【应用案例】基于物联网云平台的分布式光伏监控系统的分析

未晓妃

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

  近年来，云计算技术逐渐兴起，其应用模式和传统几种模式不同，具有共享池化的资源、自助服务按需付费等特点，通过管理中间件系统进行资源的整合，提升效率。本文基于B/S架构的数据实时采集与推送，以SSH为Web框架，开发了基于云平台的光伏发电远程监控系统。为解决光伏站点分布不均、发电站监控数据量大等实际问题，通过云计算技术在云端实现对多种类、多站点的电流、电压等数据进行实时监控与分析，确保系统运行的稳定性。通过合理设计SQLServer数据库，结合本地数据库和云端数据库，实现数据的云端存储、计算和调用，提高计算的实时性。利用友好的人机界面，将数据通过报表等多种可视化方式展现，提高系统可用性和操作方便性。

1、光伏发电系统

      光伏发电系统是一种利用光伏电池元件将太阳能转化为电能的装置。太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，它能将太阳能转换为电能，同时利用串联和并联的形式提高光伏发电系统的并网电压和并网容量以达到并网的条件。由于光伏发电系统的波动性和间歇性，为保证光伏发电系统的稳定输出，光伏电站都配置一定容量的储能装置，以提高光伏电站输出的平稳性。因此，在实际光伏电站系统中需配置控制器对蓄电池的充放电情况进行控制以保证储能保障蓄电池的正常使用。光伏发电系统结构如图1所示。

 

      光伏发电系统的主要由光伏阵列、蓄电池、控制器和逆变器组成。

2、云计算平台架构

      云计算的定义较为宽泛，云计算是基于互联网的计算模式，提供基于网络的分布式存储、计算和展示，网络访问具有可行、便捷、按需的特点。当系统接收访问，进入计算资源共享池，即可迅速响应，为用户提供服务器、网络、存储、服务、应用软件等资源，在用户和服务供应商间仅需做少量交互从而大大减少管理的工作量。这也是云计算的主要的优点所在。云计算系统的后台拥有特殊的网络拓扑结构，该拓扑结构对数目庞大的服务器进行合理组织，保证云计算稳定运行。本系统采用微软WindowsAzurePlatform云计算平台，提供基于微软数据随用随付费的灵活服务模式。该云计算平台有一下特点：微软云中的应用开发不需企业自身进行部署和维护，也无需关注底层的结构。在微软云中，可以使用Windows和Linux两种虚拟机，同时也支持开源工具(PHP、Node．js等)。因此，用户只需按自己的实际需求，灵活地部署虚拟机和调用存储空间，大大减少程序的调试时间，增加程序的开发速度。面对客户日益增长的需求，本系统还可以根据业务的变化向外扩展，提供更多的资源。云计算的使用大大降低了硬件的购买和维护费用，并且可以与本地的IT设施协同使用，使得用户能够整合式地体验从本地到云端的管理、虚拟化、存储和开发的过程，云平台架构如图2所示。

 

3、监控系统设计

3.1光伏发电监控系统总体结构

      本文设计一种采用WindowsAzure和Web相结合的新型光伏发电监控系统。主要特点有：①应用层采用友好的用户界面，让不同客户都可以快捷方面的操作本系统；②采用B/S体系结构，充分利用B/S的优点，减少用户的工作量，可以随时进行操作；③利用SSH集成开发框架，从表示层、业务逻辑层、数据层和与模块层将系统各层分离，便于开发人员开发和后期维护；④利用云计算的存储和较强的计算能力，将系统部署到WindowsAzure中，减少设备的花费和维护的费用；⑤使用前端ECharts插件将数据进行图形化处理，对某一时间段同类数据或不同类数据进行对比分析，分析光伏电站的运行情况。

3.2模块

      本监控系统对采集到的各类电站数据进行分析，系统模块主要包括数据采集模块、数据通信模块、数据库和监控终端四个模块。

3.2.1数据采集模块

      数据采集模块采集光伏电站实时运行数据，光伏电站运行过程中涉及各类数据，包括：光伏阵列、逆变器、环境监测仪、计量器等。另外，除了设备本身直接获取的基础数据外，还有部分数据需要通过基本数据衍生计算。数据采集模块结构如图4所示。

 

