0引言

近年來，我國積極推動能源生產和消費革命，努力構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，能源行業(yè)在國際上已經位于前列，電力裝機容量與發(fā)電量居世*第*，能源行業(yè)的發(fā)展成效顯而易見，其中，光伏發(fā)電是現代能源體系的主要構成之一。

與同等規(guī)模的光伏電站相比，分布式光伏發(fā)電具有就近并網、就近使用等特點。這不僅會使光伏發(fā)電量得到有效提高，同時也降低了電力系統(tǒng)在輸送電過程中的損耗，在當今越來越受到用戶的關注。分布式光伏發(fā)電日益發(fā)展的同時，也會給分布式光伏電站的維護帶來諸多的問題與挑戰(zhàn)，如當光伏電站在發(fā)電過程中發(fā)生故障時，無法快速定位故障點，從而消耗人力資源等。

物聯網技術作為5G時代較為重要的先進技術之一，其在各行各業(yè)中都有著極其重要的應用。結合其高效的資源利用、數據收集及*大限度地減少人力的技術優(yōu)勢，針對如何降低光伏電站的運維成本，提高相關工作人員效率，提升光伏電站的管理水平等問題，設計了一種基于物聯網技術的分布式光伏電站遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現對光伏電站運行參數、環(huán)境參數等數據的實時采集、存儲和遠程監(jiān)測。

1系統(tǒng)架構

1.1系統(tǒng)整體架構設計

光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)是光伏電站的核心系統(tǒng)之一，主要包括硬件系統(tǒng)與軟件平臺?；谖锫摼W的光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

圖1光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)基于物聯網架構設計，主要包括設備感知層、網絡層、應用層。設備端（光伏逆變器）通過通信模塊將采集到的數據以JSON字符串格式上傳至網絡層（云服務器）。云端服務器的MQTT服務通過物聯網MQTT協議與Web服務端、前端分別建立連接，數據可以直接通過MQTT服務器實時推送到應用層前端進行數據展示，同時，服務端對需要被調用的歷史數據信息進行解析、存儲。

1.2系統(tǒng)通信組網設計

系統(tǒng)通信組網主要包括遠程通信網與本地通信網，監(jiān)控管理系統(tǒng)通信組網架構如圖2所示。

圖2系統(tǒng)通信組網結構

1.2.1遠程通信網

遠程通信網主要為了滿足監(jiān)控管理系統(tǒng)與無線通信模塊之間進行通信，其具有數據量大、通訊范圍廣、雙向可靠通信的特點。遠程通信方式主要包括光纖、電力無線專網、無線公網等，本系統(tǒng)采用Wi-Fi通信技術實現遠程無線公網通信。

1.2.2本地通信網

本地通信網主要滿足無線通信模塊與DSP之間進行通信，其主要通信方式包括電力線載波、微功率無線、RS485通信等。本系統(tǒng)根據客戶需求采用RS485方式實現本地通信。

1.2.3MQTT服務器

設備數據接入云端采用MQTT協議。該協議是在TCP/IP協議的基礎上構建的，具有網絡占用開銷小、帶寬低、易于實現等優(yōu)勢，非常適合于物聯網應用下的信息采集和工業(yè)控制。

圖3MQTT消息隊列發(fā)送機制

本系統(tǒng)服務端搭建EMQX服務器。EMQX平臺是基于Erlang/OTP開發(fā)的MQTT消息服務器，是開源社區(qū)中*流行的MQTT消息服務器。EMQX更適用于平臺側。EMQX代理服務器優(yōu)勢在于具有高并發(fā)連接與高吞吐消息的服務能力，以及物聯網協議棧支持的完整性，擴展能力較強。單臺的EMQX代理就能滿足本系統(tǒng)設計需求。

2系統(tǒng)硬件架構

2.1硬件整體架構設計

監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性價比很高，具有非常高的控制性能，主頻為60MHZ，其供電方式為單電源供電。

