泛在電力物聯網全息感知下分布式光伏監測技術的探究

趙曉菲

（蘭州石化職業技術大學 甘肅 蘭州 730060）

0 引言

泛在電力物聯網是一種整合了物聯網技術、人工智能技術、大數據分析技術和先進通信技術的具備狀態全面感知、信息高效處理、應用、便捷、靈活特征的智慧服務系統，是未來電力系統發展的主流[1]。目前我國國家電網公司已經開始了全面的電力系統、泛在電力物聯網的建設工作部署，計劃到2024年建成泛在電力物聯網，構建業務協同、數據貫通和統一物聯管理的公司級智慧能源綜合服務平臺，全面形成共建共治共享的能源互聯網生態圈[2]。

分布式光伏電站作為我國電力能源系統的重要組成部分，在整個電力系統中有著不可替代的作用[3]。隨著泛在電力物聯網在電力系統中的全面應用和對電力系統的重構，在分布式光伏電站中也必須具備全息感知的監測系統，并接入到國家電網的智慧能源綜合服務平臺，才能有效地融入到國家能源互聯網生態圈，發揮其作用和價值[4]。目前研究工作者針對系統架構和通信網絡設計兩個方面開展理論和應用研究，取得了一些成果，如肖振鋒等[5]就從系統架構和技術整合上應用先進的通信架構模型來提升分布式光伏發電站，泛在電力物聯網的實時數據采集系統的穩定性和可靠性；陳麒宇[6]對網絡的底層技術進行優化，以實現在光伏電站監測終端運行高性能的分布式網絡服務模型；Liu JC等[7]通過采用AI搜索算法對底層的協議進行了優化，提高了路由節點處理的穩定性和速度，但是對設備的硬件性能要求提高。從這些研究來看，大部分是集中在算法優化和系統的改進上，很少專門針對電力設備信息通信傳輸過程中的信息交換服務模型開展研究。而從并網發電系統來看，系統對設備端狀態監測的有效性和可靠性，直接關系到整個系統的決策，而這些通過簡單的算法優化和速度優化是無法解決的，必須構建可靠的適合泛在電力物聯網通信傳輸網絡的信息模型，從事件信息監測、事件記錄有效追蹤、上報機制等多個維度來進行可靠的設計，是實現基于泛在電力物聯網的實時數據采集和可靠通信交互的基礎，在這方面開展相關研究工作非常必要，是解決未來光伏并網發電系統接入電網中實現對設備信息可靠、穩定監控的關鍵。

在上述背景下，本文以分布式光伏電站設備狀態信息可靠監測技術為研究對象，對其中涉及的通信傳輸網絡的通信交互的可靠性和互操作性開展深入研究。

1 通信系統架構及網絡通信交互及數據傳輸分析

1.1 基于泛在電力物聯網實時數據采集系統及通信構架

如圖1所示，基于泛在電力物聯網實時數據采集系統在設計上通常采用分層架構模式進行設計，從數據和業務上將系統分為3個層，每個層有對應的子系統負責處理相關的工作，其中第1層是分布式光伏系統，負責泛在電力物聯網上設備在光伏電站內網絡請求的產生；第2層是接入計算層，負責邊緣計算設備通信協議的轉換和傳輸及計算；第3層是用戶需求層，負責物聯網用戶網絡需求的產生。

在上述架構下，分布式光伏系統的物聯網計算單元主要由3部分組成：物聯網設備目錄，負責站內范圍的界定和設備的管理；設備數據，所有站內設備產生的數據；設備計算過程，包含設備要有組件與Arduino服務器相互關聯，其被部署在整個泛在電力物聯網系統架構的第二層，為泛在電力物聯網智慧化服務及管理平臺提供數據接入和通信交互，實現對光伏電站的集中監控和管理。

