分布式光伏電站智能運(yùn)營平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 羽

（上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 201999）

2020年9月，我國向國際社會(huì)鄭重宣布中國“碳達(dá)峰、碳中和”愿景。新能源作為“雙碳”的重要組成，再次成為社會(huì)的焦點(diǎn)?！敖鹛柺痉豆こ獭痹谌鐣?huì)播下了開發(fā)和利用新能源的種子。2018年，“531”政策的頒布將新能源發(fā)電正式推入無補(bǔ)貼“平價(jià)上網(wǎng)”的時(shí)代，加快了新能源市場(chǎng)化發(fā)展進(jìn)程?！半p碳”政策的頒布把新能源正式推向了發(fā)電行業(yè)的前臺(tái)，逐漸成為未來電力供給的主力軍。國家能源局官方數(shù)據(jù)顯示[1]，2021年我國光伏新增裝機(jī)容量為54.88 GW，其中分布式光伏為29.28 GW、光伏電站為25.60 GW。

分布式光伏相對(duì)集中式光伏（又稱光伏電站）有幾個(gè)明顯特征：第一，即發(fā)即用，項(xiàng)目裝機(jī)容量不大，單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)一般不超過6 MW；第二，以工商業(yè)建筑或家庭樓房屋頂作為依托，距地面有一定距離，安裝和運(yùn)維屬于高空作業(yè)，有安全風(fēng)險(xiǎn)；第三，分布區(qū)域廣，項(xiàng)目之間有明顯的物理邊界，單純依靠人力管理無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和問題[2]。隨著數(shù)量越來越多的分布式光伏電站的建成，光伏電站在其生命周期內(nèi)的生產(chǎn)安全和運(yùn)營質(zhì)量成為項(xiàng)目各方（建設(shè)方、用電方、運(yùn)營方）關(guān)注的核心問題。本文重點(diǎn)介紹如何利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造一個(gè)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、性能評(píng)估以及安全運(yùn)行功能的分布式光伏電站智能運(yùn)營管理平臺(tái)。

1 現(xiàn)狀及目標(biāo)

目前，盡管針對(duì)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)出臺(tái)了國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如《光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》[3]，但是對(duì)分布式電站的集中運(yùn)營系統(tǒng)仍缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。國內(nèi)主流光伏電站建設(shè)方大多是根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)定制，分布式電站的集中運(yùn)營系統(tǒng)仍處于發(fā)展階段。據(jù)行業(yè)調(diào)研，分布式光伏電站運(yùn)營平臺(tái)大致可以分3類。

組態(tài)軟件商提供的平臺(tái)?；陔娏π袠I(yè)監(jiān)控實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，以成熟的組態(tài)軟件為基礎(chǔ)拓展光伏發(fā)電的場(chǎng)景應(yīng)用。平臺(tái)有豐富的組態(tài)模塊，側(cè)重工業(yè)組態(tài)的展示，支持“拖拽”調(diào)用自由組合。客戶需要購買服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等硬件設(shè)備，遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)匯總后統(tǒng)一存儲(chǔ)在本地。

光伏設(shè)備商自研的平臺(tái)。以國內(nèi)龍頭逆變器制造商為例，華為、陽光電源以及錦浪科技等都有支撐其核心設(shè)備應(yīng)用的運(yùn)營平臺(tái)，以云服務(wù)為基礎(chǔ)，聚焦逆變器的運(yùn)行狀態(tài)兼顧系統(tǒng)其他關(guān)鍵電氣設(shè)備，適用裝機(jī)規(guī)模小、數(shù)量不多的分布式電站和家庭用戶電站的監(jiān)控。電站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，運(yùn)行數(shù)據(jù)客戶無法本地存儲(chǔ)。

云計(jì)算服務(wù)商提供的平臺(tái)。以阿里云、華為云為例，是集基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平 臺(tái) 即 服 務(wù)（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）為一體的云平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)先進(jìn)基礎(chǔ)服務(wù)功能強(qiáng)大，用戶無須軟硬件設(shè)備投入。光伏電站業(yè)務(wù)功能和基于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分析模塊需用戶和平臺(tái)服務(wù)提供方共同開發(fā)，在約定期限內(nèi)可以快速查詢運(yùn)行數(shù)據(jù)，而不需要通過系統(tǒng)屬地硬件存儲(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

