安科瑞 陳聰

摘要：隨著(zhù)可再生能源特別是光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，光伏-儲能一體化系統成為實(shí)現能源可持續發(fā)展的重要途徑。然而，系統的穩定運行和效率問(wèn)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(lián)網(wǎng)的光伏-儲能一體化系統的遠程監測及故障診斷技術(shù)，分析了在集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后系統運行的優(yōu)勢，并提出了一套有效的故障檢測和診斷流程。通過(guò)實(shí)驗驗證，證明了該系統在提高光伏發(fā)電效率、降低維護成本和保障系統穩定性方面的有效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；光伏發(fā)電；儲能系統；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(huán)保、可持續性強等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。隨著(zhù)系統規模的不斷擴大和應用場(chǎng)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(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入為遠程監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(guò)智能傳感器、通信技術(shù)和云計算等手段，實(shí)現對系統的實(shí)時(shí)數據采集、傳輸和分析，從而及時(shí)發(fā)現并處理可能出現的問(wèn)題。本文旨在探討如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于光伏-儲能一體化系統，實(shí)現其遠程監測與故障診斷功能的優(yōu)化。

1光伏-儲能系統的重要性與發(fā)展趨勢

光伏-儲能系統作為新能源領(lǐng)域的重要組成部分，其重要性在于它能夠有效地將太陽(yáng)能這種清潔、可再生的能源轉換為電能，并通過(guò)儲能設施解決了太陽(yáng)能發(fā)電的間歇性問(wèn)題，提升了能源的利用效率和系統的供電可靠性。隨著(zhù)全球對于環(huán)境保護意識的加強和對傳統化石能源依賴(lài)的減少，光伏-儲能系統在能源結構轉型中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)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(wèn)題，而且還能夠為偏遠地區和電網(wǎng)不穩定地區提供穩定的電力供應，促進(jìn)社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(fā)展。

技術(shù)創(chuàng )新不斷推動(dòng)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(kāi)發(fā)正朝著(zhù)更有效率、更低成本的方向發(fā)展，如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等新型材料的出現。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(lèi)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(kāi)發(fā)。系統集成和智能化水平的提高。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，光伏-儲能系統越來(lái)越多地采用智能監控和管理技術(shù)，實(shí)現了系統運行的*優(yōu)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(hù)需求和電價(jià)變動(dòng)等因素自動(dòng)調整發(fā)電和儲能策略，實(shí)現經(jīng)濟效益的*大化。

2光伏-儲能一體化系統架構

2.1光伏發(fā)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(fā)電系統，它利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)輻射能轉換為直流電能。這種轉換過(guò)程是通過(guò)半導體材料的光電效應來(lái)實(shí)現的，當太陽(yáng)光照射到光伏電池板上時(shí)，光子與半導體中的電子相互作用產(chǎn)生電流。光伏發(fā)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(xiàn)盒等組件。光伏電池板是系統通常由多個(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)系統的發(fā)電效率和穩定性。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的光伏電池主要有單晶硅、多晶硅和薄膜三種類(lèi)型，各有其特點(diǎn)和適用環(huán)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(fā)電與電力儲存的**能源系統。在這個(gè)系統中，儲能系統（起著(zhù)至關(guān)重要的作用。由于太陽(yáng)能發(fā)電具有天氣依賴(lài)性和日夜周期性，因此其產(chǎn)生的電力供應并不穩定。這就是儲能系統發(fā)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(shù)，可以在光伏發(fā)電產(chǎn)生過(guò)剩電力時(shí)儲存電能，并在無(wú)陽(yáng)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(yōu)勢

光伏-儲能一體化系統的核心優(yōu)勢在于其能夠將太陽(yáng)能發(fā)電與能量存儲緊密結合，形成一個(gè)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(yáng)能轉換為電能，還能通過(guò)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(chǎn)生的間歇性問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，一體化系統中的光伏板將太陽(yáng)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(yáng)能總量。

此外，一體化系統可以根據實(shí)際用電需求動(dòng)態(tài)調節電力輸出，這一點(diǎn)是通過(guò)智能管理系統實(shí)現的，它能夠監控用戶(hù)的用電模式和預測電力需求，進(jìn)而優(yōu)化光伏發(fā)電和儲能設備的工作狀態(tài)。例如，當預測到用電需求增加時(shí)，系統可以提前儲存更多的電能，以滿(mǎn)足即將到來(lái)的高峰時(shí)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(shí)間t的充電和放電功率。

對于偏遠地區或電網(wǎng)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(wǎng)運行，為用戶(hù)提供穩定和可靠的電力供應。隨著(zhù)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，一體化系統的經(jīng)濟性得到了顯著(zhù)提高。儲能設備的成本效益可以通過(guò)其循環(huán)壽命和單位能量成本來(lái)評估：

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

3遠程監測技術(shù)