圖4光伏監(jiān)控系統(tǒng)硬件整體結構

系統(tǒng)的硬件結構主要包括電源電路、Wi-Fi通信模塊、ADC調理電路、逆變器功率電路過零點及故障中斷輸入電路、DSP微處理器。電源電路負責為DSP微處理器和各模塊提供電壓，ADC調理電路等將模擬量輸入DSP處理器，DSP內置的ADC模塊將模擬信號轉換為數字信號，供TMS320F28335處理。經處理分析后的數據通過串口通信傳輸至Wi-Fi通信模塊，完成基本數據的采集。

2.2數據采集及無線通信設計

逆變器數據采集模塊包括ADC兩路采樣電路。采集的數據包括PV電壓電流、BUS電壓電流、GRID電壓電流、逆變器功率等。其中，逆變器功率通過等級編碼的形式供TMS320F28335讀取，在采集線路與TMS320F28335之間還需要通過ADC采樣電路切換來決定通過哪一路進行數據采集。由于采集模塊主DSP芯片引腳不足，使用TMS320F28035作為從DSP芯片。其與主DSP采用SPI通信方式進行通信，從DSP只有一路ADC采樣電路。除此之外，為了將采集到的數據通過公網上傳至應用層，監(jiān)控系統(tǒng)設備端具有獨立的無線通信模塊，支持4G/Wi-Fi傳輸。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件架構主要包括設備端通信實現與應用層平臺開發(fā)。

3.1設備端通信軟件設計

設備端通信即本地通信組網的實現，主要實現流程如圖5所示。

圖5設備端通信實現流程

首先，需要對STM32芯片寄存器進行初始化配置。系統(tǒng)初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區(qū)數據。系統(tǒng)初始化完成后，向ADC采樣電路發(fā)送信號，每隔60秒發(fā)送一次。模擬量經過ADC采樣電路傳遞至DSP處理器處理，處理后的數據以JSON的格式通過RS485傳輸至Wi-Fi通信模塊。Wi-Fi模塊通過綁定服務器IP與端口號與MQTT服務代理建立連接。通信模塊需要與應用平臺的MQTT模塊訂閱相關的主題進行通信。

3.2可視化平臺軟件設計

平臺基于B/S架構設計，前端采用Vue框架，后端采用Egg框架。

圖6可視化平臺架構

根據客戶要求，本可視化平臺采用的是瀏覽器/服務器(B/S)架構。用戶須通過客戶端的瀏覽器登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)前端通過HTTP協議訪問后端服務器與數據庫，數據庫作為該系統(tǒng)平臺架構的中心。

圖7可視化平臺功能模塊劃分

可視化平臺集用戶管理、權限管理、站點管理、設備管理、消息管理、數據大屏展示等功能模塊為一體，可實時監(jiān)測光伏電站逆變器發(fā)電量、發(fā)電功率等重要參數，并能對逆變器的歷史數據進行調取，便于相關技術人員進行分析。

平臺前后端整體架構如圖8所示。

圖8平臺軟件架構設計

平臺前端技術棧主要包括Vue.js、Vue-Router、Vuex、axios、Element-UI、Echarts、iconfont等。前端采用Vue-Router和Vuex進行全局路由配置和全局狀態(tài)管理，使用自定義的組件作為頁面容器。根據不同需求，采用Axios向后端發(fā)送不同的請求，以獲取相應數據并實現相應頁面展示功能。

前端與硬件設備交互采用MQTT協議，通過訂閱pub/PGSOL10KTL/#主題接收來自EMQX代理發(fā)過來的數據信息。JSON格式的信息體按照字段定義解析后，通過STORE模塊提交到Vuex共享狀態(tài)管理模塊。

前端頁面再通過Vuex獲取數據及告警信息進行展示。為了緩解前端數據壓力，通過定時器定時清除緩存數據。

可視化平臺后端采用Egg企業(yè)級框架。Egg框架是在Koa架構的基礎上進行的二次構建，其內置了多進程管理機制以及便于開發(fā)者使用的插件，具有性能可靠穩(wěn)定、測試范圍廣等特性。本平臺后端采用的技術棧主要包括RESTful、MySQL、mqtt.js、model、control?ler等。后端依次對每一幀經MQTT服務器傳輸過來的數據進行過濾，并將供前端調用的數據存儲在數據庫中。

