泛在電力物聯(lián)網(wǎng)全息感知下分布式光伏監(jiān)測技術的探究

趙曉菲

（蘭州石化職業(yè)技術大學 甘肅 蘭州 730060）

0 引言

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是一種整合了物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術、大數(shù)據(jù)分析技術和先進通信技術的具備狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用、便捷、靈活特征的智慧服務系統(tǒng)，是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的主流[1]。目前我國國家電網(wǎng)公司已經開始了全面的電力系統(tǒng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設工作部署，計劃到2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，構建業(yè)務協(xié)同、數(shù)據(jù)貫通和統(tǒng)一物聯(lián)管理的公司級智慧能源綜合服務平臺，全面形成共建共治共享的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈[2]。

分布式光伏電站作為我國電力能源系統(tǒng)的重要組成部分，在整個電力系統(tǒng)中有著不可替代的作用[3]。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的全面應用和對電力系統(tǒng)的重構，在分布式光伏電站中也必須具備全息感知的監(jiān)測系統(tǒng)，并接入到國家電網(wǎng)的智慧能源綜合服務平臺，才能有效地融入到國家能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，發(fā)揮其作用和價值[4]。目前研究工作者針對系統(tǒng)架構和通信網(wǎng)絡設計兩個方面開展理論和應用研究，取得了一些成果，如肖振鋒等[5]就從系統(tǒng)架構和技術整合上應用先進的通信架構模型來提升分布式光伏發(fā)電站，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；陳麒宇[6]對網(wǎng)絡的底層技術進行優(yōu)化，以實現(xiàn)在光伏電站監(jiān)測終端運行高性能的分布式網(wǎng)絡服務模型；Liu JC等[7]通過采用AI搜索算法對底層的協(xié)議進行了優(yōu)化，提高了路由節(jié)點處理的穩(wěn)定性和速度，但是對設備的硬件性能要求提高。從這些研究來看，大部分是集中在算法優(yōu)化和系統(tǒng)的改進上，很少專門針對電力設備信息通信傳輸過程中的信息交換服務模型開展研究。而從并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來看，系統(tǒng)對設備端狀態(tài)監(jiān)測的有效性和可靠性，直接關系到整個系統(tǒng)的決策，而這些通過簡單的算法優(yōu)化和速度優(yōu)化是無法解決的，必須構建可靠的適合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)絡的信息模型，從事件信息監(jiān)測、事件記錄有效追蹤、上報機制等多個維度來進行可靠的設計，是實現(xiàn)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集和可靠通信交互的基礎，在這方面開展相關研究工作非常必要，是解決未來光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)中實現(xiàn)對設備信息可靠、穩(wěn)定監(jiān)控的關鍵。

在上述背景下，本文以分布式光伏電站設備狀態(tài)信息可靠監(jiān)測技術為研究對象，對其中涉及的通信傳輸網(wǎng)絡的通信交互的可靠性和互操作性開展深入研究。

1 通信系統(tǒng)架構及網(wǎng)絡通信交互及數(shù)據(jù)傳輸分析

1.1 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及通信構架

如圖1所示，基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設計上通常采用分層架構模式進行設計，從數(shù)據(jù)和業(yè)務上將系統(tǒng)分為3個層，每個層有對應的子系統(tǒng)負責處理相關的工作，其中第1層是分布式光伏系統(tǒng)，負責泛在電力物聯(lián)網(wǎng)上設備在光伏電站內網(wǎng)絡請求的產生；第2層是接入計算層，負責邊緣計算設備通信協(xié)議的轉換和傳輸及計算；第3層是用戶需求層，負責物聯(lián)網(wǎng)用戶網(wǎng)絡需求的產生。

在上述架構下，分布式光伏系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)計算單元主要由3部分組成：物聯(lián)網(wǎng)設備目錄，負責站內范圍的界定和設備的管理；設備數(shù)據(jù)，所有站內設備產生的數(shù)據(jù)；設備計算過程，包含設備要有組件與Arduino服務器相互關聯(lián)，其被部署在整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構的第二層，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧化服務及管理平臺提供數(shù)據(jù)接入和通信交互，實現(xiàn)對光伏電站的集中監(jiān)控和管理。

