基于传感器的光伏发电监测系统

张婷婷

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230000）

在各种高科技产品及设备更新换代的今天，人们享受着巨大便利，用电量也随之日益增加。而与之相矛盾的是，作为发电主体方式--火力发电，其原料：煤、碳、石油、天然气等不可再生资源的大幅度消耗和对环境的污染后果日益凸显。曾经众人瞩目的核能发电也因为其安全隐患和高防护技术要求而被民众所排斥，难以普及。这时，太阳能作为最清洁最环保分布最广的可持续自然能源之一，受到各国科学家的青睐，如何将太阳能转换为之所用的相关技术也在不断攻克之中。

一、光伏发电系统介绍

太阳能的使用领域一般有三种方式：太阳能的热利用、太阳能热发电、太阳能光发电。

太阳能的热利用是最普通的方式，它是利用太阳光的照射所产生的热能直接加以使用，如大家最常见的太阳能热水器。太阳能热发电是指用吸收到的太阳能加热水产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电，这种方式遵循了传统的发电模式。最后一种太阳能光发电方式，是基于半导体光生伏特效应，利用太阳光照射半导体晶片制成的太阳能电池，直接将太阳辐射转换成电能，这是目前研究最多的方式，也就是通常说的光伏发电。

当然作为一个完整的光伏发电系统，光靠组件完成光电效应是远远不够的，因为光伏组件经过光电效应后转换成的电能是直流电，而实际传输和使用的电网应该为交流电，所以我们还需要直流变交流的环节，即逆变控制。除此之外，作为发电系统，人们最注重的是效益性和安全性，因此完整的光伏发电系统应该包括：光伏组件、逆变控制器、交直流配电系统和监控系统等。

二、光伏发电监测的必要性

事实上，在发展和推广光伏发电系统的进程中，最大的阻碍来自于其极高的价格成本。而在通过改进相应技术进步降低成本的同时，降低价格的更快更有效的途径就在于提高相同成本下系统的使用寿命，即保证光伏发电系统的正常运行时间和维护水平，提高电网的稳定可靠性。这要求必须建立起监测系统，精确测量环境因素，增加监控参量，再将数据传送给监控系统记录、处理和分析，提高监控量水平，以保证光伏发电系统安全、有效、稳定的运行。所以说在光伏发电系统中，监测结果直接影响到系统的使用寿命，非常重要。

三、监测系统的构成

光伏发电监测系统由信号变送、数据采集、处理诊断三大部分构成。

（一）信号变送

为了保证光伏发电系统的正常运行和数据分析，延长系统的使用寿命，我们通常需要监测反映发电系统运行状态的物理量，如直流端电流、电压、交流端电流、电压、输出功率等，以及诸如太阳辐射强度、温度、照度、风速等可能影响系统安全运行的环境因素。然而这些物理量一般很难直接测量，而且不易处理，所以我们需要将其转换成容易测量处理的电量，此即信号变送，这一功能就是由传感器实现的。传感器是利用传感元件将各种各样的物理量按照一定规律转变成电参数（如电阻、电感、电容、频率等）的检测装置。一般的光伏发电系统中应用最多的传感器主要有下述几种：

1、电流传感器

在整个光伏发电系统中涉及到逆变控制器，有直流端和交流端两组电流数据的测量，因此要用到两种电流传感器。首先在直流端的电流测量中，可采用高精度直流大电流传感器。这种传感器是利用半导体的霍尔效应原理，将直流端导电母线穿过互感器铁芯，其电流在铁芯中会产生一个与其成一定比例的感应磁场，而安装在铁芯气隙中的霍尔元件可以感应到磁场，并输出与磁场成正比的霍尔电压，从而完成将直流端电流转变成稳定电压输出，它精确反映了被测直流端电流值，并可传输结果。另外它还能起到一个隔离作用，避免直流信号引入电网。而在交流端的电流测量中，一般采用电流互感器，利用磁平衡原理将被测电流转成0mA～50mA标准信号电流，再经过外加取样电路转变成电压信号输出，便于分析。

2、电压传感器

电压传感器与上述相类似，主要用于采集直流端和交流端的电压数据，同样采用电磁调制型隔离原理来有效的克服直流漂移。

3、光强传感器

光伏发电的能源均来自于太阳能，而太阳光的强度和光伏组件表面光强直接关系到光伏系统的发电效率，因此监测一个光伏系统是否有足够的光照高效发电，阳光辐射照度的测量尤为关键，一般我们可采用光强传感器来完成测量。光强传感器是利用光电池的输出短路电流与光照辐度成正比的原理，选取一块标定过标准光强的光电池，通过测量其短路电流和表面温度，即可计算出当时其表面所承受的光照辐度。

