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分布式光伏电站监控系统中在物联网中的应用

更新时间:2024-01-11      浏览次数:221

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

摘要:为了顺应我国目前的光伏产业高质量发展形势,在提升光伏发电系统运维效率的同时降低电站运营成本,将物联网技术应用于光伏电站的运维过程中已是必然。本文首先通过分析传统光伏电站运维的缺陷,强调了在改变传统运维模式时应用物联网技术的重要性,再整理出现有基于物联网技术的运维工作方式,并对其工作内容、系统配置及核心技术问题进行阐述,最后对物联网技术在光伏电站运维系统中的应用前景进行展望。

关键词:物联网技术;分布式光伏电站;光伏运维平台;监控系统

随着国家政策的持续支持与光伏产业的扩大发展,光伏发电系统已经进入到了竞价、平价项目的发展阶段,在这个阶段大家共同关注的其中一个重要问题就是,如何实现“降本增效"。伴随着光伏电站的落成和投产,在电站持续运行的整个生命周期中,“运维"就成为了光伏电站提升效率,获取收益的主要来源。

1、传统光伏电站运维

光伏电站运维主要指对光伏电站的各个环节进行预测和检修,包括光伏阵列、汇流箱、逆变器、变压器、电缆等多个部分。这每一个环节能否正常运行都会直接影响到光伏电站的效率或稳定性。

在我国,传统的光伏电站运维系统可以追溯到2009年以前甚至更早。传统光伏电站运维主要依靠运维人员值守和设备巡检,运维效果的好坏不仅受限于天气、地形等等自然因素的影响,也受限于运维人员的专业能力和作业水平。这种情况导致光伏电站存在出现排查故障时间长而发电受阻,如果遇到一些隐性设备故障,运维人员无法预先或及时得知还会导致事故进一步扩大等现象。这种运维方式不但效率低下,成本也较高,这显然不符合现阶段光伏产业所追求的“降本增效"要求。

为了解决传统运维中存在的这些问题,光伏电站运维系统经历了从早期“擦板子,除杂草"的粗放式管理模式到侧重于管理的MIS管理系统,再到后来经逐步转变得到侧重于监测的远程监控管理系统的转变,在这样的转变中物联网技术起到了至关重要的作用。

2、基于物联网技术的光伏电站运维

物联网技术是指将各类设备和系统中的传感器与现有互联网相互衔接的技术,在我国也被称为“传感网",早于1999年便开始研究,技术水平处于世界前列,具有较大优势。基于物联网技术等其他技术的结合开发光伏电站智慧运维系统是现阶段光伏企业正在研究的课题,并已有了一些应用案例。物联网技术在光伏电站运维系统中的应用大概包括以下几个方面:

(1)基于物联网技术的光伏电站环境监测

鉴于我国光伏电站尤其是大型光伏电站多建立于偏远地区,处于值守人员严重缺乏甚至无人值守的状态。电站运营和管理人员很难得到持续和完整的环境数据来对光伏电站的整体运行进行调度与评估,会对光伏电站的效率产生一定影响。

光伏发电的光电转化率一直以来都是光伏发电的核心技术问题,而光伏组件的转化效率会受到温度、湿度和光照强度等环境参数的影响,无法准确获取全面的环境监测数据,更是严重影响了科研人员对于转化效率的研究工作,制约了光伏技术的发展。

基于物联网技术的光伏电站环境监测系统的出现改变了上述局面,它是一种利用Zig-Bee技术与物联网技术相结合的光伏电站环境数据实时监测系统,可以多点采集光伏电站的温度、湿度、光照强度等数据,并进行远程实时监测。系统由远程控制中心和无线传感网络两大部分构成,整体结构如图1所示。

图1 基于物联网的光伏电站环境监测系统框图

系统可以通过传感节点采集光伏电站现场的温度、湿度、光照强度和气压信息,将采集到的数据经过信号电路处理后,再通过Zig-Bee模块将数据转发给路由节点;路由节点的主要作用是转发数据,进而实现远距离通信。系统中传感节点和路由节点的数量可根据电站运行和环境的需求灵活配置。网关节点主要负责网络的建立和管理,负责把接收到的数据利用串口通信方式发送到数据监测平台。监测平台操作人员在监控室利用计算机或通过移动端远程登录数据监测平台就可直接监测电站现场环境。

