凌平樓 瑜鋒 李昌煌 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司浙江鐵道發(fā)展集團(tuán)有限公司
隨著我國新能源技術(shù)的快速發(fā)展,作為新能源最為重要的一份子,光伏發(fā)電早已不再局限于低電壓、小規(guī)模,分布式光伏發(fā)電技術(shù)的突破則進(jìn)一步允許光伏陣列排列在任何地方。特別是形成規(guī)模的光伏發(fā)電組,不僅可以自給自足,還可以將余電并入電網(wǎng),成為分布式電站。而一些新建的高鐵車站因?yàn)橛兄鴱V闊的屋面,成為分布式光伏電站的優(yōu)選之一。因此,打造綠色高鐵車站屋面光伏電站,將其作為分布式光伏發(fā)電的重要部分受到了廣泛的關(guān)注。同時(shí),高鐵車站建設(shè)有龐大的電力參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng),將大大降低額外建設(shè)光伏電站電力監(jiān)控的成本。兼容分布式光伏發(fā)電站不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電力的自給自足,節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)碳排放雙減,還能夠?qū)⒂嚯姴⑷腚娋W(wǎng)。但是在實(shí)際光伏發(fā)電并網(wǎng)的過程中,發(fā)電信息及環(huán)境參數(shù)復(fù)雜,需要通過實(shí)時(shí)的監(jiān)測來控制并網(wǎng)電壓的狀態(tài),以保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定。然而,傳統(tǒng)的有線檢測系統(tǒng)受限較大,而新興的5G建設(shè)成本又太高,都不利于高鐵車站屋面光伏電站各種環(huán)境及電力參數(shù)的采集。
NB-IoT作為一種500 MHz至1 GHz頻段的窄帶通信技術(shù),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大連接、深覆蓋和低功耗等優(yōu)點(diǎn),還可以基于原有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署以降低通信基礎(chǔ)設(shè)施部署成本。由于NB-IOT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶技術(shù),因此可以實(shí)現(xiàn)百倍于4G的連接規(guī)模。此外,基于蜂窩技術(shù)的NB-IOT技術(shù)還可以利用2G/3G/4G甚至是5G網(wǎng)絡(luò)向前/后兼容/演進(jìn),具有很強(qiáng)的互操作性。因此,NB-IoT技術(shù)利用大連接、深覆蓋、低功耗等優(yōu)勢可以對分布式光伏電站的各類參數(shù)實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)和處理,為建立智慧光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)提供支持。
本文基于NB-IOT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在高鐵車站屋面的智慧光伏監(jiān)控管理系統(tǒng),利用NB_IOT無線采集、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)及前端顯示技術(shù)提供了高度可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)控及智能運(yùn)維管理方案,能夠?qū)崿F(xiàn)對屋面光伏陣列和發(fā)電并網(wǎng)點(diǎn)的精準(zhǔn)監(jiān)控與感知預(yù)警,采集的數(shù)據(jù)還可用來預(yù)測可能的危害,保證電網(wǎng)和光伏陣列運(yùn)行的穩(wěn)定。
總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示,系統(tǒng)主要由分布式光伏硅片陣列、基于NB-IOT模組的電力采集系統(tǒng)、云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心和車站監(jiān)控大屏四個(gè)部分組成??傮w的設(shè)計(jì)方案也聚焦于這四個(gè)部分,分別為光伏陣列環(huán)境參數(shù)采集,并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、NB-IOT模組進(jìn)行雙向無線通信以及云平臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)顯示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
光伏陣列環(huán)境參數(shù)采集:通過氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對光伏陣列周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,包括光伏陣列水平光照度、有效光照度、溫度和濕度等。然后將采集到的環(huán)境參數(shù)通過無線透傳方式傳輸給匯流系統(tǒng)。同時(shí),匯流系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏陣列的電流和電壓輸出值。
并網(wǎng)點(diǎn)電流和電壓狀態(tài)監(jiān)測:通過智能電表、干擾監(jiān)測裝置、頻率檢測裝置等采集數(shù)據(jù)并在線監(jiān)測電場諧波電壓、諧波電流、閃變、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量參數(shù)。
