宋兵兵

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801；

      摘要：針對傳統(tǒng)光伏電站監(jiān)控效率低、信息量大、運維成本高、管控難等缺點，提出光伏智能云平臺一體化軟硬件監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B/S架構，采用Django框架進行Web開發(fā)。現(xiàn)場設備用RS485總線將運行參數(shù)傳輸至DSP微處理器進行處理，再由GPRS無線通信方式傳輸至遠程云服務器，并以MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫存儲，然后通過瀏覽器將設備運行參數(shù)、狀態(tài)和報警信息實時展示給用戶，實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電設備的遠程智能化管理。實際測試說明，該系統(tǒng)可監(jiān)控光伏設備實時運行情況，對光伏電站運維具有一定的工程實際意義。

     關鍵詞：光伏智能云平臺；遠程監(jiān)控；參數(shù)傳輸；實時展示；系統(tǒng)設計；

0、引言

      隨著工業(yè)的大規(guī)模擴張，人口增加以及人均能源消耗的持續(xù)增長，全球幾乎所有國家的能源需求都在上升，而光伏發(fā)電作為一種清潔和可持續(xù)能源被認為是所有可再生能源中可靠的選擇，也受到了國家的廣泛重視。然而，大多數(shù)分布式光伏電站建在環(huán)境復雜的偏遠地區(qū)，建站數(shù)量多，種類也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)監(jiān)控及人工值守方式監(jiān)控效率低、成本高且無法滿足遠程實時監(jiān)控要求。近年來，隨著云計算，無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，開發(fā)基于B/S架構，無線通信與云服務結合的光伏遠程監(jiān)控系統(tǒng)已成為新的組網(wǎng)形式，用戶僅需要通過瀏覽器便可在任何時間和地點對監(jiān)控系統(tǒng)進行操作，實時查看光伏設備的運行情況并及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，對確保光伏電站的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

      本文設計基于B/S架構的光伏智慧云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Django框架作為Web開發(fā)，前端采用Boostrap、EChart和HTML5等將數(shù)據(jù)進行可視化，后端用Python語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；并以阿里云ECS服務器作為云計算，MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫，設計以TMS320F28335為核心芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)場設備通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至DSP芯片進行處理，并通過GPRS無線通信方式傳輸至遠程服務器，實現(xiàn)光伏設備的實時遠程監(jiān)控。

1、系統(tǒng)總體架構

1.1網(wǎng)絡架構模式對比

      C/S（Client/Server）體系結構是指客戶端和服務器之間的信息交互模式，其客戶端屬于應用程序軟件，服務器通常采用高性能PC機，并采用大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，響應速度快。但C/S架構的缺點是需要在客戶端和服務器端運行特定軟件，開發(fā)成本高，維護難度大，兼容性差以及適用面窄。B/S（Browser/Server）體系結構是瀏覽器和服務器間的信息交互模式，是一種隨著Web發(fā)展起來的新架構。其服務器即安裝數(shù)據(jù)庫，瀏覽器充當客戶端，包含少量業(yè)務邏輯并主要使用HTTP協(xié)議與服務器進行通信，用戶界面完全通過瀏覽器實現(xiàn)，這減少了客戶的開發(fā)和維護成本，并為用戶帶來了較大的便利。

      鑒于以上性能比較，B/S體系結構將成為遠程控制領域的未來發(fā)展趨勢，其安全性和靈活性低的缺點將隨著技術的進步而不斷得到解決。

1.2系統(tǒng)總體結構

      如圖1所示為系統(tǒng)總體結構，可將其分為設備層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層。

      設備層中各逆變器設備通過RS485總線將逆變器數(shù)據(jù)傳輸至DSP控制器，DSP控制器對數(shù)據(jù)進行處理并打包，數(shù)據(jù)通過GPRS以Socket形式上傳到網(wǎng)絡傳輸層。網(wǎng)絡傳輸層以云為核心，采用阿里云ECS服務器開啟Socket監(jiān)聽對上傳的數(shù)據(jù)進行解析并存儲到MySQL云數(shù)據(jù)庫。應用層則采用Django框架設計Web監(jiān)控界面，用戶可通過Web瀏覽器訪問監(jiān)控云平臺實時查看光伏設備的運行情況。

