分布式光伏電站智能化運(yùn)維系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘" 要：隨著國(guó)家對(duì)新能源技術(shù)發(fā)展的重視、支持，我國(guó)的分布式光伏電站新增數(shù)量劇增，將面臨運(yùn)營(yíng)與維護(hù)難的問題。該文提出將分布式光伏發(fā)電技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用智能化運(yùn)維技術(shù)可以縮短電站巡檢時(shí)間，準(zhǔn)確預(yù)判故障點(diǎn)，極大地提高電站的運(yùn)維效率和安全管理水平，并通過在蒙江流域綜合智慧能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究與實(shí)施項(xiàng)目的應(yīng)用，驗(yàn)證該方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：分布式光伏電站；智能化；運(yùn)維；故障診斷；綜合智慧能源

中圖分類號(hào)：P315" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0193-04

Abstract： With the national attention and support for the development of new energy technology， the number of distributed photovoltaic power stations in China has increased sharply， and it will be difficult to operate and maintain. This paper proposes to combine distributed photovoltaic power generation technology with information technology， and the application of intelligent operation and maintenance technology can shorten the inspection time of power station， accurately predict the point of failure， and greatly improve the efficiency of operation and maintenance and the level of safety management of the power station. Through the application of collaborative optimization research and implementation project of comprehensive intelligent energy system in Mengjiang River basin， the feasibility and effectiveness of this scheme are verified.

Keywords： distributed photovoltaic power station; intelligence; operation and maintenance; fault diagnosis; comprehensive intelligent energy

自我國(guó)2020年9月22日在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)之后，新能源就正式上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。大力發(fā)展新能源，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)改革，對(duì)中國(guó)來講都有比較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著新能源技術(shù)發(fā)展，國(guó)家對(duì)新能源越來越重視，大量的分布式光伏電站興建并投入使用，運(yùn)營(yíng)與維護(hù)難是面臨的主要問題。分布式光伏電站運(yùn)行狀況受環(huán)境及運(yùn)維水平影響較大，運(yùn)維過程中的主要痛點(diǎn)如下：①分布式電站分布較散，運(yùn)維不及時(shí)，完全依賴現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維，難以確保電站收益；②人工故障檢測(cè)導(dǎo)致人力成本急劇增加，直接影響電站收益；③運(yùn)維人員缺乏專業(yè)知識(shí)，易造成安全事故。

基于以上情況，需借助智能化手段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)維，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員提高運(yùn)維效率，降低現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維難度。光伏電站的運(yùn)維狀況，不僅關(guān)系到發(fā)電的成本，還關(guān)系到光伏電站發(fā)電的效率與可靠性。

1" 分布式光伏電站智能化運(yùn)維系統(tǒng)

智能化運(yùn)維系統(tǒng)采用先進(jìn)成熟的IT技術(shù)，構(gòu)建面向應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)、安全、可靠、開放、可擴(kuò)充、可復(fù)用、資源共享、易于集成、高度開放、使用方便及易于維護(hù)的支持系統(tǒng)，使其成為分布式光伏運(yùn)維的得力工具和智慧助手。

1.1" 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)構(gòu)建智能化運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)，為應(yīng)用提供高效、安全、靈活的軟硬件環(huán)境。平臺(tái)分采用多層架構(gòu)，包含：數(shù)據(jù)生產(chǎn)層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、云基礎(chǔ)服務(wù)層、云應(yīng)用層和公共服務(wù)層。如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)生產(chǎn)層：對(duì)應(yīng)智慧能源系統(tǒng)中的分布式控制層，各類能源生產(chǎn)設(shè)備及負(fù)荷在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，通過部署在本地的量測(cè)系統(tǒng)采集并上傳。

2）數(shù)據(jù)處理層：用于接收數(shù)據(jù)生產(chǎn)層上傳的數(shù)據(jù)，分為管理數(shù)據(jù)和量測(cè)數(shù)據(jù)。

量測(cè)數(shù)據(jù)由部署在分布式控制層的各類傳感器產(chǎn)生，具有高頻特點(diǎn)，這類數(shù)據(jù)體現(xiàn)能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過分布式流式處理技術(shù)形成實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)流，為上層實(shí)時(shí)應(yīng)用提供高性能和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力，如圖2所示。

