周穎

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，文中提出了基于云平臺(tái)的光伏發(fā)電監(jiān)控體系。構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與推送，以SSH(struts+spring+hibernate)作為Web開(kāi)發(fā)框架，開(kāi)發(fā)基于云平臺(tái)的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在平臺(tái)部署過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)、計(jì)算和調(diào)用。通過(guò)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，將數(shù)據(jù)通過(guò)報(bào)表等多種可視化方式展現(xiàn)出來(lái)。實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)用說(shuō)明文中設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)光伏電站系統(tǒng)的綜合管理，提高光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；分布式光伏遠(yuǎn)程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；光伏發(fā)電運(yùn)維；云平臺(tái)

0、引言

   隨著分布式光伏電站的大量接入，光伏電站的管理越來(lái)越困難。針對(duì)大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)接入的監(jiān)控問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者與企業(yè)開(kāi)展了大量的研究，也取得了相應(yīng)的成果和開(kāi)發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品。近年來(lái)，云計(jì)算技術(shù)逐漸興起，其應(yīng)用模式和傳統(tǒng)幾種模式不同，具有共享池化的資源、自助服務(wù)按需付費(fèi)等特點(diǎn)，通過(guò)管理中間件系統(tǒng)進(jìn)行資源的整合，提升效率。本文基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與推送，以SSH為Web框架，開(kāi)發(fā)了基于云平臺(tái)的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為解決光伏站點(diǎn)分布不均、發(fā)電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大等實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)在云端實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類、多站點(diǎn)的電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)、計(jì)算和調(diào)用，提高計(jì)算的實(shí)時(shí)性。利用友好的人機(jī)界面，將數(shù)據(jù)通過(guò)報(bào)表等多種可視化方式展現(xiàn)，提高系統(tǒng)可用性和操作方便性。

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)

   光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種利用光伏電池元件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽(yáng)能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，它能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)利用串聯(lián)和并聯(lián)的形式提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)容量以達(dá)到并網(wǎng)的條件。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)性和間歇性，為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，光伏電站都配置一定容量的儲(chǔ)能裝置，以提高光伏電站輸出的平穩(wěn)性。因此，在實(shí)際光伏電站系統(tǒng)中需配置控制器對(duì)蓄電池的充放電情況進(jìn)行控制以保證儲(chǔ)能保障蓄電池的正常使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

   光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要由光伏陣列、蓄電池、控制器和逆變器組成。

2、云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)

   面對(duì)客戶日益增長(zhǎng)的需求，本系統(tǒng)還可以根據(jù)業(yè)務(wù)的變化向外擴(kuò)展，提供更多的資源。云計(jì)算的使用大大降低了硬件的購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用，并且可以與本地的IT設(shè)施協(xié)同使用，使得用戶能夠整合式地體驗(yàn)從本地到云端的管理、虛擬化、存儲(chǔ)和開(kāi)發(fā)的過(guò)程，云平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

3、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

   本文設(shè)計(jì)一種采用WindowsAzure和Web相結(jié)合的*光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為四層：應(yīng)用層、服務(wù)層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)層，不同層處理不同數(shù)據(jù)，各層彼此結(jié)合形成面向用戶的系統(tǒng)功能。用戶與系統(tǒng)的交互主要在應(yīng)用層進(jìn)行，用戶的需求在應(yīng)用層都會(huì)直觀的形式展示，用戶操作指令和信息會(huì)錄入到應(yīng)用層，再將這些信息交由服務(wù)層處理。整個(gè)業(yè)務(wù)的信息數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算和控制是在服務(wù)層進(jìn)行。與設(shè)備間的通訊由驅(qū)動(dòng)層完成，并獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換格式的操作，保證系統(tǒng)能夠正常識(shí)別。客戶端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息通信是雙向的，即將信息以設(shè)備能夠辨識(shí)的格式發(fā)送給設(shè)備，保證系統(tǒng)能夠正常向下層設(shè)備傳遞信息，如圖3所示。

3.2光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)模塊

   本監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的各類電站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控終端四個(gè)模塊。

3.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

   數(shù)據(jù)采集模塊采集光伏電站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，光伏電站運(yùn)行過(guò)程中涉及各類數(shù)據(jù)，包括：光伏陣列、逆變器、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、計(jì)量器等。另外，除了設(shè)備本身直接獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)需要通過(guò)基本數(shù)據(jù)衍生計(jì)算。數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2.2數(shù)據(jù)通信模塊

3.2.3數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

3.2.4監(jiān)控終端

   現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主要由數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸通道、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器送到數(shù)據(jù)集中模塊，經(jīng)信號(hào)調(diào)節(jié)電路濾波處理后將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)ＲS－485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控顯示各種元器件數(shù)據(jù)、發(fā)電量、報(bào)警、報(bào)表等信息。同時(shí)，也可以通過(guò)命令實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的控制，比如：模塊參數(shù)、分合閘信息等。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖5所示。