1.3云計算與數(shù)據(jù)庫

      云計算采用阿里云服務器ECS（ElasticComputeService）是由阿里云提供的性能好、穩(wěn)定可靠、彈性擴展的IaaS（InfrastructureasaService）級別云計算服務，可實現(xiàn)計算資源的即開即用和彈性伸縮。可利用SSH遠程連接云服務器，在后臺部署Linux系統(tǒng)并搭建Python環(huán)境，通過安裝Nginx和Uwsgi服務部署Django項目，實現(xiàn)Web服務的外網(wǎng)訪問端口。MySQL是流行關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于其體積小、速度快、總體擁有成本低和開發(fā)源碼等特點，被記錄為Web應用程序中常用的數(shù)據(jù)存儲。因此，選用MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫并部署到云服務器。MySQL作為云監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)中心，對于存儲光伏設備大量的歷史數(shù)據(jù)，提供邏輯運算和分析，起到了至關重要的作用。

1.4Django框架

       Django是目前流行服務器端Web框架，是為快速開發(fā)數(shù)據(jù)驅動站點而創(chuàng)建，擴展性強，功能完善，開發(fā)速度快和可維護性高。其屬于MVC（Model?View?Controller）框架風格，但控制器接收用戶輸入的部分框架，由用戶自行處理，所以采用的是MTV架構模式，即Model（模型）、Template（模板）、View（視圖）。模型是數(shù)據(jù)存取層，負責業(yè)務對象和數(shù)據(jù)庫存取；模板是表現(xiàn)層，負責把數(shù)據(jù)展示給用戶；視圖是業(yè)務邏輯層，負責后端的查詢操作和數(shù)據(jù)處理。

2、系統(tǒng)硬件設計

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構主要由主控芯片DSP、電源電路、信號調理電路、各通信接口以及GPRS模塊構成，其功能主要實現(xiàn)監(jiān)控設備數(shù)據(jù)包括逆變器電壓、電流等輸入信號的采集、處理與上傳，并通過RS232接口與GPRS模塊相連以Socket套接字形式上傳至云服務器進行解析。系統(tǒng)整體硬件結構如圖2所示。

2.1主控芯片

      主控芯片是整個控制系統(tǒng)硬件結構的核心。由于本文系統(tǒng)需要頻繁對輸入信號進行采樣和處理，數(shù)據(jù)量大，采用傳統(tǒng)的PIC系列、51系列單片機無法滿足處理速度和精度要求。因此本文設計采用DSP，其處理速度快，運算精度高，并具有豐富外設和接口，且F2833x系列比F28xx系列多了一個MAC單元，其處理數(shù)學運算性能可提升2.45倍，控制算法性能提升1.57倍，可滿足本文設計數(shù)據(jù)處理要求。

2.2電源電路

      電源模塊為整個系統(tǒng)供電，F(xiàn)28335采用雙電源供電，管腳供電電壓1.9V，內核供電電壓3.3V，因為監(jiān)控終端外接電源的最小電壓大于3.3V，因此需重新設計供電硬件電路解決外部低電壓供電問題。可采用TPS767D301芯片作為供電電源芯片，這是TI公司推出的針對DSP雙電源供電的雙路低電壓降電源調節(jié)器，輸入電壓為5V，工作穩(wěn)定后，將輸出產生1.9V和3.3V電壓提供給DSP，供電電路硬件設計如圖3所示。

2.3信號調理電路

      電流、電壓信號的采樣用的是閉環(huán)霍爾傳感器，將檢測到的模擬量送入電流、電壓信號調理電路進行濾波和鉗位，并由ADCIN端口進入DSP內部的A/D轉換模塊，將模擬量轉換成計算機能夠識別的數(shù)字量再送入云服務器。電流及電壓信號采集調理電路如圖4、圖5所示。

2.4通信設計

      數(shù)據(jù)的無線傳輸選用廈門才茂CAIMORECM510?72FDTU模塊實現(xiàn)，這是一款為用戶提供低功耗、高速、永遠在線、TCP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓�業(yè)級無線終端設備。其工作原理框圖如圖6所示。采用RS232接口實現(xiàn)DSP與GPRS?DTU通信，并將DTU通過綁定IP地址和端口，以Socket套接字形式將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)椒�務器�?