1.2 分布式光伏電站中光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)監(jiān)測原理

隨著分布式光伏系統(tǒng)智能化程度的提升，對光伏發(fā)電板組件的監(jiān)測與控制力度不斷加強，發(fā)電板組件管理系統(tǒng)（SPMS）隨之應運而生。在光伏發(fā)電板組件監(jiān)測中，其中發(fā)電板的輸出的電荷狀態(tài)是其中一個重要監(jiān)測數(shù)據(jù)，其是整個SPMS監(jiān)測系統(tǒng)在進行光伏發(fā)電板組件監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理核心，通過該參數(shù)進行估計和計算光伏發(fā)電板的組件壽命，對光伏發(fā)電板組件壽命進行預測，以及時發(fā)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中老化和故障的發(fā)電板組件。在計算中，通常是通過如下理論模型來計算光伏發(fā)電板壽命系數(shù)：

上述理論模型，其各個參數(shù)含義如下：VMIN-表示的是光伏發(fā)電板組件輸出的最小電壓，無光照的時候的電壓；VAVE-表示的是光伏發(fā)電板在飽和光照情況下的輸出胡的平均電壓；L-表示的是光伏發(fā)電板組件在并網(wǎng)輸電的過程總的超負載次數(shù)；LMax-表示的是光伏發(fā)電板組件工作的最大超負載次數(shù)；CM-表示的是光伏發(fā)電板組件當前輸出電量預期值；CN-表示的是當前光伏發(fā)電板組件在飽和日照的情況下額定輸出電量。

本文提出的光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)預測方法，即在光伏發(fā)電板組件工作的過程中，預測上述理論模型中的L和CM。

在監(jiān)測的過程中，利用最近5次在光照飽和的情況下工作的過程中，光伏發(fā)電板組件并網(wǎng)接入過程中的輸出的平均電量，和廠商在出廠檢測的過程中對該類型的光伏發(fā)電板組件進行測試的過程中，記錄的飽和光照情況下的連續(xù)5次的光伏發(fā)電板的電量，進行差值處理，計算得到光伏發(fā)電板的壽命狀態(tài)。

利用最近5次在光照飽和情況下，光伏發(fā)電板的輸出平均電量（光伏發(fā)電板輸出容量值）與該類型出廠時的光伏發(fā)電板光電及輸出電量曲線中，任意連續(xù)5次的光伏發(fā)電板電量求差、平方，再求5次平方和的均方，均方最小的即為所求，從而得出光伏發(fā)電板組件所處的壽命狀態(tài)。

光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)預測算法，使用的數(shù)據(jù)有預存平均輸出電量C、當?shù)厝照粘渥銜r平均電量Q和并網(wǎng)接入過程中的循環(huán)地接入輸電次數(shù)L，三者之間的關系描述見表1。

表1 預測光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)的數(shù)據(jù)關系

基于上述數(shù)據(jù)和SPMS客戶端數(shù)據(jù)庫中預存的光伏發(fā)電板出廠時的電量輸出的特性數(shù)據(jù)，可以通過如下數(shù)學模型來進行壽命預測分析和計算：

在上述模型中，各個參數(shù)的含義如下：k-k∈[1,LMAX-5]；Yk-光伏發(fā)電板組件命系數(shù)較不同k值對應的Yk值；Qn-為發(fā)電板的實際的輸出電能值。

通過對光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)監(jiān)測原理分析，可知在監(jiān)測的過程中，系統(tǒng)需要實時準確地上報光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)事件，并且要確保事件在上報的過程中的同步。所有的事件必須以嚴格的時序進行上報，這種情況下后臺的監(jiān)控系統(tǒng)才可以正確處理這些事件數(shù)據(jù)，并對這些事件數(shù)據(jù)進一步分析和決策。如果事件上報的時序出現(xiàn)問題，將影響后臺監(jiān)控中心對發(fā)電板的壽命的預測分析，這將直接出現(xiàn)誤報的情況，或者對發(fā)電板壽命狀態(tài)進行誤判，輕則增加維護成本，嚴重的情況下，這些事件狀態(tài)會導致一些異常失效的發(fā)電板無法被監(jiān)測到，導致整個光伏系統(tǒng)超負荷異常運行，最終出現(xiàn)大面積的設備燒壞造成嚴重的經濟損失，因此需要一個可靠的能夠確保這些事件數(shù)據(jù)以嚴格的時序，并且在任何的情況下都能夠被追蹤和上報到監(jiān)控中心的網(wǎng)絡通信機制，以保證整個通信的穩(wěn)定性和可靠性。

基于上述分析，本文將繼續(xù)討論如何在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及通信構架基礎上，構建可靠的通信事件報告追蹤機制，以滿足上述通信傳輸需求。

