光伏電站智能化運維研究

劉 龍

國投新能源（紅河）股份有限公司，云南 紅河 654300

0 引言

隨著新能源的不斷開發(fā)利用，光伏電站的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但光伏電站的實際運行質(zhì)量并不理想。主要原因是國內(nèi)光伏電站運行維護(hù)技術(shù)發(fā)展相對緩慢，運維新技術(shù)的開發(fā)、運用與建設(shè)規(guī)模不匹配，難以滿足光伏電站高質(zhì)量、低成本的運行要求。智能化運維技術(shù)的開發(fā)運用能最大限度地縮短運行巡檢時間，通過全面記錄光伏電站系統(tǒng)的運行情況，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的故障問題，切實提升整體運維管理水平，提升光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 光伏電站智能化運維的意義

1.1 實時監(jiān)測系統(tǒng)運行

通過智能化運維，能夠?qū)崟r監(jiān)測整個光伏電站的建設(shè)和運行情況，確保系統(tǒng)各項運行參數(shù)按照系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求正常運轉(zhuǎn)。在光伏電站系統(tǒng)運行過程中，智能化運維還可以利用現(xiàn)代化和智能化的技術(shù)手段，對系統(tǒng)隱蔽故障或者異常情況進(jìn)行及時預(yù)警，并精準(zhǔn)定位故障位置，分析系統(tǒng)的故障類型和故障發(fā)生原因，為運維人員提供科學(xué)的故障解決方案，縮短系統(tǒng)故障維修時間，提升故障解決效率[1]。

1.2 減少人力資源成本

智能化運維技術(shù)的應(yīng)用能在一定程度上減少人力資源成本，提升光伏電站運行的經(jīng)濟(jì)效益。在智能化運維中，還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將光伏電站周邊環(huán)境條件因素納入電站的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)資源對于防阻塞、除塵等運維方案的制訂有重要的支撐作用[2]。

1.3 實現(xiàn)精準(zhǔn)管理

智能化運維能夠?qū)崿F(xiàn)不同光伏電站之間的資源信息共享，并通過云計算、數(shù)字信息等技術(shù)精準(zhǔn)地預(yù)測光伏電站瞬時功率和年發(fā)電量等參數(shù)，有助于實現(xiàn)光伏電站運維的精準(zhǔn)管理[3]。

2 光伏電站智能化運維管理體系

光伏電站智能化運維管理體系主要包括智能設(shè)備層、智能控制層、智能監(jiān)控層和智能決策層。

2.1 智能設(shè)備層

智能設(shè)備層發(fā)揮著重要的連接樞紐作用，通過智能設(shè)備層，物理世界和虛擬世界才能實現(xiàn)有效融合，這也是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的重要基礎(chǔ)[4]。在智能設(shè)備層中，可以利用先進(jìn)的、全方位的測量技術(shù)，匯總發(fā)電站中所有設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、環(huán)境條件等信息，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的自我分析判斷。由此可見，智能設(shè)備層具有非常全面的感知能力，在控制決策層的支持下，智能設(shè)備層會將相應(yīng)的處理控制信息傳至相應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)閉環(huán)式的控制管理。智能設(shè)備層的主要構(gòu)成是監(jiān)測設(shè)備，可以測量生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運行參數(shù)。智能設(shè)備層的工作強(qiáng)度較大，需要進(jìn)行頻繁重復(fù)的操作[5]。

2.2 智能控制層

智能控制層的運行關(guān)鍵在于控制，這種控制行為的實現(xiàn)需要建立科學(xué)完善的規(guī)則模型，同時還需要利用自適應(yīng)控制、診斷預(yù)測控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等手段，根據(jù)設(shè)備層的數(shù)據(jù)信息和指示信息，實現(xiàn)電站系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)與工藝的有效控制[6]。因此，智能控制層的運行重點在于完善算法與操作系統(tǒng)。相關(guān)人員需要全面考慮光伏電站運行的安全性、節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等因素，使智能控制層能夠全面處理數(shù)據(jù)信息，并能夠自動修復(fù)數(shù)據(jù)處理過程中的誤差。

2.3 智能監(jiān)控層

智能監(jiān)控層的主要作用是監(jiān)督與控制。智能控制層的監(jiān)控是全方位的，涉及設(shè)備層的實時運行信息、控制層的實時數(shù)據(jù)及決策層的策略信息等。智能監(jiān)控層要實時、全面監(jiān)督生產(chǎn)流程和設(shè)備運行狀況，因此，智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建尤為重要，需要配置完善的系統(tǒng)維修保養(yǎng)體系，在最大程度上保障系統(tǒng)設(shè)備的正常運行。智能監(jiān)控層的運行具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，能夠根據(jù)實際管理需要進(jìn)行功能的拓展與縮減。

