浅析分布式光伏发电运维平台的设计与实现
王兰
安科瑞电器股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：随着光伏发电的不断发展，对于光伏发电监控系统的需求也日益迫切，“互联网+"时代，“互联网+"的理念已经转化为科技生产的动力，促进了产业的升级发展，本文结合“互联网+"技术提出了一种针对分散光伏发电站运行数据进行实时数据采集、分析、处理，查看实时运行情况，并通过移动APP对光伏电站运行参数进行监控及日常管理的应用技术。
关键词：互联网+光伏发电站；远程运维平台；数据采集；TCP协议；UDP协议
0、前言
随着光伏发电的不断发展，对于光伏发电监控系统的需求也日益迫切，“互联网+"时代，“互联网+"的理念已经转化为科技生产的动力，促进了产业的升级发展，本文结合“互联网+"技术提出了一种针对分散光伏发电站运行数据进行实时数据采集、分析、处理，查看实时运行情况，并通过移动APP对光伏电站运行参数进行监控及日常管理的应用技术。
1、系统设计
1.1总体设计思路
光伏组件在接收充分光照后产生的太阳能通过蓄电池存储转化成电能，夜晚光照度减弱，蓄电池开始对用电器进行供电，循环往复工作，节省了非可再生资源，同时光伏发电的线路结构简单操作方便，环保无污染，更节省了大量的人工。基于互联网+的光伏发电管理系统，可以实现分散的光伏发电站网络化统一管理。
本系统运行中，通过数据采集传输单元控制光伏电站数据采集控制单元，实时监控光伏发电站现场设备的运行参数和环境参数等并通过多种网络接入方式，接入互联网络通信系统，将参数实时发送至后台服务器，本地监控控制系统使用光伏发电监控主机对服务器接收到的数据分类汇总、分析、处理，生成图表等并进行分析处理。手机可以监控APP端可以同步监控主机，显示数据，对数据进行整理分析、获取运行参数、查看实时运行情况，对光伏电站进行日常管理，不仅可以做到实时、移动监控，更可以降低运营成本，减少开支。总体结构如图1所示，具体实现的功能包括如下几个方面：光伏电站数据采集控制单元、数据采集传输单元、网络通讯系统、后台服务器、光伏发电监控主机、手机APP。
1.2光伏电站数据采集控制、传输单元硬件设计
光伏电站数据采集控制传输单元主要是由温度传感器、光传感器、温湿度传感器、风速风向传感器、数字电位器、电磁继电器、STM32F106单片机、网络接入模块及电路的接口部分组成。数据采集监控单元模块将现场温湿度、光照强度、风向风速以及发电单元发电参数等等通过网络通信，发送至后台服务器。同时，控制传输单元接收监控主机发送的各种控制命令，能远程控制发电模块的运行。后台服务器实现采集数据的存储、监控和控制系统的部署，及连接控制端，为光伏电站数据采集单元与监控系统之间建立联系。后台服务器主要功能模块如图2所示。
1.3移动监控平台软件系统设计
手机可以监控APP基于Android系统平台进行开发，系统通过TCP协议及UDP协议实现APP与网络后台服务器监控系统的APP通信控制模块通信。APP可以实时访问后台服务器，对光伏电站运行进行监控和控制操作，提供方便、快捷、实时地操作。手机APP客户端软件总体结构图如图3所示。客户端软件通过TCP协议对远程服务器实现登录及客户端基本参数的传输。在完成客户端基本运行参数传输处理之后，通过UDP协议同步监控主机参数，显示光伏发电模块数据，获取运行参数查看实时运行情况，对数据进行整理分析，对光伏电站进行日常管理监控。
2、系统测试分析及结论
移动监控APP模块，是光伏发电监控系统研究课题中，后台监控系统的一个子模块，为系统监控管理者提供移动监控平台。系统前端数据监控采集模块通过对各种传感器对现场数据采集并通过GPRS远程传输模块将采集结果传输至后台服务器，移动监控APP能实时与后台服务器进行交互，实时显示规定发电模块运行状态，并根据应用需要可向监控模块发送控制命令对现场监控设备进行控制。经过测试，移动监控APP模块各项参数及远程控制的传输、显示总体达到系统设计要求，下一步将在现有设计基础上实现系统多机位实时监控，组网发电调度控制研发。
3、安科瑞分布式光伏运维云平台介绍
3.1概述
AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台通过监测光伏站点的逆变器设备，气象设备以及摄像头设备、帮助用户管理分散在各地的光伏站点。主要功能包括：站点监测，逆变器监测，发电统计，逆变器一次图，操作日志，告警信息，环境监测，设备档案，运维管理，角色管理。用户可通过WEB端以及APP端访问平台，及时掌握光伏发电效率和发电收益。
3.2应用场所
目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。
3.3系统结构
在光伏变电站安装逆变器、以及多功能电力计量仪表，通过网关将采集的数据上传至服务器，并将数据进行集中存储管理。用户可以通过PC访问平台，及时获取分布式光伏电站的运行情况以及各逆变器运行状况。平台整体结构如图所示。
3.4系统功能
AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台软件采用B/S架构，任何具备权限的用户都可以通过WEB浏览器根据权限范围监视分布在区域内各建筑的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、电站信息、逆变器状态、发电功率曲线、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。
3.4.1光伏发电
3.4.1.1综合看板
●显示所有光伏电站的数量，装机容量，实时发电功率。
●累计日、月、年发电量及发电收益。
●累计社会效益。
●柱状图展示月发电量
3.4.1.2电站状态
●电站状态展示当前光伏电站发电功率，补贴电价，峰值功率等基本参数。
●统计当前光伏电站的日、月、年发电量及发电收益。
●摄像头实时监测现场环境，并且接入辐照度、温湿度、风速等环境参数。
●显示当前光伏电站逆变器接入数量及基本参数。
3.4.1.3逆变器状态
●逆变器基本参数显示。
●日、月、年发电量及发电收益显示。
●通过曲线图显示逆变器功率、环境辐照度曲线。
●直流侧电压电流查询。
●交流电压、电流、有功功率、频率、功率因数查询。
3.4.1.4电站发电统计
●展示所选电站的时、日、月、年发电量统计报表。
3.4.1.5逆变器发电统计
●展示所选逆变器的时、日、月、年发电量统计报表
3.4.1.6配电图
●实时展示逆变器交、直流侧的数据。
●展示当前逆变器接入组件数量。
●展示当前辐照度、温湿度、风速等环境参数。
●展示逆变器型号及厂商。
3.4.1.7逆变器曲线分析
●展示交、直流侧电压、功率、辐照度、温度曲线。
3.4.2事件记录
●操作日志：用户登录情况查询。
●短信日志：查询短信推送时间、内容、发送结果、回复等。
●平台运行日志：查看仪表、网关离线状况。
●报警信息：将报警分进行分级处理，记录报警内容，发生时间以及确认状态。
3.4.3运行环境
●视频监控：通过安装在现场的视频摄像头，可以实时监视光伏站运行情况。对于有硬件条件的摄像头，还支持录像回放以及云台控制功能。