4、温度传感器

在光伏发电系统运行的过程中，我们需实时监测环境温度和组件的温度，分析系统是否正常运行。这个一般是选用精密铂电阻温度传感器。这种电阻式传感器是利用高强度的铂电阻丝有稳定的正温度系数这一特点制成。在温度发生变化时，铂电阻的阻值也会随之发生变化，这样就可以将温度变化转变成阻值的变化，然后通过电桥法将阻值变化最终变成输出电压电信号输出。故在本系统中，可采用两个温度传感器分别对光伏组件表面的温度和周围环境的温度进行测量，测量结果转成电信号传输到后续单元。

5、风速传感器

大型的光伏系统一般会设置在空旷光照好的区域，但这些区域一般也会有大风天气。为了保证光伏发电设备的安全，系统应该有自动防风保护功能，即在风力过高如八级以上时能让光伏组件快速收平，等风速下降后，再延迟解除防风状态，恢复正常工作，这就用到了风速传感器。风速传感器是以风杯旋转架为感应元件，用多齿转盘和光电断器将转子速度转变成与风速成正比的频率电信号，通过频率/电压转换电路最终变成与风速成正比的标准电压信号输出。

经过上述几种传感器就可以实现信号变送功能，对监测物理量进行变送，将电信号传送给后续单元。这一环节是安装在光伏发电设备现场的。

（二）数据采集

数据采集是一个中间过程，它采集来自传感器的各种电信号，并将其送往数据处理和诊断系统，以便对监测到的数据进行进一步地分析处理。经过前期预处理的电信号是连续的模拟量，而送入主控室微机进行处理分析的信号应该是离散的数字信号，必须将传感器输出的信号进行A/D转换，而A/D转换器就是数据采集的核心，要满足转换速度和准确度两方面的要求。此外，为了提高监测系统的监测灵敏度，还需要采取一些抗干扰措施，以提高信号的信噪比，因此，在传感器变送信号时，一般还会加入预处理。比如，将电量参数变成具有一定驱动和传输能力的电信号；将信号的幅度调整到合适的电平；对混叠的干扰采用硬件电路进行抑制，大大削弱信号传输过程中的干扰，统一构成数据采集电路。

现代的数据采集多采用单片机或者工控机对采集系统进行控制，并且对采集的数据利用专门的处理软件进行分析处理和存储。这一环节一般设在光伏发电设备附近，也在现场。

（三）处理诊断

在经过数据采集之后所要做的就是对前面采集的数据进行处理和分析，如对获取的数字信息做时域分析，利用软件滤波、平均处理等技术，对信号作进一步的处理，提高信噪比，从而获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息。

光伏发电监测系统具体的数据信息包括：①光伏组件运行时的直流电流值、电压值、功率值，以及经过逆变器变换以后输出的交流电参数；②采集太阳的辐照度、光伏组件表面和周围环境的温度以及风速值；③计算每个系统的实时发电量、有功、无功输出、功率因素等；④通过一定时期内采集的数据计算累计发电量、平均温度、平均辐照度等数值。随后根据这些处理后的数据信息，将其和历史数据、判据及其他信息进行比较分析后，对设备的状态进行分析以作出诊断，是否正常运行，是否有故障，是否需要改变运行方式等。可以说，信号处理和诊断系统，实际上就是一台微型计算机和监测系统专用软件，位置在距现场约数十至数百米的主控室内。

根据上述内容，可将光伏发电监测系统归纳成如下图所示的组成框图，在加入适当软件技术以后还可通过互联网实现远程数据监测。

四、结语

本文将传感器技术应用于光伏发电系统的数据监测，构建了一个完整的监测系统。该系统可以方便的对光伏发电系统的各种发电特性及周围环境进行实时监测，从而得到可靠的监测数据来监控运行过程。本文主要研究了信号变送部分内容，选用了适合本系统的各类传感器及变换器，并简述了建立数据采集和数据处理系统的方法。在需要研究其他运行特性的时候可以很方便地进行扩充，本系统运行稳定，而且具有成本低，使用方便的特点，是一套通用的监测系统，具有很好的应用前景。

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]彭传诲，苏建徽，刘文涛.大功率光伏阵列输出特性现场测试技术[J].低压电器，2012，（1）.