以智慧管理為導(dǎo)向的光伏電站管理體系運(yùn)用研究

中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司 楊建衛(wèi) 中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 佟 林 穆嘯天中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司 朱 靜 甘肅中電白銀光伏發(fā)電有限公司 王銷峰

光伏場站因數(shù)量眾多、設(shè)備較分散等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)運(yùn)維管理模式的局限性日益顯現(xiàn)，現(xiàn)階段大部分光伏電站的運(yùn)維管理還依賴單一的制度流程、報(bào)表數(shù)據(jù)以及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，無法真正實(shí)現(xiàn)管理的智慧化、信息化和聯(lián)動(dòng)化。無法滿足大型發(fā)電集團(tuán)對光伏場站資產(chǎn)高效管控的需求，也無法滿足對光伏電站精細(xì)化管理的要求[1]。以某電力公司為例，當(dāng)前中國電力光伏投產(chǎn)裝機(jī)容量已達(dá)到2290MW，共有46座場站，分布在20個(gè)省區(qū)市，后續(xù)仍有儲(chǔ)備項(xiàng)目在繼續(xù)推進(jìn)。

利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)創(chuàng)新技術(shù)，升級現(xiàn)有生產(chǎn)管理模式，打造以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以智能應(yīng)用為核心、以智慧服務(wù)為主體的光伏電站管理平臺(tái)，成為解決新能源光伏場站運(yùn)維管理的有效方法。建立光伏智慧管理平臺(tái)對提高發(fā)電量、降低運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)各光伏電站的精細(xì)化管理及運(yùn)維模式由被動(dòng)到主動(dòng)的轉(zhuǎn)變具有重要意義[2]。

1 光伏電站智慧管理平臺(tái)概述

利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、云平臺(tái)等先進(jìn)技術(shù)，對復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維聚合分析，對海量生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)警以及定位缺陷，減少故障停機(jī)造成的發(fā)電損失，提升發(fā)電效率，增加發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)度電成本的大幅降低；另外，先進(jìn)的資產(chǎn)管理模塊最大化資產(chǎn)的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)電站資產(chǎn)全生命周期管理，為管理層進(jìn)行優(yōu)化決策提供依據(jù)[3]。針對以上需求，管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能診斷、智能預(yù)警、對標(biāo)分析、運(yùn)營分析、預(yù)防性維護(hù)、發(fā)電預(yù)測等管理功能。平臺(tái)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光伏電站智慧管理平臺(tái)總體架構(gòu)

2 智慧管理平臺(tái)的創(chuàng)新與優(yōu)勢

一是平臺(tái)結(jié)構(gòu)清晰，分級明確。分為集團(tuán)側(cè)、數(shù)據(jù)中心側(cè)、區(qū)域中心側(cè)、電站側(cè)。二是對標(biāo)及分析工具齊全，支持自定義指標(biāo)。三是智能診斷及預(yù)警模塊功能齊全，包含設(shè)備級故障診斷和預(yù)警，電站級各項(xiàng)損失分解，功率精準(zhǔn)預(yù)測等先進(jìn)應(yīng)用。四是運(yùn)維建議。通過大數(shù)據(jù)計(jì)算和故障模型匹配，系統(tǒng)能夠給出相應(yīng)的運(yùn)維建議，以指導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)維人員的操作。

3 智慧管理平臺(tái)主要模塊及功能

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和展示

可支持總部級、區(qū)域級、電站級的分級展示?？偛考墸簩尤氲乃须娬景磪^(qū)域進(jìn)行匯總展示以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，需要所有區(qū)域的所有電站位置直觀展示在總地圖上，能夠展示各區(qū)域電站的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如有功功率、發(fā)電量、裝機(jī)容量、等效節(jié)能減排等數(shù)據(jù)。區(qū)域級：對整個(gè)區(qū)域接入的所有電站進(jìn)行匯總展示以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，需要將區(qū)域的所有電站位置直觀展示在區(qū)域地圖上，能夠展示該電站的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如通訊狀態(tài)、有功功率、發(fā)電量、裝機(jī)容量、等效節(jié)能減排等數(shù)據(jù)。電站級：各光伏場站的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)、全場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。以圖形、列表的形式直觀地展示各設(shè)備的狀態(tài)、功率等。分級展示架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分級展示架構(gòu)