3.5系统硬件配置
3.5.1交流220V并网
交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。
部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：
| 名称 |
图片 |
型号 |
功能 |
应用 |
| 光伏运维云平台 |
|
AcrelCloud-1200 |
监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等 |
应用于单台逆变器数据采集和上传云平台 |
| 智能网关 |
|
ANet-1E1S1-4G |
嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议 |
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| 防逆流装置 （选用） |
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ACR10R-D10TE |
防止光伏系统向电网输送功率，用于单相光伏发电系统 |
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| 户用逆变器 |
逆变器推荐： 华为户用逆变器SUN2000-5/6/8/10/12KTL-M1 固德威GW8000-DT 锦浪GCI-1P(4-6)K，GCI-1P(9-10)K |
推荐通讯方式RS485 |
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3.5.2交流380V并网
根据国家电网Q/GDW1480-2015《分布式电源接入电网技术规定》，8kW~400kW可380V并网，超出400kW的光伏电站视情况也可以采用多点380V并网，以当地电力部门的审批意见为准。这类分布式光伏多为工商业企业屋顶光伏，自发自用，余电上网。分布式光伏接入配电网前，应明确计量点，计量点设置除应考虑产权分界点外，还应考虑分布式电源出口与用户自用电线路处。每个计量点均应装设双向电能计量装置，其设备配置和技术要求符合DL/T448的相关规定，以及相关标准、规程要求。电能表采用智能电能表，技术性能应满足国家电网公司关于智能电能表的相关标准。用于结算和考核的分布式电源计量装置，应安装采集设备，接入用电信息采集系统，实现用电信息的远程自动采集。
光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。
部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能，系统图如下。
这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：
| 名称 |
图片 |
型号 |
功能 |
应用 |
| 光伏运维云平台 |
|
AcrelCloud-1200 |
监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等 |
应用于多台逆变器、计量仪表及气象数据采集和上传云平台 |
| 智能网关 |
|
ANet-1E2S1-4G |
嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议 |
|
| 电能质量监测 |
|
APView500 |
电网频率,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群,间谐波电压波动、闪变。可输入57.7V/100V或220V/380V。 |
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| 静态无功补偿 |
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ANSVG100-400 |
光伏并网时主要提供有功功率，这样市电侧有功减少，而无功不变，这样会导致功率因数降低，通过无功补偿装置可以提高系统功率因数。 |
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| 防逆流装置 |
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ACR10R-D10TE4 |
防止光伏系统向电网输送功率，用于三相光伏发电系统 |
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| 直流电表 |
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DJSF1352 |
电压输入DC750V，电流输入DC300A/75mV，在分布式光伏项目中适用于储能回路等直流信号设备电量测量和电能计量使用 |
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DJSF1352RN |
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PZ96L-DE |
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| 逆变器 |
逆变器推荐： 阳光电源组串式逆变器SG(30~110)CX系列、SG136TX、SG225HX、SG320HX 华为商用逆变器SUN2000-30/36/40KTL-M3、SUN2000-60KTL-M0、SUN2000-100KTL-M0 固德威GW（25~80）K-MT、GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等 锦浪GCI-3P(12-25)K、GCI-(25-110)K、GCI-(125-230K)-EHV-5G等 |
推荐通讯方式RS485 |
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3.5.3 10kV或35kV并网
根据《国家能源局关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项通知》（国发新能〔2019〕49号），对于需要国家补贴的新建工商业分布式光伏发电项目，需要满足单点并网装机容量小于6兆瓦且为非户用的要求，支持在符合电网运行安全技术要求的前提下，通过内部多点接入配电系统。
此类分布式光伏装机容量一般比较大，需要通过升压变压器升压后接入电网。由于装机容量较大，可能对公共电网造成比较大的干扰，因此供电部门对于此规模的分布式光伏电站稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。
光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。
