光伏發電系統智能監管平臺系統設計研究

王 鑫

(湖南湘安新能源科技有限公司，湖南 長沙 410007)

新能源產業的發展主要是利用光伏發電發熱，利用太陽熱能和生物質能等方法。我國擁有豐富的太陽能資源，按照研究數據分析，我國大多數地方一年的日照日時間在2200h以上，年均日照輻射量在4KW·h/㎡。利用太陽能的首要方式就是光伏發電，將太陽能中的光伏電池經過光伏效應轉化成電能。但是，目前來說，太陽能光伏發電的成本較高，如果大范圍推廣存在著一定的難度。

1.光伏發電的工作原理

光伏發電系統主要依賴廣生伏特效應，從而將太陽能轉變成電能的發電系統，該系統工作的基本原理是當太陽照射在半導體的時候，會讓半導體PN結上的雜質形成自由電子，從而生成光生電場，產生電流，從而進行發電。光伏發電系統主要由光伏陣列、應用系統和控制器等三個部分組成[1]。

2.平臺系統分析

2.1 系統構成和監控對象分析

光伏發電系統按照是否合并網分成并網型和離網型系統，按照電壓的話分別是高壓、中壓和低壓，按照是否儲能的話分為儲能和不儲能。不同的光伏發電系統的結構有所不同，如下圖所示，小型的并網光伏發電系統主要包括光伏組件、匯流箱/柜、逆變器、配電箱/柜、電表，如果是離網型系統中還有充放電控制器和蓄電池，電壓型系統中就含有電壓變壓器和開關柜等設備。為了監測的需求，一般都還會在周圍配有氣象站或者氣象儀。

圖1 光伏系統構成

光伏系統的監控就是指監控光伏發生系統的結構特征參數。系統的機構特征參數一般有組件的電壓和電流的功率；直匯箱/柜的特征參數是直流開關信號，每條電流直流的電壓、電流以及功率。逆變器的特征參數分別有直流側電壓、電流和功率，交流測電壓、電流和功率、頻率和溫度等；變壓器的特征參數是高低壓測電壓、電流和功率、依舊變壓器的溫度和濕度；開關柜的特征參數分別為并網開關信號和電壓、電流及其功率。

2.2 系統平臺的需求分析

光伏發電系統監管平臺的功能如下：采集數據及處理方面，對光伏發電系統正常運行的數據進行本地采集以及遠程操作采集、輸送和存儲全過程，同時還要對異常的數據及時處理；監控故障方面，實時監管光伏發電系統的運行數據，然后分析診斷運行故障，及時發現數據異常的，排除設備故障，并建立異常事件報警，自動處理機制，對異常事件進行分級和處理；遠程操作方面，運行和維護的相關人員無需親自來到現場，只需要通過遠程操作控制監控平臺就可以及時調整設備的參數，以及查看設備的運行情況，從而確認運行期間時候存在異常數據，確認異常信息等；并網控制方面，為了提供光伏發電系統的經濟效益，監管平臺需要根據逆變器的運行情況和對功率輸入的要求，結合當下的天氣變化和太陽照射強度的情況分析，優化電站的調度運行，合理安排設別的切換和調配，必要時候需要停機維修保養。質量監測方面，可以實時監測輸入電網或者是向交流負載提供的電能質量，例如并網頻率、電壓和功率因數等方面；能量管理方面，能夠根據太陽的照射強度、發電功率去平衡電站的有功功率，從而分析和預測發電的總功率；制作數據統計分析匯總表時，可以對光伏發電系統設備的運行數據進行匯總分析，其中包括發電的效率、功率和太陽光照的曲線進行對比分析，還包括設備的運行情況和變化指數、異常數據和通信信息等，為運營工作人員提供豐富的數據支持；系統維護方面，管理和維護系統主要采取了權限設置和賬號分級的方式進行，盡量做到角色分級，可以分為超級管理者、系統管理員、和電站管理員等。光伏發電系統一監管平臺一般包括本地監控和遠程監控兩個平臺[2]。其中，本地監控是由光伏系統設備、光伏數據采集監控和計算機組成；遠程監控系統包括遠程監控數據中心、Web系統跟手機APP組成，三者相互聯網相互連接。本地監控系統的使用比較靈活，如果使用的是小型的光伏系統，則無需配置監控系統，反之，如果光伏系統比較大，則需要配置數據服務器和監控客戶端等。遠程監控的數據中心是整個平臺的中心，其能夠實現對數據的采集和分析、處理和存儲以及發布出去等功能。Web服務器和用戶端的門戶，是向光伏發電系統用戶提供互聯網訪問的權限；用戶可以通過APP隨時隨地監控光伏系統的運行情況，查看光伏發電系統的運行數據。

