物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用研究

付蓉

（蘭州石化職業技術大學，甘肅蘭州，730000）

隨著國家政策的持續支持與光伏產業的擴大發展，光伏發電系統已經進入到了競價、平價項目的發展階段，在這個階段大家共同關注的其中一個重要問題就是，如何實現“降本增效”。伴隨著光伏電站的落成和投產，在電站持續運行的整個生命周期中，“運維”就成為了光伏電站提升效率，獲取收益的主要來源。

1 傳統光伏電站運維

光伏電站運維主要指對光伏電站的各個環節進行預測和檢修，包括光伏陣列、匯流箱、逆變器、變壓器、電纜等多個部分。這每一個環節能否正常運行都會直接影響到光伏電站的效率或穩定性。

在我國，傳統的光伏電站運維系統可以追溯到2009年以前甚至更早。傳統光伏電站運維主要依靠運維人員值守和設備巡檢，運維效果的好壞不僅受限于天氣、地形等等自然因素的影響，也受限于運維人員的專業能力和作業水平。這種情況導致光伏電站存在出現排查故障時間長而發電受阻，如果遇到一些隱性設備故障，運維人員無法預先或及時得知還會導致事故進一步擴大等現象。這種運維方式不但效率低下，成本也較高，這顯然不符合現階段光伏產業所追求的“降本增效”要求。

為了解決傳統運維中存在的這些問題，光伏電站運維系統經歷了從早期“擦板子，除雜草”的粗放式管理模式到側重于管理的MIS管理系統，再到后來經逐步轉變得到側重于監測的遠程監控管理系統的轉變，在這樣的轉變中物聯網技術起到了至關重要的作用。

2 基于物聯網技術的光伏電站運維

物聯網技術是指將各類設備和系統中的傳感器與現有互聯網相互銜接的技術，在我國也被稱為“傳感網”，早于1999年便開始研究，技術水平處于世界前列，具有較大優勢。基于物聯網技術等其他技術的結合開發光伏電站智慧運維系統是現階段光伏企業正在研究的課題，并已有了一些應用案例。

物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用大概包括以下幾個方面：

（1）基于物聯網技術的光伏電站環境監測

鑒于我國光伏電站尤其是大型光伏電站多建立于偏遠地區，處于值守人員嚴重缺乏甚至無人值守的狀態。電站運營和管理人員很難得到持續和完整的環境數據來對光伏電站的整體運行進行調度與評估，會對光伏電站的效率產生一定影響。

光伏發電的光電轉化率一直以來都是光伏發電的核心技術問題，而光伏組件的轉化效率會受到溫度、濕度和光照強度等環境參數的影響，無法準確獲取全面的環境監測數據，更是嚴重影響了科研人員對于轉化效率的研究工作，制約了光伏技術的發展。

基于物聯網技術的光伏電站環境監測系統的出現改變了上述局面，它是一種利用Zig-Bee技術與物聯網技術相結合的光伏電站環境數據實時監測系統，可以多點采集光伏電站的溫度、濕度、光照強度等數據，并進行遠程實時監測。系統由遠程控制中心和無線傳感網絡兩大部分構成，整體結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網的光伏電站環境監測系統框圖

系統可以通過傳感節點采集光伏電站現場的溫度、濕度、光照強度和氣壓信息，將采集到的數據經過信號電路處理后，再通過Zig-Bee模塊將數據轉發給路由節點;路由節點的主要作用是轉發數據，進而實現遠距離通信。系統中傳感節點和路由節點的數量可根據電站運行和環境的需求靈活配置。網關節點主要負責網絡的建立和管理，負責把接收到的數據利用串口通信方式發送到數據監測平臺。監測平臺操作人員在監控室利用計算機或通過移動端遠程登錄數據監測平臺就可直接監測電站現場環境。

總體來說該系統可以及時的反應采集到的環境監測數據，還能通過終端設備登錄物聯網平臺遠程查看數據信息。系統安裝方便，組網靈活，功耗較低，可靠性高，穩定性強，能顯著提高光伏電站的運維效率。

（2）基于物聯網技術的無人機自動巡檢

現階段，光伏電站多建設在戈壁和山地地區，且規模較大，常規的人工巡檢早已不能滿足光伏電站的高效運維需要，基于物聯網技術的無人機自動巡檢應運而生。無人機通過搭載可見光成像相機和紅外線成像相機，再結合飛行不受地形限制、速度快、巡檢范圍廣的優勢，可提供高效的表面檢測，還能實現實時監測、分析、智能診斷等功能，是光伏電站運維智能化的得力幫手。

光伏電站巡檢工作對于無人機的載荷要求較低，但是對機動性和靈活性要求較高，故多選用小型的多旋翼無人機。在動力系統和主控制系統設計方面，采用常規配置即可實現，設計的重點通常為位姿控制的設計，在文獻《光伏電站智能運維無人機技術研究》中選用串級PID控制算法能夠實現較好的控制效果。無人機除了能夠應用在光伏電站運維工作中之外，還能夠勝任光伏電站場址勘測等任務。在運維過程中，無人機在工作過程中需要地面運維平臺的配合，完善的地面配套設施和軟件系統，可以幫助無人機更好的服務于光伏電站運維工作。

在無人機光伏系統自動巡檢中，地面運維平臺通過無人機拍攝電站中所有組件的紅外圖像，可以通過圖像分析技術找出電站中存在的故障。在無人機采集圖像的過程中，影響無人機自動巡檢效率的主要因素有無人機續航能力，紅外相機分辨率，高效的巡檢路徑。

