\chapter{Motivace}
Dle vyjádření ministerstva průmyslu a obchodu ČR došlo mezi lety 2022 a
2023 k~navýšení počtu fotovoltaických elektráren o 45~197 instalací
s instalovaným výkonem necelých 3~000~MW \cite{mpo_numOfPVS}. Dle
dalších předpokladů a predikcí energetického regulačního úřadu by se
měl tento výkon dále navyšovat, a to až k hodnotám instalovaného výkonu
mezi 10~000~MW a 13~000~MW \cite{eru_numOfPVS}. Tato hodnota je jedna
z nejvyšších mezi obnovitelnými zdroji energie v České republice.
\vspace{10pt}
\newline
Je tedy zřejmé, že fotovoltaické elektrárny jsou stále se rozvíjejícím
odvětvím energetiky. S tím souvisí jak vývoj samotných fotovoltaických
článků a měničů popřípadě optimizérů \cite{solaredge}, tak i systémů které
zvyšují jejich bezpečnost nebo umožňují jejich monitorování, diagnostiku
a vzdálenou kontrolu.
\begin{description}
  \item[ Z pohledu bezpečnosti] je největším problémem FVE riziko spojené
  s požáry. Ty bývají způsobovány buď elektrickým obloukem nebo poruchou
  či přehřátím některé komponenty. Pokud následně k požáru dojde, tak
  samotný fotovoltaický panel nehoří a nelze přímo deaktivovat. Stejnosměrný
  obvod FVE bude tedy nadále pod nebezpečně vysokým stejnosměrným napětím.
  Je tedy takřka nemožné tyto požáry hasit dle běžných postupů. Proto mnohé
  normy a vyhlášky zvyšují důraz na opatření, která umožní požárům
  předcházet nebo minimalizovat rizika s nimi spojená.
  \item[ Z pohledu diagnostiky] je pak pro FVE důležité monitorování
  aktuálního i dlouhodobého stavu. FVE jsou totiž vysoce náchylné vůči
  vlivům okolí, a tak je složité správně vyhodnotit, zda je panel pouze
  v krátkodobých zhoršených podmínkách anebo zda se na něm již projevují
  známky stárnutí a opotřebení. Při monitorování aktuálního stavu je 
  také neméně důležité sledování a zaznamenávání dodávaného elektrického
  výkonu či energie pro následnou analýzu.
\end{description}


\chapter{Nároky na monitorovacího zařízení}
Před definováním požadavků na HW je nutné určit jakým způsobem bude
monitorovací zařízení získávat potřebné informace ze zdrojové části
fotovoltaické elektrárny. Základem FVE jsou fotovoltaické panely, které
vznikají sério-paralelním řazením jednotlivých fotovoltaických článků
osazených ve společném rámu. Nejpřesnějším způsobem monitorování by tedy
bylo měřit potřebné veličiny na každém z instalovaných panelů. Toto
řešení by ale bylo velmi nákladné, protože počty panelů ve zdrojových
částech komerčních FVE dosahují i vyšších desítek tisíc a je tedy
využíváno primárně mezi instalacemi na rodinných domech nebo jiných
objektech, kde je elektrická energie vyráběna pro vlastní spotřebu.
\newline
Vhodnějším řešením z hlediska nákladů na monitorovací zařízení by
bylo zapojení, které by sledovalo potřebné veličiny pro několik panelů
současně. Monitorovací jednotka by tedy mohla například obsluhovat
snímače pro několik sousedních panelů. Zde by ale úspora nebyla
nijak výrazná.
\newline
Dalším a nejspíš nejvýhodnějším řešením by mohlo být využití topologie
FVE, která podobně jako jednotlivé články uvnitř fotovoltaického panelu
slučuje panely do takzvaných stringů. String bývá u větších FVE spojením
nejčastěji dvaceti FV panelů do série pro navýšení hodnoty elektrického
napětí. Dále se tyto celky připojují paralelně na hlavní přívod měničů
označovaný jako bus.
\vspace{10pt}
\newline
Monitorovací zařízení, které by mělo být navrženo v rámci této práce
tedy bude navrženo pro instalaci v místě, kde se jednotlivé stringy
připojují k busu.
\begin{figure}[h!]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/monitoring_in_string}
  \caption{Zapojení monitorovacích zařízení v stringu \cite{modemtec}}
  \label{fig:monitoring_in_string}
\end{figure}  

\section{Typické poruchy a defekty}
Jelikož primárním účelem monitorovacího zařízení je zvýšení bezpečnosti
uvnitř zdrojové části FVE, budou v následujících kapitolách popsány
nejčastější poruchy vznikající na FV panelech, popřípadě jejich instalacích,
dále jejich důsledky a závažnost a také možnosti jejich včasné detekce.

\subsection{Zkraty v rámci FVE}
\label{chap:arcs_in_PVS}
FVE je v podstatě sério-paralelní zapojení velkého množství FV panelů
a~jako takové obsahuje značné množství konektorů, svorkovnic nebo pájených
spojů. Každý z těchto spojů je ale potenciálním rizikem při vzniku
zkratů uvedených níže.
\begin{enumerate}[topsep=3pt, itemsep=5pt]
  \item \textbf{Sériový oblouk} nejčastěji vzniká při zvýšení přechodového
  odporu spoje. K tomu dochází nejčastěji při mechanickém namáhání spoje
  nebo působením vnějších vlivů způsobující korozi (teplota okolí, zvýšená
  vlhkost). \cite{serial_vs_parallel_arcs}  
  \begin{figure}[h!]
    \centering
    \includegraphics{obrazky/serial_arc}
    \caption{Podmínky pro vznik sériového oblouku}
    \label{fig:serial_arc}
  \end{figure}
  \vspace{-15pt}
  \newline
  Jak je naznačeno na obrázku \ref{fig:serial_arc} dochází při zvýšení
  odporu spoje k jeho ohřívání elektrickým proudu a zároveň se v jeho
  okolí může zvýšit intenzita elektrického pole vlivem zhuštění elektrického
  náboje ve spoji. Při překonání elektrické pevnosti izolace se v okolí
  spoje vytvoří podmínky pro zahoření sériového oblouku, který způsobuje
  opalování kontaktů a izolace a při častějším výskytu může zapříčinit požár.
  \item \textbf{Paralelní zkrat} vzniká spojením dvou vodičů s různým
  potenciálem. Takovýchto kombinací je samozřejmě ve FVE mnoho, ale
  typickými příklady jsou ty naznačené na obrázku~\ref{fig:parallel_arc}.
  Jelikož jsou FV panely měkkým zdrojem, dochází tak i při zkratu k
  navýšení elektrického proudu stringem maximálně na 1,5 násobek oproti
  proudu jmenovitému a to i za plného osvětlení. Dopady z hlediska
  bezpečnosti tedy nejsou tak kritické, pokud nedojde k zahoření oblouku,
  což ale není tak běžné jako u oblouku sériového. Dochází ale k většímu
  snížení dodávaného výkonu a zároveň je složitější paralelní zkrat
  lokalizovat vzhledem k širšímu možnostem výskytu.
  \begin{figure}[h!]
    \centering
    \includegraphics{obrazky/parallel_arc}
    \caption{Typická místa vzniku paralelního zkratu uvnitř FVE \cite{serial_vs_parallel_arcs}}
    \label{fig:parallel_arc}
  \end{figure}  
  \item \textbf{Zkrat na kostru} způsobující unikání elektrického proudu
  po zemní smyčce. FVE totiž není zcela izolovaná od rozvodné soustavy,
  a tak se při této poruše může objevit vysoké dotykové DC napětí i na
  neživých vodivých částech FV instalace, jakou jsou třeba rámy panelů
  nebo instalační lišty. Tyto části musí být dle normy IEC 61730-1
  uzemněné i pro instalace v prostorách omezující přístup osob neznalých
  rizika, aby se nepovažovali za potenciálně nebezpečné~\cite{IEC_61730-1}.
  Zároveň začínají být pro nové instalace vyžadovány obvody pro detekci
  unikajícího proudu a následné automatické odpojení, a to například
  standardem NEC (popř. NFPA 70) v rámci článku číslo 690 \cite{NEC}.  
\end{enumerate}

