基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)-----安科瑞張?zhí)锾?/h1>

更新時間：2023-05-24   點擊次數(shù)：477次

 摘要：針對國內(nèi)光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，文中提出了基于云平臺的光伏發(fā)電監(jiān)控體系。構(gòu)建基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)實時采集與推送，以SSH(struts+spring+hibernate)作為Web開發(fā)框架，開發(fā)基于云平臺的光伏發(fā)電遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在平臺部署過程中，通過合理設計S數(shù)據(jù)庫，結(jié)合本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲、計算和調(diào)用。終通過設計人機交互界面，將數(shù)據(jù)通過報表等多種可視化方式展現(xiàn)出來。實際系統(tǒng)的測試應用說明文中設計的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個光伏電站系統(tǒng)的綜合管理，提高光伏電站遠程監(jiān)控的質(zhì)量和效率。

   關鍵詞：光伏發(fā)電；分布式光伏遠程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；光伏發(fā)電運維；云平臺

 

0、引言

   隨著分布式光伏電站的大量接入，光伏電站的管理越來越困難。針對大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)接入的監(jiān)控問題，國內(nèi)外學者與企業(yè)開展了大量的研究，也取得了相應的成果和開發(fā)相關的產(chǎn)品。近年來，云計算技術逐漸興起，其應用模式和傳統(tǒng)幾種模式不同，具有共享池化的資源、自助服務按需付費等特點，通過管理中間件系統(tǒng)進行資源的整合，提高效率。本文基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)實時采集與推送，以SSH為Web框架，開發(fā)了基于云平臺的光伏發(fā)電遠程監(jiān)控系統(tǒng)。為解決光伏站點分布不均、發(fā)電站監(jiān)控數(shù)據(jù)量大等實際問題，通過云計算技術在云端實現(xiàn)對多種類、多站點的電流、電壓等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控與分析，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。通過合理設計S數(shù)據(jù)庫，結(jié)合本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲、計算和調(diào)用，提高計算的有效性和實時性。利用友好的人機界面，將數(shù)據(jù)通過報表等多種可視化方式展現(xiàn)，提高系統(tǒng)可用性和操作方便性。

 

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)

   光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種利用光伏電池元件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽能電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，它能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，同時利用串聯(lián)和并聯(lián)的形式提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)容量以達到并網(wǎng)的條件。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動性和間歇性，為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，光伏電站都配置一定容量的儲能裝置，以提高光伏電站輸出的平穩(wěn)性。因此，在實際光伏電站系統(tǒng)中需配置控制器對蓄電池的充放電情況進行控制以保證儲能保障蓄電池的正常使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

   光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要由光伏陣列、蓄電池、控制器和逆變器組成。

1.1電池陣列

   光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分是光伏電池，當系統(tǒng)需要較大的輸出功率時，通常采用對光伏電池進行并聯(lián)和串聯(lián)形成光伏陣列。目前業(yè)界常用的電池主體由硅電池組成，根據(jù)硅晶體的不同排列可分為三種不同型號。

1.2逆變器

   由于光伏電池輸出的是直流電，而目前我國以交流電網(wǎng)為主，因此，光伏電站需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電以實現(xiàn)并網(wǎng)。逆變器是實現(xiàn)光伏電站并網(wǎng)的重要裝置，逆變器效率直接影響光伏電站以及儲能蓄電池的效率，因此，逆變器的運行狀態(tài)需要實時監(jiān)控。

1.3蓄電池組

   光伏電站需要配備一定容量的儲能系統(tǒng)，以提高光伏系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。儲能一般采用蓄電池組，其能夠?qū)⒐夥嚵挟a(chǎn)生的多余電能進行存儲，同時也可以向所接負載供應電能。蓄電池是光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制的重要環(huán)節(jié)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)整體輸出起到削峰填谷的作用，因此，監(jiān)控系統(tǒng)須對儲能蓄電池組進行實時監(jiān)控。

1.4充放電控制器

   利用儲能放電控制器可以保護蓄電池組，避免由于過度充放電導致的電池壽命縮短。另外，合理的充放電控制可以大大提高光伏系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，充放電控制器的運行參數(shù)需要實時采集并監(jiān)控。

1.5交流配電柜

   光伏電站并網(wǎng)需要通過交流配電柜來完成并網(wǎng)，交流配電柜不僅可以實現(xiàn)對備用逆變器的轉(zhuǎn)化功能，確保系統(tǒng)能夠正常運行，還可以對線路傳輸?shù)碾娔苓M行監(jiān)控。在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，交流配電柜的實時數(shù)據(jù)需要及時采集并傳輸。

 

2、云計算平臺架構(gòu)

