基于Android平臺的光伏列陣故障分析系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：隨著化石能源的枯竭，太陽能光伏發(fā)電越來越備受關(guān)注。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏組件故障進(jìn)行有效便捷的在線檢測顯得十分必要。文章介紹在基于Android平臺下設(shè)計出的光伏列陣故障檢測分析系統(tǒng)。實現(xiàn)了以DSP28027為核心對光伏列陣電路電壓、電流、溫度、輻照度數(shù)據(jù)的采集，并且通過Wi-Fi通信方式把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到Android終端。最后介紹了本系統(tǒng)的Android終端的設(shè)計，在Android終端經(jīng)算法分析找到故障點的位置，并顯示相關(guān)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：光伏列陣；故障檢測；Android；SP結(jié)構(gòu)

目前，光伏發(fā)電利用太陽能逐漸引起了人們的重視。熱斑現(xiàn)象是光伏陣列中最常見也最易發(fā)生的故障，它不但會使系統(tǒng)的輸出功率降低，更重要的是若不及時處理，容易損壞光伏組件，同時引發(fā)安全問題。在文獻(xiàn)[1]指出光伏列陣故障中包括太陽電池的衰降、電池短路、電池開路、組件短路、組件分層、熱斑失效等。熱斑現(xiàn)象通常是光伏陣列的局部被遮擋而產(chǎn)生，不僅消耗電能，并且還將產(chǎn)生大量的熱量，使得遮蔽的光伏組件迅速升溫，會燒毀光伏組件使得整個光伏支路都不能正常工作。文章將通過分析光伏電池的輸出特性來辨別電池是否處于正常工作狀態(tài)。需要測量光伏列陣的電壓、電流、溫度參數(shù)預(yù)測或監(jiān)控列陣是否出現(xiàn)熱斑問題。

小巧玲瓏、外觀時尚且功能豐富的現(xiàn)代移動設(shè)備已經(jīng)成為了集觸摸屏、攝像頭、媒體播放器、GSP系統(tǒng)和近場通信（Near Field Communications，NFC）硬件為一體的強大工具[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，手機的功能已不再僅僅是打電話那么簡單。因此文章利用Android手機便捷等特點，將基于Android的軟硬件平臺開發(fā)光伏陣列故障檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理終端，相對于PC機來說可以顯著提高光伏系統(tǒng)故障檢測的便攜性和靈活性，而且Android系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲、管理、通信以及人機接口等性能也可以與PC機相媲美。

1 系統(tǒng)框架

文章設(shè)計的是一個基于Android的光伏陣列故障檢測系統(tǒng)（后文簡稱故障檢測系統(tǒng)），該故障檢測系統(tǒng)主要可以分為兩部分：（1）硬件部分，即數(shù)據(jù)采集終端；（2）Android終端部分，即應(yīng)用程序設(shè)計。

2 數(shù)據(jù)采集與故障定位方法

本系統(tǒng)AD采集模塊是基于最常用的SP結(jié)構(gòu)，采集終端包括對電壓、電流、溫度、輻照度的采集。其中，溫度傳感器采用高精度的數(shù)字溫度傳感器18B20，其輸出量為二進(jìn)制量直接接入到DSP28027的GPIO口讀取溫度；電壓傳感器并入監(jiān)測點的電路，霍爾電流傳感器串接到檢測點的電路，輻照度傳感器檢測當(dāng)前光伏陣列的太陽輻射度。電壓、電流、輻照度傳感器輸出量為電壓模擬量，利用DSP28027自帶16路12位的AD轉(zhuǎn)換器，將輸出接到DSP28027的AD口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了消除電路中的負(fù)載效應(yīng)，可在傳感器與AD口之間加入電壓跟隨器進(jìn)行隔離。采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖2。

