本發(fā)明屬于光伏，具體涉及一種基于遺傳算法的光伏組件故障分類系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、光伏組件在使用過程中，常常會(huì)被鳥糞、灰塵、陰影、落葉、積雪等覆蓋，由于局部遮擋的存在，某些電池片的電流、電壓發(fā)生了變化，從而在這些電池組件上產(chǎn)生了局部溫度升高，即產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，使發(fā)電量大大減少，除了熱斑的故障，還可能由于組件(包括接線盒)被雷擊、燒毀等嚴(yán)重情況，造成的短路或斷路產(chǎn)生，以及陰影遮擋類故障，所有的故障都會(huì)導(dǎo)致組件功率降低。目前在出現(xiàn)故障后，需要人工對(duì)其進(jìn)行檢查，并且依賴人工經(jīng)驗(yàn)，并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。并且人工檢查還會(huì)消耗大量時(shí)間，導(dǎo)致發(fā)電量減少。因此，亟需一種光伏組件故障智能化分類系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于遺傳算法的光伏組件故障分類系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于遺傳算法的光伏組件故障分類方法，包括如下步驟：

4、s1、在系統(tǒng)正常情況下，選擇晴天，獲取一段周期內(nèi)每日不同時(shí)間段的輻照強(qiáng)度值、環(huán)境溫度值、電流值和電壓值，作為標(biāo)準(zhǔn)樣本；

5、s2、在當(dāng)前狀況下，選擇晴天，獲取一段周期內(nèi)每日不同時(shí)間段的輻照強(qiáng)度值、環(huán)境溫度值、電流值和電壓值，作為待檢測(cè)樣本；

6、s3、所述待檢測(cè)樣本中，若電流值等于零，則為斷路故障，若電壓值等于零，則為短路故障，否則進(jìn)行下一步；

7、s4、在所述待檢測(cè)樣本中選取與所述標(biāo)準(zhǔn)樣本任一時(shí)間段的輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度相同的樣本數(shù)據(jù)，分別計(jì)算所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)的功率值和溫度值，以及所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)的功率值和溫度值；

8、s5、對(duì)s4得到的所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)與所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)的功率值及溫度值分別進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行故障分類。

9、進(jìn)一步的，所述步驟s1和s2中，選擇晴好的天氣，獲取一段時(shí)間內(nèi)上午九點(diǎn)到下午三點(diǎn)之間不同時(shí)間段的輻照強(qiáng)度值、環(huán)境溫度值、電流值和電壓值。

10、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，若待檢測(cè)樣本在某一時(shí)間段的輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度值與所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)的輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度值有差異，則將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)換成與所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)具有相同輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的樣本數(shù)據(jù)。

11、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)的功率值和溫度值的計(jì)算方法如下：

12、計(jì)算出所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的光生電流為：

13、

14、其中，ipv0＝iph0+i0，iph0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的光生電流，i0為反向飽和電流；q0為標(biāo)準(zhǔn)輻照強(qiáng)度；為所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下的輻照強(qiáng)度值；

15、計(jì)算出所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的溫度值t0(t)：

16、

17、其中，rs為串聯(lián)電阻；g＝nk/q，n為p-n結(jié)材料特性系數(shù)，k為玻爾茲曼常量，q為電子電荷；和分別為所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的電流值及電壓值；

18、計(jì)算所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的功率值：

19、

20、其中，w0(t)為所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的功率值。

21、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)的功率值和溫度值的計(jì)算方法如下：

22、計(jì)算所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的光生電流為：

23、

24、其中，qs(t)為所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下的輻照強(qiáng)度值；

25、計(jì)算所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的溫度值t(t)：

26、

27、其中，is(t)和us(t)分別為所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的電流值及電壓值；

28、計(jì)算所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的功率值：

29、w(t)＝us(t)*is(t)?(6)

30、其中，w(t)為所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻下光伏組件的功率值。

31、進(jìn)一步的，所述g、rs、ipv0和i0的求解方法包括：

32、獲取光伏組件的系統(tǒng)標(biāo)定值，包括：在標(biāo)準(zhǔn)日照和溫度的條件下，光伏組件的最大輸出功率pm、最大工作電壓um、最大工作電流im、開路電壓uoc和短路電流isc；

33、根據(jù)伏安特性曲線方程：

34、

35、式中：u為光伏組件電壓值；i為光伏組件電流值；t是光伏組件的絕對(duì)溫度；iph為光生電流，i0為反向飽和電流，令ipv＝iph+i0；rs為串聯(lián)電阻；n為p-n結(jié)材料特性系數(shù)；k為玻爾茲曼常量；q為電子電荷；

36、將最大工作電壓um和最大工作電流im的值代入公式(7)中，得出：

37、

38、其中：g＝nk/q，t0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏組件的絕對(duì)溫度值，ipv0＝iph0+i0，iph0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏組件的光生電流；

