光伏建筑非电量安全监测系统

珠海兴业新能源科技有限公司 ■ 谭奇特

光伏建筑非电量安全监测系统

珠海兴业新能源科技有限公司 ■ 谭奇特

为防范屋面光伏发电系统出现火灾与荷载安全事故，通过多年工程技术经验的积累，本研究开发了一套光伏建筑非电量安全监测系统，实现光伏组件及电缆线槽的温度实时监测，采用直流用电在线绝缘监测系统对电缆的绝缘老化实时监测，采用不可恢复式缆式线型定温火灾探测器对光伏直流线路实时监测，当屋面荷载、温度、绝缘阻值任一参数越限时，监控后台立即发出预警或报警信号，有火灾发生时，第一时间声光报警将事故损失降到最低，最大限度保证光伏建筑的安全。

光伏建筑；安全；非电量；监测；预警

0　引言

与建筑结合的屋面光伏发电系统因其不占用土地资源、负荷就地消纳、清洁无害等特点，迅速成为近年来新能源应用的一个重要方向。然而，随着光伏建筑的大规模展开，不断出现光伏系统电气火灾，甚至出现极端气候的风雪压力致使光伏厂房垮塌的安全事故，为此，美国在2014年5月20日颁布了一套针对分布式屋顶光伏系统认证及测试的新标准ANSI 1703，以保证光伏建筑的安全。作为具有丰富分布式光伏电站建设经验的兴业太阳能集团，旗下湖南兴业公司与长沙全程公司合作研制出《光伏建筑非电量安全监测系统》，通过检测电站运行中的温度、荷载、绝缘、火灾信息等参数，集中传送至计算机监控后台，再与设定的参数对比分析，及时发出预警或报警信号，有效保证了建筑光伏系统安全运行，该研究于2013年通过湖南省科技研究成果鉴定。

1　研制思路

屋面光伏电站的安全主要分为电气火灾和建筑结构安全两大部分。

1.1温度监测

电气火灾的预防重点在光伏系统的组件与直流线路部分。光伏组件质量不达标，过早老化、热斑效应等易造成电池板高温日照下自燃[1]，对于贴近金属屋面安装的光伏系统，夏季屋面温度可达约60 ℃，直流电缆温度甚至接近90 ℃，故通过监测组件、组件与屋面间隔层及直流线槽里的温度是有效防范系统自燃的重要措施。

1.2绝缘监测

因光伏组件的短路电流很接近于正常工作电流，光伏直流线路采用传统的断路器过流或电磁保护方法难以实现跳闸保护，而线路的正负极之间短路或正、负极接触金属地，易形成直流拉弧放电，从而引发火灾事故。针对此，可通过检测漏电流与绝缘阻值来判断直流线路的绝缘是否老化或遭到破坏。

1.3火灾监测

光伏电站失火，通常是先从一小处开始起燃并扩大，如在事故前期及时发现处理，损失会降到最低。在易出现火灾的直流线槽与汇流箱里设置缆式线型感温电缆，对其安装长度范围内任意一点的温度变化进行探测。当温度上升至响应值，感温电缆线芯的热敏绝缘材料熔化，导体相互接触短路，通过接口模块和终端模块感应后立即产生报警信号。

1.4荷载监测

在既有建筑加装光伏系统后，增加了建筑物的恒荷载，同时光伏系统承受到的风、雪荷载及温度荷载会传递到既有建筑物，影响其活荷载[2]。荷载监测既要考虑负风压产生的拉力，同时又要考虑大雪产生的压力。建筑物坍塌一般为主体梁柱受力变形直至折断，故可采用光纤光栅传感器监测其形变是否达到警戒值，也可在屋面与光伏支架基础连接处布点，设置拉压力传感器，实时监测屋面荷载变化值，通过软件计算建筑物是否安全。

2　监测系统集成

2.1系统原理

图1　光伏建筑非电量安全监测系统原理图

如图1所示，整个系统由各类传感器、数据采集模块、通信模块与线缆、控制计算机组成。温度监测单元是由贴片式温度传感器、变送器组成。贴片式温度传感器与被测物体接触面积大、接触紧密，在组件表面温度测量方面具有较明显的优势。绝缘监测单元设置在汇流箱与直流配电柜里，由绝缘智能漏电流传感器、绝缘平衡电阻、绝缘电压变送器组成。通过高性能总线式智能漏电流传感器测量绝缘漏电流，母线对地电压测量采用高精度高压隔离变送器完成。荷载监测单元由拉压力传感器和相关附件组成，拉压力传感器可同时承受拉、压两方面的外力，通过压力的感应来监测建筑物对新增光伏系统重量的最大抗压能力，再通过拉力的感应来监测建筑光伏阵列对自然环境(如台风)破坏力的抗击能力。上述各个单元通过RS485口与数据采集单元相连，再由上位机单元处理各项数据，当监测到各项数值超过正常设定安全限值时，根据越限程度及时发出预警或报警信号，并可推送至手机，让运维人员在第一时间采取措施。