   云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算模式，提供基于網(wǎng)絡的分布式存儲、計算和展示，網(wǎng)絡訪問具有可行、便捷、按需的特點。當系統(tǒng)接收訪問，進入計算資源共享池，即可迅速響應，為用戶提供服務器、網(wǎng)絡、存儲、服務、應用軟件等資源，在用戶和服務供應商間僅需做少量交互從而大大減少管理的工作量。這也是云計算的主要的優(yōu)點所在。云計算系統(tǒng)的后臺擁有特殊的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)對數(shù)目龐大的服務器進行合理組織，保證云計算穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)采用微軟WindowsAzurePlatform云計算平臺，提供基于微軟數(shù)據(jù)中心隨用隨付費的靈活服務模式。該云計算平臺有一下特點：微軟云中的應用開發(fā)不需企業(yè)自身進行部署和維護，也無需關注底層的結(jié)構(gòu)。在微軟云中，可以使用Windows和Linux兩種虛擬機，同時也支持開源工具(PHP、Node．js等)。因此，用戶只需按自己的實際需求，靈活地部署虛擬機和調(diào)用存儲空間，大大減少程序的調(diào)試時間，加快程序的開發(fā)速度。面對客戶日益增長的需求，本系統(tǒng)還可以根據(jù)業(yè)務的變化向外擴展，提供更多的資源。云計算的使用大大降低了硬件的購買和維護費用，并且可以與本地的IT設施協(xié)同使用，使得用戶能夠整合式地體驗從本地到云端的管理、虛擬化、存儲和開發(fā)的過程，云平臺架構(gòu)如圖2所示。

 

 

3、監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

   為了使系統(tǒng)具有全局性以及能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操作功能，將對發(fā)電站中的所有在線監(jiān)控測量設備，統(tǒng)一采集、分析和管理。根據(jù)數(shù)據(jù)類型與應用特性對電站運行中獲取得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分門別類地存儲，各層面的工作人員各司其職，只關注與自己相對應的存儲信息。另外，各個層級的數(shù)據(jù)能夠從上到下進行追溯查詢。

   本文設計一種采用WindowsAzure和Web相結(jié)合的新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。主要特點有：①應用層采用友好的用戶界面，讓不同客戶都可以快捷方面的操作本系統(tǒng)；②采用B/S體系結(jié)構(gòu)，充分利用B/S的優(yōu)點，減少用戶的工作量，可以隨時進行操作；③利用SSH集成開發(fā)框架，從表示層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和與模塊層將系統(tǒng)各層分離，便于開發(fā)人員開發(fā)和后期維護；④利用云計算的存儲和較強的計算能力，將系統(tǒng)部署到WindowsAzure中，減少設備的花費和維護的費用；⑤使用前端ECharts插件將數(shù)據(jù)進行圖形化處理，對某一時間段同類數(shù)據(jù)或不同類數(shù)據(jù)進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。

   系統(tǒng)分為四層：應用層、服務層、設備驅(qū)動層、數(shù)據(jù)層，不同層處理不同數(shù)據(jù)，各層彼此結(jié)合形成面向用戶的系統(tǒng)功能。用戶與系統(tǒng)的交互主要在應用層進行，用戶的需求在應用層都會直觀的形式展示，用戶操作指令和信息會錄入到應用層，再將這些信息交由服務層處理。整個業(yè)務的信息數(shù)據(jù)處理、運算和控制是在服務層進行。與設備間的通訊由驅(qū)動層完成，并獲取設備的數(shù)據(jù)并進行轉(zhuǎn)換格式的操作，保證系統(tǒng)能夠正常識別?？蛻舳爽F(xiàn)場設備的信息通信是雙向的，即將信息以設備能夠辨識的格式發(fā)送給設備，保證系統(tǒng)能夠正常向下層設備傳遞信息，如圖3所示。

 

3.2光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)模塊

   本監(jiān)控系統(tǒng)對采集到的各類電站數(shù)據(jù)進行分析，系統(tǒng)模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控終端四個模塊。

3.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

   數(shù)據(jù)采集模塊采集光伏電站實時運行數(shù)據(jù)，光伏電站運行過程中涉及各類數(shù)據(jù)，包括：光伏陣列、逆變器、環(huán)境監(jiān)測儀、計量器等。另外，除了設備本身直接獲取的基礎數(shù)據(jù)外，還有部分數(shù)據(jù)需要通過基本數(shù)據(jù)衍生計算。數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 

3.2.2數(shù)據(jù)通信模塊

   在現(xiàn)場監(jiān)控中，采集數(shù)據(jù)信息需要安全、穩(wěn)定的上傳至上位機以及服務器，因此，通信不僅需要完成數(shù)據(jù)傳送的基本功能，還需要保證所傳送數(shù)據(jù)的準確性、實時性和安全性。本系統(tǒng)采用RS－485串行通信標準和Modbus通信協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定了主機與從機之間通信的規(guī)則，獨立于物理層，配合RS－485總線標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定可靠的傳輸。