3.2 對標(biāo)分析

本管理平臺(tái)能夠根據(jù)運(yùn)維人員的需求，分析處理電站運(yùn)維過程中的各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)，為電站績效對標(biāo)、經(jīng)營管理提供數(shù)據(jù)支撐?；谠O(shè)置的查詢條件，分別從設(shè)備維度和時(shí)間維度，對比光伏電站和方陣的主要KPI 表現(xiàn)，能夠一目了然地發(fā)現(xiàn)績效突出或績效欠佳的光伏電站資產(chǎn)，能隨時(shí)對光伏電站設(shè)備的運(yùn)行性能了如指掌，同時(shí)對性能排名落后的設(shè)備在必要時(shí)采取前瞻性的維保措施。對于關(guān)鍵指標(biāo)，能夠針對區(qū)域、電站進(jìn)行區(qū)域間、電站間的橫向?qū)?biāo)，也可以進(jìn)行電站內(nèi)的逆變器間、組串間的縱向?qū)?biāo)分析。

3.3 損失分析

可以查看任意時(shí)間段的損失明細(xì)，同時(shí)能對時(shí)間進(jìn)行自由篩選，可以快速選擇意向時(shí)間段，可以通過曲線走勢快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)效率較低的時(shí)間段，并展開深入分析。平臺(tái)能夠分析并計(jì)算單元及電站由于限電、夜間損耗等造成的損失，并能夠結(jié)合站內(nèi)由于檢修、設(shè)備故障等造成的損失，得出限電損失對整個(gè)電站發(fā)電量的影響。一旦選中一個(gè)時(shí)間段，頁面中的損失條形圖、應(yīng)發(fā)電量、實(shí)際發(fā)電量、總損失、收入損失這些指標(biāo)都會(huì)立刻刷新、以反映選定的時(shí)間段損失情況。收益損失計(jì)算時(shí)應(yīng)包括不可挽回的損失。

3.4 離散率分析

離散率分析是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的常用方法，通過對逆變器、匯流箱、光伏組串等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行離散率分析，直觀展示電站設(shè)備運(yùn)行健康度情況，并對運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行提醒，守護(hù)電站高效運(yùn)行。

3.5 報(bào)表查詢

查詢光伏電站設(shè)備的綜合績效、發(fā)電量、狀態(tài)明細(xì)、健康度、通訊狀態(tài)等信息，同時(shí)提供簡單實(shí)用的模板導(dǎo)出和數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。本模塊還支持新增或更新查詢模板以便將來快速調(diào)用，也允許導(dǎo)出查詢結(jié)果到Excel 文件供進(jìn)一步分析處理。報(bào)表的數(shù)據(jù)展示支持分鐘級查詢，數(shù)據(jù)應(yīng)支持選擇性秒級查詢。報(bào)表格式能以用戶要求進(jìn)行定制，也能按照用戶要求定期進(jìn)行報(bào)表自動(dòng)發(fā)布。

3.6 智能診斷及預(yù)警

通過強(qiáng)大的云計(jì)算后臺(tái)和人工智能算法，將海量歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠?qū)﹄娬旧a(chǎn)管理和現(xiàn)場運(yùn)維工作提供有效指導(dǎo)的高價(jià)值信息。能夠提供設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)分析，組串低效預(yù)警、組件清洗建議等，并對電站運(yùn)行過程中診斷出的故障的原因進(jìn)行分析篩選，給出最小范圍的故障可能原因，將數(shù)據(jù)分析的輔助決策融入電站生產(chǎn)管理的環(huán)節(jié)中。

光伏智能診斷系統(tǒng)能依據(jù)設(shè)備全生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)，對設(shè)備整體狀況進(jìn)行評價(jià)，指導(dǎo)電站人員進(jìn)行運(yùn)維策略的制定。提供電站關(guān)鍵的KPI 分析，使用先進(jìn)算法模型量化光伏系統(tǒng)的各種損失，使招標(biāo)方能夠清楚了解光伏電站的實(shí)際性能表現(xiàn)，并對影響電站性能的原因提供相應(yīng)的改善措施，以便經(jīng)濟(jì)有效地計(jì)劃和安排運(yùn)維工作，確保光伏電站的長期性能穩(wěn)定。能夠?qū)夥到y(tǒng)的損失自動(dòng)分類，以準(zhǔn)確地定位影響光伏系統(tǒng)性能的原因及可采取的改善措施。

一是灰塵分析。包括電站不同區(qū)域的灰塵影響評估、預(yù)警。展示電站灰塵累積率、灰塵污染程度、降雨信息、灰塵損失等信息。根據(jù)逆變器每日的性能變化自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)區(qū)域的灰塵累積率。利用灰塵累積率數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)電量數(shù)據(jù)并考慮降雨事件及降雨強(qiáng)度，系統(tǒng)即可精確計(jì)算電站每日、每月、每年的灰塵損失情況，提供積塵預(yù)警及組件清洗周期建議。

