【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)按需付費等特點，通過管理中間件系統(tǒng)進行資源的整合，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)進行實時監(jiān)控與分析，確保系統(tǒng)運行的穩(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)器進行合理組織，保證云計算穩(wěn)定運行。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)自身進行部署和維護，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，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費用，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；④利用云計算的存儲和較強的計算能力，將系統(tǒng)部署到WindowsAzure中，減少設(shè)備的花費和維護的費用；⑤使用前端ECharts插件將數(shù)據(jù)進行圖形化處理，對某一時間段同類數(shù)據(jù)或不同類數(shù)據(jù)進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。

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行數(shù)據(jù)，光伏電站運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)定了主機與從機之間通信的規(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、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維云平臺介紹

4.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(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行情況以及各逆變器運行狀況。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)裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行技術(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)。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設(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。