2.4 智能決策層

智能決策層通過生產(chǎn)信息大數(shù)據(jù)和運維管理云平臺對光伏電站系統(tǒng)中所有的生產(chǎn)要素信息進(jìn)行智能化的數(shù)字管控，并在這些數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在智能決策層中匯聚了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息和管理信息，能夠為光伏電站智能化運維管理的各項決策提供輔助性的參考。智能決策層需要結(jié)合實際環(huán)境條件實現(xiàn)自身系統(tǒng)的優(yōu)化[7]。

3 光伏電站智能化運維技術(shù)

3.1 智能運維無人機(jī)技術(shù)

部分光伏電站建在山區(qū)、沙地等區(qū)域，很難通過人工巡檢實現(xiàn)光伏電站的運維巡檢，而應(yīng)用智能無人機(jī)技術(shù)能夠有效解決此問題。智能運維無人機(jī)可以搭載紅外成像相機(jī)或者可見光成像相機(jī)等，對光伏電站相關(guān)區(qū)域進(jìn)行組件紅外檢測、表面灰塵檢測、隱裂檢測等，實時監(jiān)測與診斷光伏電站的運行情況。

智能運維無人機(jī)主要包括動力部分、支撐部分和控制部分，具有荷載小、機(jī)動靈活的特點，可以根據(jù)實際的運維檢測任務(wù)配置相應(yīng)的任務(wù)設(shè)備。在實際使用中，首先需要標(biāo)注、導(dǎo)入作業(yè)區(qū)域，然后在系統(tǒng)中設(shè)定任務(wù)高度、路徑間隔、飛行起始點、航點間隔等參數(shù)，這樣智能無人機(jī)就可以自行設(shè)計和規(guī)劃巡檢飛行路線，并在實際飛行過程中自動調(diào)整起降和飛行。如果巡檢區(qū)域內(nèi)存在障礙物，可以提前進(jìn)行指示備注，以確保無人機(jī)在規(guī)劃路徑時順利躲避障礙物。

智能無人機(jī)在飛行過程中可以拍攝光伏電站運行狀態(tài)，所拍攝的照片可以通過基于OpenCV開發(fā)的圖像拼接程序進(jìn)行離線拼接處理，以生成相應(yīng)的三維全景圖像。這為光伏電站運維狀況的監(jiān)測和控制提供了重要的信息支撐。

3.2 光伏組件自動清洗技術(shù)

光伏組件是保障光伏電站正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，灰塵、雨雪等遮蓋物的存在很容易影響光伏組件的性能，降低光伏電站的發(fā)電效率。因此，光伏組件自動清洗技術(shù)也是光伏電站智能化運維的重要技術(shù)手段?，F(xiàn)階段，常用的光伏組件自動清洗技術(shù)主要是采用清洗機(jī)器人清洗或者改變光伏組件自身的結(jié)構(gòu)使其完成自動清洗。

清洗機(jī)器人的主要應(yīng)用模式有單排清洗、跨排清洗和便攜式清洗等。單排清洗是僅針對單排光伏組件的清洗方式；跨排清洗能夠?qū)崿F(xiàn)多排光伏組件的清洗，但是耗水量較大，應(yīng)用穩(wěn)定性較差；便攜式清洗的應(yīng)用較靈活，但是受機(jī)器人電池容量的限制，使用效率并不高。

對于光伏組件自身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一方面可以通過調(diào)整組件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。例如，在太陽能電池板的連接板上安裝振動器，定期啟動振動器可以自動清除電池板上的遮蓋物，以保證光伏發(fā)電效率。另一方面，可以優(yōu)化光伏組件自身的結(jié)構(gòu)材料。例如，采用玻璃面板的光伏組件可以在其表面增設(shè)一層超親水性材料作為自清潔材料，比較典型的是二氧化鈦材料，這種材料能夠與玻璃發(fā)生一定的物理或者化學(xué)反應(yīng)，使其呈現(xiàn)自清潔的效果。目前，光伏組件自清潔材料的制備存在一定的難度，需要在材料性能與發(fā)電效率方面加大研究力度。

光伏組件自動清洗設(shè)備與無人機(jī)技術(shù)可以配合使用，當(dāng)無人機(jī)檢測到的熱斑超過系統(tǒng)設(shè)定值時，系統(tǒng)會將相關(guān)信息傳至清洗設(shè)備，驅(qū)使清洗設(shè)備清洗組件表面，直至熱斑信息達(dá)到正常設(shè)定值。

3.3 光伏組件功率預(yù)測技術(shù)

光伏組件功率預(yù)測是根據(jù)光伏電站運行的影響因素科學(xué)地預(yù)測、分析光伏電站的運行功率。從時間維度上劃分，功率預(yù)測可以分為超短期、短期和中長期預(yù)測，其預(yù)測方法也比較多樣，包括物理方法、數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析等。