\subsection{Poruchy usměrňovacích diod}
\label{chap:diode_failures}
\begin{wrapfigure}{r}{0.35\textwidth}
  \vspace{-50pt}
  \centering
  \includegraphics{obrazky/diodes_in_string}
  \caption{Usměrňovací diody v~rámci FV stringu}
  \vspace{-30pt}
  \label{fig:diodes_in_string}
\end{wrapfigure}
\vspace{1pt}
V každém stringu nalezneme sadu usměrňovacích diod naznačených ve
schématu \ref{fig:diodes_in_string} plnící dvě funkce.
\newline
První z nich je oddělení stringů připojených k busu tak, aby mezi nimi
neprotékal vyrovnávací proud způsobený rozdílem napětím mezi stringy
či stringy a akumulátory. Tuto funkci zajišťuje blokovací dioda.
Druhou skupinou jsou takzvané bypass (přemosťovací) diody, které se
zapojují paralelně k~panelům. Jejich úkolem je přemostění panelů nebo
jejich částí, které by díky jejich zastínění či znečištění nedodávaly
výkon, a naopak by se projevovaly jako zátěž \cite{PV_fault_review}.
\newline
Pro obě výše uvedené funkce se používají Schottkyho diody, tak aby na
nich vznikal co nejnižší úbytek napětí v propustném směru a neklesala 
tak efektivita zdrojové části FVE. Problémem Schottkyho diod je ale
nižší hodnota závěrného napětí typicky do 150~V. K průrazu těchto diod
pak nejčastěji dochází při napěťových špičkách způsobených úderem
blesku v okolí FVE.  

\subsection{Přehřátí FV článku}
\label{chap:hot-spot}
Tato chyba se v anglické literatuře označuje jako 'Hot spot'. Typickým
důvodem je částečné zastínění FV článků nebo jejich částí v rámci panelu,
což vytváří nerovnoměrné rozložení výkonu mezi články. Postižené články
se tak stávají závěrně orientovány a chovají se jako zátěž s vysokým
vnitřním odporem. FV článek se tak postupně ohřívá nebo je v lepším
případě překlenut bypass diodou (\ref{chap:diode_failures}). I tak ale
dochází ke snížení životnosti a efektivity panelu. Pokud je ale článek
v závěrném směru proražen může ztrátové teplo vypálit část panelu,
způsobit prasknutí ochranného skla panelu nebo zapříčinit požár.
\cite{photovoltaic_systems}

\subsection{Delaminace}
\label{chap:delamination}
FV články uvnitř panelu jsou kvůli ochraně proti nečistotám, vlhkosti,
teplotním výkyvům nebo UV záření potažené vrstvou ethylenvinylacetátu.
Tato vrstva se může vlivem stárnutí či chyby při výrobě narušit a do
panelu může vniknout vlhkost, která uvnitř panelu zkondenzuje a vytvoří
zde bílé mapy. Tím panel ztrácí na účinnosti a zároveň dochází k jeho
zrychlenému opotřebení, respektive zkrácení životnosti.
\cite{photovoltaic_systems}
\begin{figure}[h!]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/delamination}
  \caption{Důsledky delaminace \cite{photovoltaic_systems}}
  \label{fig:delamination}
\end{figure}

\subsection{Změna barvy}
\label{chap:discoloring}
\begin{wrapfigure}{r}{0.4\textwidth}
  \vspace{-40pt}
  \centering
  \includegraphics[width=0.35\textwidth]{obrazky/discoloration}
  \caption{Zbarvený FV~článek}
  \vspace{-40pt}
  \label{fig:discoloration}
\end{wrapfigure}
Anglicky 'Discoloration (of encapsulatio)' je jedním z projevů stárnutí
panelů. Způsobuje jí UV záření dopadajícím na ochrannou vrstvu panelu.
Nejčastěji se projevuje jako žloutnutí čiré ochranné vrstvy a bývá
častější v suchých oblastech se zvýšenou teplotou. Důsledkem je pak
snížení účinnosti panelu, kvůli snížení propustnosti světla ochrannou
vrstvou. \cite{photovoltaic_systems}

\subsection{Koroze}
\label{chap:corosion}
S nepříznivými podmínkami okolí, kterými je i zvýšená vlhkost a teplota,
souvisí také koroze. Uvnitř panelů korozi nejčastěji předchází
delaminace panelu (\ref{chap:delamination}). Po vniknutí vlhkosti dochází
k oxidaci pájených spojů uvnitř panelu. Tomuto procesu také napomáhá
přítomné DC napětí. Koroze uvnitř panelů způsobuje snížení jejich
účinnosti způsobené výkonovou ztrátou na zoxidovaných spojích, což
může vést až k poruše celého panelu. \cite{photovoltaic_systems}
\newline
Korozi chceme předcházet také u konektorů mezi panely a u svorkovnic
spojovacích boxů. Zde by mohla koroze způsobit zvýšení přechodových
odporů spojů a vytvořit tak vhodné podmínky pro zahoření oblouků
(\ref{chap:arcs_in_PVS}).

\subsection{Vysokonapěťový stres}
\label{chap:PID_failure}
Vysoký napěťový potenciál panelů ve stringu proti zemi způsobuje jev
označovaný jako potenciální indukovaná degradace. Dalšími faktory,
které napomáhají v působení PID jsou zvýšená vlhkost, teplota a
znečištění povrchu FV~panelu.
\vspace{-10pt}
\newline
\begin{wrapfigure}{l}{0.4\textwidth}
  \centering
  \includegraphics[width=0.35\textwidth]{obrazky/PID_effect}
  \caption{Vysokonapěťový stres FV~panelu způsobující PID \cite{PID_effect}}
  \label{fig:PID_effect}
\end{wrapfigure}
Postupná degradace křemíku je způsobena migrací volných iontů ze skla,
ethylenvinylacetátu a rámu k samotnému PN přechodu FV~článku naznačenou
na obrázku \ref{fig:PID_effect}. Častější je tato chyba pro panely,
které se nachází na záporném konci stringu, protože napěťový potenciál
vůči zemi zde může dosahovat až -450~V\textsubscript{DC}. V dnešní době
se snaží výrobci tomuto typu degradace předcházet výběrem vhodnějších
materiálů, a proto lze na trhu nalézt takzvané PID rezistentní FV~panely.
U PID citlivých panelů je nutná včasná detekce, protože v ranných fázích
je možné polarizaci FV~článku eliminovat připojením opačného DC napětí.
Pokud je ale FV~článek polarizován delší dobu, bývá narušena jeho
struktura nevratně a účinnost takového článku se může snížit až o 70 \%.
Polarizace se totiž projeví výrazným snížím hodnoty paralelního odporu
FV~článku a tím se výrazně sníží i napětí naprázdno.

