摘要：針對國內光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研究現狀，文中提出了基于云平臺的光伏發(fā)電監(jiān)控體系。構建基于B/S架構的數據實時采集與推送，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SQLServer數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用。*終通過設計人機交互界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現出來。實際系統(tǒng)的測試應用說明文中設計的監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現多個光伏電站系統(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；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)模光伏電站并網接入的監(jiān)控問題，國內外學者與企業(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架構的數據實時采集與推送，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)控數據量大等實際問題，通過云計算技術在云端實現對多種類、多站點的電流、電壓等數據進行實時監(jiān)控與分析，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和**性。通過合理設計SQLServer數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用，提高計算的**性和實時性。利用友好的人機界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現，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)的并網電壓和并網容量以達到并網的條件。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)結構如圖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為主，因此，光伏電站需要將直流電轉化為交流電以實現并網。逆變器是實現光伏電站并網的重要裝置，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，其能夠將光伏陣列產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需要實時采集并監(jiān)控。
1.5交流配電柜
光伏電站并網需要通過交流配電柜來完成并網，交流配電柜不僅可以實現對備用逆變器的轉化功能，確保系統(tǒng)能夠正常運行，還可以對線路傳輸的電能進行監(jiān)控。在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，交流配電柜的實時數據需要及時采集并傳輸。
2、云計算平臺架構
云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯(lián)網的計算模式，提供基于網絡的分布式存儲、計算和展示，網絡訪問具有可行、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絡拓撲結構，該拓撲結構對數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，提供基于微軟數據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構。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用存儲空間，大大減少程序的調試時間，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)總體結構
為了使系統(tǒng)具有全局性以及能夠實現遠程操作功能，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。根據數據類型與應用特性對電站運行中獲取得到的監(jiān)測數據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，各個層級的數據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體系結構，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、數據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插件將數據進行圖形化處理，對某一時間段同類數據或不同類數據進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。
系統(tǒng)分為四層：應用層、服務層、設備驅動層、數據層，不同層處理不同數據，各層彼此結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)務的信息數據處理、運算和控制是在服務層進行。與設備間的通訊由驅動層完成，并獲取設備的數據并進行轉換格式的操作，保證系統(tǒng)能夠正常識別。客戶端現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據進行分析，系統(tǒng)模塊主要包括數據采集模塊、數據通信模塊、數據庫和監(jiān)控終端四個模塊。
3.2.1數據采集模塊
數據采集模塊采集光伏電站實時運行數據，光伏電站運行過程中涉及各類數據，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據外，還有部分數據需要通過基本數據衍生計算。數據采集模塊結構如圖4所示。
3.2.2數據通信模塊
在現場監(jiān)控中，采集數據信息需要**、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據傳送的基本功能，還需要保證所傳送數據的準確性、實時性和**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，實現數據**穩(wěn)定可靠的傳輸。
3.2.3數據庫模塊
數據庫負責前端界面對數據的調用和后臺數據的存儲，光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測的數據結構多樣，數據庫的設計和數據模型結構關系到數據的**性、完整性和可維護性。本系統(tǒng)采用SQLServer關系型數據庫，實現對系統(tǒng)結構數據和非結構數據的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統(tǒng)計等功能。云端SQLAzure數據庫與SQLServer數據庫使用SQLServerExpress工具實現同步管理。同時，在系統(tǒng)中利用Hibernate框架將數據層和業(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
現場監(jiān)控主要由數據采集模塊、上位機、數據傳輸通道、數據庫構成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數據通過傳感器送到數據集中模塊，經信號調理電路濾波處理后將數據進行歸類分析，現場通過ＲS－485接口實現數據的傳輸和存儲。現場監(jiān)控顯示各種元器件數據、發(fā)電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現對模塊的控制，比如：模塊參數、分合閘信息等。現場監(jiān)控結構如圖5所示。
現場數據監(jiān)控終端可以向工作人員提供電站的實時數據信息和歷史數據信息，展示電站的運行狀態(tài)，終端監(jiān)控功能如圖6所示。
本地數據通過上位機接收存儲到數據庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環(huán)境，將本地數據庫轉移至云存儲中，實現云端數據庫和前臺界面的數據交互，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服務體系結構圖7所示。
4、系統(tǒng)實現
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。為了實現前端頁面和后端的數據交互，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**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)、實時數據、故障信息數據、檢測數據和警報信息。
4.3監(jiān)控功能模塊
本系統(tǒng)的數據監(jiān)控功能主要分為兩大類：實時數據監(jiān)控和歷史數據監(jiān)控。實時數據監(jiān)控主要展現出電站實時運行數據信息，用戶可以按照自身需求對電站相關信息進行訪問。實時數據由采集設備得到并寫入到數據庫中，當用戶發(fā)送實時數據請求時再對相關數據進行調用。歷史數據監(jiān)控是指系統(tǒng)可以調用歷史云端數據，進行歷史數據分析。設備信息表查詢主要顯示子系統(tǒng)并網電站設備的信息，顯示站內直流柜、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)具有強大的數據圖形化功能，從數據庫中提取出功率數據，由相關的圖形設備接口和Java插件對數據進行處理。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據，也可以查詢歷史數據，用戶可根據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。總站信息匯集了所有接入子系統(tǒng)的數據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：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業(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)結構
在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。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。平臺整體結構如圖所示。
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，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內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、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。
5.4.1光伏發(fā)電
5.4.1.1綜合看板
●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，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
5.4.1.2電站狀態(tài)
●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。
●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。
●攝像頭實時監(jiān)測現場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數。
●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。
5.4.1.3逆變器狀態(tài)
●逆變器基本參數顯示。
●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。
●直流側電壓電流查詢。
●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。
5.4.1.4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。
5.4.1.5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
5.4.1.6配電圖
●實時展示逆變器交、直流側的數據。
●展示當前逆變器接入組件數量。
●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數。
●展示逆變器型號及廠商。
5.4.1.7逆變器曲線分析
●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。
5.4.2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、內容、發(fā)送結果、回復等。
●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。
●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。
5.4.3運行環(huán)境
●視頻監(jiān)控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。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。
5.5系統(tǒng)硬件配置
5.5.1交流220V并網
交流220V并網的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。
部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。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：
5.5.2交流380V并網
根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網，以當地電力部門的審批意見為準。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。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現用電信息的遠程自動采集。
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，實現自發(fā)自用，余電上網。在380V并網點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)電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網電量結算。
部分光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，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，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能，系統(tǒng)圖如下。
這種并網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)電數據和儲能系統(tǒng)運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：
5.5.310kV或35kV并網
根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行**技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統(tǒng)。
此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，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)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。
光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量，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，需要安裝單獨的電能質量監(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，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，*后經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：
6、結束語
針對目前的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)在大規(guī)模光伏電站并網監(jiān)控方面存在的不足，本文提出了基于云平臺的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺。通過分析現有的監(jiān)控系統(tǒng)采用的技術架構，充分利用云技術的集中處理和存儲擴展性，降低了硬件設施的經濟成本，有利于后期系統(tǒng)的維護等特點。通過分析光伏監(jiān)控系統(tǒng)數據采集模塊、研究光伏電站逆變器通訊、環(huán)境監(jiān)測儀、數據集中器等硬件結構以及通信連接方法，設計了基于Modbus通信協(xié)議的上位機與各設備間的主從控制系統(tǒng)，達到將采集模塊采集的數據上傳至上位機以及云平臺的目的。*后基于實際光伏電站的應用驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性
