基于WSN的光伏电池组件故障定位研究

摘 要： 光伏电站是由一系列光伏电池组件通过串并联而组成的，不管是小型分布式电站还是具有一定规模的较大型光伏电站，光伏电池组件在运行过程中部分组件难免会出现一些故障，这些出现故障的组件在什么位置是运行管理员十分关注的问题，也是希望得到解决的问题。针对此问题，该文提出了一种基于WSN的光伏电池组件故障静态定位法。该方法是利用安装在光伏电池组件中的信号采集节点RFD采集光伏组件的电压、电流和温度值，同时定义该光伏电池组件的地址和方位，将这些数据传至管理软件，通过数据处理后显示出该光伏电池组件工作状态和位置，当组件出现故障时，立刻就能在屏幕上显示出来。实验结果表明该方法查找故障光伏电池组件位置快速有效。

关键词： WSN； 电池组件； 故障定位； 故障静态定位法

中图分类号： TN60⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）10⁃0135⁃03

Research on WSN⁃based fault location of photovoltaic cell modules

TAN Jianjun， SUN Xianbo， HUANG Yong， YI Jinqiao， HU Tao， RAO Fang

（College of Information Engineering， Hubei University for Nationalities， Enshi 445000， China）

Abstract： It is inevitable for some of the photovoltaic cell modules in any photovoltaic power station to appear failures in their running process. The location of these faulted modules is the problem focused by the operation manager， and expected to be solved. Due to this problem， a WSN⁃based static positioning method of photovoltaic cell module failure is proposed， which uses the signal sampling node RFD installed in the photovoltaic cell modules to collect the voltage， current and temperature of photovoltaic modules. The address and position of the photovoltaic cell modules are defined. These data are transmitted to the management software， and then processed to show the working status and position of the photovoltaic cell module. The location of the module can be immediately displayed on the screen when the module occurs fault. The experimental results show that the method is fast and efficient to find the location of the fault photovoltaic cell module.

Keywords： WSN； photovoltaic cell module； fault positioning； fault static positioning method

0 引 言

光伏电站都是由一系列光伏电池组件通过串并联而组成的，无论是规模较小的分布式电站还是规模较大的集成式电站，其光伏电池组件数量少则几个十几个，多则几千个上万个，尤其较大型的电站，电池组件数量比较多，安装规模较大，占地宽阔。这些大大小小的光伏电站在工作时都是无法直接观察到光伏电池组件的工作状态的。然而无论光伏电站的大小，光伏组件的多少，光伏电池阵列在运行过程中一部分难免会出现故障，如树叶遮挡、电池组件破裂、引线断裂等导致电池板不发电。此时在众多的光伏电池组件中寻找故障电池组件的位置就是一件很困难的事情；因此快速定位故障光伏电池组件就显得非常重要，目前大多数已建成的光伏电站其电池组件出现故障都不能显示故障状况，即使知道，查找定位也很困难，费时费力，效果不佳。

本文基于WSN技术[1⁃2]，利用安装在电池组件上的RFD实时采集该电池组件的工作电压、电流以及温度等数据，同时在该RFD中定义电池组件的地址和方位，这些采集和定义得到的数据将通过WSN形成的无线网络快速传递到汇聚节点，汇聚节点将数据传递给管理软件系统，这些数据通过软件系统处理后在计算机屏幕或手机屏幕上清晰显示出光伏电池组件的发电情况和位置。实验证明，该方法定位故障电池组件效果较好。

光伏电站WSN网络结构图如图1所示。

1 WSN组网办法

WSN在光伏电站中的应用有它的特殊性：

（1） 太阳能光伏电站结构特殊，太阳能光伏电站所用光伏电池组件多用金属支架支撑，较大规模的电站，其支架结构就显得较为复杂，很显然，WSN网络在这种环境里通信会明显受影响；

（2） 电池组件安装密集，组件之间的距离一般很小，这就决定了RFD节点安装比较密集；

（3） 光伏电池工作过程中电能波动较大，当光线不足时，光伏电池几乎没有电能输出，而依靠光伏电池供电的RFD节点将不可能长期稳定工作。

这些特殊的问题决定了WSN组网也具有特殊性，最突出的问题就是如何稳定地建立通信网络，也就是组网的问题，一般而言，WSN组网要求工作电压稳定，节点分布均匀且保持一定距离，特别是带有路由器的网络，工作时一般不允许路由器和协调器掉电，也不允许路由器周围节点数超过路由器最大地址管理范围，否则会出现网络崩溃无法恢复的严重问题。显然，光伏电池供电的WSN网络恰恰就是面对这样的问题，电压不稳、节点密集。鉴于这样一种情况，用于光伏电站的WSN网络采用了固化协调器网络配置、非固化路由器以及RFD节点网络配置、且保证协调器和路由器供电相对稳定，并增加路由器远程复位功能，这些技术措施的应用保证了光伏电站WSN网络可靠且稳定的运行。