\subsection{Mechanická poškození}
\label{chap:mechanical_damage}
Poslední skupinou poruch jsou mechanická poškození panelů nebo ostatních
částí instalace. Jelikož jsou panely velmi křehké, tak se na nich při
neopatrné manipulaci mohou vytvořit mikropraskliny. Ty nemusí být z
počátku jasně viditelné, ale i tak mohou vést k vnikání vlhkosti či
nečistot do panelu, což vede k delaminaci panelu (\ref{chap:delamination})
nebo i k poškození samotného FV článek, který pak bude mít vyšší
tendenci k přehřívání (\ref{chap:hot-spot}). K mechanickému poškození
panelů dochází nejčastěji při jejich instalaci, proto by měli být FVE
pod vyšším dohledem právě při uvádění do provozu. Sekundárními zdroji 
poškození panelů jsou pak zhoršené povětrnostní podmínky nebo zvířata.
\cite{photovoltaic_systems}
\newline
Druhá nejčastěji se vyskytující mechanická poškození jsou spojena se
spojovacími boxy, které slouží k připojování stringu nebo skupiny
stringů k busu. Tato poškození jsou nejčastěji způsobena lidským
faktorem, kdy příkladem může být nevhodná montáž boxu či nedostatečné
dotažení kabelů ve svorkovnicích, které vedou k jejich opalování
a podobně (viz. \ref{chap:arcs_in_PVS}).
\newpage


\section{Vizuální techniky detekce poruch}
\label{chap:visual_inspection}
Jsou metody vycházejí ze zpracovávání snímků FV panelů v infračerveném
a viditelném spektru. Základem je pořizování snímků ze zdrojové části
FVE a jejich následná klasifikace pomocí metod počítačového vidění a
podobně. Navzdory zlepšování těchto technik je při vizuální kontrole
stále vyžadován lidský zásah, a tak nejsou tyto techniky prozatím plně
automatizovatelné.
\vspace{10pt}
\newline
Následuje stručný popis nejběžnějších vizuálních technik pro detekci
poruch na úrovni FV panelů a článků:

\subsection{Vizuální inspekce}
Při vizuální kontrole panelů vycházíme ze snímků ve viditelném
spektru. Pokud chceme tento proces automatizovat používají se často
snímky získané pomocí dronů, protože instalace trvalého kamerového
systému by byla nákladná. Získané snímky je potřeba pro detekci
nejprve předzpracovat tak, aby byla kompenzována změna osvětlení a
další vlivy prostředí. Následně je ve snímcích možné vyhledávat 
anomálie, které budou ohlášeny obsluze FVE ke kontrole, nebo můžeme
snímky srovnávat v času a v takto získaných rozdílových snímcích
detekovat změnu ve scéně, která by mohla být způsobena poruchou nebo
znečištěním.
\newline
Pokud se jedná o vizuální kontrolu prováděnou obsluhou FVE, je
nutné, aby byla obsluha řádně vyškolené a obeznámená s rizikem při
pohybu v okolí zdrojové části FVE. Doporučení a pravidla popisující
postupy při kontrole, používané nástroje a ochranné prvky definují
například organizace National Renewable Energy Laboratory a
International Electrochemical Commission (IEC1215 - 1987). Ať už
při automatické nebo obsluhou prováděné kontrole touto metodou
detekujeme nejčastěji mechanické poškození či znečištění panelu
(\ref{chap:mechanical_damage}), delaminaci (\ref{chap:delamination})
nebo následnou korozi (\ref{chap:corosion}) panelu, popřípadě projevy
stárnutí panelu jako je například změna barvy (\ref{chap:discoloring}).
\cite{PV_fault_review}

\subsection{Termovizní snímání}
Pro tento způsob snímání je nutné pořídit snímky v IR části
spektra. Postup je pak obdobný jako při vizuální inspekci snímků
ve viditelném spektru. Anomálie ve~snímku zde indikují místa se
zvýšenou teplotou. Automatická detekce je pro tyto snímky jednodušší
a lze provádět například pomocí prahování nebo adaptivního prahování
snímku. Obecně lze pak tato metoda použít k detekci přehřívajících
se FV~článků (\ref{chap:hot-spot}), teplo vyzařujících zkratů a 
oblouků (\ref{chap:arcs_in_PVS}) nebo poruch usměrňovacích diod
(\ref{chap:diode_failures}).
\begin{figure}[h!]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/IR_imaging}
  \caption{IR snímky mechanicky poškozeného a zastíněného FV panelu \cite{IR_and_EL_imaging}}
  \label{fig:IR_imaging}
\end{figure}

\subsection{Elektroluminiscenční snímání}
Elektroluminiscenční (EL) způsob detekce poruch je založen na snímání
vyzařování FV článků ve tmavém prostředí. FV články jsou složené z
fotodiod, a proto při připojení externího DC napětí vyzařují světlo na
vlnové délce typické pro materiál, ze kterého jsou fotodiody vyrobeny.
Pro nejčastěji používané monokrystalické a polykrystalické křemíkové
FV~články je dominantní vlnová délka přibližně 1150 nm. Při pořizování
snímků panelů tedy musíme volit snímač a optickou soustavu, která bude
pro tyto vlnové délky dostatečně citlivá. Výhodou tohoto přístupu je
oproti IR snímkům možnost použití i pro poruchy, se kterými není přímo
spojen ohřev, a~proto se tato metoda používá pro detekci FV~článků pod
vysokonapěťovým stresem způsobujícím snížení účinnosti a životnosti
(\ref{chap:PID_failure}), detekci nechtěných překlenutí FV článků a
s~ním spojené poruchy usměrňovacích diod (\ref{chap:diode_failures})
nebo pro detekci mikroprasklin (\ref{chap:mechanical_damage}) a
začínající koroze (\ref{chap:corosion}) uvnitř panelu.
\cite{IR_and_EL_imaging}
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/EL_imaging}
  \caption{EL snímky mechanicky poškozených a opotřebených FV článků \cite{IR_and_EL_imaging}}
  \label{fig:EL_imaging}
\end{figure}
\vspace{50pt}

\section{Detekce poruch na základě elektrických veličin}
Jsou metody vycházející ze zpracovávání elektrických veličin měřených
ve zdrojové části FVE. Nejnižší úrovní FVE, kde lze tato měření provádět
jsou FV panely a následně vyšší úrovně jako například string či bus.
Z pohledu automatizace je diagnostika elektrických veličin jednodušší
než zpracovávání vizuálních dat. Hlavním důvodem je snazší měření, ale
také nižší výpočetní náročnost při zpracovávání. Narozdíl od nutnosti
pořizování snímků ve vysokém rozlišení vychází tyto metody často pouze
z pravidelně vzorkovaných hodnot elektrického napětí a proudu v dané
úrovni FVE doplněné o data s aktuálními povětrnostními podmínkami.
\vspace{10pt}
\newline
Následuje stručný popis nejběžnějších technik vycházejících z měření
elektrických veličin pro detekci poruch na úrovni FV stringů a panelů:

\subsection{Přímé měření elektrických veličin}
Základním způsobem, jak hledat poruchy ve zdrojové části FVE, je měření
napětí a proudu FV panelů, stringů nebo větších celků FVE. Dle změřených
hodnot a stanovených prahů, jako jsou například ty uvedené v tabulce
\ref{tab:direct_measure}, můžeme realizovat jednoduchou klasifikaci
některých poruch.
\begin{table}[!h]
  \begin{tabular}{m{0.2\textwidth}m{0.2\textwidth}m{0.5\textwidth}} 
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{el. napětí\textsuperscript{ 1} [\%]} & 
    \cellcolor{gray}\color{white} \textbf{el. proud\textsuperscript{ 1} [\%]} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{možná porucha}
    \\
    80 - 100 & 0 - 10 & přerušený obvod v měřeném celku FVE
    \\ \hline
    80 - 100 & 0 - 60 & lokální přehřátí FV článku ('Hot spot')
    \\ \hline
    90 - 110 & 50 - 80 & paralelní nebo sériový zkrat
    \\ \hline
    \multicolumn{3}{l}{\textbf{\textsuperscript{1}} \emph{Hodnoty
    jsou vztaženy k jejich jmenovité (nominální) hodnotě}}
  \end{tabular}
  \caption{Detekce poruch přímým měřením elektrických veličin
  \cite{photovoltaic_systems}}
  \label{tab:direct_measure}
\end{table}
\newline
Pro zlepšení výsledků je klíčové správně určit jmenovité hodnoty
k měřeným hodnotám napětí a proudu. K tomu je možné použít referenční
FV~článek, měřené hodnoty porovnávat s hodnotami okolních částí FVE
anebo do měření promítnout aktuální povětrnostní podmínky z blízkosti
diagnostikované části FVE.