总体来说该系统可以及时的反应采集到的环境监测数据,还能通过终端设备登录物联网平台远程查看数据信息。系统安装方便,组网灵活,功耗较低,可靠性高,稳定性强,能显著提高光伏电站的运维效率。

(2)基于物联网技术的无人机自动巡检

现阶段,光伏电站多建设在戈壁和山地地区,且规模较大,常规的人工巡检早已不能满足光伏电站的高效运维需要,基于物联网技术的无人机自动巡检应运而生。无人机通过搭载可见光成像相机和红外线成像相机,再结合飞行不受地形限制、速度快、巡检范围广的优势,可提供高效的表面检测,还能实现实时监测、分析、智能诊断等功能,是光伏电站运维智能化的得力帮手。

光伏电站巡检工作对于无人机的载荷要求较低,但是对机动性和灵活性要求较高,故多选用小型的多旋翼无人机。在动力系统和主控制系统设计方面,采用常规配置即可实现,设计的重点通常为位姿控制的设计,在文献《光伏电站智能运维无人机技术研究》[2]中选用串级PID控制算法能够实现较好的控制效果。无人机除了能够应用在光伏电站运维工作中之外,还能够胜任光伏电站场址勘测等任务。在运维过程中,无人机在工作过程中需要地面运维平台的配合,完善的地面配套设施和软件系统,可以帮助无人机更好的服务于光伏电站运维工作。

在无人机光伏系统自动巡检中,地面运维平台通过无人机拍摄电站中所有组件的红外图像,可以通过图像分析技术找出电站中存在的故障。在无人机采集图像的过程中,影响无人机自动巡检效率的主要因素有无人机续航能力,红外相机分辨率,高效的巡检路径。

上述提出的问题中,无人机的续航能力和相机分辨率都可以通过硬件升级来进行解决,而无人机巡检路径的规划则是一个重要技术问题。在近些年的发展中,已经逐渐摆脱了手动规划的局面,发展为自动规划飞行路径。合适的飞行路径不仅可以节省无人机的飞行时间,同时可以减少转弯、加减速等耗电量较高的动作,提高单次飞行巡检量,减少飞行次数。

路径是指的是无人机飞行过程中从起点到终点所有经过路径点的集合,路径规划是按照时间、距离这些性能指标,分析和搜索出一个Z合理的结果。因此,无人机光伏巡检需要根据电站组串的布置,抽象得到路径点,这些路径点可以覆盖全部待测目标,并找到一条连接全部路径点的路线,并根据无人机飞行性能和转弯特性,对路径进行下一步分析和比较。

获得了全部待测目标点后,则要将所有路径点用一条线路连接在一起。常规的路径规划只考虑该线路有的长度,希望能取最短长度。但是在无人机实际飞行过程中,由于无人机的转弯过程是一个加速-减速-再加速的过程,该过程比直线飞行更加消耗时间和电能。因此,规划无人机巡检路径时,不能只考虑路线长度,需要兼顾考虑转弯次数的多少及转弯所消耗的时间。在不考虑无人机速度的情况下,无人机巡检路径规划可以简化为求解最短巡检时间的问题。

运维平台基于物联网等技术,可以解决无人自动路径规划的问题,将无人机的起降、飞行和规划路径、躲避障碍功能进行集合,实现“一键巡检"操作。为无人机配置可见光、红外的双光摄像头,让无人机在巡检过程对光伏电站进行拍照、发送,再通过运维平台中应用对照片进行实时处理,就可以实现热斑、积尘、隐裂等等检测项目,大大的节省了人力并提高了效率,无人机巡检系统的结构如图2所示。

图2 基于物联网的无人机自动巡检系统框图

(3)基于物联网技术的光伏电站运行数据实时监控

在光伏电站的运行过程中,可以依靠基于物联网技术的运行数据实时监控系统来检测孤岛现象以及预防电网冲击,这是保障光伏电站稳定运行的一项重要举措。除此之外,该系统还能够提高光伏电站远程管理效率,降低远程信息传输成本。