現(xiàn)階段，比較先進(jìn)的預(yù)測系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與新型光伏發(fā)電功率預(yù)測組件系統(tǒng)，該預(yù)測系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)、預(yù)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)、EMS能量管理系統(tǒng)。其中，數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)可以測量、收集與分析光伏電站所在區(qū)域一段時間范圍內(nèi)的光照量、氣溫、日照時間等天氣信息；預(yù)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以存儲光伏電站運行時的各方面歷史數(shù)據(jù)；光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)可以在前兩個數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用特定的預(yù)測算法構(gòu)建科學(xué)的功率預(yù)測模型，預(yù)測光伏電站的輸出功率；EMS能量管理系統(tǒng)在軟件和硬件系統(tǒng)功能的支撐下，通過采集、分析系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)來調(diào)整發(fā)電計劃，實現(xiàn)對發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)的實時管理，確保發(fā)電計劃的科學(xué)性和合理性。

4 光伏電站智能化運維的發(fā)展策略

4.1 建立健全運維計劃

完善的運維計劃是保障光伏電站智能化運維管理工作正常開展的重要基礎(chǔ)。運維計劃的制訂要面向整個系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括上網(wǎng)電量的預(yù)算、發(fā)電量的預(yù)算及運維管理工作中的應(yīng)急處理措施等。運維計劃的制訂需要充分結(jié)合光伏電站的運行情況和實際工作要求，經(jīng)過層層審批，經(jīng)批準(zhǔn)后才可以落實與執(zhí)行?？茖W(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪\維計劃是運維工作開展的基礎(chǔ)，是電站系統(tǒng)管理工作順利開展的重要保障。

4.2 培養(yǎng)高素質(zhì)的運維團(tuán)隊

光伏電站智能化運維管理服務(wù)涉及線上客服與線下實施，運維服務(wù)的主要工作內(nèi)容是監(jiān)控管理、設(shè)備運營整修、打包售后服務(wù)及客戶投訴處理等。各項運維服務(wù)工作的開展需要由專業(yè)的工作人員來執(zhí)行，以確保對系統(tǒng)中的故障問題進(jìn)行專業(yè)的排查與維護(hù)。如果涉及客戶投訴，需要有相應(yīng)的客服進(jìn)行溝通，以及時處理客戶反饋的問題。因此，運維管理服務(wù)隊伍的專業(yè)性是滿足用戶需求的根本保障。一支高素質(zhì)的運維服務(wù)團(tuán)隊不僅能夠提升系統(tǒng)問題的處理效率，在一定程度上提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益，而且對于樹立電站企業(yè)的良好社會形象也尤為關(guān)鍵。

4.3 積極運用先進(jìn)技術(shù)手段

光伏電站智能化運維管理工作中需要積極運用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)。運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠在故障問題發(fā)生的第一時間上報，進(jìn)而實現(xiàn)故障的修復(fù)、排除；應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站的技術(shù)化管理，從而大大節(jié)省人工成本，大數(shù)據(jù)信息庫的建立可以為相關(guān)的運維管理工作提供全面的數(shù)據(jù)信息，為管理業(yè)務(wù)流程的精細(xì)化提供重要的支撐。

4.4 鼓勵光伏電站的技術(shù)革新

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光伏電站在實際應(yīng)用中要不斷革新，朝著數(shù)字化、智能化和高效化的方向發(fā)展。例如，可以對光伏電站現(xiàn)有低速傳輸通道進(jìn)行升級改造，確保光伏電站在視頻、語音等方面的通信傳輸?shù)母呷萘?、高穩(wěn)定性和有序性，將系統(tǒng)信息全部上傳到云上加以存儲，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)信息加以分析與展示，為工作人員的分析和決策提供重要依據(jù)[8]。同時，光伏電站智能化運維需要積極引進(jìn)創(chuàng)新性理念，在滿足客戶利益和企業(yè)效益的條件下，推動光伏電站朝著高精尖方向有序發(fā)展。

此外，在光伏電站智能化運維工作中的運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，相關(guān)傳輸過程由無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成，具有智能化和微型化的特點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效減少數(shù)據(jù)信息失真的情況，是光伏電站智能化運維發(fā)展的重要方向。

5 結(jié)束語

綜上所述，在光伏電站智能化運維管理中，需要在光伏電站智能化體系結(jié)構(gòu)下，積極引入先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和專業(yè)的運維管理隊伍，以保障光伏電站的正常、穩(wěn)定、高效運轉(zhuǎn)。智能化運維技術(shù)在光伏電站中的應(yīng)用，不僅提高了光伏電站的運行效率，而且對于光伏電站運維成本的控制十分有利，有利于提升光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益，并顯著提升光伏電站的綜合效益。