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摘 要：光伏电站生产运行中汇流箱故障频发，其中汇流箱通信故障在故障类型中占比最大，减少汇流箱通信故障十分必要。以光伏电站汇流箱运行记录数据为依据，经实地调研并结合设备资料，分析得出汇流箱故障的主要原因是逆变器引入的高频干扰和雷击造成浪涌过电压干扰，并提出相应措施。措施实施后能有效降低该光伏电站汇流箱故障发生频率，对光伏电站减少设备故障频次有借鉴意义。
关键词：光伏电站汇流箱;通信故障分析;解决方案
中图分类号：TM615;TP336 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0087-04
Fault Analysis and Solution of Junction Box in Shangdu
Tianrun Photovoltaic Power Station
JIA Shaorong，JIA Yue
（Three Gorges New Energy Siziwang Wind Power Co.，Ltd.，Ulanqab 001800，China）
Abstract：In the production and operation of a photovoltaic power station，the junction box failure occurs frequently，and the communication failure of the junction box accounts for the largest proportion among the fault types. It is very necessary to reduce the communication failure of the junction box. Based on the operation record data of junction box in photovoltaic power station，through field investigation and combined with equipment data，it is concluded that the main causes of junction box fault are high-frequency interference introduced by inverter and surge overvoltage interference caused by lightning stroke，and corresponding measures are put forward. After the implementation of the measures，the failure frequency of the junction box of the photovoltaic power station can be effectively reduced，which has reference significance for the photovoltaic power station to reduce the frequency of equipment failure.
Keywords：junction box of photovoltaic power station;communication failure analysis;solution
0 引 言
光伏匯流箱作为电站的关键设备之一，实时采集和上传光伏组件的电压、电流等重要数据，起到承上启下的作用，为分析、判断光伏组件缺陷、故障提供可靠数据支持，对电站运行监控及各回路组件运行数据分析对比起到重要作用[1]。随着通信技术的逐步发展，智能化、数字化、无人化将成为光伏电站的发展方向。因此，汇流箱设备的稳定性与其通信的可靠性显得尤为重要。
1 汇流箱故障问题
根据某光伏电站的现场调查，选取该光伏电站2月份至6月份时间段为参考并对故障类型作出分类。通过调取运行记录，对光伏区280个汇流箱的运行情况进行汇总梳理，累计发生通信故障21次，支路熔断器熔断故障10次，防反二极管故障4次，断路器跳闸故障2次，汇流箱烧毁故障1次，共计38次，如表1所示。
调查方式：查看运行记录
根据汇流箱故障类型统计表显示，故障类型中通信故障占总故障的55.26%，明显高于其他几类故障，且280个汇流箱通信故障月均4.2次，因此通信故障是造成光伏电站汇流箱故障率高的主要因素，给运行维护工作带来诸多不便。
针对汇流箱通信故障频发问题，通过调查该光伏站现场280台汇流箱在2月至6月期间汇流箱故障数据统计分析如下，如表2所示。