3.光伏發電系統智能監管平臺技術

光伏發電系統智能管理平臺將以混合云的方式進行方案設計

一是云上業務。云上業務也稱為公有云，云上配置對外應用服務系統，實時應對外來業務的訪問量的增加和減少，同時，還能減少服務器設備的檢修和維護；在數據控制中心中，一般都會采用VPC、ESC、RDS搭建公有云業務系統，通過IPsec在VPN中將本地數據中心和專用網絡VPC迅速連接，形成混合云。二是本地數據中心。本地數據中心也成為私有云，也就是說將監管平臺上內部核心系統和核心數據放在自己建立的數據中心上，從而確保數據信息的安全[3]。將核心數據信息放置在本地數據中心上，利用高速通道接入數據，確保能夠與公有云的數據實時同步，實現線上線下的數據信息連通。隨著數據時代的發展與進步，每個平臺上的數據和文件日益增加，而平臺的計算負擔也越來越重，不管是對平臺的容量還是服務條件，以及存儲的規模要求都越來越高，因此，我們需要在不影響控制系統的正常運行下對系統進行全面的升級和擴容，以提高系統計算力和容量為目標，為數據中心配置超融合服務器。如此一來，不但能夠高效地解決日益劇增的數據信息，還能保證數據存儲的安全性。智慧安全系統主要采用的是B/S結構，在平臺通用的基礎上進行設計改造，MVC模式主要具備了通用平臺的靈活性和穩定性。MVC是平臺設計的經典，是邏輯思維、數據分析和界面顯示的組合，將業務邏輯收集到同一個部件內，在改進和優化控制界面和用戶交互的時候，不需要重新編程業務邏輯，從而提高代碼的可持續性，也是目前最為流行的開發軟件之一：數據層主要是建立數據庫，供人們讀取數據，因此，采用MyBatis結構，MyBatis的特點是可以定制化SQL和存儲數據的全過程，避免了JDBC代碼、手動輸入參數以及數據結果收集，最大程度上保證了系統運行的工作效率。平臺建立Mysql數據庫的同時還需要支持MSSQL和ORACLE等關聯數據庫。對Mysql數據庫采用Innodb和Infobright兩種引擎，Innodb引擎主要是針對平臺內有關聯的數據進行處理和存儲，反之，Infobright主要是針對系統中非關聯性的數據進行處理和存儲[4]。因此，針對業務數據的不同區分引擎最大的好處在于可以高效地提高系統對數據的讀寫能力以及存儲效率。支持層主要是基礎平臺提供的通用部件，其中包含：組織機構、安全認證、角色權限、任務挑度和服務總線等。通用部件作為控制系統中的二次開發基礎，促使相關開發人員在二次開發的時候可以更加關注業務的開發，迅速滿足客戶在市場上的需求。業務層是在支持層的基礎上進行二次開發得出來的，業務層主要是為用戶提供平臺業務服務模塊，模塊與模塊之間主要是通過webservice互相訪問，大大降低了模塊之間的配合時間。在光伏發電系統中，業務層主要用于電力建設工程項目中，系統將通過數據的采集、分析和匯總等方式，結合電力建設事業的施工情況，充分展示了電力建設事業在安全運行中的安全指數。表現層主要包括有：IOS移動端、PC和Android。UI層主要是以Bootstrap、jpuery和a jax技術為基礎進行開發；PC是使用了BS模式中的MVC技術開發；而IOS移動端的設計是使用了html5+原生+SUIMobile的方式開發。在設計安全的問題上，電力建設項目的安全監管系統需要確保數據、網絡、系統和管理工作的安全性，系統需要具有超高安全性能的人員確認、權限設置和通信機構，充分采用系統總控制數據庫的存儲機能和對象級別的控制數據庫存儲機能，進而保證系統的安全性以及數據的保密性，避免數據信息的丟失和泄露以及不法分子使用非法手段非法入侵數據庫盜取數據，同時，系統還提供了非常可靠的數據備份和丟失恢復功能[5]。在系統設計和對數據整理的同時，相關技術人員需要在系統安全性和穩定性上有一個綜合考慮，需要具備有完善且周密的安全體制，而且還需要擁有安全的數據加密手段和方法。

4.光伏發電系統的發展

經過十幾年的發展和努力，現階段我國的光伏發電行業已經在全國占據市場一角。根據國際對能源數據的統計，我國在2015年已經新增光伏發電機容量在1215萬千瓦，而截至2015年底，累計容量高達4320萬千瓦，一躍成為了裝機容量最大的國家。然而，在發展的過程中，光伏發電在使用時依舊存在著諸多問題，主要表現在電站運維管理手段和電力站點建設投資決策粗放方法落后和發電工作效率低下的問題上。據數據統計，我國光伏發電系統的PR大概是75%，而日本和德國等發達國家的平均PR在80%，甚至最高是85%，所以說，我國的PR與其他國家對比依舊還有5%-10%的差距[6]。2010年之前，我國光伏發電事業一般都是在國內生產，應用在國外，因此，很少技術人員會重視光伏電站的研究，導致電站的管理工作以及監督不到位。2010年之后，我國的光伏發電事業迅速發展，裝機模式不斷變大，從而給電站的管理和監督工作帶來極大的挑戰。

5.結語

綜上所述，光伏發電控制系統是一個能夠將太陽能轉換成電能的節能型和環保型控制系統。本文重點介紹了光伏發電控制系統的各項性能，從而實現了光伏陣列的最大輸出功率點工作和太陽追蹤控制技術，從而提高了光伏發電控制系統的轉化率，進一步優化控制系統的工作性能。