二是遮擋分析。包括障礙物、植被、積雪和光伏陣列之間的陰影。遮擋分析應(yīng)提供組件行間陰影或外物遮擋（包含積雪）等原因造成的電量損失信息。遮擋損失算法可以基于當(dāng)天的工況估算理論無遮擋的輸出功率，實(shí)際與理論的偏差即為遮擋損失。逆變器遮擋損失展示每個(gè)逆變器單元受陰影及積雪等遮擋的影響，能按照損失從大到小的順序依次排列。能快速定位到損失嚴(yán)重的那些設(shè)備并分析原因，提出消除遮擋損失的辦法。

三是逆變器停機(jī)分析。建立了不同廠家逆變器的設(shè)備模型庫及故障模型庫，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理，智能分析停機(jī)原因。

四是逆變器效率分析和故障診斷。對逆變器效率損失進(jìn)行排序并展示，對效率異常的逆變器通過設(shè)備模型庫和電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障識(shí)別和診斷。系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場采集的逆變器運(yùn)行參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析處理，對逆變器整體運(yùn)行狀況予以評估。對于逆變器常見故障能夠發(fā)出預(yù)警通知運(yùn)維人員。對于已經(jīng)發(fā)生的故障，系統(tǒng)能夠給出最小范圍地導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。

五是組串低效分析與診斷。能識(shí)別同一逆變器或者匯流箱下面的低效組串，以逆變器為單位，計(jì)算每臺(tái)逆變器由于組串低效造成的損失，并按照從大到小依次排序?？梢圆榭疵總€(gè)逆變器的組串相對性能信息。系統(tǒng)能夠自動(dòng)地將有問題的組串及其上級設(shè)備告知用戶，綜合灰塵及遮擋、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，判斷低效原因，提供運(yùn)維建議，引導(dǎo)用戶做進(jìn)一步的現(xiàn)場排查和維修。

六是組串停機(jī)分析與診斷。系統(tǒng)能識(shí)別電站中已經(jīng)發(fā)生斷路的那些組串，并且展示由于組串停機(jī)造成的電量損失，在計(jì)算該損失的過程中，應(yīng)考慮逆變器停機(jī)及限電狀態(tài)的情況。

七是組件衰減分析與診斷。組件衰減分析與診斷頁面展示組件衰減情況、相較于額定功率的電站整體性能，以及分析晚啟機(jī)的頻次，來表征可能存在的絕緣材料完整性問題。衰減分析算法需要兩年以上的電站歷史數(shù)據(jù)。年衰減分析通過分析歷史數(shù)據(jù)集的性能趨勢得出。為了提高分析的準(zhǔn)確度，會(huì)選擇晴朗間隔以及正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)作為樣本。晚啟動(dòng)可能是包絡(luò)絕緣失效的一個(gè)指標(biāo)，還可能表明逆變器內(nèi)部的其他問題，如直流導(dǎo)體和連接器中的絕緣損壞等，能反映電站存在絕緣材料完整性問題[4]。

八是發(fā)電預(yù)測。利用高分辨率的氣象信息，通過預(yù)測模型，能夠較精確地預(yù)測電站日發(fā)電量、月發(fā)電量、年發(fā)電量。從而為科學(xué)制定電站年度發(fā)電任務(wù)、電站合理上報(bào)市場交易電量提供輔助分析和決策支持。

九是跟蹤系統(tǒng)診斷。能夠適應(yīng)多廠家、多類型的追蹤系統(tǒng)，并能夠通過診斷模型，識(shí)別并判斷光伏電站追蹤系統(tǒng)常見故障，應(yīng)包括但不限于以下故障：追蹤系統(tǒng)電機(jī)故障、追蹤器時(shí)鐘故障、打平超時(shí)故障（跟蹤器打平時(shí)間過長或者支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過額定跟蹤角度）、傳感器復(fù)位故障、跟蹤誤差故障（跟蹤器跟蹤太陽角度超出跟蹤誤差范圍）等。

十是通訊故障診斷。系統(tǒng)能監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)場站通訊故障并能定位故障設(shè)備，協(xié)助運(yùn)維人員處理問題。

4 實(shí)施效果與結(jié)論

光伏場站傳統(tǒng)管理模式的局限性日益顯現(xiàn)，對運(yùn)維管理的挑戰(zhàn)不斷加大。光伏智慧管理平臺(tái)于2020年12月底上線運(yùn)行，目前已接入40多個(gè)光伏電站，實(shí)現(xiàn)了集中管理與運(yùn)維，提高了電站管理效率，取得了顯著的效果。后期電站還在陸續(xù)接入中。最終要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智慧化，有效提升光伏電站整體的管理水平，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)光伏電站資產(chǎn)利用最大化，利益最大化。助推集團(tuán)成為具有全球競爭力的世界一流清潔能源企業(yè)目標(biāo)，樹立集團(tuán)發(fā)展標(biāo)桿。