\subsection{VA charakteristiky FV panelů}
Při běžném chodu by odpovídaly hodnoty napětí a proudu naměřené na 
FV~článku příslušné křivce VA~charakteristiky vynesené na obrázku
\ref{fig:IV_solar_cell}. To stejné bude platit i pro celý panel, pokud
bude každý z jeho článků plně funkční. Pokud by ale byl jakýkoliv
z článků poškozen nebo zastíněn, začne se VA~charakteristika celého
panelu deformovat, tak jak je naznačeno na obrázku \ref{fig:IV_faults}.
Také je patrné, že proud nakrátko~(I\textsubscript{SC}) je silně závislý
na intenzitě slunečního záření, která ale nemá takový vliv na napětí
naprázdno (U\textsubscript{OC}). Opačný účinek pro I\textsubscript{SC}
a U\textsubscript{OC} má pak teplota FV~článku. Pro správnou detekci
poruch, kterými jsou typicky přehřívání FV~článků (\ref{chap:hot-spot})
nebo poruchy bypass a blokovacích diod (\ref{chap:diode_failures}),
je tedy důležité kromě měření napětí a proudu také měření intenzity
intenzity záření a teplotu FV~panelu. \cite{photovoltaic_systems}
\newline
\begin{figure}[h!]
  \centering
  \vspace{-20pt}
  \includegraphics{obrazky/IV_solar_cell}
  \caption{Volt-ampérové charakteristiky FV článků \cite{PV_terminology}}
  \vspace{-10pt}
  \label{fig:IV_solar_cell}
\end{figure}
\begin{wrapfigure}{r}{0.5\textwidth}
  \centering
  \vspace{-5pt}
  \includegraphics[width=0.45\textwidth]{obrazky/IV_faults}
  \caption{Deformace VA~charakteristiky vlivem zastínění a stárnutí \cite{IV_curve}}
  \vspace{-10pt}
  \label{fig:IV_faults}
\end{wrapfigure}
Pro sofistikovanější detekci, než je pouhé porovnávání měřených hodnot
s očekávanou VA~charakteristikou, je vhodné měřené hodnoty uchovávat a
postupně s nimi modelovat reálnou VA~charakteristiku panelu. Následnou
korelací nebo jiným způsobem srovnání s očekávanou charakteristikou
můžeme dosáhnout lepších výsledků. Kromě samotných měření lze při
jejich uchovávání pracovat i s jejich diferencí a detekovat tak i
rychlost změny charakteristiky nebo kromě VA~charakteristiky
pracovat i se závislostí výkonu na napětí označovanou jako
PV~charakteristika \cite{PV_fault_review}. 

\subsection{Výkonové veličiny}
\label{chap:power_quantities}
Sledování výkonů v rámci FVE je běžné pro bilanci a monitorování
účinnosti. Je ho ale možné používat i jako jednu z metod diagnostiky
poruch. Nejčastěji se na základě výkonových veličin na DC straně FVE
rozlišují krátkodobé vady jako například dočasné zastínění panelu od
těch dlouhodobých jako je postupné stárnutí FVE. Dále je také možné
srovnávat výkony mezi stringy a busem a kontrolovat tak, zda nedošlo
k závadě na MPPT a podobně. \cite{photovoltaic_systems} 
\vspace{5pt}
\newline
Kromě samotného výkonu se používají i další ukazatelé, které lépe
popisují efektivitu FVE v času nebo zohledňují povětrnostní podmínky
jako je teplota a osvětlení panelu. Takovéto ukazatele definuje
například norma IEC 61724-1 \cite{IEC_61730-1}.
\vspace{5pt}
\begin{equation}
  PR = \left. \left(\sum_{k}P_{out,k} \cdot \tau_{k} \right) \right/
       \left(\sum_{k}\frac{P_{0} \cdot G_{i,k} \cdot \tau_{k}}{G_{i,ref}}\right)
       \quad [-]  
  \label{equ:PR} 
\end{equation}
kdy:
\newline
\begin{tabular}{p{0.05\textwidth}p{0.01\textwidth}p{0.8\textwidth}}
  $\tau_{k}$ & ... & doba trvání kroku $k$ [h] \\
  $P_{out,k}$ & ... & výkon v AC části FVE v kroku $k$ [kW] \\
  $P_{0}$ & ... & očekávaný (instalovaný) výkon v DC části FVE [kW] \\
  $G_{i,k}$ & ... & intenzita slunečního záření v kroku $k$ [kW/m\textsuperscript{2}]  \\
  $G_{i,ref}$ & ... & intenzita slunečního záření pro $P_{0}$ [kW/m\textsuperscript{2}]
\end{tabular}
\vspace{10pt}
\newline
Rovnice \ref{equ:PR} je rovnice pro výpočet takzvaného výkonnostního
poměru anglicky označovaného jako 'Performance ratio', který slouží
k~popisu celkového vlivu ztrát na výstup FV systému. Pro zpřesnění
tohoto ukazatele se zavádí jeho úprava zohledňující také teplotu,
jejíž výpočet je popsán rovnicí \ref{equ:PR_stc}.
\vspace{5pt}
\begin{equation}
  \begin{aligned}
    PR_{STC} &= \left. \left(\sum_{k}P_{out,k} \cdot \tau_{k} \right) \right/
         \left(\sum_{k}\frac{(C_{k} \cdot P_{0}) \cdot G_{i,k} \cdot \tau_{k}}{G_{i,ref}}\right)
         \quad [-]
    \\
    C_{k} &= 1 + \gamma \cdot \left(T_{mod,k} - 25 ^\circ C\right)
  \end{aligned} 
  \label{equ:PR_stc} 
\end{equation}
kdy:
\newline
\begin{tabular}{p{0.05\textwidth}p{0.01\textwidth}p{0.8\textwidth}}
  $\gamma$ & ... & relativní teplotní koeficient maximálního výkonu [$^\circ$C\textsuperscript{ -1}] \\
  $T_{mod,k}$ & ... & teplota FV článku popř. panelu v kroku $k$ [$^\circ$C]
\end{tabular}
\vspace{10pt}
\newline
Pokud bychom chtěli tyto ukazatele používat k detekci poruch uvedených
výše, tak je nejjednodušším způsobem porovnávat výkonnostní poměry v čase
nebo se sousedními panely, stringy či vyššími celky. Druhou možností je
vytvoření modelu, který bude na základě měření intenzity slunečního
záření a teploty generovat srovnávací výkonnostní poměr pro každou část
FVE samostatně. 

