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

4故障診斷方法

4.1故障檢測技術(shù)

故障診斷方法在現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其是在需要長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)中，如光伏-儲能一體化系統(tǒng)。故障檢測技術(shù)是故障診斷的起點(diǎn)，它通過監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)來捕捉可能的異常信號。這些信號可能表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的突然變化，如溫度急劇升高、電流電壓波動超出正常范圍等，也可能是性能指標(biāo)的逐漸下降，如光伏板的發(fā)電效率降低。傳感器在這里發(fā)揮著基礎(chǔ)作用，它們實(shí)時(shí)收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)并將其傳輸給分析系統(tǒng)。光伏故障檢測技術(shù)系統(tǒng)見圖2。

圖

2光伏故障檢測技術(shù)系統(tǒng)

4.2優(yōu)化效果評估和分析

主要對準(zhǔn)確率、召回率、F1分?jǐn)?shù)、計(jì)算時(shí)間、誤報(bào)率等參數(shù)加以評估。評估方法為，將優(yōu)化后的模型應(yīng)用到實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中，并對比優(yōu)化前后的模型性能指標(biāo)。同時(shí)，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證優(yōu)化方法的可行性和有效性。繼而對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的模型在準(zhǔn)確率、召回率、F1分?jǐn)?shù)等方面都有明顯提高，而計(jì)算時(shí)間和誤報(bào)率也有所降低。這便表明，優(yōu)化方法能有效地提高水電站電氣裝置故障運(yùn)行狀態(tài)自動捕捉方法的準(zhǔn)確性和效率。

5安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

5.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下*各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上*調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上*調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲能電池、儲能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

6硬件及其配套產(chǎn)品

7結(jié)束語

綜上所述，本文研究的水電站電氣裝置故障運(yùn)行狀態(tài)自動捕捉方法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電氣裝置的運(yùn)行狀態(tài)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了對故障的早期發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位。不過，該方法仍存在一些局限性，例如，對于某些復(fù)雜故障類型的識別精度還有待提高。未來還需引入更**的深度學(xué)習(xí)模型，如變分自編碼器（VAE）或生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）等，以提高故障類型的識別精度和泛化能力；結(jié)合多源信息，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)行日志等，以更好地評估電氣裝置的運(yùn)行狀態(tài)；考慮將本方法應(yīng)用于其他類型的能源設(shè)備或工業(yè)設(shè)備中，拓展其應(yīng)用范圍；對大容量、高維度數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步提高模型的訓(xùn)練效率和泛化能力。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，未來會將多種不同模態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)融合在一起，保證故障檢測的準(zhǔn)確性和好性。在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應(yīng)用下，可有效實(shí)現(xiàn)水電站電氣裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷，強(qiáng)化故障響應(yīng)速度和維修效率。該種方法的推廣和應(yīng)用前景廣闊，對于提高水電站的安全性、可靠性和運(yùn)行效率具有重要意義，為水電站的智能化發(fā)展提供更加有力的支持。

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