任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著光伏發(fā)電的不斷發(fā)展，對于光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的需求也日益迫切，“互聯(lián)網(wǎng)+"時代，“互聯(lián)網(wǎng)+"的理念已經(jīng)轉(zhuǎn)化為科技生產(chǎn)的動力，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展，本文結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+"技術(shù)提出了一種針對分散光伏發(fā)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、分析、處理，查看實時運(yùn)行情況，并通過移動APP對光伏電站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控及日常管理的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+光伏發(fā)電站；遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺；數(shù)據(jù)采集；TCP協(xié)議；UDP協(xié)議

0、前言

隨著光伏發(fā)電的不斷發(fā)展，對于光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的需求也日益迫切，“互聯(lián)網(wǎng)+"時代，“互聯(lián)網(wǎng)+"的理念已經(jīng)轉(zhuǎn)化為科技生產(chǎn)的動力，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展，本文結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+"技術(shù)提出了一種針對分散光伏發(fā)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、分析、處理，查看實時運(yùn)行情況，并通過移動APP對光伏電站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控及日常管理的應(yīng)用技術(shù)。

1、系統(tǒng)設(shè)計

1.1總體設(shè)計思路

光伏組件在接收充分光照后產(chǎn)生的太陽能通過蓄電池存儲轉(zhuǎn)化成電能，夜晚光照度減弱，蓄電池開始對用電器進(jìn)行供電，循環(huán)往復(fù)工作，節(jié)省了非可再生資源，同時光伏發(fā)電的線路結(jié)構(gòu)簡單操作方便，環(huán)保無污染，更節(jié)省了大量的人工?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+的光伏發(fā)電管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)分散的光伏發(fā)電站網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理。

本系統(tǒng)運(yùn)行中，通過數(shù)據(jù)采集傳輸單元控制光伏電站數(shù)據(jù)采集控制單元，實時監(jiān)控光伏發(fā)電站現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等并通過多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將參數(shù)實時發(fā)送至后臺服務(wù)器，本地監(jiān)控控制系統(tǒng)使用光伏發(fā)電監(jiān)控主機(jī)對服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)分類匯總、分析、處理，生成圖表等并進(jìn)行分析處理。監(jiān)控APP端可以同步監(jiān)控主機(jī)，顯示數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析、獲取運(yùn)行參數(shù)、查看實時運(yùn)行情況，對光伏電站進(jìn)行日常管理，不僅可以做到實時、移動監(jiān)控，更可以降低運(yùn)營成本，減少開支?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體實現(xiàn)的功能包括如下幾個方面：光伏電站數(shù)據(jù)采集控制單元、數(shù)據(jù)采集傳輸單元、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、后臺服務(wù)器、光伏發(fā)電監(jiān)控主機(jī)、手機(jī)APP。

1.2光伏電站數(shù)據(jù)采集控制、傳輸單元硬件設(shè)計

光伏電站數(shù)據(jù)采集控制傳輸單元主要是由溫度傳感器、光傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、數(shù)字電位器、電磁繼電器、STM32F106單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接入模塊及電路的接口部分組成。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控單元模塊將現(xiàn)場溫濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速以及發(fā)電單元發(fā)電參數(shù)等等通過網(wǎng)絡(luò)通信，發(fā)送至后臺服務(wù)器。同時，控制傳輸單元接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的各種控制命令，能遠(yuǎn)程控制發(fā)電模塊的運(yùn)行。后臺服務(wù)器實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲、監(jiān)控和控制系統(tǒng)的部署，及連接控制端，為光伏電站數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控系統(tǒng)之間建立聯(lián)系。后臺服務(wù)器主要功能模塊如圖2所示。

1.3移動監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控APP基于Android系統(tǒng)平臺進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)通過TCP協(xié)議及UDP協(xié)議實現(xiàn)APP與網(wǎng)絡(luò)后臺服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)的APP通信控制模塊通信。APP可以實時訪問后臺服務(wù)器，對光伏電站運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和控制操作，提供方便、快捷、實時地操作。手機(jī)APP客戶端軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？蛻舳塑浖ㄟ^TCP協(xié)議對遠(yuǎn)程服務(wù)器實現(xiàn)登錄及客戶端基本參數(shù)的傳輸。在完成客戶端基本運(yùn)行參數(shù)傳輸處理之后，通過UDP協(xié)議同步監(jiān)控主機(jī)參數(shù)，顯示光伏發(fā)電模塊數(shù)據(jù)，獲取運(yùn)行參數(shù)查看實時運(yùn)行情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，對光伏電站進(jìn)行日常管理監(jiān)控。