2 基于事件驅動報告在電力物聯(lián)網(wǎng)設備網(wǎng)絡通信事件追蹤機制

2.1 光伏發(fā)電板組件設備信息數(shù)據(jù)監(jiān)控通信網(wǎng)絡

在已有的基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)全息感知的分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中，對于光伏系統(tǒng)光伏組件設備的監(jiān)控基本原理，是通過光伏設備智能終端收集設備上的數(shù)據(jù)信息，實時通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)焦夥O備集中管理中心和云端[8]，通過相關的監(jiān)控模塊和算法，對設備數(shù)據(jù)信息進行分析，以實現(xiàn)對設備的狀態(tài)和壽命數(shù)據(jù)的監(jiān)控和預測。

2.2 基于事件驅動報告的網(wǎng)絡通信事件追蹤機制設計

基于上述分析，本文在設計中Li SW等[9]提出，基于嚴格時序和事件驅動的數(shù)據(jù)同步報告，通信服務機制來構建整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電板組件設備數(shù)據(jù)的報告機制，其原理見圖2。

在上述機制中，其核心需要實現(xiàn)事件的可靠報告和嚴格的時序管理，通過事件的可靠報告以確保在通信網(wǎng)絡中傳輸?shù)氖录谌魏吻闆r下不丟失，同時借助于嚴格時序管理有效地控制事件通信過程中的時序，為監(jiān)控和預測分析識別每個事件發(fā)生的時序做出可靠預測提供數(shù)據(jù)基礎[10]。

其中在事件報告設計中，按照IEC61850中對DER設備的數(shù)據(jù)報文的規(guī)范和要求，同時兼容本文設計的事件報告?zhèn)鬏敊C制，通過設定事件檢測器來對成員的數(shù)據(jù)進行實時性監(jiān)測，并且負責執(zhí)行事件處理邏輯，決定報告的觸發(fā)方式和時間等機制，報告處理器主要是負責根據(jù)配置信息生成事件報告信息，對事件報告中的相關的字段，包括條目時間（TimeOfEntry）、條目標識符（EntryID）等進行初始化，并保存到報告中，同時在報告中根據(jù)事件檢測器的決策將數(shù)據(jù)寫入到報告中交由報告控制器進行處理；報告控制負責控制報告控制塊（RCB，包括BRCB和URCB）屬性配置，控制報告的形成及發(fā)布，同時基于BRCB屬性有DatSet和TrgOps中提供的觸發(fā)選項dchg、qchg、dupd來實現(xiàn)條件可控的觸發(fā)報告。本文光伏發(fā)電組件壽命狀態(tài)預測的數(shù)據(jù)同步以dchg作為觸發(fā)選項，光伏發(fā)電組件并網(wǎng)輸電完畢時候的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

在嚴格時序管理上，依據(jù)前文所述的光伏發(fā)電板組件壽命狀態(tài)預測算法，預測光伏發(fā)電板組件系統(tǒng)處于光伏發(fā)電板組件壽命的某個階段，需獲取最近5次光伏發(fā)電板組件并網(wǎng)輸電完畢時的Vol、Amp和InBatTmp信息，需要確保這5次數(shù)據(jù)傳輸中按照嚴格時序排列輸送到監(jiān)控中心。為此，本文從連續(xù)通信時候的時序管理，通信關聯(lián)、丟失重新恢復時的時序管理和設備停機重啟時的時序同步3個方面進行全面考慮設計，相關的通信機制以確保任何情況下都能夠進行嚴格時序同步，對于連續(xù)通信狀態(tài)，采用SqNum作為順序報告的標識，序列號沒有上限以實現(xiàn)連續(xù)通信的可靠控制；對于通信關聯(lián)丟失重新恢復時的時序管理，本文使用SqNum作為順序報告的標志，對光伏發(fā)電板組件的報告事件進行順序標記，并且在光伏發(fā)電板組件的報文中定義SqNum和TimeOfEntry兩個變量來指示報告順序的標志，以確保在該情況下通信的數(shù)據(jù)交互能夠遵循嚴格時序過程。對于設備停機重啟時的時序同步設計上，本文將BRCB行為狀態(tài)機置于重新同步狀態(tài)，在光伏發(fā)電板組件設備報文中定義了SetBRCBValues服務，通過該服務在運行的過程中將EntryID設置為BRCB發(fā)送的最后一個報告的EntryID，進而在RBCB上實現(xiàn)嚴格的時序同步處理。

3 結語

綜上所述，本文針對基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構建的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中的設備、網(wǎng)絡通信過程中的數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)時序錯亂的通行問題，構建基于時間驅動報告和嚴格時序管理的通信事件追蹤機制，通過該機制在通信網(wǎng)絡中的應用，可以在兼容已有的電力設備通信標準的前提下實現(xiàn)更加可靠的網(wǎng)絡通信傳輸。

隨著我國國家電網(wǎng)全面推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設和應用，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，未來必將成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)重點改造和建設對象。