根据表2，该光伏电场280台汇流箱通信模块烧毁故障月均1.8次，占通信总故障的42.86%，是造成通信系统故障次数偏高的主要原因。
2 汇流箱通信故障原因分析
针对前节的统计调查，通过查阅相关资料和现场调研，分析可能引起汇流箱通信模块发生故障因素有：电平幅值越限、逆变器运行时引入高频干扰、感应电动势干扰、雷电造成通信回路浪涌现象等，经逐一分析排查，结果如下。
2.1 电平幅值越限
RS485标准定义了基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，具有相当高噪声抑制、传输速率、传输速率和宽共模范围的通信平台[2]。RS485信号总线传输时，由于总线分布电感、电容及电阻的存在，信号传输有一定的延时，电压与电流在传输过程中会产生一个与信号波方向相反的行波，称为反射波。 反射波会造成信号振铃、电平不稳、过冲等一系列问题。而电平幅值越限会使485芯片发热损坏，更进一步会烧毁卡板。对RS485通信线的端差信号进行试验分析，实测Vmax=2.76 V，Vmin=-2.31 V;对比485芯片手册规定值，电平幅值实测值在规定范围内，因此不具备损坏485芯片卡板的条件，该因素不作为造成通信故障的要因，故排除。
2.2 逆变器运行时引入高频干扰
共模电压是逆变器运行过程中相对于地产生的，如果逆变器运行中未能有效抑制对共模电压，产生的干扰信号则会通过汇流箱母线经断路器辅助触点开入、电源板输出回路等途径耦合到通信回路。
通过查阅3RM075L-8气体放电管技术参数，在上升陡度为100 V/s和1 kV/μs的电压作用下，放电管电压初始放电值分别为（75±20%）V和700 V。经过对比，通信回路共模电压峰值、上升速度满足气体放电管慢速放电动作条件，而气体放电管长时间、持续性闪烁放电动作会使面板的温度不断升高导致气体放电管损坏甚至烧毁整个PCB板。
2.3 感应电动势干扰
随着白天光照强度不断变化，汇流箱正负母排间电流不断增加，电磁场强度逐渐增强，通信板两端感应电动势也会跟着变化，造成板件发热烧毁。
通过现场测量5个汇流箱在光照峰值和低谷值时通信板两端压差，测量数据如表3所示。
从表3和图1的分析可以看出光照峰值和低谷时通信板两端压差并没有变化不明显，由此可以看出光照增强感应电动势干扰对汇流箱通信故障发生次数影响不大。
2.4 通信回路浪涌过电压干扰
雷击、电力系统内部断路器操作、负荷的投入切除等造成的系统内部状态变化是设备产生浪涌等过电压干扰的主要成因。
由于光伏电站所处地区海拔较高且设备多分布于光照充足的坡顶，因此汇流箱通信设备受雷雨季节雷电影响较大。当有雷电在设备附近活动时，通信回路形成浪涌等过电压干扰，造成通信元件损坏。通过查阅运行记录和有关资料，发现在雷雨季节发生通信故障次数明显增多，表4为某光伏电站在该年3、4月和5、6月通信故障发生次数统计。
上表显示，5、6月故障次数明显增多，由此可以看出，雷电活动形成浪涌等过电压干扰是造成汇流箱通信故障的主要原因之一。
综上所述，造成汇流箱通信故障多的主要原因是逆变器引入的高频干扰和雷击造成浪涌过电压干扰。
3 解决方案
通过查阅汇流箱相关资料结合实地测试验证，对造成汇流通信模块故障的两大要因，采取加装防雷模块和通信模块增加接地线的方法来解决上述问题。
3.1 加装防雷模块（浪涌保护器）
浪涌保护器通过泄放雷电流、限制浪涌电压来保护电子设备，当电气回路或通信线路中因外界干扰突然产生尖峰电流或电压时，浪涌保护器能在极短时间内导通分流，避免浪涌对回路中其他设备损害[3]。当前汇流箱未安装防雷模块，起不到防止雷击等原因造成的浪涌过电压保护效果，在原有通信板供电电源侧加装防雷模块，对通信设备形成防浪涌保护，如图2、图3所示。
3.2 在通信模块增加接地线
天润光伏站现场RS485接线方式为通信柜侧单端接地。GB 50217—2007《电力工程电缆设计规范》第3.6.9中规定：集成电路、微机保护的电流、电压和信号的控制电缆屏蔽层，当电磁感应的干擾较大时，宜采用两点接地;静电感应的干扰较大，可用一点接地;双重屏蔽或复合式总屏蔽，宜对内、外屏蔽分用一点、两点接地[4]。根据设计规范，宜将RS485接线方式由单端接地改为双端接地以减小或消除逆变器引入的高频干扰。其优化后接地方式如图4所示，实测RS485 A、B端共模数据如表5所示。优化后的RS485 A、B端共模干扰电压无法满足气体放电管放电的电气要求，且双端接地后屏蔽层环流较低，通信信号正常。
4 效果检查
通过对280个汇流箱加装防雷模块，并对汇流箱接地方式进行改造后，我们对汇流箱通信故障追踪观察，统计后4个月汇流箱通信故障数据。计划将通信模块故障占比降低85%，通信模块接地不良故障占比降低85%，通过理论计算得出汇流箱通信故障次数可降低为：