3.1　傳感器技術(shù)與數據采集

遠程監測技術(shù)在光伏-儲能一體化系統中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，它使得系統的智能化運維成為可能。通過(guò)集成了**的傳感器技術(shù)、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(shù)能夠實(shí)現對整個(gè)系統狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控和管理。這種技術(shù)的實(shí)施，依賴(lài)于一系列*密的傳感器，它們持續地從系統的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)收集數據，這些節點(diǎn)包括光伏板、逆變器和儲能設備等。傳感器技術(shù)提供的數據是多方面的，涵蓋了環(huán)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(guān)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(lái)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(yáng)光的強度，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是傳感器的響應系數。通過(guò)這些傳感器收集的數據，系統能夠實(shí)時(shí)監測設備的工作狀態(tài)和環(huán)境條件，為系統的優(yōu)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(shí)時(shí)傳輸到云平臺進(jìn)行處理和分析，這通常涉及到數據的加密和解密過(guò)程，其數學(xué)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(xué)習算法，來(lái)預測系統的運行趨勢和潛在的維護需求。這些分析可能會(huì )涉及到復雜的數學(xué)模型，如回歸分析、時(shí)間序列分析等，一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)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(guò)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(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )如以太網(wǎng)，也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式如蜂窩網(wǎng)絡(luò )、衛星通信或者Wi-Fi進(jìn)行。在一些偏遠或者不方便布線(xiàn)的地區，無(wú)線(xiàn)通信方式更顯其便利性和靈活性。隨著(zhù)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(kāi)始被越來(lái)越多地應用于遠程監

測系統中，這些技術(shù)特別適合于傳輸小數據量的場(chǎng)景，具有覆蓋范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。數據通信方式具體特點(diǎn)見(jiàn)表。

表1數據通信方式特點(diǎn)

3.3　云平臺與數據處理

當數據通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )成功傳輸到云平臺后，接下來(lái)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(jìn)行處理和分析。通過(guò)**的數據處理算法，比如機器學(xué)習和人工智能技術(shù)，云平臺不僅能夠實(shí)現對數據的實(shí)時(shí)監控，還能夠進(jìn)行故障預測、性能分析和優(yōu)化建議等高*功能。此外，用戶(hù)可以通過(guò)云平臺提供的接口，隨時(shí)隨地通過(guò)電腦或移動(dòng)設備查看系統狀態(tài)，實(shí)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏云平臺與數據處理系統見(jiàn)圖1

圖1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)

故障診斷方法在現代工業(yè)和技術(shù)系統中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，尤其是在需要長(cháng)時(shí)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(shù)是故障診斷的起點(diǎn)，它通過(guò)監測設備的運行狀態(tài)和環(huán)境參數來(lái)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(dòng)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(fā)電效率降低。傳感器在這里發(fā)揮著(zhù)基礎作用，它們實(shí)時(shí)收集關(guān)鍵數據并將其傳輸給分析系統。光伏故障檢測技術(shù)系統見(jiàn)圖2。

圖

2光伏故障檢測技術(shù)系統

4.2優(yōu)化效果評估和分析

主要對準確率、召回率、F1分數、計算時(shí)間、誤報率等參數加以評估。評估方法為，將優(yōu)化后的模型應用到實(shí)際運行數據中，并對比優(yōu)化前后的模型性能指標。同時(shí)，進(jìn)行大量實(shí)驗以驗證優(yōu)化方法的可行性和有效性。繼而對比實(shí)驗結果和分析數據，發(fā)現優(yōu)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(shí)間和誤報率也有所降低。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行狀態(tài)自動(dòng)捕捉方法的準確性和效率。

5安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)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(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)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(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實(shí)現下*各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)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(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

5.2應用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)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(shí)時(shí)監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)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(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，掌握微電網(wǎng)系統的運行狀況。

（3）功率預測

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

（4）電能質(zhì)量

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

（5）可視化運行

實(shí)現微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進(jìn)行不間斷監控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進(jìn)行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現經(jīng)濟優(yōu)化調度，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(hù)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(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

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

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、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結束語(yǔ)

綜上所述，本文研究的水電站電氣裝置故障運行狀態(tài)自動(dòng)捕捉方法，通過(guò)實(shí)時(shí)監測電氣裝置的運行狀態(tài)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（CNN）模型對采集的數據進(jìn)行學(xué)習和預測，實(shí)現了對故障的早期發(fā)現和準確定位。不過(guò)，該方法仍存在一些局限性，例如，對于某些復雜故障類(lèi)型的識別精度還有待提高。未來(lái)還需引入更**的深度學(xué)習模型，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(lèi)型的識別精度和泛化能力；結合多源信息，如設備狀態(tài)監測數據、運行日志等，以更好地評估電氣裝置的運行狀態(tài)；考慮將本方法應用于其他類(lèi)型的能源設備或工業(yè)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(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步提高模型的訓練效率和泛化能力。

隨著(zhù)深度學(xué)習技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)會(huì )將多種不同模態(tài)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(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應用下，可有效實(shí)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(fā)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(tài)自動(dòng)捕捉方法［J］.水利水電技術(shù)（中英文），2022，53（3）：110-118.

[3]辛清松.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022年05版