淺談基于物聯網的光儲一體化系統監測與電氣故障研究

安科瑞 陳聰

摘要：隨著可再生能源特別是光伏發電技術的快速發展，光伏-儲能一體化系統成為實現能源可持續發展的重要途徑。然而，系統的穩定運行和效率問題一直是制約其發展的關鍵因素。物聯網技術的應用，為光伏-儲能一體化系統提供了有效的遠程監測與故障診斷手段。本文系統地研究了基于物聯網的光伏-儲能一體化系統的遠程監測及故障診斷技術，分析了在集成物聯網技術后系統運行的優勢，并提出了一套有效的故障檢測和診斷流程。通過實驗驗證，證明了該系統在提高光伏發電效率、降低維護成本和保障系統穩定性方面的有效性。

關鍵詞：物聯網；光伏發電；儲能系統；遠程監測；故障診斷

0引言

光伏-儲能一體化系統作為一種新型的可再生能源利用方式，因其綠色環保、可持續性強等優點而受到重視。隨著系統規模的不斷擴大和應用場景的增多，系統的運行安全、穩定性和維護效率成為亟待解決的問題。物聯網技術的引入為遠程監測與故障診斷提供了新的解決方案。物聯網技術通過智能傳感器、通信技術和云計算等手段，實現對系統的實時數據采集、傳輸和分析，從而及時發現并處理可能出現的問題。本文旨在探討如何將物聯網技術應用于光伏-儲能一體化系統，實現其遠程監測與故障診斷功能的優化。

1光伏-儲能系統的重要性與發展趨勢

光伏-儲能系統作為新能源領域的重要組成部分，其重要性在于它能夠有效地將太陽能這種清潔、可再生的能源轉換為電能，并通過儲能設施解決了太陽能發電的間歇性問題，提升了能源的利用效率和系統的供電可靠性。隨著全球對于環境保護意識的加強和對傳統化石能源依賴的減少，光伏-儲能系統在能源結構轉型中發揮著越來越重要的作用。該系統不僅能夠減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖問題，而且還能夠為偏遠地區和電網不穩定地區提供穩定的電力供應，促進社會經濟的可持續發展。

技術創新不斷推動光伏發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正朝著更有效率、更低成本的方向發展，如鈣鈦礦太陽能電池等新型材料的出現。同時，儲能技術也在不斷進步，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如液流電池、壓縮空氣儲能等也在不斷地被研究和開發。系統集成和智能化水平的提高。隨著物聯網和人工智能技術的發展，光伏-儲能系統越來越多地采用智能監控和管理技術，實現了系統運行的*優化，提高了能源的使用效率和系統的運行穩定性。系統能夠根據天氣變化、用戶需求和電價變動等因素自動調整發電和儲能策略，實現經濟效益的*大化。

2光伏-儲能一體化系統架構

2.1光伏發電系統介紹

光伏-儲能一體化系統的核心組成部分是光伏發電系統，它利用太陽能電池板將太陽輻射能轉換為直流電能。這種轉換過程是通過半導體材料的光電效應來實現的，當太陽光照射到光伏電池板上時，光子與半導體中的電子相互作用產生電流。光伏發電系統通常包括光伏電池板、支架、逆變器、監控設備以及配套的電纜和接線盒等組件。光伏電池板是系統通常由多個光伏電池串聯或并聯組成，以提供所需的電壓和電流。光伏電池的效率和質量直接決定了整個系統的發電效率和穩定性。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，各有其特點和適用環境。

2.2　儲能系統的作用

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

2.3　一體化系統的優勢

光伏-儲能一體化系統的核心優勢在于其能夠將太陽能發電與能量存儲緊密結合，形成一個既能夠有效轉換也能夠靈活應對各種供電需求的系統。這樣的系統不僅能夠在白天將太陽能轉換為電能，還能通過儲能設備存儲多余的電能，以供夜間或陰雨天氣使用，有效地解決了傳統光伏系統受自然條件限制而產生的間歇性問題。具體來說，一體化系統中的光伏板將太陽能轉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，一體化系統可以根據實際用電需求動態調節電力輸出，這一點是通過智能管理系統實現的，它能夠監控用戶的用電模式和預測電力需求，進而優化光伏發電和儲能設備的工作狀態。例如，當預測到用電需求增加時，系統可以提前儲存更多的電能，以滿足即將到來的高峰時段。這種智能調節可以用以下公式概括：

