王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：全球化經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,加快了傳統(tǒng)能源的消耗,導(dǎo)致能源日益短缺,與此同時(shí)還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此,利用沒有環(huán)境污染的太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電獲得了社會(huì)的普遍關(guān)注。本文根據(jù)傳統(tǒng)式光伏電站行業(yè)的發(fā)展背景及其監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備,給出了現(xiàn)代化光伏電站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)監(jiān)控
1、引言
能源已經(jīng)成為決定當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。一個(gè)國(guó)家能否高效、合理的利用隨處可見的新能源，直接決定著這個(gè)國(guó)家未來的發(fā)展方向。太陽(yáng)能作為新能源中不可忽視的重要一員，逐漸走入大眾視野。其具有顯著特點(diǎn)主要包括清潔、無污染、易獲得。正是這些顯著的特點(diǎn)使得太陽(yáng)能的使用逐步流行，并發(fā)展成為新能源領(lǐng)域中的一種趨勢(shì)。應(yīng)運(yùn)而生的光伏發(fā)電站充分利用太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)光伏電站行業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化及數(shù)據(jù)分析，著力于為光伏設(shè)備安裝商、運(yùn)營(yíng)商及民用商、光伏用戶提供線上工具支持；為光伏電站投資人提供數(shù)據(jù)參考，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)光伏發(fā)電站的高度智能化也使得設(shè)備的檢查變得簡(jiǎn)單，由最開始的安排人員現(xiàn)場(chǎng)檢查逐步變成自動(dòng)化檢查，較大程度提高人力物力，提高檢查效率。
2、光伏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作
2.1光伏系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集模塊的主要流程如圖1所示，本模塊主要由數(shù)據(jù)采集器、氣象傳感器、光伏陣列傳感器、通信終端設(shè)備組成。光伏系統(tǒng)通過加入現(xiàn)代化的儀器，幫助用戶實(shí)時(shí)采集光伏電站發(fā)電和當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)情況。在傳統(tǒng)光伏發(fā)電站的基礎(chǔ)上，改用更加先進(jìn)的硬件通訊協(xié)議——RS485/422協(xié)議，該協(xié)議能夠更好在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸采集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括逆變器數(shù)據(jù)和氣象站數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊的功能實(shí)現(xiàn)主要是通過采集模塊平臺(tái)收發(fā)消息，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｔ撃K使用的主要是市場(chǎng)上現(xiàn)有的光伏設(shè)備生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品，例如英臻、華為、陽(yáng)光、品聯(lián)、暢洋、淘科等。這些廠商的采集器模塊主要是由傳感器、控制器等單元構(gòu)成，采用的是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的方式。數(shù)據(jù)采集模塊需要的材料是通信芯片、存儲(chǔ)芯片,實(shí)現(xiàn)原理則是將各個(gè)芯片集成在一塊電路板上。系統(tǒng)通過上述器件集成的電路芯片，來快速獲取光伏電站的變器數(shù)據(jù)和氣象站數(shù)據(jù)。
圖1數(shù)據(jù)采集模塊及流程
2.2光伏系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)主要流程如圖2所示。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)、解析和轉(zhuǎn)換和存入數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。
圖2數(shù)據(jù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)主要流程
數(shù)據(jù)通信模塊是采集器與數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)之間的通信信道，主要是將設(shè)備數(shù)據(jù)使用無線網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送到目標(biāo)端口。采用的TCP/UDP協(xié)議，利用面向連接的TCP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)IP環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸。同時(shí)又采用端到端發(fā)送數(shù)據(jù)包的方式，通過為采集器獲取的數(shù)據(jù)開辟的連接通道進(jìn)行傳輸，在數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)相應(yīng)端口下進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要流程如圖3所示：
圖3數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要流程
數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊功能實(shí)現(xiàn)：首先根據(jù)逆變器、電表、氣象站等不同種數(shù)據(jù)幀格式協(xié)議，制定相應(yīng)的多種解析器，獲取幀中包含的電站數(shù)據(jù)信息；再獲取傳輸?shù)较鄳?yīng)數(shù)據(jù)端口的幀，并將其放入正確的解析器中完成轉(zhuǎn)義。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要采用標(biāo)志點(diǎn)匹配算法，對(duì)系統(tǒng)中使用到的各項(xiàng)幀格式進(jìn)行分析，提取數(shù)據(jù)幀頭，數(shù)據(jù)幀尾的數(shù)據(jù)格式與長(zhǎng)度和整幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等，并將其作為標(biāo)志點(diǎn)，然后對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與匹配，將原始幀區(qū)分后交由相應(yīng)解析器實(shí)現(xiàn)解析。