假設(shè)檢測的是一個基于SP結(jié)構(gòu)的N×M的光伏列陣。每條支路上串接一個電流傳感器檢測支路電流。再在每條支路上檢測電壓，一條支路有N個組件，如果每個電壓傳感器只檢測1個組件間的電壓，則至少需要N-1個電壓傳感器。顯然這樣需要的電壓傳感器的數(shù)量太大，成本高。如果每個電壓傳感器檢測2個組件間的電壓，則每3個組件需要2個電壓傳感器。如果每個電壓傳感器檢測3個組件則每5個組件需要3個電壓傳感器……對于一次性檢測n個組件則（2n-1）個組件需要n個電壓傳感器，則整個光伏陣列所需電壓傳感器個數(shù)S=M×（N-1）×n/（2n-1），（n？燮N/2），當(dāng)出現(xiàn)小數(shù)是采取進(jìn)1發(fā)取整，由所需電壓傳感器個數(shù)表達(dá)式可以得出，當(dāng)n等于N/2時其需要的電壓傳感器個數(shù)最少。以下以N=5說明故障組件確定方法：

溫度數(shù)據(jù)通過則采集光伏列陣上對稱的四個點得到，每個點測出的溫度作為當(dāng)前區(qū)域光伏列陣工作時的溫度。假定光伏列陣所處位置空曠，則可以認(rèn)為該片區(qū)域所受到的光照均勻，因此輻照度的所需測量點個數(shù)很少，直接由測量輻照度的平均值作為當(dāng)前光伏列陣所在環(huán)境的輻照度。根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的模型，給出了根據(jù)任意輻照度與溫度下求取I-V關(guān)系的等式，并且文獻(xiàn)[4]給出模型分析指出當(dāng)光伏組件沒有正常工作時其輸出電壓會明顯減小。因此可以根據(jù)檢測到的溫度與輻照度可以確定該光伏列陣的I-V關(guān)系，再根據(jù)檢測到的電壓就可以得到正常工作時的支路電流了。所得到的理論值用做算法判支路是否正常工作的依據(jù)，既當(dāng)檢測的數(shù)據(jù)與理論值相差太大則認(rèn)為組件沒有正常工作。找到有故障的支路后，再對組件電壓進(jìn)行分析，即檢測到組件輸出電壓比平均輸出電壓小的則認(rèn)為是有故障的組件。

3 Android終端應(yīng)用程序設(shè)計

3.1 程序框架

文章Android應(yīng)用程序開發(fā)基于Java語言，在eclipse安裝ADT（Android Development Tools）的集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的，并且設(shè)置目標(biāo)版本為Android 4.4，最低兼容版本為Android4.0。主要包括四個模塊：主活動、繪圖活動和設(shè)置活動以及數(shù)據(jù)分析算法的程序?qū)崿F(xiàn)部分。其中程序框架如圖4所示。

框架創(chuàng)建三個Activity實現(xiàn)人機交互，分別實現(xiàn)不同的操作和功能，MainActivity是主活動交互界面，該界面是應(yīng)用程序啟動進(jìn)入的第一個界面，其他界面都由該界面進(jìn)行相關(guān)操作觸發(fā)啟動：DrawActvity是運行曲線交互界面，該界面實現(xiàn)將接收到的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，可以直觀地分析數(shù)據(jù)；Setting是設(shè)置光伏組件參數(shù)界面，是在Menu菜單之下的選項，進(jìn)入該界面可進(jìn)行光伏組件參數(shù)的具體設(shè)置，主要參數(shù)包括：工作電壓、工作電流、開路電壓、短路電流、系統(tǒng)電壓和最大功率，以供分析數(shù)據(jù)算法初始化，進(jìn)而進(jìn)行故障分析。各活動間數(shù)據(jù)通信通過Intent實現(xiàn)，以及各界面的按鈕、布局等是用XML文件實現(xiàn)的。其中，數(shù)據(jù)分析算法在DataAnalyse.java中實現(xiàn)，并在主活動中調(diào)用DataAnalyse.class中的方法進(jìn)行故障組件的定位。

