[论文解读] Automatic fault detection on BIPV systems without solar irradiation data

Jonathan Leloux, Luís Narvarte+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Energy and Environment Impacts参考文献 12被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新型故障检测方法，用于建筑一体化光伏（BIPV）系统，采用一种名为性能对 peers（P2P）的性能指标，该指标仅依赖于邻近光伏系统产生的能量数据。通过利用相似、邻近系统之间的空间和时间相关性，P2P 比传统的性能比（PR）具有更高的稳定性，从而实现可靠、低成本的自动故障检测，且无需使用太阳辐照度、温度或风速数据。

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.

研究动机与目标

• 解决分布式、异构 BIPV 系统中成本效益监控与故障检测的挑战。
• 克服传统性能比（PR）的局限性，后者依赖于准确的太阳辐照度数据，而这些数据对 BIPV 用户而言往往不可用或成本高昂。
• 开发一种可靠、低成本的性能指标，用于自动故障检测，且无需气象站输入数据。
• 仅使用相似、邻近安装系统的能量生产数据，实现 BIPV 系统的大规模、可扩展监控。
• 通过可扩展的网络服务平台，为 BIPV 用户、安装商和政策制定者提供可操作的性能诊断支持。

提出的方法

• 提出性能对 peers（P2P）指标，计算方式为某系统实际发电量与最近邻 peers 系统平均发电量的比值。
• 根据系统规模、朝向、倾角和地理位置的相似性识别 peers 系统，以确保性能条件可比。
• 利用邻近 BIPV 系统发电量数据之间的空间和时间相关性，估算预期性能。
• 在每小时、每天和每月的时间尺度上应用 P2P，以检测指示故障的偏差。
• 当 peers 系统不足或 P2P 不稳定时，使用基于太阳辐照度的性能指数（PI）作为备用方案。
• 通过商业网络服务部署该方法，实现对 BIPV 系统的实时监控，目标用户为 BIPV 安装商和监控公司。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用太阳辐照度数据的情况下，可靠地实现 BIPV 系统的故障检测？
• RQ2 在真实条件下，P2P 指标是否比传统的性能比（PR）更稳定？
• RQ3 P2P 在检测多样化、小型 BIPV 系统性能退化方面效果如何？
• RQ4 peers 系统的可用性和空间接近度对 P2P 可靠性有何影响？
• RQ5 P2P 是否可作为依赖辐照度的性能指标的一种可扩展、低成本替代方案？

主要发现

• 在为期一年的监测期内，P2P 比 PR 更具稳定性，显著减少了故障检测中的误报。
• 该方法成功利用邻近系统仅有的能量数据，在比利时南部的一处 BIPV 系统中检测到性能异常。
• 当附近具有相似特性的 peers 系统数量越多时，P2P 的稳定性越高，检测精度随之提升。
• 该方法可实现低成本的自动故障检测，无需昂贵的气象传感器或辐照度数据。
• 该方法现已通过商业网络服务投入运行，支持安装商和运营商对大规模 BIPV 系统进行监控。
• 结合卫星、太阳辐射计和光伏系统数据，可进一步提升辐照度估算精度和故障检测的鲁棒性。