【應用案例】基于物聯網云平臺的分布式光伏監控系統的分析

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

  近年來，云計算技術逐漸興起，其應用模式和傳統幾種模式不同，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進行資源的整合，提升效率。本文基于B/S架構的數據實時采集與推送，以SSH為Web框架，開發了基于云平臺的光伏發電遠程監控系統。為解決光伏站點分布不均、發電站監控數據量大等實際問題，通過云計算技術在云端實現對多種類、多站點的電流、電壓等數據進行實時監控與分析，確保系統運行的穩定性。通過合理設計SQLServer數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用，提高計算的實時性。利用友好的人機界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現，提高系統可用性和操作方便性。

1、光伏發電系統

      光伏發電系統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電系統中的核心部分，它能將太陽能轉換為電能，同時利用串聯和并聯的形式提高光伏發電系統的并網電壓和并網容量以達到并網的條件。由于光伏發電系統的波動性和間歇性，為保證光伏發電系統的穩定輸出，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性。因此，在實際光伏電站系統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。光伏發電系統結構如圖1所示。

 

      光伏發電系統的主要由光伏陣列、蓄電池、控制器和逆變器組成。

2、云計算平臺架構

      云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯網的計算模式，提供基于網絡的分布式存儲、計算和展示，網絡訪問具有可行、便捷、按需的特點。當系統接收訪問，進入計算資源共享池，即可迅速響應，為用戶提供服務器、網絡、存儲、服務、應用軟件等資源，在用戶和服務供應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點所在。云計算系統的后臺擁有特殊的網絡拓撲結構，該拓撲結構對數目龐大的服務器進行合理組織，保證云計算穩定運行。本系統采用微軟WindowsAzurePlatform云計算平臺，提供基于微軟數據隨用隨付費的靈活服務模式。該云計算平臺有一下特點：微軟云中的應用開發不需企業自身進行部署和維護，也無需關注底層的結構。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用存儲空間，大大減少程序的調試時間，增加程序的開發速度。面對客戶日益增長的需求，本系統還可以根據業務的變化向外擴展，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、存儲和開發的過程，云平臺架構如圖2所示。

 

3、監控系統設計

3.1光伏發電監控系統總體結構

      本文設計一種采用WindowsAzure和Web相結合的新型光伏發電監控系統。主要特點有：①應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；②采用B/S體系結構，充分利用B/S的優點，減少用戶的工作量，可以隨時進行操作；③利用SSH集成開發框架，從表示層、業務邏輯層、數據層和與模塊層將系統各層分離，便于開發人員開發和后期維護；④利用云計算的存儲和較強的計算能力，將系統部署到WindowsAzure中，減少設備的花費和維護的費用；⑤使用前端ECharts插件將數據進行圖形化處理，對某一時間段同類數據或不同類數據進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。

3.2模塊

      本監控系統對采集到的各類電站數據進行分析，系統模塊主要包括數據采集模塊、數據通信模塊、數據庫和監控終端四個模塊。

3.2.1數據采集模塊

      數據采集模塊采集光伏電站實時運行數據，光伏電站運行過程中涉及各類數據，包括：光伏陣列、逆變器、環境監測儀、計量器等。另外，除了設備本身直接獲取的基礎數據外，還有部分數據需要通過基本數據衍生計算。數據采集模塊結構如圖4所示。

 

3.2.2數據通信模塊

      在現場監控中，采集數據信息需要穩定的上傳至上位機以及服務器，因此，通信不僅需要完成數據傳送的基本功能，還需要保證所傳送數據的準確性和實時性。本系統采用ＲS－485串行通信標準和Modbus通信協議，該協議規定了主機與從機之間通信的規則，獨立于物理層，配合ＲS－485總線標準，實現數據穩定可靠的傳輸。

3.2.3數據庫模塊

      數據庫負責前端界面對數據的調用和后臺數據的存儲，光伏發電監控系統需要監測的數據結構多樣，數據庫的設計和數據模型結構關系到數據的完整性和可維護性。本系統采用SQLServer關系型數據庫，實現對系統結構數據和非結構數據的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統計等功能。云端SQLAzure數據庫與SQLServer數據庫使用SQLServerExpress工具實現同步管理。同時，在系統中利用Hibernate框架將數據層和業務邏輯層分離，減少程度代碼的復雜度。

3.2.4監控終端

      現場監控主要由數據采集模塊、上位機、數據傳輸通道、數據庫構成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數據通過傳感器送到數據集中模塊，經信號調節電路濾波處理后將數據進行歸類分析，現場通過ＲS－485接口實現數據的傳輸和存儲。現場監控顯示各種元器件數據、發電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現對模塊的控制，比如：模塊參數、分合閘信息等。現場監控結構如圖5所示。

 

      現場數據監控終端可以向工作人員提供電站的實時數據信息和歷史數據信息，展示電站的運行狀態，終端監控功能如圖6所示。

 

      本地數據通過上位機接收存儲到數據庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環境，將本地數據庫轉移至云存儲中，實現云端數據庫和前臺界面的數據交互，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：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，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，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

4.2應用場所

      目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

4.3系統結構

      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據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。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瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

1）光伏發電

綜合看板、電站狀態、逆變器狀態、電站發電統計、逆變器發電統計、配電圖、逆變器曲線分析

2）事件記錄

3）運行環境

4.5系統硬件配置

4.5.1交流220V并網

      交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

      部分小型光伏電站為自發自用，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

 

        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380V電網，實現自發自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量，同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

      部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，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測裝置。部分光伏電站為自發自用，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，系統圖如下。

 

      這種并網模式單體光伏電站規模適中，可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據，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

      根據《能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對于需要補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統。

      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模的分布式光伏電站穩控系統、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：

 

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能效管理和環保安全用電。