4系統(tǒng)設計方案

安科瑞電光伏電站監(jiān)控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結多年的開發(fā)、實踐經驗和大量的用戶需求而設計針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1軟件運行環(huán)境配置

服務器上安裝Windows7操作系統(tǒng)。

4.2光伏電站電力監(jiān)控軟件架構

軟件采用C/S架構，實時采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計發(fā)電量和氣象數據。

4.3光伏電站電力監(jiān)控軟件功能

對光伏電站的整體信息進行監(jiān)控，采用圖形和數據的形式實時動態(tài)地展現電站概況、電站實時發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計信息。包括電站概括、環(huán)境參數、實時信息、發(fā)電量統(tǒng)計及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現場環(huán)境進行實時監(jiān)測與顯示，如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。

a）通過對電站內一次及二次配電網絡狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內各電氣設備的運行情況及狀態(tài)，并對電站的并網狀態(tài)、有/無功功率流向情況等進行實時監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據微逆變反應的數據顯示各組太陽能電池板的工作狀態(tài)（是否正常發(fā)電），根據組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率，分別計量兩種兩種逆變方式的發(fā)電量日發(fā)電量、日發(fā)電量曲線、月發(fā)電量柱狀圖、年發(fā)電量柱狀圖等，并對這兩種方式發(fā)電量進行對比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標包括：

直流電壓、直流電流、直流功率

交流電壓、交流電流

逆變器內溫度、時鐘

頻率、功率因數、當前發(fā)電功率

日發(fā)電量、累積發(fā)電量、累積CO2減排量

電網電壓過高、電網電壓過低

電網頻率過高、電網頻率過低

直流電壓過高、直流電壓過低

逆變器過載、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP故障、通訊故障等。

監(jiān)控系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓—時間曲線、功率—時間曲線等，直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發(fā)電量等電參量；

d）交流匯流箱監(jiān)控

交流匯流箱主要監(jiān)測指標包括：

光伏組串輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發(fā)電功率、總發(fā)電量

匯流箱輸出電流、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監(jiān)測允差報警

傳輸電纜/短路故障告警

空氣開關狀態(tài)、故障信息等

e）交流配電柜監(jiān)控

交流配電柜主要監(jiān)測指標包括：

光伏發(fā)電總輸出有功功率、無功功率

功率因數、電壓、電流

斷路器故障信息、防雷器狀態(tài)信息等

f）并網柜監(jiān)控

通過對并網柜的監(jiān)控，計量上網電量、內部用電量、電能質量、光伏發(fā)電系統(tǒng)有功和無功輸出、發(fā)電量、功率因數、并網點的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數，計算碳減排量，并折算成標準煤，計算發(fā)電收益。

g）環(huán)境參數監(jiān)控

環(huán)境參數主要監(jiān)測指標包括：

日照輻射

風速、風向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導電池板需要清洗等信息。

h）歷史數據管理

監(jiān)控系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現場的各種事件進行記錄，如：通訊采集異常、開關變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警值進行更改設置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時內光伏發(fā)電量與該日日照強度，環(huán)境溫度，風速等的波動情況。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示，建議運維人員前往現場檢查是否有故障發(fā)生等；另外對于并網柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進行監(jiān)視，當出現開關變位及時報警，提醒運維人員。

啟動鍋爐房、尿素車間、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖如圖3所示。

觀展平臺分布式光伏展示圖如圖4所示。

圖3啟動鍋爐房、尿素車間、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖

圖4觀展平臺分布式光伏展示圖

5結論語

本文設計了一種基于物聯網架構的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可視化平臺與手機移動App對光伏電站進行遠程在線監(jiān)測與故障識別。與傳統(tǒng)光伏電站運維方式相比，具有節(jié)約人力資源、節(jié)省運維成本以及數據傳輸安全可靠等優(yōu)勢。同時，此方案的提出也為物聯網在配電網自動化中的廣泛應用提供一定的參考。

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