一种光伏运维管理系统

技术领域

本发明涉及光伏管理技术领域，尤其涉及一种光伏运维管理系统。

背景技术

光伏（Photovoltaic，PV）技术是一种将太阳能转换为电能的可再生能源技术，具有环境友好、可持续发展等优点，然而，由于光伏电站通常面临着各种环境和操作条件的影响，如天气变化、设备老化、故障等，因此需要高度精密的运维管理以保证其长期和稳定的运行。

传统的光伏运维管理通常依赖于人工巡检、基础数据分析和固定模式的维护策略，这些方法往往不足以处理复杂和多变的运行环境，尤其在面对大规模或偏远地区的光伏电站时，传统的管理方式会显得效率低下和成本高昂。

近年来，一些先进的光伏运维管理系统开始采用更多的传感器、数据分析算法和自动化设备来优化运维活动，然而，这些系统通常侧重于特定的问题，如能效优化、故障诊断或预测维护，而缺乏一个综合性的解决方案，更重要的是，很少有系统能够在不同气候条件和电池状态下，自适应地调整运维策略，以应对潜在的环境风险。

因此，存在一种迫切的需求，即开发一个新型的光伏运维管理系统，该系统不仅能实现对电池板的健康评估和寿命预测，还能在不同的环境条件和操作状态下，提供灵活和自适应的运维解决方案。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种光伏运维管理系统。

一种光伏运维管理系统，包括：

数据收集模块，用于收集光伏电池板和逆变器的运行数据，包括电流、电压、功率和状态信息；

中央处理单元，配置有处理器和存储器，用于执行系列算法，包括故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法；