無線NB-IOT通信:將并網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)和匯流系統(tǒng)采集到的光伏陣列的相關(guān)參數(shù)通過NB-IOT模組傳輸?shù)皆破脚_(tái)中,為新能源接入后電網(wǎng)運(yùn)行管理提供可靠數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置有智能投切、保護(hù)裝置等,根據(jù)控制中心站發(fā)出的各項(xiàng)決策指令執(zhí)行相應(yīng)投切保護(hù)動(dòng)作。
云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理:在采集到相關(guān)輸出后,在云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)所測量得到的電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算并預(yù)測并入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量,自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)點(diǎn)有功功率變化率,無功功率功率因數(shù)及并網(wǎng)點(diǎn)的電壓,并能計(jì)算得到當(dāng)前分布式光伏電站的最大發(fā)電能力。云平臺(tái)服務(wù)器方面,本文以某高鐵站屋面光伏智慧管理規(guī)范為模型進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。平臺(tái)主要通過采集的多種環(huán)境參數(shù)和光伏陣列的原始功率對光伏陣列發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測和對光伏陣列進(jìn)行故障診斷,從而實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的智能運(yùn)維和調(diào)控。
基于NB-IOT技術(shù)的光伏發(fā)電信息監(jiān)控系統(tǒng)以最終的直觀展現(xiàn)的功能需求為目的,采取模塊化編程方式,構(gòu)造明確、簡單明了。展示界面采用了IOT大屏大數(shù)據(jù)Web界面,前端使用Vue框架,后端使用MyBatis,系統(tǒng)界面展示通過云端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收到的實(shí)時(shí)監(jiān)測各信息傳感設(shè)備上傳的分布式光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。
用戶可以根據(jù)需求查詢規(guī)定時(shí)效內(nèi)的所有分布式光伏傳感設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),并根據(jù)定制化需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。同時(shí),可以使用管理當(dāng)前的設(shè)備功能,包括正在運(yùn)行的傳感器管理、控制器管理和監(jiān)控管理等。此外豐富的Web系統(tǒng)還為用戶提供了數(shù)據(jù)數(shù)圖計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)維管理功能。
(1)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析和存儲(chǔ),最后通過前端技術(shù)將各個(gè)分布式光伏組件的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以高度可視化的方式顯示在大屏上,主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電信息、電站基礎(chǔ)信息采集、事件管理、設(shè)備運(yùn)行記錄、運(yùn)行圖表分析、日常統(tǒng)計(jì)報(bào)表、等功能模塊,并與能源管理系統(tǒng)進(jìn)行行數(shù)據(jù)交互,提供節(jié)能分析。
(2)在終端對大屏顯示的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí),可以立即反饋到光伏組件,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制。
(3)依據(jù)收集的某高鐵站屋面資料,構(gòu)建智慧光伏管理系統(tǒng)大屏模型,制作作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)光伏板組串、逆變器、升壓站、配電房等空間及設(shè)備等要素層,用于三維可視化大屏的系統(tǒng)操作的基層服務(wù)。
(4)基于web 3D技術(shù)和javascript的vue框架技術(shù),開發(fā)屋面智慧光伏管理系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)光伏監(jiān)視可視化大屏、發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、碳排數(shù)據(jù)分析、人員管理、視頻監(jiān)視、告警處理、自然氣象等業(yè)務(wù)管理功能。
(5)基于高鐵站屋面資料及光伏系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約做發(fā)電數(shù)據(jù)傳輸對接,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)錄存所有的發(fā)電設(shè)備數(shù)據(jù)功能。
