安科瑞物聯(lián)網云平臺的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周穎

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對國內光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，文中提出了基于云平臺的光伏發(fā)電監(jiān)控體系。構建基于B/S架構的數(shù)據(jù)實時采集與推送，以SSH(struts+spring+hibernate)作為Web開發(fā)框架，開發(fā)基于云平臺的光伏發(fā)電遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在平臺部署過程中，通過合理設計SQLServer數(shù)據(jù)庫，結合本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲、計算和調用。通過設計人機交互界面，將數(shù)據(jù)通過報表等多種可視化方式展現(xiàn)出來。實際系統(tǒng)的測試應用說明文中設計的監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多個光伏電站系統(tǒng)的綜合管理，提高光伏電站遠程監(jiān)控的質量和效率。

關鍵詞：光伏發(fā)電；分布式光伏遠程監(jiān)控；物聯(lián)網；光伏發(fā)電運維；云平臺

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越困難。針對大規(guī)模光伏電站并網接入的監(jiān)控問題，國內外學者與企業(yè)開展了大量的研究，也取得了相應的成果和開發(fā)相關的產品。近年來，云計算技術逐漸興起，其應用模式和傳統(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。通過合理設計SQLServer數(shù)據(jù)庫，結合本地數(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)的并網電壓和并網容量以達到并網的條件。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)結構如圖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

   面對客戶日益增長的需求，本系統(tǒng)還可以根據(jù)業(yè)務的變化向外擴展，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，云平臺架構如圖2所示。

3、監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

   本文設計一種采用WindowsAzure和Web相結合的*光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為四層：應用層、服務層、設備驅動層、數(shù)據(jù)層，不同層處理不同數(shù)據(jù)，各層彼此結合形成面向用戶的系統(tǒng)功能。用戶與系統(tǒng)的交互主要在應用層進行，用戶的需求在應用層都會直觀的形式展示，用戶操作指令和信息會錄入到應用層，再將這些信息交由服務層處理。整個業(yè)務的信息數(shù)據(jù)處理、運算和控制是在服務層進行。與設備間的通訊由驅動層完成，并獲取設備的數(shù)據(jù)并進行轉換格式的操作，保證系統(tǒng)能夠正常識別。客戶端現(xiàn)場設備的信息通信是雙向的，即將信息以設備能夠辨識的格式發(fā)送給設備，保證系統(tǒng)能夠正常向下層設備傳遞信息，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，除了設備本身直接獲取的基礎數(shù)據(jù)外，還有部分數(shù)據(jù)需要通過基本數(shù)據(jù)衍生計算。數(shù)據(jù)采集模塊結構如圖4所示。

3.2.2數(shù)據(jù)通信模塊

3.2.3數(shù)據(jù)庫模塊

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，經信號調節(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。現(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。現(xiàn)場監(jiān)控結構如圖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服務體系結構圖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備，氣象設備以及攝像頭設備、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應用場所

   廣大農村屋頂?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)結構

   在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，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。平臺整體結構如圖所示。

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，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內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、當前發(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

4.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計

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運行環(huán)境

4.5系統(tǒng)硬件配置

4.5.1交流220V并網

   交流220V并網的光伏發(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

   根據(jù)*電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網，以當?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準。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。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足*電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的遠程自動采集。

   部分光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，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量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

   這種并網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

   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。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，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)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，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)情況可不設置)，經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

5、結束語

   針對目前的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)在大規(guī)模光伏電站并網監(jiān)控方面存在的不足，本文提出了基于云平臺的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺。通過分析現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術架構，充分利用云技術的集中處理和存儲擴展性，降低了硬件設施的經濟成本，有利于后期系統(tǒng)的維護等特點。通過分析光伏監(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)測儀、數(shù)據(jù)集中器等硬件結構以及通信連接方法，設計了基于Modbus通信協(xié)議的上位機與各設備間的主從控制系統(tǒng)，達到將采集模塊采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機以及云平臺的目的。基于實際光伏電站的應用驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性

參考文獻

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[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版 

作者介紹：

周穎，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電