0引言

近年來，我國積極推動能源生產(chǎn)和消費革命，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，能源行業(yè)在國際上已經(jīng)位于前列，電力裝機容量與發(fā)電量居世*第*，能源行業(yè)的發(fā)展成效顯而易見，其中，光伏發(fā)電是現(xiàn)代能源體系的主要構(gòu)成之一。

與同等規(guī)模的光伏電站相比，分布式光伏發(fā)電具有就近并網(wǎng)、就近使用等特點。這不僅會使光伏發(fā)電量得到有效提高，同時也降低了電力系統(tǒng)在輸送電過程中的損耗，在當今越來越受到用戶的關(guān)注。分布式光伏發(fā)電日益發(fā)展的同時，也會給分布式光伏電站的維護帶來諸多的問題與挑戰(zhàn)，如當光伏電站在發(fā)電過程中發(fā)生故障時，無法快速定位故障點，從而消耗人力資源等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為5G時代較為重要的先進技術(shù)之一，其在各行各業(yè)中都有著極其重要的應用。結(jié)合其高效的資源利用、數(shù)據(jù)收集及*大限度地減少人力的技術(shù)優(yōu)勢，針對如何降低光伏電站的運維成本，提高相關(guān)工作人員效率，提升光伏電站的管理水平等問題，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對光伏電站運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的實時采集、存儲和遠程監(jiān)測。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)是光伏電站的核心系統(tǒng)之一，主要包括硬件系統(tǒng)與軟件平臺?；谖锫?lián)網(wǎng)的光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設計，主要包括設備感知層、網(wǎng)絡層、應用層。設備端（光伏逆變器）通過通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)以JSON字符串格式上傳至網(wǎng)絡層（云服務器）。云端服務器的MQTT服務通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議與Web服務端、前端分別建立連接，數(shù)據(jù)可以直接通過MQTT服務器實時推送到應用層前端進行數(shù)據(jù)展示，同時，服務端對需要被調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)信息進行解析、存儲。

1.2系統(tǒng)通信組網(wǎng)設計

系統(tǒng)通信組網(wǎng)主要包括遠程通信網(wǎng)與本地通信網(wǎng)，監(jiān)控管理系統(tǒng)通信組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2.1遠程通信網(wǎng)

遠程通信網(wǎng)主要為了滿足監(jiān)控管理系統(tǒng)與無線通信模塊之間進行通信，其具有數(shù)據(jù)量大、通訊范圍廣、雙向可靠通信的特點。遠程通信方式主要包括光纖、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)等，本系統(tǒng)采用Wi-Fi通信技術(shù)實現(xiàn)遠程無線公網(wǎng)通信。

1.2.2本地通信網(wǎng)

本地通信網(wǎng)主要滿足無線通信模塊與DSP之間進行通信，其主要通信方式包括電力線載波、微功率無線、RS485通信等。本系統(tǒng)根據(jù)客戶需求采用RS485方式實現(xiàn)本地通信。

1.2.3MQTT服務器

設備數(shù)據(jù)接入云端采用MQTT協(xié)議。該協(xié)議是在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，具有網(wǎng)絡占用開銷小、帶寬低、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應用下的信息采集和工業(yè)控制。

圖3MQTT消息隊列發(fā)送機制

本系統(tǒng)服務端搭建EMQX服務器。EMQX平臺是基于Erlang/OTP開發(fā)的MQTT消息服務器，是開源社區(qū)中*流行的MQTT消息服務器。EMQX更適用于平臺側(cè)。EMQX代理服務器優(yōu)勢在于具有高并發(fā)連接與高吞吐消息的服務能力，以及物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧支持的完整性，擴展能力較強。單臺的EMQX代理就能滿足本系統(tǒng)設計需求。

2系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1硬件整體架構(gòu)設計

監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性價比很高，具有非常高的控制性能，主頻為60MHZ，其供電方式為單電源供電。

圖4光伏監(jiān)控系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源電路、Wi-Fi通信模塊、ADC調(diào)理電路、逆變器功率電路過零點及故障中斷輸入電路、DSP微處理器。電源電路負責為DSP微處理器和各模塊提供電壓，ADC調(diào)理電路等將模擬量輸入DSP處理器，DSP內(nèi)置的ADC模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供TMS320F28335處理。經(jīng)處理分析后的數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸至Wi-Fi通信模塊，完成基本數(shù)據(jù)的采集。