(6)實(shí)現(xiàn)屋面光伏系統(tǒng)智能運(yùn)維管理。對運(yùn)維人員、設(shè)備信息進(jìn)行智能化管理,實(shí)現(xiàn)故障報(bào)修、設(shè)備巡檢、狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)智能分析及統(tǒng)計(jì)報(bào)表。
1.3.1 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集范圍包括模擬量、開關(guān)量、電能量和來自智能裝置的記錄數(shù)據(jù)等。模擬量包括環(huán)境參數(shù)(如日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等)、交直流電氣參數(shù)(如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等);開關(guān)量包括直流開關(guān)、交流斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的位置信號,設(shè)備投切狀態(tài),低壓交直流保護(hù)裝置和安全裝置和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作及報(bào)警信號等,電能量包括各種方式采集到的交直流有功電量和交流無功電量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)累加等計(jì)算功能。在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上定期存儲(chǔ)需保存的歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行報(bào)表數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)存儲(chǔ)最近發(fā)生的事件數(shù)據(jù)。
1.3.2 預(yù)警與事件記錄
光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)能對遙測越限、遙信變位、動(dòng)作故障信號、操作事件等被監(jiān)控設(shè)備信號,以及監(jiān)控系統(tǒng)本身的軟硬件、通信接口和網(wǎng)絡(luò)故障信號等事件進(jìn)行有效的報(bào)警;同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對事件的分類、分層處理,便于按要素查詢和檢索。
1.3.3 運(yùn)維與安防監(jiān)控
運(yùn)行監(jiān)控工作站是發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)與運(yùn)行人員聯(lián)系的主要界面,現(xiàn)場設(shè)備就地控制是應(yīng)急情況下的備用界面,運(yùn)維人員通過監(jiān)控工作站發(fā)出控制操作命令;回看歷史數(shù)據(jù)、修改系統(tǒng)參數(shù)及制作報(bào)表、確認(rèn)預(yù)警等。
運(yùn)行監(jiān)控功能包括,全站實(shí)時(shí)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、電氣主接線圖與參數(shù)、設(shè)備通訊聯(lián)絡(luò)與工況、設(shè)備參數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)、電能質(zhì)量監(jiān)測、歷史發(fā)電趨勢分析、發(fā)電預(yù)測圖等。
運(yùn)行監(jiān)控可控制操作對象包括:直流開關(guān)、交流側(cè)斷路器、隔離開關(guān)、電動(dòng)操作接地開關(guān)、站用變壓器分接頭位置、容抗器投退、保護(hù)裝置軟連接片投退、逆變器參數(shù)設(shè)定、充放電控制裝置參數(shù)設(shè)定等。
光伏電站應(yīng)配置視頻監(jiān)控和安防系統(tǒng),在光伏陣列場地周邊根據(jù)場地大小應(yīng)配置帶云臺(tái)控制攝像頭,在設(shè)備室應(yīng)配置個(gè)固定攝像頭,在主控室和設(shè)備室呈現(xiàn)煙感等安防設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài);在主控室配置視頻監(jiān)控工作站。
1.3.4 數(shù)據(jù)分析與預(yù)測
光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測輸入電網(wǎng)或向交流負(fù)載提供的交流電能的質(zhì)量,當(dāng)電壓偏差、頻率、諧波和功率因數(shù)等出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)的越限情況時(shí),系統(tǒng)能自動(dòng)預(yù)警。
(1)能量管理與預(yù)測
通過表格和趨勢曲線,光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)能夠按日、月和年來對比分析歷史與當(dāng)前發(fā)電情況。監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)日照強(qiáng)度、發(fā)電效率、負(fù)荷趨勢,實(shí)時(shí)預(yù)測特定時(shí)段的發(fā)電功率總和。
(2)在線統(tǒng)計(jì)與制表
