[논문 리뷰] Automatic fault detection on BIPV systems without solar irradiation data

Jonathan Leloux, Luís Narvarte외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Energy and Environment Impacts참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 건물 통합 태양광(BIPV) 시스템을 위한 새로운 고장 감지 방법을 제안한다. 성능 지표로 성능 대 동료(P2P)를 사용하며, 이는 인근 태양광 시스템의 에너지 생산 데이터만에 의존한다. 유사한 근접 시스템 간의 공간적 및 시간적 상관관계를 활용함으로써 P2P는 기존의 성능 비율(PR)보다 더 높은 안정성을 확보하여, 태양辐영도, 온도, 바람 속도 데이터 없이도 신뢰할 수 있고 저비용의 자동 고장 감지가 가능하다.

ABSTRACT

BIPV systems are small PV generation units spread out over the territory, and whose characteristics are very diverse. This makes difficult a cost-effective procedure for monitoring, fault detection, performance analyses, operation and maintenance. As a result, many problems affecting BIPV systems go undetected. In order to carry out effective automatic fault detection procedures, we need a performance indicator that is reliable and that can be applied on many PV systems at a very low cost. The existing approaches for analyzing the performance of PV systems are often based on the Performance Ratio (PR), whose accuracy depends on good solar irradiation data, which in turn can be very difficult to obtain or cost-prohibitive for the BIPV owner. We present an alternative fault detection procedure based on a performance indicator that can be constructed on the sole basis of the energy production data measured at the BIPV systems. This procedure does not require the input of operating conditions data, such as solar irradiation, air temperature, or wind speed. The performance indicator, called Performance to Peers (P2P), is constructed from spatial and temporal correlations between the energy output of neighboring and similar PV systems. This method was developed from the analysis of the energy production data of approximately 10,000 BIPV systems located in Europe. The results of our procedure are illustrated on the hourly, daily and monthly data monitored during one year at one BIPV system located in the South of Belgium. Our results confirm that it is possible to carry out automatic fault detection procedures without solar irradiation data. P2P proves to be more stable than PR most of the time, and thus constitutes a more reliable performance indicator for fault detection procedures.

연구 동기 및 목표

• 분산형이고 이질적인 BIPV 시스템에서 비용 효율적인 모니터링 및 고장 감지의 과제를 해결한다.
• 정확한 태양辐영도 데이터가 필요로 하는 기존의 성능 비율(PR)의 한계를 극복한다. 이는 BIPV 소유주가 자주 이용할 수 없거나 비용이 많이 드는 데이터이기 때문이다.
• 기상관측소 입력이 필요 없는 신뢰할 수 있고 저비용의 성능 지표를 개발하여 자동 고장 감지를 가능하게 한다.
• 유사한 근접 설치물의 에너지 생산 데이터만을 사용하여 BIPV 시스템의 대규모 확장 가능한 모니터링을 가능하게 한다.
• 확장 가능한 웹 서비스 플랫폼을 통해 BIPV 소유주, 설치 업체 및 정책 결정자들에게 실행 가능한 성능 진단 정보를 제공한다.

제안 방법

• 시스템의 실제 에너지 출력을 그 주변의 가장 가까운 동료 시스템 평균 출력으로 나눈 비율인 성능 대 동료(P2P) 지표를 제안한다.
• 크기, 방향, 기울기 및 위치의 유사성을 기반으로 동료 시스템을 식별하여 유사한 성능 조건을 확보한다.
• 인접한 BIPV 시스템의 에너지 생산 데이터 간의 공간적 및 시간적 상관관계를 활용하여 예상 성능를 추정한다.
• 시간 단위로는 시간별, 일별, 월별로 P2P를 적용하여 고장으로 나타나는 이격을 감지한다.
• 동료 시스템이 부족하거나 P2P가 불안정할 경우 태양辐영도 기반의 성능 지표(PI)를 보조 수 Mittel로 사용한다.
• 실시간 모니터링을 위해 상용 웹 서비스 플랫폼을 통해 방법을 구현하여 BIPV 설치 업체 및 모니터링 기업을 대상으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양辐영도 데이터 없이도 BIPV 시스템의 고장 감지를 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ2 실제 환경 조건에서 P2P 지표가 기존의 성능 비율(PR)보다 더 안정적인가?
• RQ3 다양하고 소규모의 BIPV 시스템에서 P2P는 성능 열화를 얼마나 효과적으로 감지하는가?
• RQ4 동료 시스템의 가용성과 공간적 근접성이 P2P의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 P2P는 태양辐영도에 의존하는 성능 지표의 확장 가능하고 저비용 대체 수 Mittel이 될 수 있는가?

주요 결과

• 일 년간의 모니터링 기간 동안 P2P는 PR보다 더 안정적인 것으로 입증되어 고장 감지에서 잘못된 경고(false positives)를 줄였다.
• 이 방법은 남부 브루셀 지역의 BIPV 시스템에서 인근 시스템의 에너지 데이터만을 사용하여 성능 이상을 성공적으로 감지하였다.
• 근접한 유사한 동료 시스템의 수가 많을수록 P2P의 안정성이 향상되어 감지 정확도가 높아진다.
• 이 방법은 저비용으로 자동 고장 감지를 가능하게 하여 고가의 기상 센서나 태양辐영도 데이터의 필요성을 제거한다.
• 이제 이 방법은 상용 웹 서비스를 통해 운영 중이며, 설치 업체 및 운영자들이 대규모 BIPV 모니터링을 지원할 수 있다.
• 위성, 파이란오미터, PV 시스템 데이터의 보완적 활용은 태양辐영도 추정 및 고장 감지의 강건성을 더욱 향상시킬 수 있다.