【應(yīng)用案例】基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的分析

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

  近年來，云計算技術(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，通過管理中間件系統(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)實時采集與推送，以SSH為Web框架，開發(fā)了基于云平臺的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為解決光伏站點分布不均、發(fā)電站監(jiān)控數(shù)據(jù)量大等實際問題，通過云計算技術(shù)在云端實現(xiàn)對多種類、多站點的電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控與分析，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過合理設(shè)計SQLServer數(shù)據(jù)庫，結(jié)合本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲、計算和調(diào)用，提高計算的實時性。利用友好的人機(jī)界面，將數(shù)據(jù)通過報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能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，它能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，同時利用串聯(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能裝置，以提高光伏電站輸出的平穩(wěn)性。因此，在實際光伏電站系統(tǒng)中需配置控制器對蓄電池的充放電情況進(jìn)行控制以保證儲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、云計算平臺架構(gòu)

      云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算模式，提供基于網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲、計算和展示，網(wǎng)絡(luò)訪問具有可行、便捷、按需的特點。當(dāng)系統(tǒng)接收訪問，進(jìn)入計算資源共享池，即可迅速響應(yīng)，為用戶提供服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲、服務(wù)、應(yīng)用軟件等資源，在用戶和服務(wù)供應(yīng)商間僅需做少量交互從而大大減少管理的工作量。這也是云計算的主要的優(yōu)點所在。云計算系統(tǒng)的后臺擁有特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對數(shù)目龐大的服務(wù)器進(jìn)行合理組織，保證云計算穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)采用微軟WindowsAzurePlatform云計算平臺，提供基于微軟數(shù)據(jù)隨用隨付費(fèi)的靈活服務(wù)模式。該云計算平臺有一下特點：微軟云中的應(yīng)用開發(fā)不需企業(yè)自身進(jìn)行部署和維護(hù)，也無需關(guān)注底層的結(jié)構(gòu)。在微軟云中，可以使用Windows和Linux兩種虛擬機(jī)，同時也支持開源工具(PHP、Node．js等)。因此，用戶只需按自己的實際需求，靈活地部署虛擬機(jī)和調(diào)用存儲空間，大大減少程序的調(diào)試時間，增加程序的開發(fā)速度。面對客戶日益增長的需求，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。云計算的使用大大降低了硬件的購買和維護(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從本地到云端的管理、虛擬化、存儲和開發(fā)的過程，云平臺架構(gòu)如圖2所示。

3、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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

      本文設(shè)計一種采用WindowsAzure和Web相結(jié)合的新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。主要特點有：①應(yīng)用層采用友好的用戶界面，讓不同客戶都可以快捷方面的操作本系統(tǒng)；②采用B/S體系結(jié)構(gòu)，充分利用B/S的優(yōu)點，減少用戶的工作量，可以隨時進(jìn)行操作；③利用SSH集成開發(fā)框架，從表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層和與模塊層將系統(tǒng)各層分離，便于開發(fā)人員開發(fā)和后期維護(hù)；④利用云計算的存儲和較強(qiáng)的計算能力，將系統(tǒng)部署到WindowsAzure中，減少設(shè)備的花費(fèi)和維護(hù)的費(fèi)用；⑤使用前端ECharts插件將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，對某一時間段同類數(shù)據(jù)或不同類數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，分析光伏電站的運(yùn)行情況。

3.2模塊

      本監(jiān)控系統(tǒng)對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)庫和監(jiān)控終端四個模塊。

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時運(yùn)行數(shù)據(jù)，光伏電站運(yùn)行過程中涉及各類數(shù)據(jù)，包括：光伏陣列、逆變器、環(huán)境監(jiān)測儀、計量器等。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)需要通過基本數(shù)據(jù)衍生計算。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

      在現(xiàn)場監(jiān)控中，采集數(shù)據(jù)信息需要穩(wěn)定的上傳至上位機(jī)以及服務(wù)器，因此，通信不僅需要完成數(shù)據(jù)傳送的基本功能，還需要保證所傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。本系統(tǒng)采用ＲS－485串行通信標(biāo)準(zhǔn)和Modbus通信協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定了主機(jī)與從機(jī)之間通信的規(guī)則，獨立于物理層，配合ＲS－485總線標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸。

3.2.3數(shù)據(jù)庫模塊

      數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)前端界面對數(shù)據(jù)的調(diào)用和后臺數(shù)據(jù)的存儲，光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)關(guān)系到數(shù)據(jù)的完整性和可維護(hù)性。本系統(tǒng)采用SQLServer關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統(tǒng)計等功能。云端SQLAzure數(shù)據(jù)庫與SQLServer數(shù)據(jù)庫使用SQLServerExpress工具實現(xiàn)同步管理。同時，在系統(tǒng)中利用Hibernate框架將數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)邏輯層分離，減少程度代碼的復(fù)雜度。

3.2.4監(jiān)控終端

      現(xiàn)場監(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)通過傳感器送到數(shù)據(jù)集中模塊，經(jīng)信號調(diào)節(jié)電路濾波處理后將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，現(xiàn)場通過ＲS－485接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲?，F(xiàn)場監(jiān)控顯示各種元器件數(shù)據(jù)、發(fā)電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現(xiàn)對模塊的控制，比如：模塊參數(shù)、分合閘信息等?，F(xiàn)場監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖5所示。

      現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控終端可以向工作人員提供電站的實時數(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。

      本地數(shù)據(jù)通過上位機(jī)接收存儲到數(shù)據(jù)庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環(huán)境，將本地數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移至云存儲中，實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)庫和前臺界面的數(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)維云平臺介紹

4.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設(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。主要功能包括：站點監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設(shè)備檔案，運(yùn)維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

4.2應(yīng)用場所

      目前我國的兩種分布式應(yīng)用場景分別是：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、以及多功能電力計量儀表，通過網(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)行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時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)維云平臺軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過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）。

1）光伏發(fā)電

綜合看板、電站狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、電站發(fā)電統(tǒng)計、逆變器發(fā)電統(tǒng)計、配電圖、逆變器曲線分析

2）事件記錄

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，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來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)

        光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應(yīng)上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補(bǔ)貼和上網(wǎng)電量結(jié)算。

      部分光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(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，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。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，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(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)

      根據(jù)《能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網(wǎng)裝機(jī)容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)要求的前提下，通過內(nèi)部多點接入配電系統(tǒng)。

      此類分布式光伏裝機(jī)容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機(jī)容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(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)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(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，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

      上圖為一個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)和測控設(shè)備比較多，主要如下表：

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向為微電網(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。