根据实际调查结果显示（表6），流箱通信故障次数显著降低，约为0.8/月·280个。通过对汇流箱加装防浪涌模块和加装接地线，使雷电干扰和逆变器交流高频干扰得到有效抑制，汇流箱通信故障明显降低，证明针对性方案行之有效。
5 结 论
汇流箱作为光伏电站的重要设备，在汇流、防护及监测方面起到关键作用[5]。本文在实地调查内蒙古某光伏电站运行故障种类后，对故障占比较大的汇流箱通信故障原因进行分析，其主要成因是逆变器引入高频电压和雷雨天气对电气回路造成的浪涌过电压干扰。通过对汇流箱通信模块加装地线和增设浪涌保护器的方法，有效减少了该光伏电站汇流箱通信故障的频率，提高了设备运行的可靠性，直接地提高了发电厂生产运行的经济效益，同时对其他光伏电站降低汇流箱故障频率、提高其通信稳定性有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 任斌.光伏电站汇流箱通讯故障研究 [J].科学与财富，2018（17）：231-232.
[2] 程凯，孙克怡，曹伟，等.RS-485总线理论的应用与分析 [J].青岛海洋大学学报（自然科学版），2003，33（5）：753-758.
[3] 陈裕禄.浪涌保护器的选择应用 [J].通讯世界，2020，27（2）：174-175.
[4] 中国电力工程顾问集团西南电力设计院.电力工程电缆设计规范：GB50217-2007 [S].北京：人民出版社，2008.
[5] 鲁锦锋，王蒙，张婷，等.光伏汇流箱中RS485通讯抗干扰方法分析 [J].电子产品世界，2016，23（11）：57-58+72.
作者简介：贾少荣（1983.04—），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，工程师，本科，研究方向：风力发电运维管理、电气工程自动化;贾岳（1989.09—），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，工程师，本科，研究方向：风力发电技术及安全管理。
关键词：光伏电站汇流箱;通信故障分析;解决方案
中图分类号：TM615;TP336 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0087-04
Fault Analysis and Solution of Junction Box in Shangdu
Tianrun Photovoltaic Power Station
JIA Shaorong，JIA Yue
（Three Gorges New Energy Siziwang Wind Power Co.，Ltd.，Ulanqab 001800，China）
Abstract：In the production and operation of a photovoltaic power station，the junction box failure occurs frequently，and the communication failure of the junction box accounts for the largest proportion among the fault types. It is very necessary to reduce the communication failure of the junction box. Based on the operation record data of junction box in photovoltaic power station，through field investigation and combined with equipment data，it is concluded that the main causes of junction box fault are high-frequency interference introduced by inverter and surge overvoltage interference caused by lightning stroke，and corresponding measures are put forward. After the implementation of the measures，the failure frequency of the junction box of the photovoltaic power station can be effectively reduced，which has reference significance for the photovoltaic power station to reduce the frequency of equipment failure.
