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基于边缘脉冲平台和红外热成像的光伏组件故障诊断TinyML方法
TinyML for Fault Diagnosis of Photovoltaic Modules Using Edge Impulse Platform and IR Thermography Images
| 作者 | A. Mellit · N. Blasuttigh · S. Pastore · M. Zennaro · A. Massi Pavan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | DAB 故障诊断 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光伏模块 故障诊断 TinyML模型 红外图像 微控制器 |
语言:
中文摘要
故障检测、定位和诊断对于提高光伏(PV)电站的效率和可靠性至关重要。本文利用机器学习(ML)平台(Edge Impulse)和红外图像开发了一种光伏模块故障诊断方法。其思路是开发一个TinyML模型,对光伏模块上常见的某些缺陷(如光伏模块脏污、短路和积沙等)进行分类,并通过将开发的TinyML模型集成到低成本、低功耗的微控制器(MCU)中来验证其可行性。为此,构建并使用了一个红外热成像图像数据库。然后,从准确性、硬件资源和推理延迟等方面对不同版本的MobileNet进行了评估和比较。仿真和协同仿真结果明确表明,基于两种不同的微控制器,该方法是可行的,最高分类准确率可达98%。所使用平台的关键优势在于,嵌入式机器学习模型可以快速开发,并且无需互联网连接即可在本地运行。此外,边缘处理不受延迟、带宽限制、能源约束或数据隐私问题的影响,使其成为实时诊断的出色方法。为了验证所开发的TinyML模型实时分类缺陷的能力,对该模型进行了实验评估,结果表明它能够以较高的准确性诊断光伏模块。
English Abstract
Fault detection, localization and diagnosis are critical for increasing the efficiency and dependability of photovoltaic (PV) plants. In this paper, a fault diagnosis method for PV modules is developed using a Machine Learning (ML) platform (Edge Impulse) and infrared images. The idea is to develop a TinyML model to classify certain defects that can frequently occur on PV modules (e.g., dirty, short-circuit and sand deposit on PV modules) and check the feasibility of the developed TinyML model by integrating it into a low-cost and lower power microcontroller (MCU). In this regard, a database of infrared thermography images was built and used. Then, different MobileNets versions are evaluated and compared in terms of accuracy, hardware resources and inference latency. Simulation and co-simulation results clearly report the feasibility of the method based on two different MCUs, with a maximum classification accuracy of 98%. The key advantage of the used platform is that the embedded ML models can be developed quickly and run locally without internet connection. Moreover, edge processes are not affected by latency, bandwidth limitations, energy constraints, or data privacy issues, making them outstanding methods for real-time diagnostics. To verify the ability of the developed TinyML model to classify defects in real- time, the model has been experimentally evaluated and the results demonstrated its capability to diagnose PV modules with good accuracy.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于TinyML和红外热成像的光伏组件故障诊断技术具有显著的战略价值。该技术通过在低功耗微控制器上部署轻量级机器学习模型,实现了对污损、短路、沙尘沉积等常见故障的边缘端实时诊断,分类准确率达98%,这与我们智能运维体系的发展方向高度契合。
对于阳光电源的逆变器和智慧能源管理系统而言,该技术可直接嵌入现有产品架构中。通过在组串式逆变器或智能汇流箱中集成红外传感器和TinyML模块,能够实现组件级健康监测,大幅提升我们iSolarCloud平台的诊断颗粒度。特别是在大型地面电站和工商业分布式项目中,这种无需云端连接、低延迟的边缘诊断能力可有效降低通信成本,突破带宽限制,同时保障数据隐私安全。
技术成熟度方面,Edge Impulse平台的应用降低了开发门槛,但实际部署仍面临挑战:红外图像采集的环境适应性、不同组件类型的泛化能力、以及与现有SCADA系统的集成深度都需要深入验证。此外,模型需要针对我们服务的不同气候区域(如中东高温、欧洲多云)进行本地化训练。
机遇在于,该技术可与我们的智能IV诊断、无人机巡检形成互补,构建多维度故障预警体系。建议启动预研项目,重点评估在储能系统热管理、电动汽车充电桩温度监测等场景的延伸应用,将边缘智能诊断打造成阳光电源差异化竞争优势。