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

式中，Pstored表示當前儲存的電能量，Pcharge和Pdischarge分別表示在時間t的充電和放電功率。

對于偏遠地區或電網不穩定的地方，光伏-儲能一體化系統更是一種理想的解決方案，因為它能夠獨立于傳統電網運行，為用戶提供穩定和可靠的電力供應。隨著儲能技術的進步，如鋰離子電池的能量密度提升和成本下降，一體化系統的經濟性得到了顯著提高。儲能設備的成本效益可以通過其循環壽命和單位能量成本來評估：

式中，Cstorage是儲能設備的總成本，N是設備的循環次數，Ecapacity是每次循環能夠提供的電能量。

3遠程監測技術

3.1　傳感器技術與數據采集

遠程監測技術在光伏-儲能一體化系統中扮演著至關重要的角色，它使得系統的智能化運維成為可能。通過集成了**的傳感器技術、數據通信手段以及云平臺的大數據處理能力，遠程監測技術能夠實現對整個系統狀態的實時監控和管理。這種技術的實施，依賴于一系列*密的傳感器，它們持續地從系統的各個關鍵節點收集數據，這些節點包括光伏板、逆變器和儲能設備等。傳感器技術提供的數據是多方面的，涵蓋了環境信息和設備性能指標。例如，溫度傳感器可以監測光伏板和儲能設備的溫度，其輸出電壓V與溫度T之間的關系可以用以下公式表示：

式中，a，b，c，是根據傳感器特性確定的系數，T是溫度。電流和電壓傳感器則可以監測光伏系統的電氣性能，使用歐姆定律來描述電路中的電流I，電壓V和電阻R之間的關系V=IR而光照傳感器能夠測量太陽光的強度，從而評估光伏板的發電潛力，其輸出電流I與入射光強度E之間的關系可以近似為：I=kE式中，k是傳感器的響應系數。通過這些傳感器收集的數據，系統能夠實時監測設備的工作狀態和環境條件，為系統的優化運行提供決策支持。數據通信手段確保了這些數據能夠實時傳輸到云平臺進行處理和分析，這通常涉及到數據的加密和解密過程，其數學模型可以表示為：

式中，（P代表原始數據，（C代表加密后的數據，（E_k是加密函數，（D_k是解密函數，（k是密鑰。云平臺則負責處理這些數據，運用**的數據分析方法，如機器學習算法，來預測系統的運行趨勢和潛在的維護需求。這些分析可能會涉及到復雜的數學模型，如回歸分析、時間序列分析等，一個簡單的線性回歸模型可以表示為：

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

3.2　數據通信方式

采集到的數據需要通過可靠的數據通信方式傳輸至監控*心或云平臺。數據通信可以通過有線網絡如以太網，也可以通過無線方式如蜂窩網絡、衛星通信或者Wi-Fi進行。在一些偏遠或者不方便布線的地區，無線通信方式更顯其便利性和靈活性。隨著物聯網技術的發展，低功耗廣域網（LPWAN）技術如LoRa和NB-IoT等也開始被越來越多地應用于遠程監

測系統中，這些技術特別適合于傳輸小數據量的場景，具有覆蓋范圍廣、功耗低等優點。數據通信方式具體特點見表。

表1數據通信方式特點

3.3　云平臺與數據處理

當數據通過通信網絡成功傳輸到云平臺后，接下來就是數據處理階段。云平臺具備強大的數據存儲和計算能力，可以對海量數據進行處理和分析。通過**的數據處理算法，比如機器學習和人工智能技術，云平臺不僅能夠實現對數據的實時監控，還能夠進行故障預測、性能分析和優化建議等高*功能。此外，用戶可以通過云平臺提供的接口，隨時隨地通過電腦或移動設備查看系統狀態，實現遠程控制和管理，大幅提升了系統的運維效率和智能水平。物聯網技術的光伏云平臺與數據處理系統見圖1