管理數(shù)據(jù)是分布式控制層各能源控制系統(tǒng)管理類數(shù)據(jù)，包括設(shè)備相關(guān)參數(shù)等，此類數(shù)據(jù)變化頻率低，不要求實(shí)時(shí)性。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：采用分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（Hadoop），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理；采用圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模型創(chuàng)建和管理；采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行時(shí)間序列數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

4）云基礎(chǔ)服務(wù)層：采用基于容器的第二代云服務(wù)構(gòu)架，構(gòu)建容器云，為應(yīng)用提供高密度、高彈性、高擴(kuò)展性的計(jì)算環(huán)境，更高效地支持微服務(wù)架構(gòu)。

5）云應(yīng)用層：利用微服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各類應(yīng)用，這些應(yīng)用部署在容器云中，在授權(quán)的客戶端實(shí)現(xiàn)訪問。

6）公共服務(wù)層：為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供基礎(chǔ)服務(wù)，LVS實(shí)現(xiàn)虛擬的服務(wù)器集群系統(tǒng)管理； ETCD集群實(shí)現(xiàn)配置管理和服務(wù)注冊(cè)發(fā)現(xiàn)；ZooKeeper集群提供配置信息管理、命名、集群管理、分布式同步和數(shù)據(jù)庫(kù)切換等服務(wù)等。

1.2" 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）大數(shù)據(jù)平臺(tái)。平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)具有微服務(wù)、容器、云服務(wù)等領(lǐng)先的技術(shù)架構(gòu)，搭建大數(shù)據(jù)平臺(tái)。能有效應(yīng)對(duì)各種系統(tǒng)突發(fā)故障，確保運(yùn)維系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

2）智能數(shù)據(jù)采集。以機(jī)器視覺，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)正確性校驗(yàn)及補(bǔ)充。根據(jù)設(shè)置的清洗條件，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除和過濾，并對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，從而保證采集數(shù)據(jù)的有效性和完整性，為后期的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)保障。

3）閉環(huán)運(yùn)維模式。線上監(jiān)控與線下統(tǒng)一運(yùn)維的閉環(huán)模式，建立了運(yùn)維部門、設(shè)備供應(yīng)商、系統(tǒng)維護(hù)人員間流暢的聯(lián)動(dòng)，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

4）故障診斷、電站評(píng)價(jià)。通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)、決策樹、隨機(jī)森林、深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺等多種人工智能模型，以積累的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)為前提，實(shí)現(xiàn)故障診斷及自動(dòng)預(yù)警。

2" 智能化運(yùn)維技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1" 智能材料的應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，智能材料在光伏中的應(yīng)用也越來越廣泛。新型材料的透光性得到進(jìn)一步提升，在組件表面形成一張透明的保護(hù)層，保障組件的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，新型材料還具有自動(dòng)清理功能，節(jié)約了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本，提高了光伏電站的運(yùn)行效率。

2.2" 智能光伏組件的應(yīng)用

通過對(duì)分布式光伏電站中不同光伏組串電流、電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并通過智能化的軟件平臺(tái)進(jìn)行全面分析評(píng)估，幫助運(yùn)維人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)組串運(yùn)行過程中的問題，同時(shí)精確定位問題出現(xiàn)的具體位置，結(jié)合電站的實(shí)際情況發(fā)布告警信息，輔助運(yùn)維人員做出決策。

通過智能光伏組件的應(yīng)用，對(duì)光伏組件形成跟蹤，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題并予以解決，從而在很大程度上提高了光伏電站運(yùn)行效率，降低運(yùn)維經(jīng)濟(jì)成本，使光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益得到保障。

2.3" 智能故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

1）基于大數(shù)據(jù)的光伏逆變器智能故障診斷。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接影響分布式光伏電站的整體運(yùn)行效率。隨著光伏電站運(yùn)行年份的增長(zhǎng)，設(shè)備老化、運(yùn)行環(huán)境的影響等因素導(dǎo)致的故障越來越頻繁，運(yùn)維成本增加，運(yùn)維難度加大，故障定位困難。在現(xiàn)有人工運(yùn)維模式下，故障很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而可能縮短設(shè)備使用壽命，發(fā)電量隱性損失增加，電站收益下降。

