基于CatBoost算法的光伏阵列故障诊断方法

顾崇寅; 徐潇源; 王梦圆; 严正

doi:10.7500/AEPS20211123004

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基于CatBoost算法的光伏阵列故障诊断方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 基于CatBoost算法的光伏阵列故障诊断方法
- CatBoost Algorithm Based Fault Diagnosis Method for Photovoltaic Arrays
- 电力系统自动化 2023年47卷第2期页码：105-114
- 作者机构：
  
  电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海市 200240
- 作者简介：
  
  顾崇寅（1998—），男，硕士研究生，主要研究方向：光伏系统故障诊断。E-mail：guchyin@sjtu.edu.cn
  徐潇源(1989—)，男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向：电力系统不确定性分析、电力系统优化运行。E-mail：xuxiaoyuan@sjtu.edu.cn
  王梦圆（1994—），女，博士研究生，主要研究方向：新能源发电。E-mail：wangmy@sjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52077136)
- DOI：10.7500/AEPS20211123004
  中图分类号：
- 收稿：2021-11-23，
  
  修回：2022-02-27，
  
  网络出版：2022-07-18，
  
  纸质出版：2023-01-25
- 稿件说明：
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顾崇寅,徐潇源,王梦圆等.基于CatBoost算法的光伏阵列故障诊断方法[J].电力系统自动化,2023,47(2):105-114.

GU Chongyin,XU Xiaoyuan,WANG Mengyuan,et al.CatBoost Algorithm Based Fault Diagnosis Method for Photovoltaic Arrays[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(2):105-114.
顾崇寅,徐潇源,王梦圆等.基于CatBoost算法的光伏阵列故障诊断方法[J].电力系统自动化,2023,47(2):105-114. DOI： 10.7500/AEPS20211123004.

GU Chongyin,XU Xiaoyuan,WANG Mengyuan,et al.CatBoost Algorithm Based Fault Diagnosis Method for Photovoltaic Arrays[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(2):105-114. DOI： 10.7500/AEPS20211123004.

摘要

针对基于传统机器学习算法的光伏阵列故障诊断方法需要大量训练集的问题，提出了基于CatBoost算法的故障诊断方法，实现小规模训练集下不同程度故障的准确诊断。建立了光伏组件等效电路模型，考虑短路、开路、老化、局部阴影下不同程度的光伏阵列故障，分析包含旁路二极管和阻塞二极管的光伏阵列的伏安特性曲线变化特性，构建反映不同故障特性的特征量，作为光伏阵列故障诊断方法的输入向量。使用CatBoost算法对小规模训练集进行训练，建立基于CatBoost算法的故障诊断模型。为验证所提方法的效果，分别进行了仿真和实验分析。将所提方法与传统神经网络算法、其他决策树算法进行对比，验证了所提方法在小规模训练集下的准确性与稳定性。

Abstract

Aiming at the problem that the fault diagnosis methods for photovoltaic (PV) arrays based on traditional machine learning algorithms need a large number of training sets

a CatBoost algorithm based fault diagnosis method is proposed to achieve the accurate diagnosis of different degrees of faults in small-scale training sets. The equivalent circuit model of PV modules is presented. Different degrees of PV array faults including short circuit

open circuit

aging and partial shading are considered. Changing characteristics of the

characteristic curves of a PV array including bypass diodes and blocking diodes are analyzed. Characteristics are built to reflect different fault characteristics and selected as the input vector of the fault diagnosis method for PV arrays. The CatBoost algorithm is used to train the small-scale training set

and the CatBoost algorithm based fault diagnosis model is established. In order to verify the effectiveness of the proposed method

simulation and experimental analysis are carried out

respectively. The proposed method is compared with traditional neural network algorithms and other decision tree algorithms to verify the accuracy and stability of the proposed method in the small-scale training sets.

关键词

Keywords

references

周楠，徐潇源，严正，等 . 基于宽度学习系统的光伏发电功率超短期预测［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 1 ）： 55 - 64 .

ZHOU Nan ， XU Xiaoyuan ， YAN Zheng ， et al . Ultra-short-term forecasting of photovoltaic power generation based on broad learning system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 55 - 64 .

朱晓荣，刘亚维 . 基于元件-系统分级优化的光伏电站维护策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 8 ）： 92 - 99 .

ZHU Xiaorong ， LIU Yawei . Maintenance strategy of photovoltaic power station based on component-system classification optimization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 8 ）： 92 - 99 .

杨锡运，刘玉奇，李建林 . 基于四分位法的含储能光伏电站可靠性置信区间计算方法［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 15 ）： 136 - 144 .

YANG Xiyun ， LIU Yuqi ， LI Jianlin . Reliability confidence interval calculation method for photovoltaic power station with energy storage based on quartile method ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 15 ）： 136 - 144 .

王元章，李智华，吴春华 . 光伏系统故障诊断方法综述［J］. 电源技术， 2013 ， 37 （ 9 ）： 1700 - 1705 .

WANG Yuanzhang ， LI Zhihua ， WU Chunhua . Fault diagnosis technologies for photovoltaic system ［J］. Chinese Journal of Power Sources ， 2013 ， 37 （ 9 ）： 1700 - 1705 .

程泽，李兵峰，刘力，等 . 一种新型结构的光伏阵列故障检测方法［J］. 电子测量与仪器学报， 2010 ， 24 （ 2 ）： 131 - 136 .

CHENG Ze ， LI Bingfeng ， LIU Li ， et al . A fault detection method for new PV module structure ［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrument ， 2010 ， 24 （ 2 ）： 131 - 136 .

PEI T T ， LI L ， ZHANG J F ， et al . Module block fault locating strategy for large-scale photovoltaic arrays ［J］. Energy Conversion and Management ， 2020 ， 214 ： 112898 .