39、將開路電壓uoc代入公式(7)中，得出：

40、

41、將短路電流isc代入公式(7)中，得出：

42、

43、將公式(7)中電流對(duì)電壓求偏導(dǎo)數(shù)，再根據(jù)在最大功率點(diǎn)處電流和電壓的計(jì)算關(guān)系，得出：

44、

45、將公式(8)～(11)中消除未知數(shù)ipv0和i0，得出只有兩個(gè)未知數(shù)g和rs的方程組：

46、

47、采用遺傳算法對(duì)公式(12)和(13)進(jìn)行求解，得到g和rs的值，并將g和rs值代入公式(9)和公式(10)中，求出和i0的值。

48、進(jìn)一步的，所述遺傳算法的求解步驟如下：

49、1)隨機(jī)生成初始群體

50、參數(shù)g和rs的編碼方式采用二進(jìn)制多參數(shù)級(jí)聯(lián)編碼方法，初始群體按照此編碼方式隨機(jī)產(chǎn)生；

51、2)適應(yīng)度的計(jì)算

52、設(shè)：

53、

54、得出遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：

55、

56、采用權(quán)重系數(shù)變化法，將上述多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題：

57、

58、由于公式(17)中目標(biāo)函數(shù)為正值，因此目標(biāo)函數(shù)的求解結(jié)果即為個(gè)體的適應(yīng)度值；

59、3)設(shè)計(jì)遺傳算子

60、設(shè)置群體大小m，終止代數(shù)t，交叉概率pc，互異概率pm，代溝g；

61、遺傳算法中的選擇運(yùn)算使用比例選擇算子結(jié)合最優(yōu)保存策略進(jìn)行。首先，基于比例選擇算子計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，并據(jù)此生成對(duì)應(yīng)的選擇概率；再根據(jù)選擇概率得出每個(gè)個(gè)體的選擇次數(shù)，若隨機(jī)選擇的次數(shù)小于群體的個(gè)數(shù)m，就結(jié)合最優(yōu)保存策略，將最優(yōu)的一些個(gè)體保存下來，不參加交叉以及變異運(yùn)算，直接遺傳到下一代群體中；剩余的個(gè)體進(jìn)行正常的交叉和變異運(yùn)算；

62、4)當(dāng)公式(17)所示的目標(biāo)函數(shù)小于指定的閾值或達(dá)到終止代數(shù)t時(shí)，則終止遺傳運(yùn)算，這時(shí)的g和rs值就是最終的計(jì)算結(jié)果。

63、進(jìn)一步的，所述步驟s5的具體過程如下：

64、設(shè)zwj為當(dāng)前狀況下所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)與正常情況下所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)的功率均差值，其中j＝1,2,…,m，表示所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，則：

65、

66、其中t1，t2分別為所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)和所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)在相同輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的時(shí)刻；

67、設(shè)a和b為預(yù)先設(shè)定的大于零的閾值，對(duì)于j＝1,2,…,m中的任一個(gè)j值，如果|zwj|>a，則認(rèn)為此光伏組件出現(xiàn)故障，則繼續(xù)下一步判斷，否則認(rèn)為光伏組件正常；

68、當(dāng)|zwj|>a時(shí)，即光伏組件出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)zti為當(dāng)前狀況下所有|zwj|>a的所選待檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)即故障待檢測(cè)樣本與正常情況下所選標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)的溫度均差值，其中i＝1,2,…,n，表示故障待檢測(cè)樣本個(gè)數(shù)，則：

69、

70、如果對(duì)于所有的i＝1,2,…,n，都滿足|zti|<b，則光伏組件是異常老化類故障；如果對(duì)于i＝1,2,…,n，至少有一個(gè)i滿足|zti|>b，并且zti>0，則光伏組件是熱斑類故障；如果對(duì)于所有的i＝1,2,…,n，都滿足|zti|>b，并且zti<0，則光伏組件是實(shí)陰影遮擋類故障；如果對(duì)于i＝1,2,…,n，至少有一個(gè)i滿足|zti|>b，并且zti<0，同時(shí)也至少存在一個(gè)i值，滿足|zti|<b，則光伏組件是虛陰影遮擋類故障。

71、本發(fā)明還提出了一種基于遺傳算法的光伏組件故障分類系統(tǒng)，包括組件數(shù)據(jù)采集器、無線網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)、照度測(cè)量?jī)x和環(huán)境照度測(cè)量?jī)x；

72、所述組件數(shù)據(jù)采集器包括采樣模塊、cpu控制模塊以及通信模塊；所述采樣模塊的輸入端和輸出端分別與光伏組件的輸出端及cpu控制模塊的輸入端連接，所述采樣模塊包括電壓采樣模塊和電流采樣模塊，用于實(shí)時(shí)采集光伏陣列的輸出電壓和輸出電流；所述cpu控制模塊用于對(duì)電壓和電流值進(jìn)行轉(zhuǎn)換和編碼；

73、所述環(huán)境照度測(cè)量?jī)x和照度測(cè)量?jī)x的輸出端與所述cpu控制模塊的輸入端連接；所述通信模塊的輸入端與所述cpu控制模塊的輸出端連接，用于將所述cpu控制模塊的數(shù)據(jù)無線傳送給所述無線網(wǎng)關(guān)；所述無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過云端傳送給所述上位機(jī)；所述上位機(jī)執(zhí)行上述故障分類方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行光伏組件故障分類。

74、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明能夠快速判斷出光伏組件是否出現(xiàn)故障以及故障類型，從而給出相應(yīng)的處理措施，節(jié)省了技術(shù)人員的故障排查時(shí)間，減少了故障的誤判率，減少因排查和定位故障造成的停機(jī)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。