通讯接口，用于将收集的数据传输到中央处理单元，该通讯接口支持多种通信协议，包括MQTT, HTTP和CoAP；

热像仪模块，配置有红外热像仪，用于周期性地扫描光伏电池板的热分布图，以检测局部过热或低效区域；

微气候监控模块，用于在不同的气候条件下，调整逆变器和电池板的工作状态，以应对潜在的环境风险；

无人机巡检模块，配置有无人机和摄像头，用于进行视觉检查，并可与热像仪模块和微气候监控模块的数据进行交叉验证；

电池健康评估模块，利用电化学阻抗谱技术，周期性地评估电池板的健康状况和预测其剩余使用寿命；

其中，数据收集模块还包括温度、湿度和光照强度的传感器，传感器的数据被用于调整能效优化算法，通讯接口通过有线或无线方式连接到中央处理单元。

进一步的，所述中央处理单元的系列算法具体包括：

故障诊断算法采用以下数学模型进行故障识别：

其中，

预测维护算法采用以下公式进行维护需求预测：

其中，

能效优化算法采用以下优化函数：

其中，

进一步的，所述热像仪模块具体包括：

热像仪模块由红外热像仪组成，具有可调节的焦距和视场角，以适应不同大小和形状的光伏电池板；

系统通过中央处理单元根据微气候监控模块和电池健康评估模块的数据，决定热像仪模块的扫描周期；

在每个扫描周期开始时，热像仪模块会自动调整其焦距和视场角，以优化图像质量；

热像仪捕捉到的热分布数据以矩阵

通过以下公式进行局部过热或低效区域的检测：

其中，

当

热像仪模块的结果用于微调故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法中的模型参数。

进一步的，所述微气候监控模块具体包括：

传感器网络，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器和降水量传感器；

传感器网络实时传输数据至中央处理单元，并与故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法联动；

中央处理单元根据接收到的微气候数据计算以下指标：

其中，

当

当

在中等风险的条件下，中央处理单元采取渐进式调整措施；

微气候监控模块的实时数据和适应性调整也用于微调其他模块，包括热像仪模块、无人机巡检模块、电池健康评估模块。

进一步的，所述无人机巡检模块具体包括：

多个无人机，每个无人机配备高分辨率相机、光谱分析仪以及风速和方向传感器，所述热像仪集成于无人机上；

该模块与中央处理单元联接，接收巡检路径和焦点区域的指令；

中央处理单元根据微气候监控模块和电池健康评估模块的数据来确定最佳巡检时间和路径；

无人机按照预定的飞行路径进行巡检，同时捕捉光伏电池板的高分辨率图像、热分布图和光谱数据；

无人机的风速和方向传感器用于动态调整飞行路径和稳定飞行，在复杂的微气候条件下保证数据的准确性，同时识别潜在的故障和低效区域；

识别出的潜在问题区域将被标记并通过中央处理单元进行分析；

无人机巡检模块的数据可用于微气候监控模块、热像仪模块、电池健康评估模块和故障诊断算法。

进一步的，所述无人机巡检模块使用以下算法来识别潜在的故障和低效区域：

其中，

进一步的，所述电池健康评估模块装配有电化学阻抗谱（EIS）测试设备，该设备由交流电源、电流和电压传感器、以及数据分析单元组成；

在预定的周期或受到触发条件后，电池健康评估模块激活EIS测试；

EIS测试通过在电池板上施加一个小幅度的交流电压或电流，并测量其对应的响应，生成电化学阻抗谱；

生成的电化学阻抗谱数据将传送到中央处理单元，并使用以下算法进行健康评估和寿命预测：

其中，

进一步的，所述

其中，

当计算出的健康指数

进一步的，还包括自适应遮阳模块，所述自适应遮阳模块配置有动态可调整的遮阳板，用于在过度光照条件下调整光照强度，以防止电池板因长时间暴露在过度光照条件下而退化。

进一步的，所述自适应遮阳模块具体包括：

多个动态可调的遮阳板，该遮阳板通过马达、链条或齿轮机构与光伏电池板相连；

该模块接收来自中央处理单元的遮阳指令，该指令基于多个模块的输入数据，包括微气候监控模块、电池健康评估模块、和无人机巡检模块；

遮阳板的角度和位置根据实时天气条件进行动态调整，以最大化光伏电池板的发电效率；

当电池健康评估模块检测到某个电池板区域健康状况下降时，自适应遮阳模块局部遮挡该区域，以减轻其热应力和延长使用寿命；

自适应遮阳模块使用以下算法来确定遮阳板的最佳位置和角度：

其中，

通过实时计算

该模块还与故障诊断模块和预测维护模块联动，以便在检测到潜在故障或预测到高风险环境因素时，自动将遮阳板调整到保护模式。

本发明的有益效果：

本发明，综合应用了多种模块和算法，覆盖了光伏电站的全生命周期管理，从电池健康评估到自适应遮阳，从无人机巡检到热像仪模块，为用户提供了一个全面而高效的运维解决方案，通过应用先进的故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法，系统能够自动识别、预测并处理各种潜在问题，大大减少了人为干预的需求，从而提高了运维效率。

本发明，在面对不同的气候条件和电池状态时，系统能够自动调整其运维策略，例如，通过微气候监控模块，系统能够在不同的气候条件下自适应地调整逆变器和电池板的工作状态，减少潜在的环境风险，电池健康评估模块和自适应遮阳模块的应用，能够及时检测电池板的健康状况，并通过调整遮阳板来减轻热应力，从而有效延长电池板的使用寿命，通过自动化和智能化的运维管理，本系统大大减少了传统手工巡检和维护的需求，从而显著降低了运维成本。

本发明，通过微气候监控模块，系统能够实时监测环境变化，并根据不同的环境条件自动调整运维策略，确保光伏电站在各种环境下都能保持高效和稳定的运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的系统模块示意图；

图2为本发明实施例的传感器网络示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-图2所示，一种光伏运维管理系统，包括：

数据收集模块，用于收集光伏电池板和逆变器的运行数据，包括电流、电压、功率和状态信息；

中央处理单元，配置有处理器和存储器，用于执行系列算法，包括故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法；

通讯接口，用于将收集的数据传输到中央处理单元，该通讯接口支持多种通信协议，包括MQTT, HTTP和CoAP；

热像仪模块，配置有红外热像仪，用于周期性地扫描光伏电池板的热分布图，以检测局部过热或低效区域；

微气候监控模块，用于在不同的气候条件下，调整逆变器和电池板的工作状态，以应对潜在的环境风险，如风吹、沙尘暴或洪水；

无人机巡检模块，配置有无人机和摄像头，用于进行视觉检查，并可与热像仪模块和微气候监控模块的数据进行交叉验证；

电池健康评估模块，利用电化学阻抗谱（EIS）技术，周期性地评估电池板的健康状况和预测其剩余使用寿命；

其中，数据收集模块还包括温度、湿度和光照强度的传感器，传感器的数据被用于调整能效优化算法，通讯接口通过有线或无线方式连接到中央处理单元，中央处理单元的算法可根据收集的数据自动调整逆变器的工作状态和电池板的角度，以达到最优的能效。

该系统通过集成各种先进的硬件模块和传感器技术，不仅能实现高度精准的故障诊断和预测维护，还能够针对多种环境和操作条件进行自适应调整，从而极大地提高了光伏系统的运行效率和稳定性。同时，通过热像仪模块、微气候监控模块、无人机巡检模块、电池健康评估模块的应用，本发明在多个方面解决了光伏系统运维过程中的关键技术问题。