1.2 分布式光伏電站中光伏發電板壽命狀態監測原理

隨著分布式光伏系統智能化程度的提升，對光伏發電板組件的監測與控制力度不斷加強，發電板組件管理系統（SPMS）隨之應運而生。在光伏發電板組件監測中，其中發電板的輸出的電荷狀態是其中一個重要監測數據，其是整個SPMS監測系統在進行光伏發電板組件監測中的數據處理核心，通過該參數進行估計和計算光伏發電板的組件壽命，對光伏發電板組件壽命進行預測，以及時發現光伏并網發電系統中老化和故障的發電板組件。在計算中，通常是通過如下理論模型來計算光伏發電板壽命系數：

上述理論模型，其各個參數含義如下：VMIN-表示的是光伏發電板組件輸出的最小電壓，無光照的時候的電壓；VAVE-表示的是光伏發電板在飽和光照情況下的輸出胡的平均電壓；L-表示的是光伏發電板組件在并網輸電的過程總的超負載次數；LMax-表示的是光伏發電板組件工作的最大超負載次數；CM-表示的是光伏發電板組件當前輸出電量預期值；CN-表示的是當前光伏發電板組件在飽和日照的情況下額定輸出電量。

本文提出的光伏發電板壽命狀態預測方法，即在光伏發電板組件工作的過程中，預測上述理論模型中的L和CM。

在監測的過程中，利用最近5次在光照飽和的情況下工作的過程中，光伏發電板組件并網接入過程中的輸出的平均電量，和廠商在出廠檢測的過程中對該類型的光伏發電板組件進行測試的過程中，記錄的飽和光照情況下的連續5次的光伏發電板的電量，進行差值處理，計算得到光伏發電板的壽命狀態。

利用最近5次在光照飽和情況下，光伏發電板的輸出平均電量（光伏發電板輸出容量值）與該類型出廠時的光伏發電板光電及輸出電量曲線中，任意連續5次的光伏發電板電量求差、平方，再求5次平方和的均方，均方最小的即為所求，從而得出光伏發電板組件所處的壽命狀態。

光伏發電板壽命狀態預測算法，使用的數據有預存平均輸出電量C、當地日照充足時平均電量Q和并網接入過程中的循環地接入輸電次數L，三者之間的關系描述見表1。

表1 預測光伏發電板壽命狀態的數據關系

基于上述數據和SPMS客戶端數據庫中預存的光伏發電板出廠時的電量輸出的特性數據，可以通過如下數學模型來進行壽命預測分析和計算：

在上述模型中，各個參數的含義如下：k-k∈[1,LMAX-5]；Yk-光伏發電板組件命系數較不同k值對應的Yk值；Qn-為發電板的實際的輸出電能值。

通過對光伏發電板壽命狀態監測原理分析，可知在監測的過程中，系統需要實時準確地上報光伏發電板壽命狀態事件，并且要確保事件在上報的過程中的同步。所有的事件必須以嚴格的時序進行上報，這種情況下后臺的監控系統才可以正確處理這些事件數據，并對這些事件數據進一步分析和決策。如果事件上報的時序出現問題，將影響后臺監控中心對發電板的壽命的預測分析，這將直接出現誤報的情況，或者對發電板壽命狀態進行誤判，輕則增加維護成本，嚴重的情況下，這些事件狀態會導致一些異常失效的發電板無法被監測到，導致整個光伏系統超負荷異常運行，最終出現大面積的設備燒壞造成嚴重的經濟損失，因此需要一個可靠的能夠確保這些事件數據以嚴格的時序，并且在任何的情況下都能夠被追蹤和上報到監控中心的網絡通信機制，以保證整個通信的穩定性和可靠性。

基于上述分析，本文將繼續討論如何在泛在電力物聯網實時數據采集系統及通信構架基礎上，構建可靠的通信事件報告追蹤機制，以滿足上述通信傳輸需求。

2 基于事件驅動報告在電力物聯網設備網絡通信事件追蹤機制

2.1 光伏發電板組件設備信息數據監控通信網絡

在已有的基于泛在電力物聯網全息感知的分布式光伏電站監測系統中，對于光伏系統光伏組件設備的監控基本原理，是通過光伏設備智能終端收集設備上的數據信息，實時通過無線網絡傳輸到光伏設備集中管理中心和云端[8]，通過相關的監控模塊和算法，對設備數據信息進行分析，以實現對設備的狀態和壽命數據的監控和預測。