Keywords：junction box of photovoltaic power station;communication failure analysis;solution
0 引 言
光伏匯流箱作为电站的关键设备之一，实时采集和上传光伏组件的电压、电流等重要数据，起到承上启下的作用，为分析、判断光伏组件缺陷、故障提供可靠数据支持，对电站运行监控及各回路组件运行数据分析对比起到重要作用[1]。随着通信技术的逐步发展，智能化、数字化、无人化将成为光伏电站的发展方向。因此，汇流箱设备的稳定性与其通信的可靠性显得尤为重要。
1 汇流箱故障问题
根据某光伏电站的现场调查，选取该光伏电站2月份至6月份时间段为参考并对故障类型作出分类。通过调取运行记录，对光伏区280个汇流箱的运行情况进行汇总梳理，累计发生通信故障21次，支路熔断器熔断故障10次，防反二极管故障4次，断路器跳闸故障2次，汇流箱烧毁故障1次，共计38次，如表1所示。
调查方式：查看运行记录
根据汇流箱故障类型统计表显示，故障类型中通信故障占总故障的55.26%，明显高于其他几类故障，且280个汇流箱通信故障月均4.2次，因此通信故障是造成光伏电站汇流箱故障率高的主要因素，给运行维护工作带来诸多不便。
针对汇流箱通信故障频发问题，通过调查该光伏站现场280台汇流箱在2月至6月期间汇流箱故障数据统计分析如下，如表2所示。
根据表2，该光伏电场280台汇流箱通信模块烧毁故障月均1.8次，占通信总故障的42.86%，是造成通信系统故障次数偏高的主要原因。
2 汇流箱通信故障原因分析
针对前节的统计调查，通过查阅相关资料和现场调研，分析可能引起汇流箱通信模块发生故障因素有：电平幅值越限、逆变器运行时引入高频干扰、感应电动势干扰、雷电造成通信回路浪涌现象等，经逐一分析排查，结果如下。
2.1 电平幅值越限
RS485标准定义了基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，具有相当高噪声抑制、传输速率、传输速率和宽共模范围的通信平台[2]。RS485信号总线传输时，由于总线分布电感、电容及电阻的存在，信号传输有一定的延时，电压与电流在传输过程中会产生一个与信号波方向相反的行波，称为反射波。 反射波会造成信号振铃、电平不稳、过冲等一系列问题。而电平幅值越限会使485芯片发热损坏，更进一步会烧毁卡板。对RS485通信线的端差信号进行试验分析，实测Vmax=2.76 V，Vmin=-2.31 V;对比485芯片手册规定值，电平幅值实测值在规定范围内，因此不具备损坏485芯片卡板的条件，该因素不作为造成通信故障的要因，故排除。
2.2 逆变器运行时引入高频干扰
共模电压是逆变器运行过程中相对于地产生的，如果逆变器运行中未能有效抑制对共模电压，产生的干扰信号则会通过汇流箱母线经断路器辅助触点开入、电源板输出回路等途径耦合到通信回路。
通过查阅3RM075L-8气体放电管技术参数，在上升陡度为100 V/s和1 kV/μs的电压作用下，放电管电压初始放电值分别为（75±20%）V和700 V。经过对比，通信回路共模电压峰值、上升速度满足气体放电管慢速放电动作条件，而气体放电管长时间、持续性闪烁放电动作会使面板的温度不断升高导致气体放电管损坏甚至烧毁整个PCB板。
2.3 感应电动势干扰
随着白天光照强度不断变化，汇流箱正负母排间电流不断增加，电磁场强度逐渐增强，通信板两端感应电动势也会跟着变化，造成板件发热烧毁。
通过现场测量5个汇流箱在光照峰值和低谷值时通信板两端压差，测量数据如表3所示。
从表3和图1的分析可以看出光照峰值和低谷时通信板两端压差并没有变化不明显，由此可以看出光照增强感应电动势干扰对汇流箱通信故障发生次数影响不大。
2.4 通信回路浪涌过电压干扰
雷击、电力系统内部断路器操作、负荷的投入切除等造成的系统内部状态变化是设备产生浪涌等过电压干扰的主要成因。
由于光伏电站所处地区海拔较高且设备多分布于光照充足的坡顶，因此汇流箱通信设备受雷雨季节雷电影响较大。当有雷电在设备附近活动时，通信回路形成浪涌等过电压干扰，造成通信元件损坏。通过查阅运行记录和有关资料，发现在雷雨季节发生通信故障次数明显增多，表4为某光伏电站在该年3、4月和5、6月通信故障发生次数统计。