3.2.3數(shù)據(jù)庫模塊

   數(shù)據(jù)庫負責前端界面對數(shù)據(jù)的調(diào)用和后臺數(shù)據(jù)的存儲，光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，數(shù)據(jù)庫的設計和數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)關系到數(shù)據(jù)的安全性、完整性和可維護性。本系統(tǒng)采用S關系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統(tǒng)計等功能。云端S數(shù)據(jù)庫與S數(shù)據(jù)庫使用SExpress工具實現(xiàn)同步管理。同時，在系統(tǒng)中利用Hibernate框架將數(shù)據(jù)層和業(yè)務邏輯層分離，減少程度代碼的復雜度。

3.2.4監(jiān)控終端

   現(xiàn)場監(jiān)控主要由數(shù)據(jù)采集模塊、上位機、數(shù)據(jù)傳輸通道、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數(shù)據(jù)通過傳感器送到數(shù)據(jù)集中模塊，經(jīng)信號調(diào)理電路濾波處理后將數(shù)據(jù)進行歸類分析，現(xiàn)場通過RS－485接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。現(xiàn)場監(jiān)控顯示各種元器件數(shù)據(jù)、發(fā)電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現(xiàn)對模塊的控制，比如：模塊參數(shù)、分合閘信息等?，F(xiàn)場監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖5所示。

 

   現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控終端可以向工作人員提供電站的實時數(shù)據(jù)信息和歷史數(shù)據(jù)信息，展示電站的運行狀態(tài)，終端監(jiān)控功能如圖6所示。

 

   本地數(shù)據(jù)通過上位機接收存儲到數(shù)據(jù)庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環(huán)境，將本地數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移至云存儲中，實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)庫和前臺界面的數(shù)據(jù)交互，用戶可以在瀏覽器上方便地查詢各地站點的信息。遠程B/S服務體系結(jié)構(gòu)圖7所示。

 

 

4、系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1登錄模塊

   登錄模塊是系統(tǒng)的門戶，本系統(tǒng)界面設置有新用戶登錄、注冊、賬號身份等功能。為了實現(xiàn)前端頁面和后端的數(shù)據(jù)交互，需要下載和配置Struts2文件。登錄模塊接收用戶登陸信號，利用判斷機制，確認登錄的安全性，同時使用攔截器對賬號進行攔截，主界面包含電站運行概況信息及其他功能選項。

4.2管理員模塊

   管理員利用權限設置不僅可以對自身信息進行修改，對用戶資料進行管理、修改，還可發(fā)送系統(tǒng)通告。當公司或電站有重大事情或通知時，逐一通知是不可行的，管理人員可以上傳公告、修改公告和刪除公告，而普通用戶可以瀏覽和下載公告。工作人員是該系統(tǒng)的主要對象，主要負責光伏電站平臺的運行和維護，需要及時監(jiān)察電站的基本設備狀態(tài)信息、告警系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)、故障信息數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)和警報信息。

4.3監(jiān)控功能模塊

   本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能主要分為兩大類：實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控。實時數(shù)據(jù)監(jiān)控主要展現(xiàn)出電站實時運行數(shù)據(jù)信息，用戶可以按照自身需求對電站相關信息進行訪問。實時數(shù)據(jù)由采集設備得到并寫入到數(shù)據(jù)庫中，當用戶發(fā)送實時數(shù)據(jù)請求時再對相關數(shù)據(jù)進行調(diào)用。歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控是指系統(tǒng)可以調(diào)用歷史云端數(shù)據(jù)，進行歷史數(shù)據(jù)分析。設備信息表查詢主要顯示子系統(tǒng)并網(wǎng)電站設備的信息，顯示站內(nèi)直流柜、逆變器、高壓柜等設備信息運行信息，其界面如圖8所示。

 

   另外，系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)圖形化功能，從數(shù)據(jù)庫中提取出功率數(shù)據(jù)，由相關的圖形設備接口和Java插件對數(shù)據(jù)進行處理。比如：將功率信息處理后生成功率曲線圖，觀察和分析并網(wǎng)發(fā)電所輸出的功率隨時間變化的趨勢。該功能不僅可查詢當天的數(shù)據(jù)，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)日歷表來選擇想要查詢的時間和站點，如圖9所示。

 

   圖10為2016年8月的月發(fā)電功率柱狀圖，以天為單位統(tǒng)計月功率輸出情況。通過月功率曲線進行光伏發(fā)電系統(tǒng)日、月、年的功率對比分析，以提高系統(tǒng)的分析和顯示能力?？傉拘畔R集了所有接入子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并提供進入分站信息的接口，其顯示如圖11所示。

 

   報警查詢主要以表格的形式顯示報警時間、位置、是否解決、故障等信息，可以分別按報警信息和報警狀態(tài)查詢。針對設備的電流過大或發(fā)電功率驟然下降等情況，給出報警提示。

 

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

           AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監(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，設備檔案，運維管理，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。

5.2應用場所

   目前我國的兩種分布式應用場景分別是：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。

5.3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)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

 

5.4系統(tǒng)功能

           AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運行狀態(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)、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

 

 

 

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