2.3光伏系統(tǒng)中數(shù)據(jù)展示模塊的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)展示模塊的主要實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。數(shù)據(jù)展示是指對(duì)接收到的電站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，展示部分主要分為電站中心，運(yùn)維中心，展示中心和報(bào)表中心。數(shù)據(jù)展示模塊通過對(duì)光伏電站的四大中心的展示，給用戶提供詳盡的光伏電站信息，幫助用戶及時(shí)了解光伏電站信息和處理光伏電站的突發(fā)事件。
圖4數(shù)據(jù)展示模塊的主要實(shí)現(xiàn)流程
3、光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
3.1為光伏電站行業(yè)運(yùn)行、維護(hù)和管理問題提供解決方案
光伏電站大多建設(shè)在偏僻、環(huán)境相對(duì)惡劣的地區(qū)，派人值守可行度不高。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)者考慮到這一問題，在光伏系統(tǒng)中專門增設(shè)了數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，利用電子器件實(shí)時(shí)檢查光伏電站情況，并將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)端。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的今天，人們可以隨時(shí)通過手機(jī)、電腦等進(jìn)行遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù),也可以在發(fā)現(xiàn)問題的第一時(shí)間打電話通知電站的管理者。
數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊完成自動(dòng)化監(jiān)控的具體解決措施主要有：（1）建立相關(guān)的光伏電站管理機(jī)制，并充分利用數(shù)字信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。（2）建立完善的系統(tǒng)故障處理體系,將電站各設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行整理分類,并記錄下相關(guān)故障的處理方法。（3）組織技術(shù)人員參加各種培訓(xùn)，使其掌握一般系統(tǒng)故障的產(chǎn)生原因,并培養(yǎng)其妥善解決故障的能力。同時(shí)安排操作人員負(fù)責(zé)與設(shè)備廠商的聯(lián)絡(luò)工作,當(dāng)電站遇到機(jī)械故障時(shí),也能第一時(shí)間通知維修人員進(jìn)行搶修,或者在較短的時(shí)間內(nèi)通知設(shè)備廠商更換設(shè)備。光伏系統(tǒng)通過上述措施很好實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)管功能，幫助公司減少了人力資源的浪費(fèi)。
3.2為光伏電站投資人的投資行為提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支持
光伏產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè),是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一。光伏發(fā)電投資不僅可以給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供清潔的能源與電力,而且還可以給投資者帶來豐厚的收益。再加上近些年對(duì)其大力支持,所以光伏電站逐漸成為投資熱點(diǎn)。投資者在確定光伏發(fā)電是否為一個(gè)正確的投資項(xiàng)目之前,可以先對(duì)光伏投資項(xiàng)目的特征進(jìn)行一定的了解,幫助其正確理解和把握光伏發(fā)電投資的風(fēng)險(xiǎn)。投資方可將第三方機(jī)構(gòu)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為投資決策的參考依據(jù)，了解各種風(fēng)險(xiǎn)因素。同時(shí)也可根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)的查看投資和收益狀況，并在之后的合同中制定相應(yīng)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的方案。
3.3為光伏養(yǎng)老、光伏脫貧、電站交易等提供數(shù)據(jù)共享和決策支持
光伏扶貧是國(guó)家大力倡導(dǎo)的,不僅符合以低碳為理念的能源發(fā)展戰(zhàn)略，而且也符合以扶貧為工作重點(diǎn)的農(nóng)村幫扶計(jì)劃。光伏扶貧可以幫助農(nóng)村解決用電問題,同時(shí)也可以利用農(nóng)村的勞動(dòng)力,利用光能來獲得收入。
光伏系統(tǒng)為農(nóng)民脫貧提供途徑。光伏系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)光伏脫貧的具體措施有：（1）在指導(dǎo)支持下確定合適的光伏扶貧模式，建立光伏電站，進(jìn)行資金投入，同時(shí)確定相應(yīng)的光伏養(yǎng)老政策。（2）在鼓勵(lì)的基礎(chǔ)之上，選擇有技術(shù)手段、有技術(shù)實(shí)力的光伏脫貧實(shí)施單位，同時(shí)以村集體為單位進(jìn)行光伏電站管理,光伏發(fā)電所得投資收益也由村集體分發(fā)給各戶。（3）給當(dāng)?shù)乩习傩兆龉夥娬竟芾矸矫娴南嚓P(guān)培訓(xùn)，解決部分貧困百姓就業(yè)問題。同時(shí)教會(huì)農(nóng)村的青壯年一些電站交易的知識(shí),用相對(duì)豐厚的待遇留住人才。
4、安科瑞分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)介紹
4.1概述
AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)通過監(jiān)測(cè)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(cè)，逆變器監(jiān)測(cè)，發(fā)電統(tǒng)計(jì)，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測(cè)，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(tái)，及時(shí)掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。
4.2應(yīng)用場(chǎng)所
目前我國(guó)的兩種分布式應(yīng)用場(chǎng)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。
4.3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(jì)量?jī)x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(chǔ)管理。用戶可以通過PC訪問平臺(tái)，及時(shí)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(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。