\subsection{Přístupy na bázi zpracovávání signálu}
\label{chap:signal_processing}
Tato skupina diagnostických metod obsahuje celou řadu možných způsobů
detekce poruch. Přehled nejpoužívanějších metod je uveden v tabulce 
\ref{tab:signal_processing}. Tyto metody ale nejsou příliš robustní
pro samostatnou detekci. Spektrum bývá často zarušeno měniči FVE nebo
indukovaným rušením, což ztěžuje diagnostiku ve frekvenční oblasti.
Zároveň změny impedance způsobených povětrnostními podmínkami (např.
vlhkost) ztěžují diagnostiku spojenou s LCR parametry stringu.
Vhodné jsou tedy spíše jako doplňkové metody pro přibližnou
lokalizaci poruch.
\begin{table}[!h]
  \begin{tabular}{|m{0.2\textwidth}|m{0.2\textwidth}|m{0.5\textwidth}|}
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{metoda} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{aplikace} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{stručný popis}
    \\
    Analýza ve frekvenční oblasti \cite{modemtec} &
    detekce vzniku oblouků (\ref{chap:arcs_in_PVS}) &
    použití Fourierovy transformace, vlnkové transformace nebo 
    digitálních filtrů pro detekci vyšších harmonických jejichž zdrojem
    mohou být hořící oblouky
    \\ \hline
    Reflektometrie v~časové oblasti (TDR) \cite{photovoltaic_systems} &
    lokalizace místa poruchy &
    reflektometrie je založena na injektování impulsu do typicky
    stringu a měření odraženého impulsu na rozhraní s rozdílnou
    impedancí, typicky přerušený obvod, zkrat nebo místo se
    zvyšující se impedancí (degradující FV~článek či vadný
    konektor)
    \\ \hline
    Reflektometrie rozprostřeného spektra (SSTDR) \cite{PV_fault_review} &
    lokalizace místa poruchy &
    stejně jako při reflektometrii v~časové oblasti dochází k injekci,
    ale zde je místo pulsu do obvodu generován šum, který se při
    odražení vrací a pomocí autokorelace detekován 
    \\ \hline
    Měření zemní kapacity (ECM) \cite{PV_fault_review} &
    lokalizace místa poruchy &
    na string lze nahlížet i jako na vedení s rozprostřenými
    parametry (sériový odpor a kapacita PN přechodu) a proto dochází
    při jeho přerušení ke snížení kapacity úměrné délce vedení
    \\ \hline
  \end{tabular}
  \caption{Nejběžnější metody na bázi zpracování signálu}
  \label{tab:signal_processing}
\end{table}

\subsection{Přístupy na bázi strojového učení}
Tak jako všemi odvětvími momentálně prostupuje strojové učení, někdy
nevhodně nazýváno jako umělá inteligence, tak se tyto postupy uplatňují
i pro oblast diagnostiky a prediktivní údržby zdrojových částí FVE. Samy o
sobě techniky strojového učení nepřináší nový pohled ve smyslu jiného
přístupu k získávání informace, ale pomáhají nám v měřených datech hledat
závislosti, které by nemuseli být na první pohled patrné. Pro správnou
detekci a primárně pak klasifikaci musíme zajistit dostatečné množství
pestrých a správně anotovaných dat. 
\newline
To není bohužel pro tuto práci možné, ale v rámci přehledového článku
\cite{PV_fault_review} je možné dohledat spoustu příkladů použití. 
Často používanými technikami jsou zde systémy založené na Fuzzy logice,
Bayesovské klasifikátory nebo neuronové sítě pro klasifikaci poruch.
Dalšími metodami používanými spíše pro detekci konkrétních poruch nebo
jejich skupin jsou podpůrné vektorové stroje, rozhodovací stromy
nebo modely založené na instančním učení jako je například kNN.


\section{Sledované veličiny}
\label{chap:measurements}
Před definicí HW požadavků a výběrem vhodných komponent je nutné vybrat
jaké veličiny bude monitorovací zařízení pro svou činnost sledovat.
K rozhodnutí můžeme přistoupit na základě toho jaké poruchy chceme
detekovat a jaká měření tedy budeme vyžadovat. Zároveň ale musíme
počítat s tím, že zařízení bude umístěno v místě připojení stringu k 
busu. Při výběru také můžeme postupovat na základě normy IEC 61724-1,
která definuje tři třídy monitorovacích zařízení pro FV systémy a
potřebná měření pro danou třídu. Ty jsou vypsány ve zjednodušené
tabulce, která je součástí příloh \ref{appen:measure_requirements}.
\vspace{10pt}
\newline
Sledovanými veličinami budou:
\vspace{10pt}
\newline
\begin{tabular}{m{0.29\textwidth}m{0.01\textwidth}p{0.6\textwidth}}
  $\bullet$ napětí stringu [V] & - & napětí stringu může dosahovat
  až hodnoty 1500~V\textsubscript{DC} pro měření tedy bude vhodné
  použít kromě děliče napětí i některý ze způsobů oddělení, aby 
  vysoké napětí nezničilo použití A/D převodník \\
  $\bullet$ proud stringu [A] & - & proud stringem se pohybuje běžně
  v rozmezí 0~až~10~A, popřípadě může proud při poruše téct i do
  stringu (záporná hodnota proud), vhodný převodník by měl pracovat
  v obou těchto stavech \\
  $\bullet$ výkon stringu [kW] & - & pokud budou hodnoty napětí a
  proudu vzorkovány současně, bude možné výkon jednoduše určit jako
  jejich součin, pokud ale nebudou, bude nutné kompenzovat jejich
  fázový posun nebo použít samostatné měření \\
  $\bullet$ sluneční záření [Wm\textsuperscript{-2}] & - & pro toto
  měření bude muset monitorovací zařízení použít speciální snímač
  nebo vytvořit vlastní s dostatečnou přesností \\
  $\bullet$ teplota panelu [$^\circ$C] & - & teplota panelu může
  v ohnisku ohřevu dosahovat i více než 150~$^\circ$C a proto je
  zapotřebí tyto sice lokální ale i tak vysoké teploty zohlednit
  při výběru vhodného snímače \\
  $\bullet$ teplota okolí [$^\circ$C] & - & teplotní rozsah pro toto
  měření není limitující pro žádný z běžných snímačů teploty \\
  $\bullet$ aktuální čas [s] & - & z pohledu diagnostiky by bylo
  vhodné, aby monitorovací zařízení obsahovalo obvod RTC, pro vytváření
  časových značek měřených hodnot a poruch \\
\end{tabular}
\newpage
\begin{tabular}{m{0.29\textwidth}m{0.01\textwidth}p{0.60\textwidth}}
  $\bullet$ energie stringu [kWh] & - & při znalosti výkonu a
  přesného času může monitorovací zařízení snadno vyhodnocovat i
  energii vyprodukovanou stringem \\
  $\bullet$ rozdílový proud [A] & - & pokud bude mít měření rozdílového
  proudu mezi kladným a záporným terminálem stringu dostatečné rozlišení
  (alespoň v jednotkách miliampér), tak nám umožní detekovat svod po
  zemní smyčce a předcházet tak úrazům způsobeným dotykovým napětím na
  neživých vodivých částech instalace \\
\end{tabular}


\chapter{Definice HW požadavků monitorovacího zařízení}
Na základě výčtu měření (\ref{chap:measurements}), které by mělo
monitorovací zařízení provádět budou v této kapitole definovány
požadavky na jeho HW. Kromě samotného měření by mělo monitorovací
zařízení odbavovat komunikaci se zbytkem systému a také odpojovat
string v případě detekce poruchy, která odpojení vyžaduje. Těmi
jsou například například zkrat na kostru (\ref{chap:arcs_in_PVS})
nebo zastínění stringu spojené s poruchou blokovací diody
(\ref{chap:diode_failures}).
\vspace{5pt}
\newline
Na obrázku \ref{fig:HW_diagram} je přehledové schéma HW
monitorovacího zařízení v souladu s požadavku definovanými v
následujících podkapitolách. Schéma je rozděleno do bloků dle funkce
na část připojenou přímo ke stringu označenou jako silovou, měřící, vyhodnocovací a komunikační.
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/HW_diagram}
  \caption{Blokové schéma monitorovacího zařízení \cite{modemtec}}
  \label{fig:HW_diagram}
\end{figure}