分布式光伏電站運(yùn)營平臺(tái)不是光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的功能復(fù)制和電站數(shù)量累加后的集中展示，而是基于數(shù)字化運(yùn)營的思想，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建立的一個(gè)立足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要同時(shí)面向公司統(tǒng)一運(yùn)營管理的“兩維一體”化系統(tǒng)。平臺(tái)以現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全為出發(fā)點(diǎn)，以人為本，重點(diǎn)關(guān)注與安全生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)安全問題第一時(shí)間報(bào)警，做到安全告警零遺漏。建立數(shù)據(jù)中臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散數(shù)據(jù)的集中管理，精準(zhǔn)定位故障設(shè)備和異常光伏陣列，減少高空作業(yè)和上站排查時(shí)間，提高運(yùn)維人員的現(xiàn)場(chǎng)檢修效率和安全等級(jí)。動(dòng)態(tài)監(jiān)視關(guān)鍵設(shè)備的性能變化，探索故障預(yù)測(cè)和事前維護(hù)機(jī)制，引導(dǎo)生產(chǎn)管理從依靠“經(jīng)驗(yàn)”判斷向基于“數(shù)據(jù)”分析轉(zhuǎn)變。通過電站發(fā)電效率/有效發(fā)電小時(shí)數(shù)、光伏陣列電流/功率、逆變器發(fā)電量/發(fā)電效率等關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)分析，對(duì)電站和設(shè)備進(jìn)行健康“體檢”，動(dòng)態(tài)調(diào)整人力資源分配和備品備件的供給，優(yōu)化運(yùn)維資源的配置方案。在“報(bào)警零延遲、上線找坐標(biāo)、維修看提示、調(diào)整靠數(shù)據(jù)”整體指導(dǎo)思想下，切實(shí)提高分布式光伏電站的管理水平和生產(chǎn)業(yè)績。

平臺(tái)設(shè)計(jì)遵循以下基本原則。第一，先進(jìn)性與前瞻性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要具有前瞻性、先進(jìn)性、成熟性，符合當(dāng)前信息化技術(shù)發(fā)展的方向，緊跟技術(shù)發(fā)展的潮流。第二，實(shí)用性原則。系統(tǒng)的應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)應(yīng)從業(yè)務(wù)出發(fā)，貼近用戶，以保障數(shù)據(jù)處理的安全性和提高操作便利性為原則，以滿足業(yè)務(wù)需求作為目的。第三，可靠性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)從軟件架構(gòu)上要支持整體的可靠性，當(dāng)任何單點(diǎn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，可以保證數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。第四，安全性原則。系統(tǒng)要為不同權(quán)限的用戶提供不同的服務(wù)，防止超越權(quán)限操作現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)分級(jí)分層授權(quán)，數(shù)據(jù)分級(jí)分層管理，保證信息的安全保密。第五，可擴(kuò)展性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持通過增加硬件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，滿足不斷提高的性能要求。在系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上采用多層技術(shù)框架設(shè)計(jì)，支持系統(tǒng)的橫向擴(kuò)展和功能擴(kuò)展。數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)模塊化設(shè)計(jì)，可為后續(xù)的功能預(yù)留接口。

2.1 平臺(tái)的整體布局與系統(tǒng)架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)，采用Java等基于大數(shù)據(jù)的主流組件進(jìn)行開發(fā)，利用索引數(shù)據(jù)庫ElasticSearch進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、開發(fā)，同時(shí)支持全國產(chǎn)中央處理器（Central Processing Unit，CPU）如鯤鵬，也支持X86系列CPU。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式。前后端分離的開發(fā)模式，后端采用SpringBoot架構(gòu)，前端采用Vue技術(shù)。系統(tǒng)客戶端瀏覽器采用Chrome主流瀏覽器。運(yùn)營平臺(tái)主要由光伏電站現(xiàn)場(chǎng)站控層和運(yùn)營中心兩部分組成。站控系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維生產(chǎn)為重點(diǎn)，把組成光伏系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集到本地，然后通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送至運(yùn)營中心服務(wù)器。運(yùn)營中心服務(wù)器對(duì)電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、清洗、儲(chǔ)存、分析、管理和展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬光伏電站的集中狀態(tài)監(jiān)視和運(yùn)行管理。平臺(tái)支持用戶通過瀏覽器或者手機(jī)端App登錄訪問。