3.2 程序設(shè)計

文章設(shè)計的系統(tǒng)運用Wi-Fi實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與Android終端的通信，其中Wi-Fi連接部分使用系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置實現(xiàn)將Android終端與服務(wù)器連接，連接成功后通過設(shè)計的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)操作和功能。程序設(shè)計中主要應(yīng)用到了Activity類、File類、Socket類等。利用Android開發(fā)中Java語言、XML布局和配置文件間的獨立性和關(guān)聯(lián)性可以分別在各不同文件下編程實現(xiàn)相關(guān)功能，在相互根據(jù)聯(lián)系調(diào)用組成一個有機的系統(tǒng)。其中，繪圖活動使用了Android開源圖表庫MPAndroidChart里面的相關(guān)函數(shù)。

3.2.1 數(shù)據(jù)接收并存儲

文章設(shè)計的應(yīng)用程序工作在客戶端模式，在Android終端連接服務(wù)器之后，便可以開始進(jìn)行接收數(shù)據(jù)。手機客戶端先向服務(wù)器發(fā)起連接請求后，就被動地等待服務(wù)器的響應(yīng)，文中客戶端實現(xiàn)功能過程為[5]：

（1）創(chuàng)建一個Socket實例：構(gòu)建函數(shù)向指定的遠(yuǎn)程主機和端口建立一個TCP連接；（2）通過套接字的輸入輸出流（I/O streams）進(jìn)行通信：一個Socket連接實例包括一個InputStream和一個OutputStream；（3）使用Socket類的close（）方法關(guān)閉連接。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析算法

對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而找到故障點的位置并且顯示出來。算法設(shè)計思路主要為：由前面分析學(xué)可以根據(jù)采集到的輻照度以及溫度數(shù)據(jù)，可以計算得到該輻照度，溫度下光伏列陣?yán)碚摰恼９ぷ麟娏髦?。然后找到檢測值偏離理論值較大的支路電流，該支路判定為有故障的支路。

支路上的故障組件的確定：以一條支路上有N個組件為例。由前面分析可知每次檢查M（M=N/2）個所用傳感器數(shù)目最少，出現(xiàn)故障的組件輸出電壓明顯變小。如果電壓傳感器檢測的N/2個組件中包含有故障點，則這N/2組件輸出的值肯定小于U/2，所以當(dāng)電壓檢測值大于U/2的這N/2個組件中沒有包含故障點，根據(jù)此原理逐步排查，最后確定故障點的位置。程序設(shè)計示意框圖如圖5所示。

4 應(yīng)用

和服務(wù)器端建立連接后接收到數(shù)據(jù)，運行主界面及運行曲線界面效果如圖6所示，該界面是接收數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)調(diào)用故障檢測算法后得到的結(jié)果，其中電流、電壓和溫度是算法中計算值而非實測值。運行曲線是對選中組件歷史接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制而得，主要顯示出組件歷史上工作的波動情況。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于Android平臺的光伏列陣故障在線分析系統(tǒng)，使得光伏故障的檢測十分方便高效，同時還方便對光伏列陣檢測數(shù)據(jù)的管理分析，檢測結(jié)果明了直觀。

參考文獻(xiàn)

[1]李兵峰.光伏陣列故障檢測方法的研究[D].天津大學(xué)，2010，6.

[2]（美）邁耶（Meier，R.）.Android 4高級編程[M].佘建偉，趙凱譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013，4.

[3]邱純.任意輻照度與溫度條件下光伏系統(tǒng)輸出特性建模[D].華中科技大學(xué)，2011.

[4]唐佳能.太陽能光伏陣列故障檢測及仿真分析[D].華北電力大學(xué)，2012.

[5]（美）卡爾弗特（Calvert， K.L.），（美）多納霍（Donahoo， M.J.）.Java TCP/IP Socket編程（原書第2版）[M].周恒民譯.北京：機械工業(yè)出版社，2009，1.