2.2 基于事件驅動報告的網絡通信事件追蹤機制設計

基于上述分析，本文在設計中Li SW等[9]提出，基于嚴格時序和事件驅動的數據同步報告，通信服務機制來構建整個泛在電力物聯網光伏發電板組件設備數據的報告機制，其原理見圖2。

在上述機制中，其核心需要實現事件的可靠報告和嚴格的時序管理，通過事件的可靠報告以確保在通信網絡中傳輸的事件在任何情況下不丟失，同時借助于嚴格時序管理有效地控制事件通信過程中的時序，為監控和預測分析識別每個事件發生的時序做出可靠預測提供數據基礎[10]。

其中在事件報告設計中，按照IEC61850中對DER設備的數據報文的規范和要求，同時兼容本文設計的事件報告傳輸機制，通過設定事件檢測器來對成員的數據進行實時性監測，并且負責執行事件處理邏輯，決定報告的觸發方式和時間等機制，報告處理器主要是負責根據配置信息生成事件報告信息，對事件報告中的相關的字段，包括條目時間（TimeOfEntry）、條目標識符（EntryID）等進行初始化，并保存到報告中，同時在報告中根據事件檢測器的決策將數據寫入到報告中交由報告控制器進行處理；報告控制負責控制報告控制塊（RCB，包括BRCB和URCB）屬性配置，控制報告的形成及發布，同時基于BRCB屬性有DatSet和TrgOps中提供的觸發選項dchg、qchg、dupd來實現條件可控的觸發報告。本文光伏發電組件壽命狀態預測的數據同步以dchg作為觸發選項，光伏發電組件并網輸電完畢時候的狀態數據。

在嚴格時序管理上，依據前文所述的光伏發電板組件壽命狀態預測算法，預測光伏發電板組件系統處于光伏發電板組件壽命的某個階段，需獲取最近5次光伏發電板組件并網輸電完畢時的Vol、Amp和InBatTmp信息，需要確保這5次數據傳輸中按照嚴格時序排列輸送到監控中心。為此，本文從連續通信時候的時序管理，通信關聯、丟失重新恢復時的時序管理和設備停機重啟時的時序同步3個方面進行全面考慮設計，相關的通信機制以確保任何情況下都能夠進行嚴格時序同步，對于連續通信狀態，采用SqNum作為順序報告的標識，序列號沒有上限以實現連續通信的可靠控制；對于通信關聯丟失重新恢復時的時序管理，本文使用SqNum作為順序報告的標志，對光伏發電板組件的報告事件進行順序標記，并且在光伏發電板組件的報文中定義SqNum和TimeOfEntry兩個變量來指示報告順序的標志，以確保在該情況下通信的數據交互能夠遵循嚴格時序過程。對于設備停機重啟時的時序同步設計上，本文將BRCB行為狀態機置于重新同步狀態，在光伏發電板組件設備報文中定義了SetBRCBValues服務，通過該服務在運行的過程中將EntryID設置為BRCB發送的最后一個報告的EntryID，進而在RBCB上實現嚴格的時序同步處理。

3 結語

綜上所述，本文針對基于泛在電力物聯網構建的分布式光伏電站監控系統中的設備、網絡通信過程中的數據丟失和數據時序錯亂的通行問題，構建基于時間驅動報告和嚴格時序管理的通信事件追蹤機制，通過該機制在通信網絡中的應用，可以在兼容已有的電力設備通信標準的前提下實現更加可靠的網絡通信傳輸。

隨著我國國家電網全面推進泛在電力物聯網系統的建設和應用，光伏并網發電系統作為能源互聯網的重要組成部分，未來必將成為泛在電力物聯網系統重點改造和建設對象。