基于SpringBoot的分布式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)①

閆蘭英,袁 帥

1(山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,濟(jì)南 250101)

2(積成電子股份有限公司,濟(jì)南 250100)

太陽(yáng)能作為一種清潔、高效的可再生能源,與傳統(tǒng)化石能源相比具有先天優(yōu)勢(shì).特別是近10年,隨著材料科學(xué)和通信技術(shù)突飛猛進(jìn)得發(fā)展,太陽(yáng)能已經(jīng)從書本上的能源走入到千家萬(wàn)戶的身邊[1,2].與此同時(shí),國(guó)家政府也投入了大量的人力和物力發(fā)展光伏發(fā)電,以安徽省肥東縣為例,自2015年至今,政府先后投資855 萬(wàn)元,為5 個(gè)貧困村、300 余戶貧困戶建造了310 座分布式光伏發(fā)電站,極大改善了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?提高了人民的生活質(zhì)量,緩解了當(dāng)?shù)赜秒娋o張狀況,同時(shí)也可以就近接入配電網(wǎng),發(fā)電用電并存.

但是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相互之間獨(dú)立,控制相對(duì)分散,很難實(shí)現(xiàn)集中化、統(tǒng)一化、智能化的管理,對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀況無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的快速管理,特別是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警,現(xiàn)場(chǎng)居民無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)排除,留下了安全隱患[3].本文基于SpringBoot 快速開發(fā)了一種B/S 構(gòu)架的太陽(yáng)能光伏發(fā)電管理系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、告警展示等功能,而且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、發(fā)電統(tǒng)計(jì)、能源匯總等功能,通過(guò)接入實(shí)際分布式太陽(yáng)能發(fā)電站,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性,具有極高的推廣價(jià)值和實(shí)際意義.

1 系統(tǒng)整體框架

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)(如圖1)可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為小型發(fā)電系統(tǒng),其中核心部件包括：太陽(yáng)能電池板、匯流箱、直流柜、逆變器、溫度儀、輻照儀、數(shù)據(jù)采集器、升壓系統(tǒng)、服務(wù)器等設(shè)備.

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能電池板主要功能是利用光伏效應(yīng)將采集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能,再經(jīng)由匯流箱和直流柜匯集,通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)工頻電能,一部分直接由用戶“消化使用”,另一部分通過(guò)升壓系統(tǒng)就近并入高壓電網(wǎng),緩解電網(wǎng)壓力,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果.由此可見,逆變器是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的橋梁和核心,只要對(duì)逆變器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)管理,便可以掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況.數(shù)據(jù)采集器主要功能便是采集逆變器、溫度儀和輻照儀等設(shè)備數(shù)據(jù)、狀態(tài)和告警信息,通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程傳到服務(wù)器,進(jìn)行規(guī)約解析、信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)展示.分布式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)如圖2.

圖2 分布式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)包括4 個(gè)模塊：前置功能模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、能源統(tǒng)計(jì)模塊、界面展示模塊.

前置功能模塊的主要功能：(1)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通道,獲取數(shù)據(jù)采集器上報(bào)幀；(2)規(guī)約解析,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中間件(Kafka).

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要功能：(1)創(chuàng)建定時(shí)任務(wù),定時(shí)執(zhí)行任務(wù)；(2)消費(fèi)中間件(Kafka)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).

能源統(tǒng)計(jì)模塊的主要功能：(1)創(chuàng)建定時(shí)任務(wù),定時(shí)執(zhí)行統(tǒng)計(jì)、分析、存儲(chǔ)任務(wù).

界面展示模塊的主要功能：(1)采用EasyUI 作為前端支持；(2)采用Echart 作為圖形展示[4]；(3)采用shiro 作為安全權(quán)限控制.

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用了SpringBoot 框架,通過(guò)簡(jiǎn)單的配置便可以糅合不同功能的子框架,比如,整合Druid 數(shù)據(jù)庫(kù)連接池實(shí)現(xiàn)對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的管理,整合Kafka 來(lái)解決數(shù)據(jù)高并發(fā)的問題,整合Quartz 來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)的配置[5].

2.1 前置功能模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

前置功能模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通道創(chuàng)建、規(guī)約解析和數(shù)據(jù)存入Kafka 功能,流程圖如圖3.

圖3 前置功能流程圖

本系統(tǒng)采用Netty 框架,創(chuàng)建UDP 通道,對(duì)外開放IP 地址和PORT 端口號(hào),現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)以5 min 周期主動(dòng)上報(bào)到服務(wù)器,服務(wù)器獲取數(shù)據(jù),根據(jù)規(guī)約進(jìn)行解析.本系統(tǒng)將主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)分為：數(shù)據(jù)幀、狀態(tài)幀和告警幀,分別對(duì)應(yīng)Kafka 主題：inver_data、inver_status、inver_warn.