圖1物聯網技術的光伏云平臺與數據處理系統

4故障診斷方法

4.1故障檢測技術

故障診斷方法在現代工業和技術系統中扮演著至關重要的角色，尤其是在需要長時間穩定運行的復雜系統中，如光伏-儲能一體化系統。故障檢測技術是故障診斷的起點，它通過監測設備的運行狀態和環境參數來捕捉可能的異常信號。這些信號可能表現為數據的突然變化，如溫度急劇升高、電流電壓波動超出正常范圍等，也可能是性能指標的逐漸下降，如光伏板的發電效率降低。傳感器在這里發揮著基礎作用，它們實時收集關鍵數據并將其傳輸給分析系統。光伏故障檢測技術系統見圖2。

圖

2光伏故障檢測技術系統

4.2優化效果評估和分析

主要對準確率、召回率、F1分數、計算時間、誤報率等參數加以評估。評估方法為，將優化后的模型應用到實際運行數據中，并對比優化前后的模型性能指標。同時，進行大量實驗以驗證優化方法的可行性和有效性。繼而對比實驗結果和分析數據，發現優化后的模型在準確率、召回率、F1分數等方面都有明顯提高，而計算時間和誤報率也有所降低。這便表明，優化方法能有效地提高水電站電氣裝置故障運行狀態自動捕捉方法的準確性和效率。

5安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統

5.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專門針對工商業儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、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，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實現下*各儲能單元的統一監控和管理，還可以實現與上*調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上*調度指令，又可以滿足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經濟運行。

5.2應用場景

適用于工商業儲能電站、新能源配儲電站。

5.3系統結構

5.4系統功能

（1）實時監管

對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對系統環境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監測，掌握微電網系統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發電系統進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

實現整個微電網系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。

（5）可視化運行

實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監控。

（6）優化控制

通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態，實現經濟優化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業綜合用電成本。

（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據，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

6硬件及其配套產品

7結束語

綜上所述，本文研究的水電站電氣裝置故障運行狀態自動捕捉方法，通過實時監測電氣裝置的運行狀態，利用卷積神經網絡（CNN）模型對采集的數據進行學習和預測，實現了對故障的早期發現和準確定位。不過，該方法仍存在一些局限性，例如，對于某些復雜故障類型的識別精度還有待提高。未來還需引入更**的深度學習模型，如變分自編碼器（VAE）或生成對抗網絡（GAN）等，以提高故障類型的識別精度和泛化能力；結合多源信息，如設備狀態監測數據、運行日志等，以更好地評估電氣裝置的運行狀態；考慮將本方法應用于其他類型的能源設備或工業設備中，拓展其應用范圍；對大容量、高維度數據的處理方法進行深入研究，以進一步提高模型的訓練效率和泛化能力。

隨著深度學習技術的發展，未來會將多種不同模態的監測數據融合在一起，保證故障檢測的準確性和好性。在互聯網和物聯網技術的綜合應用下，可有效實現水電站電氣裝置的遠程監控和診斷，強化故障響應速度和維修效率。該種方法的推廣和應用前景廣闊，對于提高水電站的安全性、可靠性和運行效率具有重要意義，為水電站的智能化發展提供更加有力的支持。

參考文獻

[1]黎庚榮.“四步測試法"在電氣裝置短路故障識別排查中的應用探討［J］.紅水河，2021，40（2）：84-89.

[2]常碩，梁杰，姜久超.基于模擬退火算法的水電站電氣裝置故障運行狀態自動捕捉方法［J］.水利水電技術（中英文），2022，53（3）：110-118.

[3]辛清松.基于物聯網技術的光伏-儲能一體化系統遠程監測與故障診斷研究

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版