2、系統(tǒng)測試分析及結(jié)論

移動監(jiān)控APP模塊，是光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)研究課題中，后臺監(jiān)控系統(tǒng)的一個子模塊，為系統(tǒng)監(jiān)控管理者提供移動監(jiān)控平臺。系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)監(jiān)控采集模塊通過對各種傳感器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸模塊將采集結(jié)果傳輸至后臺服務(wù)器，移動監(jiān)控APP能實時與后臺服務(wù)器進(jìn)行交互，實時顯示發(fā)電模塊運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)應(yīng)用需要可向監(jiān)控模塊發(fā)送控制命令對現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制。經(jīng)過測試，移動監(jiān)控APP模塊各項參數(shù)及遠(yuǎn)程控制的傳輸、顯示總體達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求，下一步將在現(xiàn)有設(shè)計基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)多機(jī)位實時監(jiān)控，組網(wǎng)發(fā)電調(diào)度控制研發(fā)。

3、安科瑞分布式光伏運(yùn)維云平臺介紹

3.1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺通過監(jiān)測光伏站點(diǎn)的逆變器設(shè)備，氣象設(shè)備以及攝像頭設(shè)備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點(diǎn)。主要功能包括：站點(diǎn)監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設(shè)備檔案，運(yùn)維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

3.2應(yīng)用場所

目前我國的兩種分布式應(yīng)用場景分別是：廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運(yùn)行情況以及各逆變器運(yùn)行狀況。平臺整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

3.4系統(tǒng)功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權(quán)限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當(dāng)前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

3.4.1光伏發(fā)電

3.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機(jī)容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

3.4.1.2電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當(dāng)前光伏電站發(fā)電功率，補(bǔ)貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當(dāng)前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當(dāng)前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

3.4.1.3逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側(cè)電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

3.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

3.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

3.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。

●展示當(dāng)前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當(dāng)前輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

3.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

3.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復(fù)等。

●平臺運(yùn)行日志：查看儀表、網(wǎng)關(guān)離線狀況。

●報警信息：將報警分進(jìn)行分級處理，記錄報警內(nèi)容，發(fā)生時間以及確認(rèn)狀態(tài)。

3.4.3運(yùn)行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運(yùn)行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

3.5.1交流220V并網(wǎng)

交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機(jī)功率在8kW左右。

部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

3.5.2交流380V并網(wǎng)

根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點(diǎn)380V并網(wǎng)，以當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準(zhǔn)。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應(yīng)明確計量點(diǎn)，計量點(diǎn)設(shè)置除應(yīng)考慮產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)外，還應(yīng)考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計量裝置，其設(shè)備配置和技術(shù)要求符合DL/T448的相關(guān)規(guī)定，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術(shù)性能應(yīng)滿足國家電網(wǎng)公司關(guān)于智能電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。用于結(jié)算和考核的分布式電源計量裝置，應(yīng)安裝采集設(shè)備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程自動采集。

光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點(diǎn)前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應(yīng)上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補(bǔ)貼和上網(wǎng)電量結(jié)算。

部分光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

3.5.3 10kV或35kV并網(wǎng)

根據(jù)《國家能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點(diǎn)并網(wǎng)裝機(jī)容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運(yùn)行安全技術(shù)要求的前提下，通過內(nèi)部多點(diǎn)接入配電系統(tǒng)。

此類分布式光伏裝機(jī)容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機(jī)容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高。

光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設(shè)置)，最后經(jīng)過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機(jī)容量比較大，涉及到的保護(hù)和測控設(shè)備比較多，主要如下表：

【參考文獻(xiàn)】

1. 尹汪宏，蔣家欣.基于互聯(lián)網(wǎng)+光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中的移動監(jiān)控平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].科教導(dǎo)刊，2020年第03期1月（下）

2. 尚德威，張麗紅，倪晉平.基于單片機(jī)控制的嵌入式低功耗調(diào)制解調(diào)器[J].電子產(chǎn)品世界，2003（01）：61-66

3. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版

作者簡介：

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智能電網(wǎng)供配電相關(guān)的研究和應(yīng)用。