   現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控終端可以向工作人員提供電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和歷史數(shù)據(jù)信息，展示電站的運(yùn)行狀態(tài)，終端監(jiān)控功能如圖6所示。

   本地?cái)?shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)接收存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Eclipse平臺(tái)配置和部署云環(huán)境，將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)移至云存儲(chǔ)中，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)庫(kù)和前臺(tái)界面的數(shù)據(jù)交互，用戶可以在瀏覽器上方便地查詢各地站點(diǎn)的信息。遠(yuǎn)程B/S服務(wù)體系結(jié)構(gòu)圖7所示。

4、安科瑞分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)介紹

4.1概述

   AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)通過(guò)監(jiān)測(cè)光伏站點(diǎn)的逆變器設(shè)備，氣象設(shè)備以及攝像頭設(shè)備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點(diǎn)。主要功能包括：站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，逆變器監(jiān)測(cè)，發(fā)電統(tǒng)計(jì)，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測(cè)，設(shè)備檔案，運(yùn)維管理，角色管理。用戶可通過(guò)WEB端以及APP端訪問(wèn)平臺(tái)，及時(shí)掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

   廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

   在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計(jì)量?jī)x表，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)管理。用戶可以通過(guò)PC訪問(wèn)平臺(tái)，及時(shí)獲取分布式光伏電站的運(yùn)行情況以及各逆變器運(yùn)行狀況。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

4.4系統(tǒng)功能

   AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過(guò)WEB瀏覽器根據(jù)權(quán)限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當(dāng)前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

4.4.1光伏發(fā)電

4.4.1.1綜合看板

4.4.1.2電站狀態(tài)

4.4.1.3逆變器狀態(tài)

4.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計(jì)

4.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計(jì)

4.4.1.6配電圖

4.4.1.7逆變器曲線分析

4.4.2事件記錄

4.4.3運(yùn)行環(huán)境

4.5系統(tǒng)硬件配置

4.5.1交流220V并網(wǎng)

   交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機(jī)功率在8kW左右。

   部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對(duì)于光伏電站的管理者來(lái)說(shuō)，通過(guò)云平臺(tái)來(lái)管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

4.5.2交流380V并網(wǎng)

   根據(jù)*電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點(diǎn)380V并網(wǎng)，以當(dāng)?shù)仉娏Σ块T(mén)的審批意見(jiàn)為準(zhǔn)。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應(yīng)明確計(jì)量點(diǎn)，計(jì)量點(diǎn)設(shè)置除應(yīng)考慮產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)外，還應(yīng)考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個(gè)計(jì)量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計(jì)量裝置，其設(shè)備配置和技術(shù)要求符合DL/T448的相關(guān)規(guī)定，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術(shù)性能應(yīng)滿足*電網(wǎng)公司關(guān)于智能電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。用于結(jié)算和考核的分布式電源計(jì)量裝置，應(yīng)安裝采集設(shè)備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)采集。

   部分光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

   這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過(guò)云平臺(tái)采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

4.5.310kV或35kV并網(wǎng)

   此類分布式光伏裝機(jī)容量一般比較大，需要通過(guò)升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機(jī)容量較大，可能對(duì)公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門(mén)對(duì)于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高。光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

   上圖為一個(gè)1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過(guò)直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設(shè)置)，經(jīng)過(guò)升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機(jī)容量比較大，涉及到的保護(hù)和測(cè)控設(shè)備比較多，主要如下表：

5、結(jié)束語(yǔ)

   針對(duì)目前的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)在大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)監(jiān)控方面存在的不足，本文提出了基于云平臺(tái)的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)。通過(guò)分析現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術(shù)架構(gòu)，充分利用云技術(shù)的集中處理和存儲(chǔ)擴(kuò)展性，降低了硬件設(shè)施的經(jīng)濟(jì)成本，有利于后期系統(tǒng)的維護(hù)等特點(diǎn)。通過(guò)分析光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊、研究光伏電站逆變器通訊、環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、數(shù)據(jù)集中器等硬件結(jié)構(gòu)以及通信連接方法，設(shè)計(jì)了基于Modbus通信協(xié)議的上位機(jī)與各設(shè)備間的主從控制系統(tǒng)，達(dá)到將采集模塊采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)以及云平臺(tái)的目的。基于實(shí)際光伏電站的應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與可靠性

參考文獻(xiàn)

[1]馬立紅．方連航．龐松嶺．錢(qián)欣．程述成．蔡昌春．基于云平臺(tái)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2019年第1期

[2]金紅光．隋軍．可再生能源的熱利用與綜合利用[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2016,31（2）：208-215

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版 

作者介紹：

周穎，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電