光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)可以對運(yùn)行的各種常規(guī)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,還能夠?qū)Πl(fā)電站主要設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,包括斷路器正常操作及事故跳閘次數(shù)、容抗器投退次數(shù)等。
(3)系統(tǒng)維護(hù)
光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行在線維護(hù),增加、刪除和修改各數(shù)據(jù)項(xiàng),并能離線對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行獨(dú)立維護(hù),重新生成數(shù)據(jù)庫并具備合理的初始化值。
本文是在某高鐵車站已有的BAS系統(tǒng)基礎(chǔ)上集成設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NB-IOT技術(shù)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng),其中云端物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)采用B/S架構(gòu),提供氣象站溫濕度、光照強(qiáng)度等信息監(jiān)控,分布式光伏陣列的相關(guān)參數(shù)以及并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量檢測。為了滿足這樣的客戶需求,適應(yīng)鐵路內(nèi)部應(yīng)用,本文在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)所采用的技術(shù)棧如表1所示。
表1 軟件技術(shù)棧列表
所采集到的環(huán)境參數(shù)信息和電網(wǎng)狀態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控頁面上,讓客戶可以快速準(zhǔn)確地應(yīng)對光伏發(fā)電并入電網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量變化。
系統(tǒng)工作界面如圖2所示,監(jiān)控系統(tǒng)提供基于建筑信息模型BIM的選擇畫面功能,并對光伏陣列現(xiàn)場環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化顯示,如室外溫度值、濕度百分比、光照度及陣列表面溫度值等。而進(jìn)入不同的功能界面將會(huì)細(xì)化各項(xiàng)可視化數(shù)據(jù),主要有匯流界面,環(huán)境界面,逆變器界面和事件界面。
圖2 系統(tǒng)工作主界面圖
(1)匯流監(jiān)測系統(tǒng)畫面
如圖3(a)所示,匯流監(jiān)測子系統(tǒng)可分區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測各光伏陣列的充電電壓及電流、蓄電池電壓及溫度等信息,并對故障點(diǎn)進(jìn)行異常顯示與報(bào)警提示。
圖3 各模塊可視化界面圖
(2)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)畫面
如圖3(b)所示,環(huán)境檢測子系統(tǒng)可以對光伏發(fā)電現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,如實(shí)時(shí)視頻環(huán)境、輻照、風(fēng)向、電池板溫度、大氣壓力、溫度、風(fēng)速和碳排放CO2等。同時(shí)對實(shí)時(shí)監(jiān)測的參數(shù)進(jìn)行量化并顯示。
(3)逆變器監(jiān)測畫面
如圖3(c)所示,逆變器檢測子系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓一時(shí)間曲線、功率一時(shí)間曲線等,直流側(cè)輸入電流實(shí)時(shí)曲線、交流側(cè)逆變輸出電流曲線,并采集與顯示日發(fā)電量等電參量。
(4)事件記錄監(jiān)測畫面
如圖3(d)所示,事件記錄子系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現(xiàn)場的各種事件進(jìn)行記錄,如:通訊采集異常、開關(guān)變位、操作記錄等,時(shí)間記錄支持按類型查詢,并可對越限報(bào)警進(jìn)行更改設(shè)置。
(5)曲線、棒圖分析
另外,監(jiān)控系統(tǒng)還提供對光伏發(fā)電的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)功能,可形成月棒圖及年度棒圖顯示,并折算成二氧化碳、二氧化硫減排量值;并可查看太陽輻射強(qiáng)度趨勢曲線、風(fēng)速變化趨勢曲線顯示。
綜上所述,分布式光伏發(fā)電不僅可以滿足本地的需求,還能余電上網(wǎng),這給高鐵車站實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了可能。而智慧化、高度可視化的監(jiān)控系統(tǒng)則保障了智慧光伏和并網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行,本文基于NB-IOT技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智慧光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了精準(zhǔn)智能的可視化環(huán)境和完備的預(yù)警運(yùn)維方案,大大提高了高鐵車站與屋面光伏陣列的運(yùn)行效率,在實(shí)際應(yīng)用中取得了成效。