【應(yīng)用案例】基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)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(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)際問題，通過云計(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)

      云計(jì)算的定義較為寬泛，云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算模式，提供基于網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲(chǔ)、計(jì)算和展示，網(wǎng)絡(luò)訪問具有可行、便捷、按需的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)接收訪問，進(jìn)入計(jì)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(chǔ)、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(jì)算的主要的優(yōu)點(diǎn)所在。云計(jì)算系統(tǒng)的后臺(tái)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(duì)數(shù)目龐大的服務(wù)器進(jìn)行合理組織，保證云計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)采用微軟WindowsAzurePlatform云計(jì)算平臺(tái)，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(jì)算平臺(tái)有一下特點(diǎn)：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(shí)也支持開源工具(PHP、Node．js等)。因此，用戶只需按自己的實(shí)際需求，靈活地部署虛擬機(jī)和調(diào)用存儲(chǔ)空間，大大減少程序的調(diào)試時(shí)間，增加程序的開發(fā)速度。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)和開發(fā)的過程，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)合的新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。主要特點(diǎn)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(diǎn)，減少用戶的工作量，可以隨時(shí)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(jì)算的存儲(chǔ)和較強(qiáng)的計(jì)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(duì)某一時(shí)間段同類數(shù)據(jù)或不同類數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(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

      在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)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(dú)立于物理層，配合ＲS－485總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸。

3.2.3數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

      數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)前端界面對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用和后臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)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(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)等功能。云端SQLAzure數(shù)據(jù)庫(kù)與SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQLServerExpress工具實(shí)現(xiàn)同步管理。同時(shí)，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(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ＲS－485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)?，F(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?，F(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WEB端以及APP端訪問平臺(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

      目前我國(guó)的兩種分布式應(yīng)用場(chǎng)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(jì)量?jī)x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(chǔ)管理。用戶可以通過PC訪問平臺(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(jì)、逆變器發(fā)電統(tǒng)計(jì)、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(duì)于光伏電站的管理者來說，通過云平臺(tái)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(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點(diǎn)前需要安裝計(jì)量電表用于計(jì)量光伏發(fā)電量，同時(shí)在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計(jì)量電表，用于計(jì)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(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)

      根據(jù)《能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)通知》（國(guó)發(fā)新能〔2019〕49號(hào)），對(duì)于需要補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，需要滿足單點(diǎn)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(diǎn)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(duì)公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對(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(cè)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?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。