2.2控制与通信的实现

控制系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分以PLC为处理器，采集荷载、温度、火灾、绝缘各模块的数据，所有模块除传感器需安装在所需测点外，其余均集成于一个控制柜内；软件部分又分为底层软件(PLC 控制程序)和上层软件(上位机操作系统)。控制通信系统示意图如图2所示。

图2　控制通信系统示意图

整个系统主要由监控系统主机、一体化智能汇集器，以及各种智能电子设备(IED)和通信设备组成。电站的数据流主要有3个节点：采集、汇集和集成，分别对应站内智能传感器、一体化智能汇集装置和站内监控系统。其中存在2个接口：一体化智能汇集装置或自动化信息监测装置与站内监控系统之间的接口，这些接口之间需要有标准的信息模型及通信模型来进行数据交换。其中，系统模型和信息模型是整个支撑技术体系的基础，通信模型是信息交换基础。系统模型是对整个监测系统结构进行描述的规范，信息模型是对各IED交换信息语义的规范，通信模型是站内信息集成与交换的规范，以上各模型的研究与实现能够实现电站系统无缝数据交换及信息共享，从而实现监测系统的智能运行。

2.3在光伏建筑中的布置

如图3所示，系统各类传感器与屋面光伏系统紧密相连，控制系统机柜也可就近设置于屋顶，上位机与报警系统则可设置于建筑的主控室或消防室，各单元之间通过通信电缆连通。

图3　系统在光伏建筑中的布置示意图

3　创新与关键点

3.1功能创新

光伏建筑的电力监控比较成熟，但国内还未出现比较全面的监测火灾与荷载等安全方面的系统，本研究首次实现了集中监测光伏建筑中关键性的非电参量：屋面荷载、光伏组件及屋面温度、线槽及电缆温度、电缆线槽火灾、直流支路绝缘信息，并实现了非电量监测及危险预报的智能化、网络化。

3.2技术创新

1)光伏直流系统不同于传统的直流电源，其电压高达600～1000 V，通过电压变送器测量母线电压，智能漏电流传感器监测支路漏电流，再通过投入平衡电阻模块组建数学模型。这样，通过多参量间接计算出被测系统的绝缘电阻值，再通过报警门限设置等方法实现在线智能化自动监测。这避免了传统的高频注入法所带来的纹波大、需配置信号发生装置等缺陷，同时保持了精度高、响应快、安全性高的优点。

2)光伏建筑布置范围广、直流线路长，可采用缆式线型火灾探测器，其特点是可分布于空间狭小的线槽内，走向、范围都不受控制，实现了重点区域电气火灾的有效报警。

3)利用功能强大、抗干扰能力强、I/O端口功能种类齐全的PLC作为工业控制计算机，利用组态软件来编写上位机程序，可充分利用组态软件的功能模块化、移植性好并配置强大的网络化通信控制功能，如以太网、因特网、有线、无线、移动通信、电话线多种通信功能选择。

4　应用案例

图4　系统运行工作画面

本系统应用于与建筑结合的分布式光伏电站，已在湖南兴业太阳能科技有限公司3#厂房光伏屋顶成功应用，日常工作运行界面如图4所示。

通过一段时间的有效运行，得到各项指标的实际参数值，截取部分数据见表1和表2。

由表1和表2可知，系统能实时监测到光伏系统的布点位置、温度变化、荷载变化，及直流线路的绝缘情况，上述数值均未超过正常限值，缆式火灾探测器亦无触发信号，反映系统处于安全稳定运行状态。

表1　部分监测点温度记录（单位：℃）

表2　部分支路绝缘与荷载监测记录

5　结语

光伏系统设计运行寿命一般为25年，在既有建筑安装光伏发电系统，其长久的安全运行是发电收益与节能的前提条件。本文根据光伏建筑自身的固有特点，研发了一套光伏建筑非电量安全监测系统，为各类分布式光伏电站与光伏建筑一体化项目的安全稳定运行保驾护航，具有一定的推广价值。

2016-03-29

谭奇特(1984—)，男，大学本科、工程师，主要从事太阳能光伏工程技术应用方面的研究。dstr666@126.com

[1] 杨立中, 杨红运, 章涛林, 等. 光伏太阳能电池板组件火灾危险性研究[J]. 热科学与技术, 2015, 14(3): 173-177.

[2] 张宏伟. 既有建筑安装光伏系统对建筑和电气的安全性影响分析[J]. 智能建筑与城市信息, 2013, (12): 229.