\section{Realizace požadovaných měření}
V jednotlivých podkapitolách je vždy na základě potřebného rozsahu,
přesnosti a dalších klíčových parametrů zdůvodněn výběr vhodného
snímače nebo snímačů pro sledovanou veličinu.
\vspace{-10pt}

\subsection{Elektrické napětí stringu}
\label{chap:voltage_sensors}
Pro měření napětí stringu je potřeba zvolit vhodný A/D převodník.
Na stringu očekáváme napětí v rozmezí přibližně 0 až 1500~V, což pro
rozlišení alespoň 1~V vyžaduje minimálně 11bitový A/D převodník.
Použití externího A/D převodník se pro monitorovací neuvažuje, a
proto musí být vhodný převodník součástí vyhodnocovací jednotky
(\ref{chap:STM32}). Důvodem tohoto řešení je fakt, že v dnešní době
obsahuje většina mikrokontrolerů A/D převodníky s více než deseti
bitovým rozlišením a s vzorkovací frekvencí, která je více než 
dostatečná pro monitorovací zařízení všech tříd dle IEC~61724-1
\cite{IEC_61724-1}.
\newline
A/D převodník uvnitř mikrokontroleru tedy eliminuje potřebu
externího převodníku, ale zároveň zvyšuje riziko kladené na samotný
mikrokontroler. Napětí stringu bude sníženo na měřitelnou úroveň
odporovým děličem, ale dle IEC~61730-1 \cite{IEC_61730-1} by měly
být zařízení pro FVE navrhována tak, aby vyhovovali stupni ochrany
CAT~III, což pro FV instalaci znamená transientní napětí až 8~kV.
\newline
\begin{wrapfigure}{r}{0.45\textwidth}
  \centering
  \vspace{-20pt}
  \includegraphics{obrazky/OV_protection}
  \caption{Přepěťová ochrana MCU}
  \vspace{-20pt}
  \label{fig:OV_protection}
\end{wrapfigure}
Vstup do mikrokontroleru by měl tedy obsahovat dostatečnou
přepěťovou ochranu, jako například filtr kombinovaný s varistorem
popřípadě i transilem, tak jak je naznačeno na
obrázku~\ref{fig:OV_protection}.
\newline

\subsection{Elektrický proud stringem}
\label{chap:current_sensors}
Při měření proudu stringem se pohybujeme v rozsahu měřených hodnot
přibližně 0 až 10~A. Pro tento rozsah stejnosměrného proudu přicházejí
v úvahu tyto měřící metody:
\begin{itemize}
  \item[-] měření úbytku napětí na bočníku
  \item[-] snímače a převodníky vycházející z Hallova jevu
  \item[-] snímače a převodníky na bázi magnetorezistence
\end{itemize}
Pro námi volený rozsah proudů by musel být odpor bočníku v řádech
miliohmů. S takto malým odporem by se v zapojení špatně pracovalo,
a proto měření pomocí bočníku nebude dále uvažováno.
\newline
Snímače na bázi (GMR/AMR) magnetorezistence jsou při srovnání se snímače
využívající Hallův jev přesnější a umožňují rychlejší měření. Nejsou
bohužel tak rozšířené a limitující může být i rozsah.
\begin{table}[!h]
  \begin{tabular}{|m{0.3\textwidth}|m{0.3\textwidth}|m{0.3\textwidth}|}
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{parametr} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{ACS724LLCTR-20AB} \cite{ACS724} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{ACS70331EESA} \cite{ACS70331}
    \\ \hline
    Výrobce & \multicolumn{2}{c|}{Allegro MicroSystems}
    \\ \hline
    Princip & Hallův jev & GMR
    \\ \hline
    Rozsah [A] & $\pm$20 & $\pm$5
    \\ \hline
    Citlivost [mv/A] & 100 & 200
    \\ \hline
    Celková chyba [\%] & $\pm$1,5 & $\pm$1,5
    \\ \hline
    Izolace V\textsubscript{ISO} [V\textsubscript{RMS}] & 2400 & 500
    \\ \hline
    Bandwith [kHz] & 120 & 1000
    \\ \hline
    Napájecí napětí [V] & 5 & 3,3
    \\ \hline
    Cena [Kč] & 97,- & 103,-
    \\ \hline
  \end{tabular}
\end{table}
\begin{table}[!h]
  \begin{tabular}{|m{0.3\textwidth}|m{0.3\textwidth}|m{0.3\textwidth}|}
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{parametr} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{MCA1101-20-3} \cite{MCA1101} &
    \cellcolor{gray} \color{white} \textbf{TMCS1123A5} \cite{TMCS1123}
    \\ \hline
    Výrobce & ACEINNA & Texas Instruments
    \\ \hline
    Princip & AMR & Hallův jev
    \\ \hline
    Rozsah [A] & $\pm$20 & $\pm$16
    \\ \hline
    Citlivost [mv/A] & 60 & 150
    \\ \hline
    Celková chyba [\%] & $\pm$0,6  & $\pm$1,75
    \\ \hline
    Izolace V\textsubscript{ISO}  [V\textsubscript{RMS}] & 4800 & 5000
    \\ \hline
    Bandwith [kHz] & 1500 & 250
    \\ \hline
    Napájecí napětí [V] & 3,3 & 5
    \\ \hline
    Cena [Kč] & 200,- & 98,-
    \\ \hline
  \end{tabular}
  \caption{Srovnání snímačů proudu}
  \label{tab:current_sensors}
\end{table}
\newline
Při výběru byl zohledněn dostatečný rozsah, izolační vlastnosti a
cena. Ostatní parametry byly pro tuto aplikaci vyhovující pro všechny
snímače z tabulky \ref{tab:current_sensors}. Pro monitorovací
zařízení byl nakonec zvolen snímač ACS724LLCTR-20AB \cite{ACS724}
a to i~pro dobrou zkušenost se snímači od firmy Allegro MicroSystems.

\subsection{Rozdílový elektrický proud}
Rozdílový proud mezi kladným a záporným pólem stringu by bylo možné
dopočítávat, pokud by se proudový snímač zvolený v předchozí kapitole
(\ref{chap:current_sensors}) nainstaloval do obou větví stringu.
Toto řešení by ale bylo zatížené příliš velkou chybou na to, aby
se dle něj dal detekovat svod (\ref{chap:arcs_in_PVS}) na úrovni
jednotek miliampér, tak jak je požadováno.
\newline
Jelikož pracujeme s DC proudem, nemůžeme použít proudový transformátor
tak, jako se používá například v proudovém chrániči. Můžeme ale
použít existující alternativy, kterými by mohly být snímače typu:
\begin{itemize}
  \item[-] Flux-gate: princip rozvažování indukovaného napětí v
  sekundáru mag. polem
  \item[-] Hallova sonda: využití Hallova jevu
\end{itemize} 
Pokud do magnetického obvodu snímačů uzavřeme oba výstupní vodiče
stringu, tak se jejich magnetické pole odečte a mi budeme schopni
měřit na mnohem menším rozsahu a tedy i s větší citlivostí. Změřený
proud by měl být již z principu měření roven svodovému proudu.
Pokud zvolíme při vyhodnocení vhodný práh, který může být doplněn
o průměrování pro snížení chyby měření, můžeme tak vytvořit
ekvivalent proudového chrániče pro DC proud s vybavovací hodnotou
v jednotkách miliampér.
\newline
Pro realizaci měření svodového proudu (zkratu na kostru), byl vybrán
snímač typu flux-gate T60404N4641X900 \cite{T60404}. Tento snímač
je se svou citlivostí až 0,2~mA plně dostačující. Výstupem jsou pak
buď vybavovací výstupy s otevřeným kolektorem, které spínají při 6~mA
a 30~mA, nebo PWM výstup jehož střída odpovídá s chybou 3,33~\%/mA
rozdílovému proudu.
\newline
Druhou možností je vyvinout vlastní snímač dle náčrtu na obrázku
\ref{fig:Hall_diff_current} za pomocí vhodného magnetického obvodu
(jádra) s vloženou Hallovou sondou, jejíž pozice je na obrázku
naznačena modrou barvou. Vhodným jádrem může být toroidní jádro se
vzduchovou mezerou nebo kombinace jader EI či lepší symetrická EE
se vzduchovou mezerou.
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/Hall_diff_current}
  \caption{Návrh snímače rozdílového proudu s Hallovou sondou}
  \label{fig:Hall_diff_current}
\end{figure}

