基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站智能運維系統(tǒng)

張淇昶，王 宇

（1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.國能智深控制技術(shù)有限公司，北京 102211）

0 引 言

為了促進經(jīng)濟、生態(tài)、社會可持續(xù)發(fā)展，我國正在加速推進實施新能源戰(zhàn)略。2022年5月發(fā)布的《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》中明確指出，要加快推進風(fēng)電光伏基地建設(shè)，實現(xiàn)到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上的目標(biāo)，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系[1]。因此，在不斷擴大光伏電站建設(shè)規(guī)模的同時，也要同步提高電站的智能化運維能力，使其向數(shù)字化、智能化和高效化的方向發(fā)展，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低成本運行[2-4]。

光伏電站的生命周期一般為25年，其中光伏發(fā)電組件回本周期為5～7年，其余18～20年均為運維周期。分析組件的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，組件由單個的硅片采用串并聯(lián)的形式完成鏈接，旁路二極管在組件發(fā)生隱裂等故障時發(fā)揮過電流和過熱保護作用，同時保護回路中的其他硅片組件。由于很多自然環(huán)境因素會導(dǎo)致光伏組件出現(xiàn)熱斑，包括組件的隱裂、灰塵、鳥糞、灌木遮擋等。當(dāng)組件因此發(fā)生故障時，在傳統(tǒng)的運維后臺，是由匯流箱實時傳輸U/I數(shù)據(jù)顯示的，電站匯流箱數(shù)量是根據(jù)電站實際情況而不同的，大多數(shù)電站選擇多個組串鏈接一個匯流箱的模式，這給定位具有異常情況的組件增加了難度[5-7]。發(fā)生故障會導(dǎo)致串聯(lián)的組件都停止工作，延長了回本周期；故障組件周圍的硅片如果長時間不處理會存在安全隱患，一旦發(fā)生事故，將造成巨大損失。

國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)建成的地面光伏電站大多都是幾十兆瓦以上的規(guī)模，這些大型地面電站覆蓋面積大，組件系統(tǒng)排布密集，日常電池板巡檢工作量很大。雖然有光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)能夠報告各個發(fā)電單元的發(fā)電狀況，但要實現(xiàn)對兆瓦級的光伏電站的每個電池板，甚至是每個電池片的發(fā)電監(jiān)控、故障定位，單單靠人力完成會耗費巨大的時間和人力成本。此外，很多光伏電站建設(shè)在荒漠、高山、近海等特殊地區(qū)，周圍環(huán)境惡劣，對運維人員來說有潛在的安全隱患。即便是分布式光伏電站的建設(shè)規(guī)模較小，但它們大多較分散，這使得光伏電站運維巡檢工作量大、難度高。常規(guī)的人工巡檢方式需要耗費大量的人工及時間成本，巡檢工作也存在一定的危險性，并且對運維人員專業(yè)性要求較高[8-10]。結(jié)合分布式光伏電站運維巡檢的技術(shù)要求與特點，采用智能化運維技術(shù)，能夠較大限度地縮短運維巡檢時間，及時發(fā)現(xiàn)光伏電站系統(tǒng)中的故障問題并進行修復(fù)，切實提升整體運維管理水平。

本文基于當(dāng)前應(yīng)用廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智能光伏電站運維平臺，實現(xiàn)了對光伏電站的遠程實時監(jiān)控、智能生產(chǎn)管理和運維，助力電站實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低成本運行。

1 智能分布式光伏電站運維系統(tǒng)整體架構(gòu)