運(yùn)營平臺(tái)分為設(shè)備層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層[4-5]。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

設(shè)備層支持光伏發(fā)電單元中的設(shè)備，如逆變器、匯流箱、配電柜、測(cè)控裝置、氣象站、視頻監(jiān)控和輔助系統(tǒng)（如圖像監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等設(shè)備），通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或通信管理機(jī)對(duì)不同廠家、不同型號(hào)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集，參照《光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》完成現(xiàn)場(chǎng)站控層的組網(wǎng)，便于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)操作人員在電站投產(chǎn)后的運(yùn)維使用需要。數(shù)據(jù)層主要功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)采集模塊通過網(wǎng)關(guān)采集光伏站控層數(shù)據(jù)，支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用于過程控制的對(duì)象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）和級(jí)聯(lián)通信方式，通過無線公網(wǎng)專網(wǎng)（通用分組無線服務(wù)技術(shù)、碼分多址、4G）將采集的數(shù)據(jù)傳送給分布式光伏運(yùn)營平臺(tái)。本方案能最大程度匹配電站分布不集中的特點(diǎn)，不受電站地理位置的約束。

圖1 運(yùn)營平臺(tái)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)緩存模塊有2個(gè)重要功能：一是作為數(shù)據(jù)入庫緩沖池，可以保證數(shù)據(jù)傳輸量的穩(wěn)定，降低平臺(tái)服務(wù)器的負(fù)荷；二是作為數(shù)據(jù)入內(nèi)網(wǎng)接口，通過Rest接口設(shè)置，為數(shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)提供通道。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩存模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流暢入庫和安全入庫。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用ElasticSearch、Redis以及Kafka這3項(xiàng)技術(shù)。ElasticSearch是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫，主要用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。Redis是一個(gè)高性能的key-value數(shù)據(jù)庫，主要用來存儲(chǔ)和通知實(shí)時(shí)消息，讀寫速度非常快，采用單線程架構(gòu)，避免了多線程的資源競(jìng)爭問題。Kafka是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，主要用作數(shù)據(jù)的收集和分發(fā)，消息被持久化到本地磁盤，支持?jǐn)?shù)據(jù)備份防止數(shù)據(jù)丟失。

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊主要完成各類數(shù)據(jù)的匯聚、清洗，并對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，如大數(shù)據(jù)熱度服務(wù)、大數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)、大數(shù)據(jù)共享服務(wù)、代理轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)及可視化服務(wù)。

2.2 應(yīng)用與服務(wù)

應(yīng)用與服務(wù)主要包括以下3個(gè)核心模塊。

2.2.1 電站本地監(jiān)控系統(tǒng)

電站本地監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)子功能模塊。

電站可視化監(jiān)視主要呈現(xiàn)單個(gè)電站當(dāng)日的實(shí)時(shí)功率、輻照強(qiáng)度、總發(fā)電量、日發(fā)電量、當(dāng)前功率、當(dāng)前輻照度以及二氧化碳減排等關(guān)鍵信息。運(yùn)維人員能從系統(tǒng)上快速掌握電站的運(yùn)營情況。

告警管理。提供告警總覽、異常告警以及越限警示等信息，支持靈活的告警常規(guī)設(shè)置、顏色設(shè)置和聲響提示，支持告警的批量選中、確認(rèn)和清除操作，使得運(yùn)維人員有針對(duì)性地獲取告警信息。

電站數(shù)字化。按照電站竣工圖（或設(shè)計(jì)圖）完成光伏方陣和系統(tǒng)設(shè)備的接入，建立電站組態(tài)圖，并定義和描述系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，確定電站設(shè)備布局。