上表显示，5、6月故障次数明显增多，由此可以看出，雷电活动形成浪涌等过电压干扰是造成汇流箱通信故障的主要原因之一。
综上所述，造成汇流箱通信故障多的主要原因是逆变器引入的高频干扰和雷击造成浪涌过电压干扰。
3 解决方案
通过查阅汇流箱相关资料结合实地测试验证，对造成汇流通信模块故障的两大要因，采取加装防雷模块和通信模块增加接地线的方法来解决上述问题。
3.1 加装防雷模块（浪涌保护器）
浪涌保护器通过泄放雷电流、限制浪涌电压来保护电子设备，当电气回路或通信线路中因外界干扰突然产生尖峰电流或电压时，浪涌保护器能在极短时间内导通分流，避免浪涌对回路中其他设备损害[3]。当前汇流箱未安装防雷模块，起不到防止雷击等原因造成的浪涌过电压保护效果，在原有通信板供电电源侧加装防雷模块，对通信设备形成防浪涌保护，如图2、图3所示。
3.2 在通信模块增加接地线
天润光伏站现场RS485接线方式为通信柜侧单端接地。GB 50217—2007《电力工程电缆设计规范》第3.6.9中规定：集成电路、微机保护的电流、电压和信号的控制电缆屏蔽层，当电磁感应的干擾较大时，宜采用两点接地;静电感应的干扰较大，可用一点接地;双重屏蔽或复合式总屏蔽，宜对内、外屏蔽分用一点、两点接地[4]。根据设计规范，宜将RS485接线方式由单端接地改为双端接地以减小或消除逆变器引入的高频干扰。其优化后接地方式如图4所示，实测RS485 A、B端共模数据如表5所示。优化后的RS485 A、B端共模干扰电压无法满足气体放电管放电的电气要求，且双端接地后屏蔽层环流较低，通信信号正常。
4 效果检查
通过对280个汇流箱加装防雷模块，并对汇流箱接地方式进行改造后，我们对汇流箱通信故障追踪观察，统计后4个月汇流箱通信故障数据。计划将通信模块故障占比降低85%，通信模块接地不良故障占比降低85%，通过理论计算得出汇流箱通信故障次数可降低为：
根据实际调查结果显示（表6），流箱通信故障次数显著降低，约为0.8/月·280个。通过对汇流箱加装防浪涌模块和加装接地线，使雷电干扰和逆变器交流高频干扰得到有效抑制，汇流箱通信故障明显降低，证明针对性方案行之有效。
5 结 论
汇流箱作为光伏电站的重要设备，在汇流、防护及监测方面起到关键作用[5]。本文在实地调查内蒙古某光伏电站运行故障种类后，对故障占比较大的汇流箱通信故障原因进行分析，其主要成因是逆变器引入高频电压和雷雨天气对电气回路造成的浪涌过电压干扰。通过对汇流箱通信模块加装地线和增设浪涌保护器的方法，有效减少了该光伏电站汇流箱通信故障的频率，提高了设备运行的可靠性，直接地提高了发电厂生产运行的经济效益，同时对其他光伏电站降低汇流箱故障频率、提高其通信稳定性有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 任斌.光伏电站汇流箱通讯故障研究 [J].科学与财富，2018（17）：231-232.
[2] 程凯，孙克怡，曹伟，等.RS-485总线理论的应用与分析 [J].青岛海洋大学学报（自然科学版），2003，33（5）：753-758.
[3] 陈裕禄.浪涌保护器的选择应用 [J].通讯世界，2020，27（2）：174-175.
[4] 中国电力工程顾问集团西南电力设计院.电力工程电缆设计规范：GB50217-2007 [S].北京：人民出版社，2008.
[5] 鲁锦锋，王蒙，张婷，等.光伏汇流箱中RS485通讯抗干扰方法分析 [J].电子产品世界，2016，23（11）：57-58+72.
作者简介：贾少荣（1983.04—），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，工程师，本科，研究方向：风力发电运维管理、电气工程自动化;贾岳（1989.09—），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，工程师，本科，研究方向：风力发电技术及安全管理。