基于物联网技术的运行数据实时监控系统,可以同时监控整个光伏电站内的设备运行状态、电能质量、安全、消防等数据和信息,该系统可以分为四层,系统结构如图3所示。

图3 基于物联网的光伏电站运行数据实时监控系统框图

该系统通过各类变送器和传感器来采集光伏电站运行的状态信息,包括光伏组件、汇流箱、逆变器等设备运行数据,计量和保护装置数据以及安全、消防设备信息。再通过有线或无线网络传输的方式将采集到的信息和数据传输至本地监控中心并进行后续处理。

数据收集过程中适宜采用Zig-bee无线传输技术,对数据进行简单处理后传输至本地控制中心,能提高传输速度和控制中心的处理效率。本地控制中心主要负责对收集到的数据进行处理、分析,这些工作主要由控制中心的软件完成,该软件可进行图形、属性数据的输入、修改、查询,自动生成单行表、L系人表等图表,并提供完整的维护功能,确保整个系统的稳定与安全。监控系统运行过程中利用相互独立的传感器来对电网设备和环境进行实时监控,收集系统所需的数据。监控系统中传感器共有两种运行模式:工作模式和睡眠模式。未接收到系统的数据采集指令时,传感器处于睡眠工作模式,数据采集模块处于低电流接收状态;接收到系统发送的数据采集指令后,传感器进入工作模式,开始采集数据并发出记录指令。数据采集之后的下一步是资料处理阶段,该阶段是负责数据收集与数据处理的阶段。系统处理器接收到各传感器发送并被数字化处理过的信号后,对这些数据进行初步分析。这一阶段的数据分析可以分为网络数据分析和向量数据分析两大类,网格数据分析是指对数据的叠加分析,统计分析,记录分析,滤波分析,区域操作和扩展域操作。向量数据分析主要指图像的边界整合,多边形重新分类,点线重叠,空间数据查询等。系统中的信号都是经输入设备数字化处理后转变为数据,再发送至主机做进一步处理的。数字处理就是把扫描后的栅格数据转换成点、线、面积、拓扑关系等形式,再利用向数据识别地图,从而实现地图的数字化。将处理后的数据存储起来,并与预设的报警数据进行比较。当输出的数据量超过设定值时,报警系统启动报警装置,并将报警信息发送到相关维修单位,紧急处理事故,消除安全隐患,数据分析的结果都通过输出设备输出到相关用户。

该系统最终可以实现光伏电站运行监测、分析诊断、故障报警、统计报表、系统查询、系统管理、设备管理的功能。通过互联网可以将本地控制中心接收和处理过的信号发送至远程控制中心。远程控制中心借助于与本地控制中心的信息交互,就可以实现跨地域的个光伏电站集中监控、统一管理,接收到的信号和处理过的数据可以分门别类的进行保存,提供给技术人员和管理人员进行数据分析和比对。

在光伏电站运维中引入上述系统,除了能够助力当前光伏电站实现“降本增效"外,还可以实现多个光伏电站跨地域的统一运营,无论对于电站的运营者还是光伏产业本身,都能帮助其实现长远发展。

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:

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:

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:

4、物联网技术在光伏电站运维系统中的应用展望

相对于传统光伏电站运维模式,基于物联网技术的光伏电站运维系统无论是在提升效率还是在降低成本方面,都展示出了很强的优越性。物联网技术目前已经日趋成熟,并且伴随着硬件设备与通信技术的革新正在发生日新月异的变化,将物联网技术应用于光伏电站运维系统中也必将使得光伏电站的运维工作效率进一步提升,进而使得光伏产业在未来的社会高质量发展浪潮中展示出更加耀眼的风采。

参考文献:

[1]付蓉.物联网技术再光伏电站运维系统中的应用研究[J].应用技术

[2]袁颖等.基于ZigBee的光伏电站环境实时监测系统[J].微型机与应用,2017,36(3):33-35,38

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版


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