資產(chǎn)配置數(shù)字化。設(shè)備資產(chǎn)編碼與物理坐標(biāo)、設(shè)備電氣接線關(guān)系唯一對(duì)應(yīng)，為告警快速定位奠定基礎(chǔ)。

設(shè)備健康檢查。監(jiān)控系統(tǒng)周期性或手工發(fā)起對(duì)逆變器、匯流箱的健康檢查，并可查看健康檢查結(jié)果。

智能診斷。主動(dòng)發(fā)現(xiàn)光伏組串、逆變器的故障和不良運(yùn)行狀態(tài)，通過實(shí)時(shí)掃描及時(shí)發(fā)現(xiàn)組串、逆變器性能低下問題，降低發(fā)電損失。

系統(tǒng)工具。對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限定義和分級(jí)管理。

2.2.2 運(yùn)營管理系統(tǒng)

運(yùn)營管理系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)子功能模塊。

運(yùn)營監(jiān)視?！耙粡垐D”展示所有電站的基本運(yùn)行狀況和關(guān)鍵信息，包括發(fā)電指標(biāo)匯總、導(dǎo)航菜單及應(yīng)用功能入口、告警事件以及派單跟蹤。

安全管理。通過視頻監(jiān)控動(dòng)態(tài)錄播循環(huán)展示方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光伏組件、電氣室以及人員活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并對(duì)違章作業(yè)和異常事件進(jìn)行報(bào)警提示。

告警管理。告警管理包括未處理告警、處理中的告警、已處理告警、告警定義以及告警查詢，支持將未處理的告警轉(zhuǎn)工作票或者轉(zhuǎn)缺陷的處理。設(shè)置有告警推送，即自動(dòng)配置告警向App推送規(guī)則。

值班管理。值班管理包括班組信息管理、交接班管理以及運(yùn)行記錄（支持手動(dòng)添加當(dāng)日值班期間的工作記錄）。

資產(chǎn)管理。資產(chǎn)管理包括設(shè)備型號(hào)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備信息管理、設(shè)備評(píng)估統(tǒng)計(jì)以及備品備件管理。

統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析包括負(fù)荷曲線、低效發(fā)電設(shè)備統(tǒng)計(jì)、低效發(fā)電方陣分析、組串離散率分析、班組運(yùn)維統(tǒng)計(jì)以及發(fā)電效率分析報(bào)告等。

系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理包括日志管理、參數(shù)設(shè)置、電站信息維護(hù)以及文檔管理等。

2.2.3 移動(dòng)端App

移動(dòng)端App主要包括運(yùn)營App和運(yùn)維App。運(yùn)營App支持公司管理人員移動(dòng)終端接入平臺(tái)，了解電站的總體運(yùn)行狀況，包括當(dāng)日和累計(jì)發(fā)電量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提示、節(jié)能減排以及故障處理響應(yīng)度等。運(yùn)維App為運(yùn)維人員實(shí)時(shí)展示單一電站的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括實(shí)際產(chǎn)出、電站詳情、異常告警與在線診斷以及方陣陣列監(jiān)視等關(guān)鍵信息，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員根據(jù)收到的異常告警信息進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位和檢修。

3 結(jié)語

通過架構(gòu)探索建成了一套基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站智能運(yùn)營平臺(tái)，并在實(shí)際生產(chǎn)管理中發(fā)揮了一定價(jià)值，但是在以下幾方面仍需要時(shí)間檢驗(yàn)：一是運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)挖掘，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵設(shè)備的性能劣化趨勢(shì)，倡導(dǎo)預(yù)測(cè)性維護(hù)，提供運(yùn)維效率；二是結(jié)合發(fā)電量預(yù)測(cè)的智能清洗方案，重點(diǎn)關(guān)注電站的發(fā)電能力，如何依靠數(shù)據(jù)分析制定清洗方案和清洗策略，實(shí)現(xiàn)投入產(chǎn)出的價(jià)值最大化；三是結(jié)合故障預(yù)測(cè)和性能評(píng)估，如何實(shí)現(xiàn)人力資源和備品備件的合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)資源配置最優(yōu)。