基于大數(shù)據(jù)分析的方法進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)故障診斷算法。該算法首先采用k近鄰方法，找出訓(xùn)練樣本中與待測(cè)樣本最接近的5個(gè)樣本，然后對(duì)這5個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練、分類，從而判斷這5個(gè)樣本與待測(cè)樣本是否是同一類，再判斷出待測(cè)樣本是否存在異常，最終檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的逆變器是否發(fā)生故障。

2）決策樹故障診斷。光伏組件的輸出是非線性的，其輸出的電壓和電流隨著輻射強(qiáng)度的變化而變化，如果組件出現(xiàn)故障，其輸出情況異常復(fù)雜，很難從輸出的數(shù)據(jù)中直接找出故障規(guī)律。

基于分布式電站結(jié)構(gòu)和光伏組件的物理模型，計(jì)算出電氣物理量在正常狀態(tài)下的波動(dòng)區(qū)間，并獲取出現(xiàn)各種故障時(shí)的波動(dòng)區(qū)間，以此為基礎(chǔ)，對(duì)光伏陣列運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)，獲取運(yùn)行期間的電流電壓，并查看是否處于正常的波動(dòng)區(qū)間，如果出現(xiàn)在故障波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，根據(jù)區(qū)間判斷出現(xiàn)的是哪一種故障類型。

決策樹故障分析法在計(jì)算機(jī)分析領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。決策樹是一種樹形結(jié)構(gòu)形式，其基本組成部分包含決策節(jié)點(diǎn)、分支和葉子。決策樹中最上面的節(jié)點(diǎn)稱為根節(jié)點(diǎn)，是整個(gè)決策樹的開始。每個(gè)分支是一個(gè)新的決策節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)決策節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)問題或決策，通常對(duì)應(yīng)分類對(duì)象的屬性。每一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)代表一種可能的分類結(jié)果。在故障診斷過程中，決策樹從上到下通過節(jié)點(diǎn)的屬性值進(jìn)行對(duì)比，從而確定后續(xù)走向，最終判斷得出故障診斷的結(jié)果。

構(gòu)建決策樹一般分為以下幾個(gè)步驟：①?gòu)南到y(tǒng)設(shè)備中采集到所需的數(shù)據(jù)；②將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)試屬性選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類；③從經(jīng)過分類的數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取90%，構(gòu)成機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)集；④其余10%的數(shù)據(jù)構(gòu)成測(cè)試決策樹的數(shù)據(jù)集。依據(jù)一定的規(guī)則構(gòu)建形成測(cè)試決策樹后，就可以進(jìn)行光伏組件的在線故障診斷，如圖3所示。

3）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷。分布式光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)，主要是通過電站中設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋的。當(dāng)電站中的某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)的電站運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，光伏組件輸出的電壓、電流等參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。基于這一特點(diǎn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于故障模式的識(shí)別，可以有效應(yīng)用于光伏發(fā)電故障診斷過程。

在分布式光伏電站的運(yùn)行過程中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要分為以下幾個(gè)步驟：①依據(jù)診斷對(duì)象的特點(diǎn)對(duì)故障類型進(jìn)行劃分，選取故障的關(guān)鍵信號(hào)特征參數(shù)為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入單元；②根據(jù)診斷對(duì)象的特點(diǎn)構(gòu)建合理的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模；③用現(xiàn)有的故障樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，同步調(diào)整數(shù)值矩陣和閾值矢量；④將待檢測(cè)的樣本數(shù)據(jù)輸入構(gòu)建完成的BP網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算輸出向量；⑤根據(jù)輸出向量判斷故障類型。該方法在故障診斷的過程中，具有良好的穩(wěn)定性。

2.4" 智能運(yùn)維管理技術(shù)的應(yīng)用

基于大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)，打造一體化的光伏電站智能化運(yùn)維系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電站智能數(shù)據(jù)采集、智能故障告警、自動(dòng)創(chuàng)建并分派缺陷、智能巡檢和智能趨勢(shì)分析，全面且深入分析電站性能、提供全面的電站對(duì)標(biāo)能力。讓管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行效率，提高分布式光伏電站的智能化管理水平。