2 静态定位设计

2.1 静态定位的硬件系统设计[3]

安装于光伏电池组件上的RFD节点设计很关键。由于RFD节点是固定在光伏电池组件上的，且工作在室外；一是要面临温差变化大、结露、潮湿等环境问题，二是要解决好供电稳定问题。因此，电路板设计和元器件选择都要求较高，一般得按照汽车级电子设计要求设计，在供电电路设计上要考虑低谐波、低辐射和较宽的电压调整范围。综合考虑这些因素，稳压电路设计采用两级稳压设计：一级为脉冲式稳压电路；一级为模拟式稳压电路，电路图如图2所示。

从图2可以看出，供电电路主要由无线单片机CC2430、光电耦合器、VMOS开关管、电阻R1，R2构成的电压取样电路、电阻R3和电容C1组成的延时电路、3.3 V稳压模块等组成。由太阳能电池相关资料并通过实验发现，一个额定输出电压为24 V的太阳能电池，输出电压与太阳辐照能量紧密相关，最低时可接近0 V输出，最高时[4⁃5]可超过24 V。若将多组电池串联，则电池组总输出电压的变化之大就可想而知。AMS1117稳压模块的最大输入电压只有15 V，不能承受15 V以上太阳能电池的直接馈电。为了确保电路工作安全正常，在本电路系统设计中用VMOS管T1来调节过高的直流电压，保证AMS1117稳压模块的输入电压能在允许的范围内变化，确保AMS1117稳压模块的工作安全可靠。本电路系统高效工作的关键就在于VMOS管T1必须工作于开关状态，同时尽可能降低AMS1117稳压模块的输入电压，以降低整个电源电路的直流功耗，提高电路工作效率，降低电路的发热。由图2可以看出，太阳能电池输出电压由电阻R1和电阻R2构成的分压电路取样并由CC2430的A/D通道采集变换[6]，在CC2430中通过软件产生PWM波并由CC2430的P0.4输出，可以直接驱动VMOS管T1，也可以直接驱动光藕器件，由于电路中VMOS管T1三个电极的工作电压均超过了CC2430的安全工作电压，因此，CC2430的P0.4端口不能直接连接到VMOS管T1的栅极上，而是通过了一个光藕隔离，PWM波通过光藕直接驱动VMOS管T1工作，当太阳能电池输出电压在一定范围内变化时，通过PWM波占空比变化使VMOS管T1调节输入电压，保证AMS1117的输入直流电压在允许的范围内。本电路设计中，RC延时电路的设计也很重要，其是为了防止电路系统突然供电时，因CC2430初始化需要时间，不能马上输出PWM波，有可能导致AMS1117稳压模块的输入端承受过高直流电压而带来危险。同时，电路设计中还考虑到了CC2430芯片单独复位时带来的危险因素，那就是RC延时电路和CC2430芯片复位电路实现联动。考虑到CC2430芯片故障时不至于造成更大的损失，在电源电路的输入端还加装了保险丝。通过这一系列的设计考虑，确保了本设计的安全可靠。

2.2 静态定位的软件设计

由于每一个RFD节点都是固定在对应的光伏电池组件上的，这些光伏电池组件拼装成电站时，每一个组件的空间位置也就确定下来，也就是说每一个RFD节点的位置就确定了，因此，在每一个RFD节点中要有一个固定不变的地址，这个地址可以代表该RFD节点的位置，毫无疑问，这个固定不变的地址就是RFD中的MAC地址，它可以做到惟一性。

这些带有惟一地址的光伏电池组件在拼装成电站时，可以任意安装，这就意味着电站的光伏电池组件阵列地址是可能没有顺序的，为了确定已经安装好的光伏电池组件的具体位置。本文中采用了二维码扫描定位技术，将已经安装好的光伏电池组件阵列按照一定顺序扫描入库，此时，光伏电池组件安装位置和该组件的地址完全对应，为了直观显示故障光伏电池组件的位置，在管理软件系统设计中设计了光伏电池位置可视化图示功能模块。当光伏电池组件阵列中某个组件出现故障，就可以在显示终端屏幕上实时显示故障组件及位置，静态定位软件程序流程图如图3所示，其运行效果如图4所示。

3 结 语

本文就基于WSN的光伏电池组件阵列静态定位问题进行了近两年的研究和实验。期间不断改进和完善设计方案，安装实验电站，观测电站的运行，其相关技术达到了实际应用要求，系统工作稳定可靠，可以满足大规模应用；同时也注意到了由于RFD节点电路板成本还比较高，对在电站的大规模应用中推广还会面临一定困难，但随着RFD主要芯片价格的降低，这个问题也会逐步得到解决。

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