分布式光伏電站是指發(fā)電功率為數(shù)千瓦到幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶現(xiàn)場或附近的高效、可靠且與環(huán)境兼容的發(fā)電系統(tǒng)，具有建設(shè)規(guī)模相對較小、設(shè)備安裝位置相對分散獨立的特點；同時，電站設(shè)備又具有一定的復(fù)雜性，設(shè)備巡檢和組件清洗較困難，現(xiàn)有的電站運維人員數(shù)量少并且專業(yè)素質(zhì)仍有待提高。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型架構(gòu)構(gòu)建了分布式光伏電站的智能運維系統(tǒng)，如圖1所示。根據(jù)光伏電站日常運維巡檢工作需求，分別設(shè)計應(yīng)用層、服務(wù)層、信息存儲和網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)采集層。其中，數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)實時采集電站的日照時間、光照量、氣候等環(huán)境信息以及設(shè)備狀態(tài)信息；信息存儲和網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)接收感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)并向云平臺傳輸；服務(wù)層通過云計算技術(shù)對光伏電站相關(guān)數(shù)據(jù)進行整合，為應(yīng)用層的診斷、決策行為提供科學(xué)有效的指導(dǎo)；應(yīng)用層在已處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行更加細(xì)致的診斷、管理和控制。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 智能運維系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件組成主要包括光伏陣列、STM32主控電路、NB-IoT模塊、光照度和溫濕度傳感器、電流傳感器、云服務(wù)器，如圖2所示。主要程序為：

圖2 運維系統(tǒng)的重要硬件

（1）利用傳感器實時監(jiān)測光伏組件附近的氣候環(huán)境等相關(guān)信息，主要有光伏組件周圍的溫濕度、水平照度、平均照度等。其中溫濕度傳感器采用的是DHT21型，測量范圍為：0～99.9% RH，-40～80 ℃，測濕精度為±3% RH，測溫精度為±0.5 ℃。這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，主要優(yōu)點為響應(yīng)超快、性價比高、抗干擾能力強等。電流傳感器采用HIT系列霍爾替代型，該系列電流傳感器具有超低的溫漂和零漂，精度達到了0.05%，是全量程、全溫度范圍內(nèi)（-40～80 ℃）的最大誤差，能夠?qū)崟r監(jiān)測光伏陣列的電流和電壓輸出值。

（2）通過NB-IoT設(shè)備將傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)進行匯總編碼后上傳至MQTT云服務(wù)器，本項目選擇ESC服務(wù)器，擁有Ubuntu操作系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)終端確定相關(guān)主題信息后連接網(wǎng)絡(luò)接收相應(yīng)數(shù)據(jù)，本地的客戶端也能采用數(shù)據(jù)線連接的方式接收相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.2 軟件設(shè)計

如圖3所示為運維系統(tǒng)的軟件流程。系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息采集系統(tǒng)獲得的周圍環(huán)境信息以及光伏組件本身的參數(shù)，結(jié)合極限學(xué)習(xí)機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過小波變換分析方法對光伏陣列的發(fā)電功率、出力、運行狀態(tài)等情況進行預(yù)測；采用智能IV診斷技術(shù)對組串I-V曲線進行掃描，對比STC工況下的組件I-V曲線，快速識別出組件的衰減狀況，實現(xiàn)同步在線分析，完成每一路組串的智能在線檢測和診斷，實現(xiàn)組件故障、組串電流異常、組串清洗建議、組串衰減分析等智能診斷功能。

圖3 軟件運行流程

3 智能運維系統(tǒng)的主要功能

電站的智能運維平臺的主要功能包含遠程集中監(jiān)控、智能生產(chǎn)管理、智能運維管理、安全防護管理等，能夠智能高效地實現(xiàn)對光伏電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、集中監(jiān)視、功率預(yù)測、運行維護、安全警衛(wèi)、運營分析及輔助決策、設(shè)備健康預(yù)警服務(wù)、資產(chǎn)管理等，有力提升光伏電站的智能化、集約化、精準(zhǔn)化、透明化管理水平。具體運維場景如圖4所示。

圖4 智能光伏電站遠程/移動運維

對智能電站運維平臺的主要功能做如下分析：

（1）可視化監(jiān)測

系統(tǒng)中設(shè)置了可視化集控中心，能夠多角度、全面地反映電站的安全、質(zhì)量等情況，預(yù)見性地給出項目效益、建設(shè)等情況；同時，還能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行多維度預(yù)測、分析以及預(yù)警，以此支持管理人員進行快速、精準(zhǔn)決策。通過攝像頭接入，實現(xiàn)對工程現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控，以便做到統(tǒng)一管理。項目管理層可以直觀清晰地了解到各電站的出力情況、運行狀態(tài)、累計運行數(shù)據(jù)等核心指標(biāo)信息。通過對電站的設(shè)備運行數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)進行實時采集、在線分析，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)電站運行的異常信息，及時反饋給電站管理和運維人員，保證電站安全穩(wěn)定地運行。通過智能運維平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對電站的遠程運維管理及技術(shù)指導(dǎo)，提高電站的運行管理效率，降低運維成本，提高發(fā)電量。