構(gòu)建形成相對(duì)比較科學(xué)的電站評(píng)價(jià)與智能診斷系統(tǒng)，讓電站管理人員可以更及時(shí)地掌握電站屬性數(shù)據(jù)、電站運(yùn)行數(shù)據(jù)、電站分析數(shù)據(jù)和電站評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，消除運(yùn)行安全隱患，從而使光伏電站系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、運(yùn)維效率更高，如圖4所示。

2.5" 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

由于分布式光伏電站發(fā)電系統(tǒng)具有一定復(fù)雜性，整個(gè)系統(tǒng)涉及設(shè)備較多，通過大數(shù)據(jù)收集及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的全方位監(jiān)控，以智能化運(yùn)維系統(tǒng)為中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、交換和共享，建立起電站與運(yùn)維人員之間的通道，將傳統(tǒng)的低速傳輸通道進(jìn)行優(yōu)化，保證信息傳遞的速度和效率，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和有效性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電站運(yùn)行過程中的不穩(wěn)定因素并進(jìn)行處理。通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，智能化運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)光伏電站實(shí)時(shí)監(jiān)控，精簡(jiǎn)運(yùn)維業(yè)務(wù)流程，提高故障處理效率，降低電站運(yùn)維成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3" 智能化運(yùn)維系統(tǒng)在某園區(qū)綜合智慧能源系統(tǒng)項(xiàng)目的應(yīng)用

3.1" 項(xiàng)目介紹

蒙江流域綜合智慧能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究與實(shí)施項(xiàng)目，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)構(gòu)建了綜合智慧能源系統(tǒng)平臺(tái)，打造位于終端設(shè)備之上的分析管控中心、交互中心、展示中心。融合綜合能源的生產(chǎn)、配用、服務(wù)各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)，打造全過程能源管理解決方案，實(shí)現(xiàn)能源全景監(jiān)控、能源系統(tǒng)透明化管理、自動(dòng)運(yùn)維、智能化診斷、能效分析和輔助決策等多種核心功能，減少能源損失，降低運(yùn)維費(fèi)用，最大化提升能源系統(tǒng)價(jià)值，保護(hù)用戶核心資產(chǎn)。

3.2" 智能化的過程控制

蒙江流域綜合智慧能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究與實(shí)施項(xiàng)目綜合智慧能源系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用過程有別于傳統(tǒng)的能源分類管理的業(yè)務(wù)模式，是一套能滿足多種能源接入、控制對(duì)象多樣的集中控制中心，業(yè)務(wù)可由一個(gè)調(diào)度員來完成，其軟件系統(tǒng)具有高度集成、操作便捷等特點(diǎn)。

3.3" 取得成效

通過智能化運(yùn)維技術(shù)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，大大提升了分布式電站的運(yùn)行效率。①讓運(yùn)維人員精準(zhǔn)掌控設(shè)備狀態(tài)，降低對(duì)運(yùn)維人員的專業(yè)要求，減輕運(yùn)維人員工作負(fù)荷；②優(yōu)化電氣檢修人員的工作量，提高電力運(yùn)維管理水平，有針對(duì)性地開展運(yùn)行和檢修工作，預(yù)知性維修水平得到大幅提升；③提升設(shè)備的檢維修水平，減少設(shè)備臨時(shí)停電的時(shí)間，保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行；④及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并消除故障，從而保障光伏電站的順利運(yùn)行和提高光伏電站的產(chǎn)出效率，進(jìn)而達(dá)到在保證安全的基礎(chǔ)上提高收益的目的。

4" 結(jié)束語

通過分布式光伏電站智能化運(yùn)維系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，一方面提高光伏電站的運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本；另一方面對(duì)電站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做出預(yù)防性預(yù)警，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高電站連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間，在安全運(yùn)行的前提下提升電站收益。通過對(duì)分布式光伏電站智能化運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用，可以縮短光伏發(fā)電站的檢修周期、對(duì)故障進(jìn)行數(shù)字化的記錄、對(duì)故障問題進(jìn)行正確的辨別與處理，極大地改善了分布式光伏發(fā)電站的運(yùn)行與安全管理效率。通過在蒙江流域綜合智慧能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究與實(shí)施項(xiàng)目的應(yīng)用，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性與有效性。

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第一作者簡(jiǎn)介：唐克洪（1980-），男，工程師。研究方向?yàn)榫C合智慧能源。