\subsection{Referenční hodnota osvitu}
Nejdůležitější neelektrickou veličinou pro monitorování zdrojové
části FVE je bezpochyby intenzita slunečního záření. Tato veličina
se vyčísluje jako aktuálně dopadající výkon na jednotku plochy.
Norma IEC 61724-1 rozlišuje sluneční záření na celkové
\emph{G\textsubscript{i}} či \emph{POA}, přímé a difúzní \emph{GHI},
přímé normální \emph{DNI} a difúzní horizontální \emph{G\textsubscript{d}}
či \emph{DHI}. Pro výpočet očekávaného výkonu FV~panelu a dalších
výkonových metrik (\ref{chap:power_quantities}) se používá velikost
celkového slunečního záření \emph{G\textsubscript{i}}, které je
sumou přímo dopadajícího, difúzního a od země odraženého záření
\cite{IEC_61724-1}. Ostatní typy slunečního záření se používají jako
ukazatele pro zvyšování účinnosti FVE, které umožňují například
naklánění FV~panelů pro maximalizaci dopadajícího záření.
\newline
Pro měření intenzity slunečního záření se používá přístroj zvaný
pyranometr. Tento měřící přístroj vyhodnocuje intenzitu slunečního
záření na základě tepelných účinků, kdy o intenzitě rozhoduje
teplotní rozdíl mezi osvětlenými a zastíněnými sektory termočlánků.
Pyranometry mají širokou spektrální odezvu s konstantním útlumem a
používají se tedy jako certifikovaná měřidla v radiometrii. Druhým
způsobem měření slunečního záření jsou moduly s referenčním
FV~článkem někdy označovaný jako fotovoltaické pyranometry. Tyto
moduly nejsou tak přesné ani teplotně stálé jako pyranometry, ale
uvnitř FVE se používají častěji. Důvodem je nižší cena a totožná
spektrální a teplotní odezva při použití referenčního FV~článku
ze stejného materiálu jako u panelů FVE.
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/Pyranometer_vs_SollarCell}
  \caption{Srovnání termočlánkového \cite{Irradiance_pyrometer}
  a fotovoltaického \cite{Irradiance_FV-modul} pyranometru}
\end{figure}
\newline
Pro monitorovací zařízení je hodnota celkového slunečního záření
\emph{G\textsubscript{i}} důležitá z pohledu diagnostiky, a to pro
výpočet výkonnostního poměru \emph{PR} (\ref{chap:power_quantities})
a dalších ukazatelů. Jelikož jsou pro detekci poruch důležitější
spíše trendy těchto ukazatelů než aktuální hodnoty, tak není pro
monitorovací zařízení kritické měření \emph{G\textsubscript{i}} s
vysokou přesností.
\newline
Z důvodu úspory by tedy bylo pro monitorovací zařízení vhodné
navrhnout vlastní snímač intenzity slunečního záření, který by
byl termočlánkovým či fotovoltaickým pyranometrem následně
kalibrován. Takovýto snímač by mohl využívat některé ze součástek
citlivých na světlo jako například fotorezistor, který byl
použit pro vývoj snímače v rámci článku \cite{LDR_sensor} a byla
s ním dosaženo shoda \emph{91,41~\%} s referenčním pyranometrem.
Ještě lepších výsledků pak dosahují snímače vytvořené z malých
FV~článků jako je například ten z článku \cite{SollarCell_sensor},
kde bylo dosaženo shody s referenčním měřením až \emph{99,94~\%}. 
Kromě samotných fotocitlivých součástek jsou na trhu dostupné
i IO pro měření záření. Příkladem je multi-spektrální senzor
AS7343L~\cite{AS7343L}, který je citlivý na vlnové délky v
rozsahu 380 až 1000~nm. 

\subsection{Teplota FV panelu a okolí}
Druhou veličinou, která má vliv na účinnost a dodávaný výkon
FV~panelu je teplota. Kvůli možnosti srovnání teplot se u
monitorovacího zařízení počítá s umístěním dvou snímačů teploty.
Jeden bude umístěn uvnitř monitorovacího zařízení a bude sloužit
pro měření teploty okolí. Snímač by měl být umístěn tak, aby
hodnotu teploty nezkresloval vlastní ohřev uvnitř monitorovacího
zařízení. Druhý snímač bude přilepen na zadní stranu nejbližšího
panelu a bude sloužit pro přibližné měření teploty všech panelů
v rámci stringu. Pro měření teploty okolí byl zvolen IO TCN75A
\cite{TCN75A}. Jedná se o digitální teploměr s komunikačním
rozhraním I\textsuperscript{2}C pro rozsah teplot od -40~$^\circ$C
do +125~$^\circ$C s typickou přesností $\pm$1~$^\circ$C.
Z důvodu použití tohoto snímače by měla vyhodnocovací jednotka
obsahovat periferii pro odbavování komunikace po I\textsuperscript{2}C.
\newline
Stejný snímač byl pak zvolen i pro měření teploty panelu, i když
by mohla měřená teplota překročit měřící rozsah snímače. Důvodem
je požadavek na srovnávání teploty okolí a FV~panelu. Pokud budou
použity totožné snímače, lze předpokládat, že měření budou zatížena
přibližně stejnou chybou. To znamená, že by chyba neměla mít velký
vliv na porovnávání teplot mezi panelem a okolím, jelikož by měla
být pro obě měření stejná nebo se přímo odečte, pokud budeme
zjišťovat rozdíl těchto teplot. Pro omezení způsobené horním limitem
rozsahu snímače na +125~$^\circ$C lze počítat s tím, že je málo
pravděpodobné, aby se přehřátý FV~článek nacházel přímo nad snímačem
a zároveň i kdyby FV~článek dosáhl teploty vyšší než je 100~$^\circ$C,
která je pro IO stále bezproblému měřitelná, mělo by monitorovací
zařízení již zareagovat a takovýto panel, respektive string odpojit
nebo alespoň varovat před možným přehřátím (\ref{chap:hot-spot}).
Možnou překážkou pro použití tohoto IO k měření teploty panelu
by ale mohla být délka sběrnice I\textsuperscript{2}C. Ta se totiž
používá jen pro komunikaci na krátké vzdálenosti typicky na desce
plošných spojů. Sběrnice není limitovaná přímo délkou vodičů, ale
jejich vzájemnou kapacitou, která by neměla překročit 400~pF. S
tímto omezením je třeba počítat jak při návrhu modulu pro měření
teploty panelu, tak při jeho následné instalaci. Připojení sběrnice
k MCU by také mělo obsahovat dostatečnou přepěťovou ochranu podobně
jako u připojení A/D převodníku (\ref{chap:voltage_sensors}).