3.2.2数据通信模块

      在现场监控中，采集数据信息需要稳定的上传至上位机以及服务器，因此，通信不仅需要完成数据传送的基本功能，还需要保证所传送数据的准确性和实时性。本系统采用ＲS－485串行通信标准和Modbus通信协议，该协议规定了主机与从机之间通信的规则，独立于物理层，配合ＲS－485总线标准，实现数据稳定可靠的传输。

3.2.3数据库模块

      数据库负责前端界面对数据的调用和后台数据的存储，光伏发电监控系统需要监测的数据结构多样，数据库的设计和数据模型结构关系到数据的完整性和可维护性。本系统采用SQLServer关系型数据库，实现对系统结构数据和非结构数据的记录、筛选、编辑、删除、排序和分组统计等功能。云端SQLAzure数据库与SQLServer数据库使用SQLServerExpress工具实现同步管理。同时，在系统中利用Hibernate框架将数据层和业务逻辑层分离，减少程度代码的复杂度。

3.2.4监控终端

      现场监控主要由数据采集模块、上位机、数据传输通道、数据库构成。光伏组件上装有各类的传感器，电压、电流等数据通过传感器送到数据集中模块，经信号调节电路滤波处理后将数据进行归类分析，现场通过ＲS－485接口实现数据的传输和存储。现场监控显示各种元器件数据、发电量、报警、报表等信息。同时，也可以通过命令实现对模块的控制，比如：模块参数、分合闸信息等。现场监控结构如图5所示。

 

      现场数据监控终端可以向工作人员提供电站的实时数据信息和历史数据信息，展示电站的运行状态，终端监控功能如图6所示。

 

      本地数据通过上位机接收存储到数据库，利用Eclipse平台配置和部署云环境，将本地数据库转移至云存储中，实现云端数据库和前台界面的数据交互，用户可以在浏览器上方便地查询各地站点的信息。远程B/S服务体系结构图7所示。

 

4、安科瑞分布式光伏运维云平台介绍

4.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台通过监测光伏站点的逆变器设备，气象设备以及摄像头设备、帮助用户管理分散在各地的光伏站点。主要功能包括：站点监测，逆变器监测，发电统计，逆变器一次图，操作日志，告警信息，环境监测，设备档案，运维管理，角色管理。用户可通过WEB端以及APP端访问平台，及时掌握光伏发电效率和发电收益。

4.2应用场所

      目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。

4.3系统结构

      在光伏变电站安装逆变器、以及多功能电力计量仪表，通过网关将采集的数据上传至服务器，并将数据进行集中存储管理。用户可以通过PC访问平台，及时获取分布式光伏电站的运行情况以及各逆变器运行状况。平台整体结构如图所示。

 

4.4系统功能

      AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台软件采用B/S架构，任何具备权限的用户都可以通过WEB浏览器根据权限范围监视分布在区域内各建筑的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、电站信息、逆变器状态、发电功率曲线、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。

1）光伏发电

综合看板、电站状态、逆变器状态、电站发电统计、逆变器发电统计、配电图、逆变器曲线分析

2）事件记录

3）运行环境

4.5系统硬件配置

4.5.1交流220V并网

      交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。

      部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

 

4.5.2交流380V并网

 

        光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。

      部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能，系统图如下。

 

      这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

 

 

4.5.310kV或35kV并网

      根据《能源局关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项通知》（国发新能〔2019〕49号），对于需要补贴的新建工商业分布式光伏发电项目，需要满足单点并网装机容量小于6兆瓦且为非户用的要求，支持在符合电网运行技术要求的前提下，通过内部多点接入配电系统。

      此类分布式光伏装机容量一般比较大，需要通过升压变压器升压后接入电网。由于装机容量较大，可能对公共电网造成比较大的干扰，因此供电部门对于此规模的分布式光伏电站稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

       光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。

      上图为一个1MW分布式光伏电站的示意图，光伏阵列接入光伏汇流箱，经过直流柜汇流后接入集中式逆变器(直流柜根据情况可不设置)，经过升压变压器升压至10kV或35kV后并入中压电网。由于光伏电站装机容量比较大，涉及到的保护和测控设备比较多，主要如下表：

 

作者介绍

未晓妃，安科瑞电气股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向为微电网能效管理和环保安全用电。