4.4系統(tǒng)功能
AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)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）。
4.4.1光伏發(fā)電
4.4.1.1綜合看板
●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機(jī)容量，實(shí)時(shí)發(fā)電功率。
●累計(jì)日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。
●累計(jì)社會(huì)效益。
●柱狀圖展示月發(fā)電量
4.4.1.2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(jià)，峰值功率等基本參數(shù)。
●統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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)。
4.4.1.3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。
4.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計(jì)
●展示所選電站的時(shí)、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
4.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計(jì)
●展示所選逆變器的時(shí)、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表
4.4.1.6配電圖
●實(shí)時(shí)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(hào)及廠商。
4.4.1.7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。
4.4.2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(shí)間、內(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復(fù)等。
●平臺(tái)運(yùn)行日志：查看儀表、網(wǎng)關(guān)離線狀況。
●報(bào)警信息：將報(bào)警分進(jìn)行分級(jí)處理，記錄報(bào)警內(nèi)容，發(fā)生時(shí)間以及確認(rèn)狀態(tài)。
4.4.3運(yùn)行環(huán)境
●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)的視頻攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視光伏站運(yùn)行情況。對(duì)于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺(tái)控制功能。
4.5系統(tǒng)硬件配置
4.5.1 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(duì)于光伏電站的管理者來說，通過云平臺(tái)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：
4.5.2 交流380V并網(wǎng)
根據(jù)國(guó)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(jì)量點(diǎn)，計(jì)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(gè)計(jì)量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計(jì)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(guó)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(jì)量裝置，應(yīng)安裝采集設(shè)備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)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(shí)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(jì)量電表用于計(jì)量光伏發(fā)電量，同時(shí)在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計(jì)量電表，用于計(jì)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(cè)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(cè)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(tái)采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲(chǔ)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：
4.5.3 10kV或35kV并網(wǎng)
根據(jù)《國(guó)家能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)通知》（國(guó)發(fā)新能〔2019〕49號(hào)），對(duì)于需要國(guó)家補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)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(duì)公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對(duì)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(cè)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(cè)裝置。
上圖為一個(gè)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(cè)控設(shè)備比較多，主要如下表：
5、結(jié)論
隨著太陽(yáng)能等清潔能源的使用領(lǐng)域越來越廣,光伏發(fā)電技術(shù)也在不斷普及，數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控也變得越來越重要。數(shù)據(jù)采集對(duì)于后期的科研分析具有重要的實(shí)際意義。而遠(yuǎn)程監(jiān)控不僅可以降低運(yùn)營(yíng)成本,而且也有利于光伏電站的日常運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)等。在光伏系統(tǒng)大力度發(fā)展下，越來越多的人從眾受益。電力公司可以使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)替代員工的值守，投資人員可借助光伏系統(tǒng)獲取更將詳盡的電站信息，為后期的投資提供決策依據(jù)，農(nóng)民也可在光伏系統(tǒng)的幫助下脫貧。
【參考文獻(xiàn)】
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