3、系統(tǒng)軟件設計

      系統(tǒng)軟件部分包括數(shù)據(jù)通信軟件設計和監(jiān)控云平臺軟件設計。

3.1數(shù)據(jù)通信軟件設計

      數(shù)據(jù)通信軟件設計實現(xiàn)對光伏逆變器數(shù)據(jù)的采樣、處理和傳輸。其中，系統(tǒng)初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區(qū)數(shù)據(jù)等，采用C語言編程實現(xiàn)。DSP響應處理包括對光伏設備發(fā)電參數(shù)的采樣和A/D轉換，并由GPRS通過綁定IP地址和端口作為Socket客戶端形式發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務器。服務器則采PythonSocket編寫腳本程序運行在服務端，不斷偵聽GPRS發(fā)送的TCP/IP連接請求，只要GPRS模塊和PythonSocket服務程序配置的IP地址和端口一致，即可建立連接和通信，并創(chuàng)建Pthread線程接收GPRS的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫，Web監(jiān)控平臺調用MySQL數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。數(shù)據(jù)處理及傳輸流程如圖7所示。

3.2監(jiān)控云平臺軟件設計

      Web監(jiān)控系統(tǒng)采用Django框架進行搭建，前端采用EChart、Boostrap、HTLM5和CSS3等將數(shù)據(jù)進行可視化和網(wǎng)頁樣式的設計。后端采用Python語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并用jQuery自帶封裝的Ajax完成前后端數(shù)據(jù)請求方式，實現(xiàn)網(wǎng)頁的動態(tài)刷新，數(shù)據(jù)傳輸格式為JSON。云計算采用阿里云ECS服務器，其操作系統(tǒng)為Ubuntu16.0464位，公網(wǎng)IP為39.105.110.139。通過在服務器終端搭建Python環(huán)境并用Nginx+Uwsgi部署以編譯好的Django項目和MySQL，開放公網(wǎng)訪問安全組，即可完成云端部署。用戶僅需要通過Web瀏覽器即可在任何時間和地點進行監(jiān)控界面訪問，實現(xiàn)光伏電站的遠程智能化管理，監(jiān)控界面部分包括登錄注冊、設備監(jiān)測、設備報警、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表、后臺管理等功能。

4、部署測試

      云服務器運行Socket腳本接收來自光伏設備數(shù)據(jù)，并對監(jiān)控系統(tǒng)進行Web發(fā)布，用戶通過瀏覽器輸入正確IP地址即可進行監(jiān)控界面訪問。登錄系統(tǒng)后，可實時監(jiān)測光伏設備運行情況，圖8是系統(tǒng)運行主界面，包括逆變器發(fā)電參數(shù)和運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，歷史告警展示和發(fā)電量的可視化曲線等，所有信息存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢。實驗結果說明該系統(tǒng)可監(jiān)控光伏設備實時運行情況，時效性好，效率高。

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

5.2應用場所

      目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂?shù)膽粲霉夥�和工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

5.3系統(tǒng)結構

      在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網(wǎng)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

5.4系統(tǒng)功能

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

5.4.1光伏發(fā)電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

5.4.1.2電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

5.4.1.3逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

5.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

5.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數(shù)據(jù)。

●展示當前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發(fā)送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。

5.4.3運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

5.5.1交流220V并網(wǎng)

     交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。

      部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.2交流380V并網(wǎng)

      根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網(wǎng)，以當?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網(wǎng)公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的遠程自動采集。

      光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網(wǎng)電量結算。

      部分光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

     這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.3 10kV或35kV并網(wǎng)

      根據(jù)《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網(wǎng)裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統(tǒng)。

      此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

      光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。

      上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設置)，最后經(jīng)過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

6、結語

      本文結合云計算、DSP、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術設計了光伏發(fā)電遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了軟硬件設計方案，測試表明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確，運行穩(wěn)定。與傳統(tǒng)電站PC監(jiān)控相比，該系統(tǒng)無需現(xiàn)場監(jiān)控、輪班值守、人工搜尋故障，只需1臺具有瀏覽器的終端設備即可進行遠程監(jiān)控，實時查看光伏設備的運行情況，效率高、成本低、市場前景廣闊。

【參考文獻】

1. 余永俊，任一峰，高世清，安坤，劉鵬.光伏智能云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)涉及[J].現(xiàn)代電子技術，2021年1月15日第44卷第2期
2. 陶洪峰，童亞軍.RS485總線架構的雙無線通信光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（8）：114-116
3. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介：

宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監(jiān)測系統(tǒng)， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）