GUASCH D ， SILVESTRE S ， CALATAYUD R . Automatic failure detection in photovoltaic systems ［C］// Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion ， May 11-18 ， 2003 ， Osaka， Japan ： 2269 - 2271 .

HOUSSEIN A ， HÉRAUD N ， SOULEIMAN I ， et al . Monitoring and fault diagnosis of photovoltaic panels ［C］// 2010 IEEE International Energy Conference ， December 18-22 ， 2010 ， Manama， Bahrain ： 389 - 394 .

王培珍，郑诗程 . 基于红外图像的太阳能光伏阵列故障分析［J］. 太阳能学报， 2010 ， 31 （ 2 ）： 197 - 202 .

WANG Peizhen ， ZHENG Shicheng . Fault analysis of photovoltaic array based on infrared image ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2010 ， 31 （ 2 ）： 197 - 202 .

VERGURA S . Correct settings of a joint unmanned aerial vehicle and infrared camera system for the detection of faulty photovoltaic modules ［J］. IEEE Journal of Photovoltaics ， 2021 ， 11 （ 1 ）： 124 - 130 .

王元章，吴春华，周笛青，等 . 基于BP神经网络的光伏阵列故障诊断研究［J］. 电力系统保护与控制， 2013 ， 41 （ 16 ）： 108 - 114 .

WANG Yuanzhang ， WU Chunhua ， ZHOU Diqing ， et al . A survey of fault diagnosis for PV array based on BP neural network ［J］. Power System Protection and Control ， 2013 ， 41 （ 16 ）： 108 - 114 .

李光辉，段晨东，武珊 . 基于半监督机器学习法的光伏阵列故障诊断［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 5 ）： 1908 - 1913 .

LI Guanghui ， DUAN Chendong ， WU Shan . Fault diagnosis of PV array based on semi-supervised machine learning ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 1908 - 1913 .

叶进，卢泉，王钰淞，等 . 基于级联随机森林的光伏故障诊断模型研究［J］. 太阳能学报， 2021 ， 42 （ 3 ）： 358 - 362 .

YE Jin ， LU Quan ， WANG Yusong ， et al . Research on PV fault diagnosis model based on cascaded random forest ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2021 ， 42 （ 3 ）： 358 - 362 .

吴春华，周笛青，李智华，等 . 光伏组件热斑诊断及模糊优化控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 36 ）： 50 - 61 .

WU Chunhua ， ZHOU Diqing ， LI Zhihua ， et al . Hot spot detection and fuzzy optimization control method of PV module ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 36 ）： 50 - 61 .

CHEN S Q ， YANG G J ， GAO W ， et al . Photovoltaic fault diagnosis via semisupervised ladder network with string voltage and current measures ［J］. IEEE Journal of Photovoltaics ， 2021 ， 11 （ 1 ）： 219 - 231 .

HUANG Y C ， HUANG C M ， CHEN S J ， et al . Optimization of module parameters for PV power estimation using a hybrid algorithm ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 4 ）： 2210 - 2219 .

DE SOTO W ， KLEIN S A ， BECKMAN W A . Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance ［J］. Solar Energy ， 2006 ， 80 （ 1 ）： 78 - 88 .

GHONEIM A A ， AL-HASAN A Y ， ABDULLAH A H . Economic analysis of photovoltaic-powered solar domestic hot water systems in Kuwait ［J］. Renewable Energy ， 2002 ， 25 （ 1 ）： 81 - 100 .

CHOUDER A ， SILVESTRE S ， SADAOUI N ， et al . Modeling and simulation of a grid connected PV system based on the evaluation of main PV module parameters ［J］. Simulation Modelling Practice and Theory ， 2012 ， 20 （ 1 ）： 46 - 58 .

WOLF M ， RAUSCHENBACH H . Series resistance effects on solar cell measurements ［J］. Advanced Energy Conversion ， 1963 ， 3 （ 2 ）： 455 - 479 .

Open-Circuit Voltage . Solar cell operation ［EB/OL］. ［ 2021-10-20 ］. https：//www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/short-circuit-current https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/short-circuit-current .

王元章，李智华，吴春华 . 一种四参数的光伏组件在线故障诊断方法［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 13 ）： 2078 - 2087 .

WANG Yuanzhang ， LI Zhihua ， WU Chunhua . A survey of online fault diagnosis for photovoltaic modules based on four parameters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 13 ）： 2078 - 2087 .

KILIÇ H ， KHAKI B ， GUMUŞ B ， et al . Fault detection in photovoltaic arrays via sparse representation classifier ［C］// 2020 IEEE 29th International Symposium on Industrial Electronics ， June 17-19 ， 2020 ， Delft， Netherlands ： 1015 - 1021 .

FRIEDMAN J H . Greedy function approximation： a gradient boosting machine ［J］. The Annals of Statistics ， 2001 ， 29 （ 5 ）： 1189 - 1232 .

王玉静，王诗达，康守强，等 . 基于改进深度森林的滚动轴承剩余寿命预测方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 15 ）： 5032 - 5043 .

WANG Yujing ， WANG Shida ， KANG Shouqiang ， et al . Prediction method of remaining useful life of rolling bearings based on improved gcForest ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 15 ）： 5032 - 5043 .

LU C G ， ZHANG S A ， XUE D ， et al . Improved estimation of coalbed methane content using the revised estimate of depth and CatBoost algorithm： a case study from southern Sichuan Basin， China ［J］. Computers & Geosciences ， 2022 ， 158 ： 104973 .

郭步豪 . 基于梯度提升机器学习算法的ECG身份识别［D］. 长春：吉林大学， 2020 .

GUO Buhao . ECG identification based on gradient enhancement machine learning algorithm ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2020 .

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