2.2數(shù)據(jù)采集及無線通信設計

逆變器數(shù)據(jù)采集模塊包括ADC兩路采樣電路。采集的數(shù)據(jù)包括PV電壓電流、BUS電壓電流、GRID電壓電流、逆變器功率等。其中，逆變器功率通過等級編碼的形式供TMS320F28335讀取，在采集線路與TMS320F28335之間還需要通過ADC采樣電路切換來決定通過哪一路進行數(shù)據(jù)采集。由于采集模塊主DSP芯片引腳不足，使用TMS320F28035作為從DSP芯片。其與主DSP采用SPI通信方式進行通信，從DSP只有一路ADC采樣電路。除此之外，為了將采集到的數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)上傳至應用層，監(jiān)控系統(tǒng)設備端具有獨立的無線通信模塊，支持4G/Wi-Fi傳輸。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括設備端通信實現(xiàn)與應用層平臺開發(fā)。

3.1設備端通信軟件設計

設備端通信即本地通信組網(wǎng)的實現(xiàn)，主要實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5設備端通信實現(xiàn)流程

首先，需要對STM32芯片寄存器進行初始化配置。系統(tǒng)初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區(qū)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化完成后，向ADC采樣電路發(fā)送信號，每隔60秒發(fā)送一次。模擬量經(jīng)過ADC采樣電路傳遞至DSP處理器處理，處理后的數(shù)據(jù)以JSON的格式通過RS485傳輸至Wi-Fi通信模塊。Wi-Fi模塊通過綁定服務器IP與端口號與MQTT服務代理建立連接。通信模塊需要與應用平臺的MQTT模塊訂閱相關(guān)的主題進行通信。

3.2可視化平臺軟件設計

平臺基于B/S架構(gòu)設計，前端采用Vue框架，后端采用Egg框架。

圖6可視化平臺架構(gòu)

根據(jù)客戶要求，本可視化平臺采用的是瀏覽器/服務器(B/S)架構(gòu)。用戶須通過客戶端的瀏覽器登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)前端通過HTTP協(xié)議訪問后端服務器與數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)平臺架構(gòu)的中心。

圖7可視化平臺功能模塊劃分

可視化平臺集用戶管理、權(quán)限管理、站點管理、設備管理、消息管理、數(shù)據(jù)大屏展示等功能模塊為一體，可實時監(jiān)測光伏電站逆變器發(fā)電量、發(fā)電功率等重要參數(shù)，并能對逆變器的歷史數(shù)據(jù)進行調(diào)取，便于相關(guān)技術(shù)人員進行分析。

平臺前后端整體架構(gòu)如圖8所示。

圖8平臺軟件架構(gòu)設計

平臺前端技術(shù)棧主要包括Vue.js、Vue-Router、Vuex、axios、Element-UI、Echarts、iconfont等。前端采用Vue-Router和Vuex進行全局路由配置和全局狀態(tài)管理，使用自定義的組件作為頁面容器。根據(jù)不同需求，采用Axios向后端發(fā)送不同的請求，以獲取相應數(shù)據(jù)并實現(xiàn)相應頁面展示功能。

前端與硬件設備交互采用MQTT協(xié)議，通過訂閱pub/PGSOL10KTL/#主題接收來自EMQX代理發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息。JSON格式的信息體按照字段定義解析后，通過STORE模塊提交到Vuex共享狀態(tài)管理模塊。

前端頁面再通過Vuex獲取數(shù)據(jù)及告警信息進行展示。為了緩解前端數(shù)據(jù)壓力，通過定時器定時清除緩存數(shù)據(jù)。

可視化平臺后端采用Egg企業(yè)級框架。Egg框架是在Koa架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行的二次構(gòu)建，其內(nèi)置了多進程管理機制以及便于開發(fā)者使用的插件，具有性能可靠穩(wěn)定、測試范圍廣等特性。本平臺后端采用的技術(shù)棧主要包括RESTful、MySQL、mqtt.js、model、control?ler等。后端依次對每一幀經(jīng)MQTT服務器傳輸過來的數(shù)據(jù)進行過濾，并將供前端調(diào)用的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

4系統(tǒng)設計方案

安科瑞電光伏電站監(jiān)控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結(jié)多年的開發(fā)、實踐經(jīng)驗和大量的用戶需求而設計針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1軟件運行環(huán)境配置

服務器上安裝Windows7操作系統(tǒng)。

4.2光伏電站電力監(jiān)控軟件架構(gòu)

軟件采用C/S架構(gòu)，實時采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計發(fā)電量和氣象數(shù)據(jù)。