上图为一个1MW分布式光伏电站的示意图，光伏阵列接入光伏汇流箱，经过直流柜汇流后接入集中式逆变器(直流柜根据情况可不设置)，最后经过升压变压器升压至10kV或35kV后并入中压电网。由于光伏电站装机容量比较大，涉及到的保护和测控设备比较多，主要如下表：
| 名称 |
图片 |
型号 |
功能 |
应用 |
| 光伏运维云平台 |
|
AcrelCloud-1200 |
监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等 |
应用于6MW以下光伏变电站 |
| 电力监控系统 |
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Acrel-2000 |
电力监控系统，实现对光伏发电站。测、。信、。控、异常报警、故障记录和分析等功能，接收调度系统指令对光伏电站进行调节和控制。 |
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| 并网柜 |
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AZG光伏并网柜 |
容量涵盖范围广，可涵盖2000A以下用户并网需求； 安装方便，外观美观大气； 可选配检有压合闸、失压跳闸等功能，对光伏系统进行失压，欠压保护，及自动合闸功能； 可预留独立铅封计量室，光伏发电一目了然； 可根据客户需求配用国内外品牌厂家元件； 可选配电能质量在线监测装置检测光伏发电系统的各电参量，并与后台联机通讯，实现智能化管理； 可选配防孤保护及逆功率保护功能； 具有RS485通讯接口，使用ModBus-RTU通讯协议 |
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| 汇流箱 |
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APV光伏汇流箱 |
防护等级为IP65,满足室内外安装要求； 采用霍尔传感器，隔离测量，16路输入； 耐压DC1kV,熔断电流可选择； 可选电压测量功能,测量电压DC1kV； 具有RS485通讯接口，ModBus-RTU通讯协议； 可根据客户需求配用国内外品牌厂家的光伏专用直流断路器，光伏专用直流熔断器、防雷保护器等元件。 |
|
| 智能网关 |
|
ANet-1E2S1-4G |
嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议，支持和调度系统远动通讯。 |
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| 微机保护测控装置 |
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AM5SE |
适用于35kV和10kV电压等级的线路保护测控、变压器差动、后备保护测控等功能 |
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| 电能质量监测 |
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APView500 |
电网频率,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群,间谐波电压波动、闪变。可输入57.7V/100V或220V/380V。 |
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| 弧光保护装置 |
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ARB5 |
集保护、测量、控制、监测、通讯、故障录波、事件记录等多种功能于一体,准确实时监测弧光信号，保护电流，适用于中低压等级电网的弧光故障迅速切除装置。 |
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| 光伏汇流采集装置 |
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AGF-M16T |
一次电流采用穿孔方式接入，20A，穿孔方式接入，安装方便，安全性高 带3路开关量状态监测，可以对汇流箱内的防雷器、断路器状态进行监控 具有内部测温功能，可实时监测箱内温度，保证电气安全 具有DC1500V母线电压测量功能 具备RS485接口，Modbus-RTU协议，将监测数据上传至后台系统 |
|
| 直流电表 |
|
DJSF1352 |
电压输入DC750V，电流输入DC300A/75mV，在分布式光伏项目中适用于储能回路等直流信号设备电量测量和电能计量使用 |
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|
|
DJSF1352RN |
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PZ96L-DE |
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| 多功能电表 |
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APM800 |
各电压等级全电气参数测量、计量和状态量采集 |
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| 逆变器 |
逆变器推荐： 阳光电源集中式逆变器SG500MX等 华为商用逆变器SUN2000-196KTL-H3、SUN2000-175KTL-H0等 固德威GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等 锦浪GCI-(125-230K)-EHV-5G等 |
推荐通讯方式RS485 |
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【参考文献】
-
尹汪宏，蒋家欣.基于互联网+光伏发电监控系统中的移动监控平台设计与实现[J].科教导刊，2020年第03期1月（下）
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尚德威，张丽红，倪晋平.基于单片机控制的嵌入式低功耗调制解调器[J].电子产品世界，
参考文献
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尹汪宏，蒋家欣.基于互联网+光伏发电监控系统中的移动监控平台设计与实现[J].科教导刊，2020年第03期1月（下）
-
尚德威，张丽红，倪晋平.基于单片机控制的嵌入式低功耗调制解调器[J].电子产品世界，2003（01）：61-66
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安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版