中央处理单元的系列算法具体包括：

故障诊断算法采用以下数学模型进行故障识别：

其中，

预测维护算法采用以下公式进行维护需求预测：

其中，

能效优化算法采用以下优化函数：

其中，

热像仪模块具体包括：

热像仪模块由红外热像仪组成，具有可调节的焦距和视场角，以适应不同大小和形状的光伏电池板；

系统通过中央处理单元根据微气候监控模块和电池健康评估模块的数据，决定热像仪模块的扫描周期，例如，在高温或湿度条件下，扫描周期可能会缩短以更频繁地检测潜在问题；

在每个扫描周期开始时，热像仪模块会自动调整其焦距和视场角，以优化图像质量；

热像仪捕捉到的热分布数据以矩阵

通过以下公式进行局部过热或低效区域的检测：

其中，

当

热像仪模块的结果用于微调故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法中的模型参数；

通过这一系列步骤，热像仪模块能够有效地周期性地扫描光伏电池板的热分布，从而及时地检测和处理局部过热或低效区域，这不仅提高了系统的运行效率，也显著延长了电池板和整个光伏系统的使用寿命。

微气候监控模块具体包括：

传感器网络，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器和降水量传感器；

传感器网络实时传输数据至中央处理单元，并与故障诊断算法、预测维护算法和能效优化算法联动；

中央处理单元根据接收到的微气候数据计算以下指标：

其中，

当

当

在中等风险的条件下（即

微气候监控模块的实时数据和适应性调整也用于微调其他模块，包括热像仪模块、无人机巡检模块、电池健康评估模块；

通过这一系列措施，微气候监控模块能在不同的气候条件下有效地调整逆变器和电池板的工作状态，以应对潜在的环境风险，这不仅提高了系统的可靠性和稳定性，还有助于延长逆变器和电池板的使用寿命。

无人机巡检模块具体包括：

多个无人机，每个无人机配备高分辨率相机、光谱分析仪以及风速和方向传感器，热像仪集成于无人机上；

该模块与中央处理单元联接，接收巡检路径和焦点区域的指令；

中央处理单元根据微气候监控模块和电池健康评估模块的数据来确定最佳巡检时间和路径；

无人机按照预定的飞行路径进行巡检，同时捕捉光伏电池板的高分辨率图像、热分布图和光谱数据；

无人机的风速和方向传感器用于动态调整飞行路径和稳定飞行，在复杂的微气候条件下保证数据的准确性，同时识别潜在的故障和低效区域；

识别出的潜在问题区域将被标记并通过中央处理单元进行分析；

无人机巡检模块的数据可用于微气候监控模块、热像仪模块、电池健康评估模块和故障诊断算法；

通过以上措施，无人机巡检模块能在多变的环境和复杂的运维需求下，提供高效、准确和全面的光伏电池板巡检服务，这不仅有助于及时发现和处理潜在问题，还进一步提高了整个光伏运维管理系统的自动化和智能化水平。

无人机巡检模块使用以下算法来识别潜在的故障和低效区域：

其中，

电池健康评估模块装配有电化学阻抗谱（EIS）测试设备，该设备由交流电源、电流和电压传感器、以及数据分析单元组成；

在预定的周期或受到触发条件（如由无人机巡检模块发现的潜在问题）后，电池健康评估模块激活EIS测试；

EIS测试通过在电池板上施加一个小幅度的交流电压或电流，并测量其对应的响应，生成电化学阻抗谱；

生成的电化学阻抗谱数据将传送到中央处理单元，并使用以下算法进行健康评估和寿命预测：

其中，

通过以上措施，电池健康评估模块利用电化学阻抗谱（EIS）技术，周期性地评估电池板的健康状况和预测其剩余使用寿命。这样不仅增强了预测维护的准确性，还有助于优化光伏电池板的总体性能和延长其使用寿命。

计算后，预测电池板的剩余使用寿命/>

其中，

当计算出的健康指数

还包括自适应遮阳模块，自适应遮阳模块配置有动态可调整的遮阳板，用于在过度光照条件下调整光照强度，以防止电池板因长时间暴露在过度光照条件的高温下而退化。

自适应遮阳模块具体包括：

多个动态可调的遮阳板，该遮阳板通过马达、链条或齿轮机构与光伏电池板相连；

该模块接收来自中央处理单元的遮阳指令，该指令基于多个模块的输入数据，包括微气候监控模块、电池健康评估模块、和无人机巡检模块；

遮阳板的角度和位置根据实时天气条件（如太阳高度角、云层覆盖等）进行动态调整，以最大化光伏电池板的发电效率；

当电池健康评估模块检测到某个电池板区域健康状况下降时，自适应遮阳模块局部遮挡该区域，以减轻其热应力和延长使用寿命；

自适应遮阳模块使用以下算法来确定遮阳板的最佳位置和角度：

其中，

通过实时计算

该模块还与故障诊断模块和预测维护模块联动，以便在检测到潜在故障或预测到高风险环境因素（如暴风雨）时，自动将遮阳板调整到保护模式；

通过以上措施，自适应遮阳模块能够实时地调整遮阳板的位置和角度，以适应不同的环境条件和电池板状态，这不仅有助于提高发电效率，还能有效地延长电池板的使用寿命和减少维护成本。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明旨在涵盖落入权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。