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)創(chuàng)建,定時(shí)讀取不同主題類型的數(shù)據(jù),統(tǒng)一批量存入數(shù)據(jù)庫(kù),流程圖如圖4.由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器主動(dòng)上報(bào)頻率為5 min,根據(jù)采樣定理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的讀取頻率不應(yīng)該大于2.5 min,為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性,降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程的壓力,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的任務(wù)間隔為1 min,對(duì)應(yīng)的cron 表達(dá)式為：0 0/1 * * *?.

圖4 存儲(chǔ)功能模塊流程圖

根據(jù)數(shù)據(jù)上報(bào)的實(shí)際需求,MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)表,數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表(pt_inver_data),主要字段包括：數(shù)據(jù)采集器SN、逆變器SN、數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間、直流電壓(pv1、pv2、pv3、pv4、pv5、pv6)、直流電流(pa1、pa2、pa3、pa4、pa5、pa6)、交流電壓(rua、svb、twc)、交流電流(rua、svb、twc)、直流輸出總功率、交流輸出總功率、交流輸出頻率、當(dāng)日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、逆變器溫度.

狀態(tài)幀對(duì)應(yīng)狀態(tài)表(pt_inver_stauts),主要字段包括：數(shù)據(jù)采集器SN、協(xié)議ID、設(shè)備品牌ID、幀小類、總工作時(shí)間、數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間、數(shù)據(jù)上傳周期、最大連接臺(tái)數(shù)、模塊版本號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度、運(yùn)營(yíng)商名稱、基站ID、信號(hào)強(qiáng)度、工作模式、心跳頻率、模塊MAC 地址、硬件版本號(hào).

告警幀對(duì)應(yīng)告警表(pt_inver_warn),主要字段包括：數(shù)據(jù)采集器SN、逆變器SN、數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間、報(bào)警代碼、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警級(jí)別、報(bào)警處理狀態(tài)、報(bào)警恢復(fù)時(shí)間.

2.3 能源統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

能源統(tǒng)計(jì)模塊主要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)定時(shí)任務(wù)的創(chuàng)建,定時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),例如設(shè)備在線情況統(tǒng)計(jì),以15 min 為標(biāo)準(zhǔn),如果設(shè)備在15 min 中沒有上報(bào)登錄幀,則判定設(shè)備離線；如果設(shè)備存在未曾處理的告警信息,則判定設(shè)備處于告警狀態(tài)；發(fā)電站功率是發(fā)電站下所有逆變器功率的累加統(tǒng)計(jì).以統(tǒng)計(jì)發(fā)電站的發(fā)電量為例,其統(tǒng)計(jì)對(duì)象包括：逆變器、發(fā)電站、區(qū)域,時(shí)間統(tǒng)計(jì)維度包括：日統(tǒng)計(jì)、月統(tǒng)計(jì)、年統(tǒng)計(jì).日統(tǒng)計(jì)流程圖如圖5.

圖5 日統(tǒng)計(jì)流程圖

日統(tǒng)計(jì)分析首先從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)電量數(shù)據(jù),歸納統(tǒng)計(jì)到所屬發(fā)電站,再然后對(duì)發(fā)電站的發(fā)電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),歸納到所屬區(qū)域,實(shí)現(xiàn)多條件、多維度查詢.相同道理,月統(tǒng)計(jì)和年統(tǒng)計(jì)按照邏輯順序執(zhí)行,最終實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電站發(fā)電量的累計(jì)統(tǒng)計(jì).

2.4 頁(yè)面展示模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

頁(yè)面展示模塊(如圖6)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)檔案管理、數(shù)據(jù)展示、權(quán)限控制、編碼管理、報(bào)表管理等功能,本系統(tǒng)采用EasyUI 作為前端支持,Shiro 作為安全框架進(jìn)行身份認(rèn)證,Echart 作為圖形展示,ajax 實(shí)現(xiàn)前后臺(tái)數(shù)據(jù)交互.

圖6 頁(yè)面展示模塊

3 系統(tǒng)功能展示

3.1 系統(tǒng)大屏展示

系統(tǒng)大屏(如圖7)整體采用科幻灰藍(lán)色風(fēng)格,以模塊化方式進(jìn)行分割分塊,主要展示了設(shè)備匯總、本月發(fā)電、日告警事件、成功率、輪播告警信息、區(qū)域發(fā)電信息,具有直觀、簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)點(diǎn).

圖7 系統(tǒng)大屏

3.2 發(fā)電站檔案展示

發(fā)電站檔案(如圖8)主要以表格datagrid 方式進(jìn)行展示,具有多條件模糊查詢、分頁(yè)查詢的功能,包括發(fā)電站名稱、電站id、所屬地市、縣區(qū)、設(shè)備廠家、裝機(jī)功率、實(shí)時(shí)功率、日發(fā)電量、告警和通訊狀態(tài).