4.3光伏電站電力監(jiān)控軟件功能

對光伏電站的整體信息進行監(jiān)控，采用圖形和數(shù)據(jù)的形式實時動態(tài)地展現(xiàn)電站概況、電站實時發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計信息。包括電站概括、環(huán)境參數(shù)、實時信息、發(fā)電量統(tǒng)計及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)測與顯示，如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。

a）通過對電站內(nèi)一次及二次配電網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內(nèi)各電氣設備的運行情況及狀態(tài)，并對電站的并網(wǎng)狀態(tài)、有/無功功率流向情況等進行實時監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據(jù)微逆變反應的數(shù)據(jù)顯示各組太陽能電池板的工作狀態(tài)（是否正常發(fā)電），根據(jù)組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率，分別計量兩種兩種逆變方式的發(fā)電量日發(fā)電量、日發(fā)電量曲線、月發(fā)電量柱狀圖、年發(fā)電量柱狀圖等，并對這兩種方式發(fā)電量進行對比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標包括：

直流電壓、直流電流、直流功率

交流電壓、交流電流

逆變器內(nèi)溫度、時鐘

頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率

日發(fā)電量、累積發(fā)電量、累積CO2減排量

電網(wǎng)電壓過高、電網(wǎng)電壓過低

電網(wǎng)頻率過高、電網(wǎng)頻率過低

直流電壓過高、直流電壓過低

逆變器過載、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP故障、通訊故障等。

監(jiān)控系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓—時間曲線、功率—時間曲線等，直流側(cè)輸入電流實時曲線、交流側(cè)逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發(fā)電量等電參量；

d）交流匯流箱監(jiān)控

交流匯流箱主要監(jiān)測指標包括：

光伏組串輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發(fā)電功率、總發(fā)電量

匯流箱輸出電流、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監(jiān)測允差報警

傳輸電纜/短路故障告警

空氣開關(guān)狀態(tài)、故障信息等

e）交流配電柜監(jiān)控

交流配電柜主要監(jiān)測指標包括：

光伏發(fā)電總輸出有功功率、無功功率

功率因數(shù)、電壓、電流

斷路器故障信息、防雷器狀態(tài)信息等

f）并網(wǎng)柜監(jiān)控

通過對并網(wǎng)柜的監(jiān)控，計量上網(wǎng)電量、內(nèi)部用電量、電能質(zhì)量、光伏發(fā)電系統(tǒng)有功和無功輸出、發(fā)電量、功率因數(shù)、并網(wǎng)點的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數(shù)，計算碳減排量，并折算成標準煤，計算發(fā)電收益。

g）環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

環(huán)境參數(shù)主要監(jiān)測指標包括：

日照輻射

風速、風向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導電池板需要清洗等信息。

h）歷史數(shù)據(jù)管理

監(jiān)控系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現(xiàn)場的各種事件進行記錄，如：通訊采集異常、開關(guān)變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警值進行更改設置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時內(nèi)光伏發(fā)電量與該日日照強度，環(huán)境溫度，風速等的波動情況。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示，建議運維人員前往現(xiàn)場檢查是否有故障發(fā)生等；另外對于并網(wǎng)柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進行監(jiān)視，當出現(xiàn)開關(guān)變位及時報警，提醒運維人員。

啟動鍋爐房、尿素車間、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖如圖3所示。

觀展平臺分布式光伏展示圖如圖4所示。

圖3啟動鍋爐房、尿素車間、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖

圖4觀展平臺分布式光伏展示圖

5結(jié)論語

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可視化平臺與手機移動App對光伏電站進行遠程在線監(jiān)測與故障識別。與傳統(tǒng)光伏電站運維方式相比，具有節(jié)約人力資源、節(jié)省運維成本以及數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)勢。同時，此方案的提出也為物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)自動化中的廣泛應用提供一定的參考。

參考文獻

[1]白羽,張恰恰,趙黛青,等.關(guān)于積極推廣以數(shù)字能源技術(shù)和低碳政策創(chuàng)新推動“一帶一路”國家綠色低碳發(fā)展的建議:以光伏發(fā)電規(guī)?；l(fā)展為例[J].中國發(fā)展,2022,22(2):87-91.

[2]肖瑤,鈕文澤,魏高升,等.太陽能光伏/光熱技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述[J].發(fā)電技術(shù),2022,43(3):392-404.

[3]詹天津,謝玉榮.國內(nèi)分布式光伏發(fā)展形勢分析及思考[J].華電技術(shù),2021,43(12):60-65.

[4]劉強鋒.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應用探究[J].石河子科技,2023(1):28-30.

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

[6]紀顯奇,張文瀟,姚彬杰,李偉令,蔣成博,王紅慶.基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)設計，1009-3044(2024)08-0103-04.