（2）生產(chǎn)運維管理

傳統(tǒng)的人工巡檢和被動運維方式不利于提高光伏電站的運行效率，也不便于及時發(fā)現(xiàn)電站故障。智能光伏電站運維平臺運用了遠程運維技術(shù)，可在集控中心實現(xiàn)對光伏電站的集中監(jiān)控和實時分析，進而實現(xiàn)“無人值班，少人值守” 的光伏電站的建設(shè)。通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為電站故障提供自動分析和修復(fù)建議，配合兩票電子化，指導(dǎo)遠端值守人員快速排除故障。當(dāng)遇到無法直接處理的故障時，遠端值守人員可使用智能手持終端，通過站內(nèi)高速5G無線通信網(wǎng)絡(luò)及公網(wǎng)回傳現(xiàn)場視頻和語音，運維專家遠程指導(dǎo)現(xiàn)場運維人員對光伏電站進行維護和故障排除，并通過手持終端完成資產(chǎn)錄入和問題的快速閉環(huán)，做到電站運維有據(jù)可查。

（3）設(shè)備健康管理

通過系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集、云存儲和在線智能分析，根據(jù)光伏電站的電站規(guī)模、氣候環(huán)境、地理特點以及系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)等信息，預(yù)測發(fā)電量等重要數(shù)據(jù)，同時還可以對電站自動地進行健康體檢，給出不影響收益的維護建議，如組件清洗、部件更換等，實現(xiàn)預(yù)防性維護；通過定期對軟件進行升級并對智能控制單元算法進行在線調(diào)整，保證光伏電站系統(tǒng)部件能夠運行在最佳匹配狀態(tài)。系統(tǒng)通過分析計算主設(shè)備預(yù)警的結(jié)果進行核心監(jiān)測指標(biāo)的評估，進而計算電站的健康度，給出隱患預(yù)警、健康度月報、健康度排名、健康曲線、風(fēng)險位置等相關(guān)提醒。

（4）智能運營分析管理

系統(tǒng)實現(xiàn)了對分布式光伏電站的智能運營分析管理，包括對電站運行KPI（等效利用小時數(shù)、發(fā)電計劃完成率、電站PR值等）、電站運維KPI（告警總數(shù)、閉環(huán)數(shù)量及平均閉環(huán)時間等）、運營成本 KPI（大部件更換周期、年度定期維護時間及維護后無故障運行時間等）方面的分析。

（5） I-V曲線掃描及智能診斷系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了智能IV診斷技術(shù)，基于組串式逆變器，掃描光伏組串的I-V曲線，對不同工況下組件的I-V曲線進行對比；根據(jù)對比結(jié)果能夠快速地判斷出組件的健康狀況，以此實現(xiàn)了智能在線同步分析以及組串的智能在線檢測和診斷，包括組件故障和電流異常智能診斷、組串清洗建議、組串衰減分析等，能夠做到及時消除故障，進而提升設(shè)備運行能力和系統(tǒng)效率。

4 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建智能分布式光伏電站運維系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過智能化的集控中心對光伏電站進行遠程實時監(jiān)控、智能生產(chǎn)管理和智能運維管理。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集端獲得的多種環(huán)境信息和光伏陣列的原始參數(shù)，結(jié)合極限學(xué)習(xí)機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用智能IV診斷技術(shù)實現(xiàn)了光伏陣列的發(fā)電功率、出力、運行狀態(tài)等情況的預(yù)測以及對光伏組串的智能診斷，為電站的安全、穩(wěn)定、高效運行提供技術(shù)保障。