圖8 發(fā)電站檔案

3.3 采集數(shù)據(jù)展示

采集數(shù)據(jù)展示采用曲線形式展示,如圖9,主要展示了發(fā)電站日發(fā)電量曲線和日發(fā)電功率曲線,兩者相互對(duì)比驗(yàn)證,為日常維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持.

圖9 采集數(shù)據(jù)展示

3.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展示

圖10以發(fā)電量統(tǒng)計(jì)為例,通過(guò)柱狀圖的方式展示,可以點(diǎn)擊右上角“日”、“月”、“年”、“總”按鈕來(lái)查看發(fā)電站發(fā)電量情況,直觀有效把握發(fā)電站運(yùn)行情況.

圖10 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展示

3.5 告警信息展示

告警信息展示了發(fā)電站名稱、告警內(nèi)容、告警等級(jí)、告警發(fā)生時(shí)間、故障編碼、告警狀態(tài)、處理狀態(tài)等信息,如圖11,而且告警信息可以通過(guò)短信平臺(tái)在第一時(shí)間內(nèi)推送到發(fā)電站負(fù)責(zé)人和維護(hù)人員的手機(jī)上,確保告警事件可以及時(shí)有效解決.

圖11 告警信息展示

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)研發(fā)構(gòu)建成功之后,以阿里云服務(wù)器為依托進(jìn)行布置,采用Nginx 進(jìn)行負(fù)載均衡,提高系統(tǒng)的并發(fā)吞吐量和抗壓能力.系統(tǒng)布置成功之后,用Jmeter 工具進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試,主要對(duì)HTTP 接口和MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行性能測(cè)試[6].

4.1 HTTP 接口性能測(cè)試

HTTP 接口性能測(cè)試主要選用用戶登錄、告警事件查詢、發(fā)電量曲線查詢3 個(gè)接口進(jìn)行測(cè)試,主要流程包括：(1)添加線程組和HTTP 請(qǐng)求；(2)添加URL 路徑、請(qǐng)求方式(post)和參數(shù)；(3)添加查看結(jié)果樹；(4)調(diào)用接口、查看返回值.

如表1所示,3 個(gè)接口在并發(fā)線程100 的情況下,平均響應(yīng)時(shí)間小于400 ms,出錯(cuò)率均為0,具有較好得處理并發(fā)能力和抗壓能力.

表1 HTTP 接口性能測(cè)試表

4.2 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)性能測(cè)試

MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)性能測(cè)試以獲取全部發(fā)電站信息為例,對(duì)應(yīng)SQL 語(yǔ)句為：select * from c_cons,流程為：(1)導(dǎo)入MySQL 的jdbc 包,配置參數(shù)；(2)設(shè)置jdbc request,寫入SQL 語(yǔ)句；(3)添加查看結(jié)果樹；(4)執(zhí)行SQL 語(yǔ)句,查看結(jié)果.

如表2所示,在并發(fā)量50 的情況下,獲取發(fā)電站信息的平均響應(yīng)時(shí)間97 ms,最小響應(yīng)時(shí)間58 ms,最大響應(yīng)時(shí)間137 ms,出錯(cuò)率0,數(shù)據(jù)庫(kù)性能優(yōu)秀.

表2 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)性能測(cè)試表

總結(jié),由于采用SprinBoot 框架,系統(tǒng)整體性能滿足實(shí)際要求,特別是應(yīng)用了前后端分離、前后端負(fù)載均衡,極大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[7].

5 系統(tǒng)綜述和展望

系統(tǒng)構(gòu)建成功之后,以某省分布式光伏電站扶貧項(xiàng)目為契機(jī),接入分布式光伏發(fā)電站465 戶、逆變器485 塊,自2019年9月17日接入系統(tǒng),逐步升級(jí)完善,正常運(yùn)行至今,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、分析、展示功能,達(dá)到了智能化、集中化、統(tǒng)一化管理的目的.

據(jù)統(tǒng)計(jì),系統(tǒng)運(yùn)行至今一共上報(bào)過(guò)626 次告警事件,其中普通告警401 起,嚴(yán)重告警事件225 起,具體分布如圖12.

由于所接入的分布式光伏電站多接入在偏遠(yuǎn)地區(qū),以往管理、監(jiān)測(cè)困難,當(dāng)前綜合能源公司相關(guān)管理人員通過(guò)光伏發(fā)電管理系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間調(diào)取光伏發(fā)電站的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息,當(dāng)發(fā)電站發(fā)生故障告警,可以立即快速定位故障地點(diǎn),及時(shí)搶修,確保系統(tǒng)運(yùn)行正常,維護(hù)人身和生命財(cái)產(chǎn)的安全,每月可以人工成本和管理成本12 萬(wàn)元,受到了相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和使用人員的一致好評(píng).

圖12 告警信息統(tǒng)計(jì)