\section{Realizace silových obvodů}
\label{chap:power_circuits}
Silovými obvody v této kapitole jsou části monitorovacího zařízení,
které jsou připojeny přímo k stringu. Konkrétně se jedná o odpojovače
stringu od busu a popřípadě další obvody pro měření na stringu. 
\newline
Odpojovače by měli sloužit k dálkovému odpojení a uvést tak string
do režimu izolované soustavy. Dle bezpečnostních požadavků
definovaných ve standardu NEC článku 690 národní asociace požární
ochrany NFPA by měli odpojovače splňovat následující požadavky
\cite{NEC}:
\begin{itemize}
  \item[-] Odpojovač musí být dimenzován alespoň na hodnoty zkratového
  proudu a napětí naprázdno.
  \item[-] Odpojovač se musí automaticky rozepnout v případě výpadku
  řídícího signálu.
  \item[-] Odpojovače by měli přerušovat všechny připojené nezeměnné
  proudové cesty, to znamená kladnou i zápornou větev stringu.
  \item[-] Odpojovač musí být přímo přístupný operátorům nebo
  instalován na flexibilních spojích, aby je bylo možné posunout.
  \item[-] Odpojovače musí být izolované nebo při montáže izolovatelné
  tak, aby odolávali povětrnostním podmínkám.
  \item[-] Každý odpojovač by měl být permanentní označen jednoznačným
  popisem (např. "ODPOJENÍ FV~SYSTÉMU") nebo podobným a měl by indikovat
  svůj stav sepnuto/rozepnuto. 
\end{itemize}
\vspace{5pt}
Odpojovače vyhovující nárokům kladeným článkem 690 standardu NEC by mohly
být dvojice odpojovačů P115~Mini-Tactor \cite{P115} popřípadě varianta P126
určená pro montáž na desce plošných spojů. Odpínač obsahuje jeden
spínací kontakt ovládaný cívkou na 12, 24 či 48~V pro spínání/rozpínání
1500~V\textsubscript{DC} a kontinuální proud 50~A.
\newline
Obvody pro další měření na stringu by se pak měli být schopné připojit
ke stringu a umožnit měření odporu pro možné detekování poruch
usměrňovacích diod (\ref{chap:diode_failures}) popřípadě některá z
měření pro lokalizaci poruch na základě TDR nebo ECM
(\ref{tab:signal_processing}).

\section{Realizace komunikačního rozhraní}
\label{chap:communication}
Zadání na tvorbu monitorovacího zařízení počítá s komunikací s nadřazeným
systémem, popřípadě mezi sebou pomocí komunikačního standardu G3-PLC. 
\vspace{10pt}
\newline
Standard G3-PLC, dále už jen PLC, definuje vysokorychlostní a robustní
komunikační kanál na velké vzdálenosti po stávající rozvodné síti. Pro
komunikaci na fyzické vrstvě se využívá širokopásmová (3~až~500~kHz)
OFDM~modulace, která paralelně dělí digitální informaci do více
subnosných frekvencí. Na tyto subnosné jsou pak jednotlivé bity
modulovány pomocí některé z rodiny fázových modulací PSK. Pro linkovou
vrstvu pak PLC používá 6LoWPAN, což je zkrácené označení pro
nízkopříkonové bezdrátové osobní IPv6 sítě. PLC tedy nativně podporuje
protokol IPv6 a je tak univerzálním řešením pro inteligentní rozvodné
sítě (SmartGrid).  Na obrázku \ref{fig:PLC_stack} níže je pak
naznačena struktura PLC komunikace pokrývající fyzickou, linkovou
a částečně síťovou (MAC) vrstvu OSI modelu a tomu odpovídající
skladbu paketu pro PLC síť. Samotná síť je pak tvořena takzvanými
PAN-zařízeními, z nichž každé má svůj vlastní 16bitový identifikátor.
Každá síť má pak ještě svého PAN-koordinátora, který umožňuje na
základě identifikátorů připojení PAN-zařízení, udržuje síť aktivní
a také zprostředkovává spojení s externími sítěmi nebo podsítěmi
v rámci rozsáhlé PLC sítě. \cite{G3-PLC}
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/PLC_connection}
  \caption{Obvodové schéma zapojení G3-PLC modemu \cite{G3-PLC}}
  \label{fig:PLC_connection}
\end{figure}
\newline
Pro realizaci PLC modemu je dle schématu \ref{fig:PLC_connection}
zapotřebí galvanické oddělení, výstupní budič linky, analogové
zpracování, signálové zpracování pro demodulaci a část spravující
PLC protokol. Pro realizaci PLC modemu v rámci zařízení byl zvolen
IO SM2400 \cite{SM2400}, který obsahuje fyzickou vrstvu s modulací
OFDM a budičem, dále linkovou vrstvu pro G3-PLC a PRIME, vhodnou
jednotku pro šifrování dat a komunikační rozhraní UART a SPI pro
připojení hostovského procesoru v případě monitorovacího zařízení
vyhodnocovací jednotky. Dále bude tedy monitorovací zařízení
potřebovat jen vhodné oddělení pro připojení k busu FVE.   
\begin{figure}[!h]
  \centering
  \includegraphics{obrazky/PLC_stack}
  \caption{Typický model a skladba paketů G3-PLC komunikace \cite{G3-PLC}}
  \label{fig:PLC_stack}
\end{figure}


\section{Realizace vyhodnocovací jednotky}
\label{chap:STM32}
Jako vyhodnocovací jednotka byl zvolen mikrokontroler STM32F415. Tento
32bitový mikrokontroler splňuje všechny výše uvedené nároky na
periferie i výpočetní výkon. Zároveň disponuje dostatečně velkou
pamětí, a to i pro ukládání dlouhých IPv6 paketů, přijímaných z PLC
sítě nebo ukládání měřených údajů při výpadku PLC sítě. Mikrokontroler
v sobě také integruje požadovaný obvod RTC pro přesné měření času.
Kompletní popis mikrokontroleru lze nalézt v katalogovém listu
\cite{STM32_datasheet} a manuálu \cite{STM32_ref-manual}.
\vspace{10pt}
\newline
Základní charakteristika mikrokontroleru STM32F415:
\begin{itemize}
  \item[-] Jádro ARM 32-bit Cortex-M4 CPU s FPU
  \item[-] Pracovní frekvence až 168 MHz
  \item[-] Integrovaný Watchdog a RTC
  \item[-] 1 MB paměti typu Flash
  \item[-] 192 + 4 kB paměti typu SRAM
  \item[-] 512 B jednorázově programovatelné paměti
  \item[-] Až 140 vstupně-výstupních linek
  \item[-] 3× 12bitový A/D převodník s možností souběžného vzorkování
  \item[-] 2× 12bitový D/A převodník
  \item[-] 16× DMA stream (kanál)
  \item[-] 17× univerzální časovač
  \item[-] 3× rozhraní I\textsuperscript{2}C
  \item[-] 4× rozhraní USART
  \item[-] 3× rozhraní SPI
  \item[-] 2× rozhraní CAN
  \item[-] 2x rozhraní pro USB 2.0
  \item[-] 1× rozhraní pro Ethernet 10/100
  \item[-] Generátor náhodných čísel
  \item[-] Jednotka pro výpočet CRC
  \item[-] Jednotka pro akceleraci šifrování
  \item[-] Podpora lazení pomocí JTAG
\end{itemize}
