分布式光伏与建筑一体化（BIPV）系统的电气安全评估与优化设计

一、引言

1.1 研究背景与意义

近年来，随着全球对清洁能源需求的不断增长，分布式光伏与建筑一体化（BIPV）技术凭借其将光伏发电系统与建筑结构有机结合的特性，在建筑领域得到广泛应用。BIPV 系统不仅能够有效利用建筑空间实现清洁能源发电，还可减少建筑对传统能源的依赖，降低碳排放。然而，由于 BIPV 系统直接与建筑相连，其电气安全问题关乎建筑内人员生命安全和设备正常运行。一旦发生电气故障，如漏电、短路、雷击等，可能引发火灾、触电等严重事故。因此，开展 BIPV 系统电气安全评估与优化设计研究，对保障 BIPV 系统安全稳定运行，推动分布式光伏产业健康发展具有重要意义。

1.2 国内外研究现状

在电气安全评估方面，国外学者较早开展相关研究，通过建立数学模型和实验测试相结合的方式，对光伏系统电气安全参数进行分析和评估。例如，美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定了一系列光伏系统电气安全标准，为光伏系统的安全设计和评估提供了依据。国内学者近年来也在该领域取得了一定成果，提出了基于风险矩阵的光伏系统电气安全评估方法，但针对 BIPV 系统电气安全评估的研究相对较少，且现有评估方法在指标体系的全面性和评估模型的准确性方面仍有待提高。

在优化设计方面，国内外学者主要从光伏组件选型、系统拓扑结构优化等角度进行研究。国外通过开发新型光伏组件材料和结构，提高光伏系统的发电效率和安全性；国内则侧重于结合建筑特点，优化 BIPV 系统的布局和连接方式。然而，目前的优化设计研究往往缺乏对电气安全因素的综合考虑，难以满足 BIPV 系统电气安全的实际需求。

二、BIPV 系统电气安全评估指标体系构建

2.1 评估指标选取原则

构建 BIPV 系统电气安全评估指标体系需遵循科学性、全面性、可操作性和独立性原则。科学性原则要求指标能够准确反映 BIPV 系统电气安全的本质特征；全面性原则确保指标涵盖 BIPV 系统电气安全的各个方面；可操作性原则保证指标数据易于获取和量化；独立性原则避免指标之间存在重复或强相关性。

2.2 评估指标体系构成

基于上述原则，结合 BIPV 系统电气安全的特点，本文构建的评估指标体系包括目标层、准则层和指标层。目标层为 BIPV 系统电气安全综合评估；准则层包括电气设备安全、接地系统、防雷系统、电气线路安全和保护装置安全五个维度；指标层具体包含光伏组件绝缘电阻、逆变器发电效率、接地电阻、防雷接地电阻、线路短路保护灵敏度等 14 个指标（表 1）。

3.1 层次分析法（AHP）确定指标权重

层次分析法是一种将定性分析与定量分析相结合的多准则决策方法。

首先，构建 BIPV 系统电气安全评估的层次结构模型，将目标层、准则层和指标层按照层次关系排列。然后，通过专家打分法，构建各层次的判断矩阵。以准则层为例，邀请电气安全领域的专家对五个准则之间的相对重要性进行打分，形成判断矩阵。根据判断矩阵计算各准则的权重，通过一致性检验确保权重的合理性。同理，计算指标层各指标相对于准则层的权重，最终得到各指标的组合权重。

3.2 模糊综合评价法进行安全评估

由于 BIPV 系统电气安全评估中部分指标具有模糊性，如防雷接地的保护效果、系统保护装置的可靠性等，因此采用模糊综合评价法进行评估。

首先，确定评价因素集，即上述构建的评估指标体系中的指标层；然后，确定评价等级集，将 BIPV 系统电气安全状况分为“安全”“较安全”“一般”“较不安全”“不安全”五个等级；接着，通过专家打分法和实际检测数据，构建模糊关系矩阵，反映各评价因素与评价等级之间的重要程度；最后，结合层次分析法确定的指标权重，计算模糊综合评价结果，得出 BIPV 系统电气安全的综合评分。

四、BIPV 系统电气安全优化设计

4.1 基于评估结果的优化策略

根据电气安全评估结果，针对评估中发现的薄弱环节制定对应的优化策略。若评估结果显示电气设备安全维度得分较低，即优化光伏组件选型，选用绝缘性能更好的组件，或对逆变器进行升级，根据实际发电效率匹配合适的逆变器型号；若接地系统存在问题，则重新设计接地系统，更换耐腐蚀的接地极材料或加大接地面积与埋设深度，确保接地电阻满足标准要求。

4.2 设备选型与系统架构优化

在设备选型方面，优先选择符合国际和国内电气安全标准的光伏组件、保护装置、接地材料等设备。例如，选用具备良好防水、防尘性能的光伏组件，以适应建筑环境；选择具有完善保护功能的逆变器，如过流保护、过压保护等。

在系统架构优化方面，合理设计光伏阵列的连接方式，采用模块化设计，便于故障排查和维护；优化电气线路布局，减少线路损耗和安全隐患。

4.3 智能监测与预警系统设计

为实现对 BIPV 系统电气安全的实时监测和预警，设计智能监测与预警系统。该系统通过安装在 BIPV 系统中的各类传感器，实时采集电气设备运行参数、接地系统状态、防雷系统参数等数据，并将数据传输至系统后台显示器。当检测到异常情况时，及时发出预警信息，以便工作人员采取相应措施，避免事故发生。

五、案例分析

5.1 案例概况

选取上海市某工业厂房仓库屋顶的 BIPV 系统作为研究案例。该厂房共计 3 个仓库屋顶，累计安装了容量为 568.62kWp 的 BIPV 系统，采用 585Wp 单晶硅光伏组件和50kW/100kW 组串式逆变器各 3 台。对其中 2 个屋顶，进行了优化设计，系统运行一年后，对比其他 1 个未优化设计屋顶实测数据，进行电气安全评估分析。

六、结论

本文基于 BIPV 系统电气安全需求，构建了涵盖电气设备、接地系统、防雷系统等多维度的评估指标体系，并运用层次分析法和模糊综合评价法，实现了对系统电气安全的科学量化评估。同时，从设备选型、系统架构、智能监测等方面提出优化设计方案，通过实际案例验证了方法的可行性与有效性，为 BIPV 系统电气安全管理提供了可操作路径。

然而，BIPV 系统运行环境复杂，温湿度变化、大气污染、极端天气等环境因素对电气安全的潜在影响尚未充分量化。未来研究将聚焦环境因素对系统电气性能的影响机理，动态完善评估指标体系，结合物联网、大数据等技术优化智能监测与预警系统，推动 BIPV 系统电气安全管理向智能化、精细化方向发展。

参考文献

[1]孙晓旭,林宇,朱志远,等.相变材料建筑中分布式光伏系统的优化设计[J].应用能源,2022,306:118010.

[2]马丁-奇韦莱特 N,卡普西斯 K,威尔逊 HR,等.建筑一体化光伏（BIPV）产品与系统：能源相关性能综述[J].能源与建筑,2022,262:111998.

[3] 王建国, 李晓明.BIPV 系统电气安全隐患分析与防护设计[J]. 电力建设,2020,41(05):89-95.