0引言

近年來，我國(guó)積極推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(guó)際上已經(jīng)位于前列，電力裝機(jī)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(diǎn)。這不僅會(huì)使光伏發(fā)電量得到有效提高，同時(shí)也降低了電力系統(tǒng)在輸送電過程中的損耗，在當(dāng)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(shí)，也會(huì)給分布式光伏電站的維護(hù)帶來諸多的問題與挑戰(zhàn)，如當(dāng)光伏電站在發(fā)電過程中發(fā)生故障時(shí)，無法快速定位故障點(diǎn)，從而消耗人力資源等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為5G時(shí)代較為重要的先進(jìn)技術(shù)之一，其在各行各業(yè)中都有著極其重要的應(yīng)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(shì)，針對(duì)如何降低光伏電站的運(yùn)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(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(tái)。基于物聯(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(shè)計(jì)，主要包括設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。設(shè)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(luò)層（云服務(wù)器）。云端服務(wù)器的MQTT服務(wù)通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議與Web服務(wù)端、前端分別建立連接，數(shù)據(jù)可以直接通過MQTT服務(wù)器實(shí)時(shí)推送到應(yīng)用層前端進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，同時(shí)，服務(wù)端對(duì)需要被調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析、存儲(chǔ)。

1.2系統(tǒng)通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信組網(wǎng)主要包括遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信網(wǎng)

遠(yuǎn)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(jìn)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(diǎn)。遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)本地通信。

1.2.3MQTT服務(wù)器

設(shè)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(luò)占用開銷小、帶寬低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的信息采集和工業(yè)控制。

圖3MQTT消息隊(duì)列發(fā)送機(jī)制

本系統(tǒng)服務(wù)端搭建EMQX服務(wù)器。EMQX平臺(tái)是基于Erlang/OTP開發(fā)的MQTT消息服務(wù)器，是開源社區(qū)中*流行的MQTT消息服務(wù)器。EMQX更適用于平臺(tái)側(cè)。EMQX代理服務(wù)器優(yōu)勢(shì)在于具有高并發(fā)連接與高吞吐消息的服務(wù)能力，以及物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧支持的完整性，擴(kuò)展能力較強(qiáng)。單臺(tái)的EMQX代理就能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1硬件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性價(jià)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(diǎn)及故障中斷輸入電路、DSP微處理器。電源電路負(fù)責(zé)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(shè)計(jì)

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(jí)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(jìn)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(jìn)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(yīng)用層，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備端具有獨(dú)立的無線通信模塊，支持4G/Wi-Fi傳輸。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括設(shè)備端通信實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層平臺(tái)開發(fā)。

3.1設(shè)備端通信軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端通信即本地通信組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5設(shè)備端通信實(shí)現(xiàn)流程

首先，需要對(duì)STM32芯片寄存器進(jìn)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(hào)，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(wù)器IP與端口號(hào)與MQTT服務(wù)代理建立連接。通信模塊需要與應(yīng)用平臺(tái)的MQTT模塊訂閱相關(guān)的主題進(jìn)行通信。

3.2可視化平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，前端采用Vue框架，后端采用Egg框架。

圖6可視化平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)客戶要求，本可視化平臺(tái)采用的是瀏覽器/服務(wù)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(wù)器與數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)的中心。

圖7可視化平臺(tái)功能模塊劃分

可視化平臺(tái)集用戶管理、權(quán)限管理、站點(diǎn)管理、設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)逆變器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，便于相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析。

平臺(tái)前后端整體架構(gòu)如圖8所示。

圖8平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)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(jìn)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(qǐng)求，以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頁面展示功能。

前端與硬件設(shè)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(jìn)行展示。為了緩解前端數(shù)據(jù)壓力，通過定時(shí)器定時(shí)清除緩存數(shù)據(jù)。

可視化平臺(tái)后端采用Egg企業(yè)級(jí)框架。Egg框架是在Koa架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次構(gòu)建，其內(nèi)置了多進(jìn)程管理機(jī)制以及便于開發(fā)者使用的插件，具有性能可靠穩(wěn)定、測(cè)試范圍廣等特性。本平臺(tái)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(duì)每一幀經(jīng)MQTT服務(wù)器傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并將供前端調(diào)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的用戶需求而設(shè)計(jì)針對(duì)用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1軟件運(yùn)行環(huán)境配置

服務(wù)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(shí)時(shí)采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計(jì)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(duì)光伏電站的整體信息進(jìn)行監(jiān)控，采用圖形和數(shù)據(jù)的形式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)電站概況、電站實(shí)時(shí)發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計(jì)信息。包括電站概括、環(huán)境參數(shù)、實(shí)時(shí)信息、發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及發(fā)電量信息

通過主界面可以對(duì)光伏陣列現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，如室外溫度值、風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度等。

a）通過對(duì)電站內(nèi)一次及二次配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內(nèi)各電氣設(shè)備的運(yùn)行情況及狀態(tài)，并對(duì)電站的并網(wǎng)狀態(tài)、有/無功功率流向情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據(jù)微逆變反應(yīng)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(jì)量?jī)煞N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(duì)這兩種方式發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)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(shí)鐘

頻率、功率因數(shù)、當(dāng)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(shí)間曲線、功率—時(shí)間曲線等，直流側(cè)輸入電流實(shí)時(shí)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(cè)指標(biāo)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(cè)允差報(bào)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(cè)指標(biāo)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(duì)并網(wǎng)柜的監(jiān)控，計(jì)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(diǎn)的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數(shù)，計(jì)算碳減排量，并折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，計(jì)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(cè)指標(biāo)包括：

日照輻射

風(fēng)速、風(fēng)向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對(duì)比實(shí)際微逆或幾種微逆輸出指導(dǎo)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(duì)光伏發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的各種事件進(jìn)行記錄，如：通訊采集異常、開關(guān)變位、操作記錄等，時(shí)間記錄支持按類型查詢，并可對(duì)越限報(bào)警值進(jìn)行更改設(shè)置；

i）日發(fā)電趨勢(shì)分析

系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時(shí)內(nèi)光伏發(fā)電量與該日日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度，風(fēng)速等的波動(dòng)情況。

j）故障報(bào)警

當(dāng)電池板長(zhǎng)時(shí)間輸出功率偏低進(jìn)行故障指示，建議運(yùn)維人員前往現(xiàn)場(chǎng)檢查是否有故障發(fā)生等；另外對(duì)于并網(wǎng)柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)變位及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)維人員。

啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、化學(xué)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(tái)分布式光伏展示圖如圖4所示。

圖3啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、化學(xué)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(tái)分布式光伏展示圖

5結(jié)論語

本文設(shè)計(jì)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(tái)與手機(jī)移動(dòng)App對(duì)光伏電站進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別。與傳統(tǒng)光伏電站運(yùn)維方式相比，具有節(jié)約人力資源、節(jié)省運(yùn)維成本以及數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，此方案的提出也為物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用提供一定的參考。

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