上述提出的問題中，無人機的續航能力和相機分辨率都可以通過硬件升級來進行解決，而無人機巡檢路徑的規劃則是一個重要技術問題。在近些年的發展中，已經逐漸擺脫了手動規劃的局面，發展為自動規劃飛行路徑。合適的飛行路徑不僅可以節省無人機的飛行時間，同時可以減少轉彎、加減速等耗電量較高的動作，提高單次飛行巡檢量，減少飛行次數。

路徑是指的是無人機飛行過程中從起點到終點所有經過路徑點的集合，路徑規劃是按照時間、距離這些性能指標，分析和搜索出一個最合理的結果。因此，無人機光伏巡檢需要根據電站組串的布置，抽象得到路徑點，這些路徑點可以覆蓋全部待測目標，并找到一條連接全部路徑點的路線，并根據無人機飛行性能和轉彎特性，對路徑進行下一步分析和比較。

獲得了全部待測目標點后，則要將所有路徑點用一條線路連接在一起。常規的路徑規劃只考慮該線路有的長度，希望能取最短長度。但是在無人機實際飛行過程中，由于無人機的轉彎過程是一個加速-減速-再加速的過程，該過程比直線飛行更加消耗時間和電能。因此，規劃無人機巡檢路徑時，不能只考慮路線長度，需要兼顧考慮轉彎次數的多少及轉彎所消耗的時間。在不考慮無人機速度的情況下，無人機巡檢路徑規劃可以簡化為求解最短巡檢時間的問題。

運維平臺基于物聯網等技術，可以解決無人自動路徑最優規劃的問題，將無人機的起降、飛行和規劃路徑、躲避障礙功能進行集合，實現“一鍵巡檢”操作。為無人機配置可見光、紅外的雙光攝像頭，讓無人機在巡檢過程對光伏電站進行拍照、發送，再通過運維平臺中應用對照片進行實時處理，就可以實現熱斑、積塵、隱裂等等檢測項目，大大的節省了人力并提高了效率，無人機巡檢系統的結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網的無人機自動巡檢系統框圖

（3）基于物聯網技術的光伏電站運行數據實時監控

在光伏電站的運行過程中，可以依靠基于物聯網技術的運行數據實時監控系統來檢測孤島現象以及預防電網沖擊，這是保障光伏電站穩定運行的一項重要舉措。除此之外，該系統還能夠提高光伏電站遠程管理效率，降低遠程信息傳輸成本。

基于物聯網技術的運行數據實時監控系統，可以同時監控整個光伏電站內的設備運行狀態、電能質量、安全、消防等數據和信息，該系統可以分為四層，系統結構如圖3所示。

圖3 基于物聯網的光伏電站運行數據實時監控系統框圖

該系統通過各類變送器和傳感器來采集光伏電站運行的狀態信息，包括光伏組件、匯流箱、逆變器等設備運行數據，計量和保護裝置數據以及安全、消防設備信息。再通過有線或無線網絡傳輸的方式將采集到的信息和數據傳輸至本地監控中心并進行后續處理。

數據收集過程中適宜采用Zig-bee無線傳輸技術，對數據進行簡單處理后傳輸至本地控制中心，能提高傳輸速度和控制中心的處理效率。本地控制中心主要負責對收集到的數據進行處理、分析，這些工作主要由控制中心的軟件完成，該軟件可進行圖形、屬性數據的輸入、修改、查詢，自動生成單行表、聯系人表等圖表，并提供完整的維護功能，確保整個系統的穩定與安全。監控系統運行過程中利用相互獨立的傳感器來對電網設備和環境進行實時監控，收集系統所需的數據。監控系統中傳感器共有兩種運行模式：工作模式和睡眠模式。未接收到系統的數據采集指令時，傳感器處于睡眠工作模式，數據采集模塊處于低電流接收狀態；接收到系統發送的數據采集指令后，傳感器進入工作模式，開始采集數據并發出記錄指令。數據采集之后的下一步是資料處理階段，該階段是負責數據收集與數據處理的階段。系統處理器接收到各傳感器發送并被數字化處理過的信號后，對這些數據進行初步分析。這一階段的數據分析可以分為網絡數據分析和向量數據分析兩大類，網格數據分析是指對數據的疊加分析，統計分析，記錄分析，濾波分析，區域操作和擴展域操作。向量數據分析主要指圖像的邊界整合，多邊形重新分類，點線重疊，空間數據查詢等。系統中的信號都是經輸入設備數字化處理后轉變為數據，再發送至主機做進一步處理的。數字處理就是把掃描后的柵格數據轉換成點、線、面積、拓撲關系等形式，再利用向數據識別地圖，從而實現地圖的數字化。將處理后的數據存儲起來，并與預設的報警數據進行比較。當輸出的數據量超過設定值時，報警系統啟動報警裝置，并將報警信息發送到相關維修單位，緊急處理事故，消除安全隱患，數據分析的結果都通過輸出設備輸出到相關用戶。

該系統最終可以實現光伏電站運行監測、分析診斷、故障報警、統計報表、系統查詢、系統管理、設備管理的功能。通過互聯網可以將本地控制中心接收和處理過的信號發送至遠程控制中心。遠程控制中心借助于與本地控制中心的信息交互，就可以實現跨地域的個光伏電站集中監控、統一管理，接收到的信號和處理過的數據可以分門別類的進行保存，提供給技術人員和管理人員進行數據分析和比對。。

在光伏電站運維中引入上述系統，除了能夠助力當前光伏電站實現“降本增效”外，還可以實現多個光伏電站跨地域的統一運營，無論對于電站的運營者還是光伏產業本身，都能幫助其實現長遠發展。

3 物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用展望

相對于傳統光伏電站運維模式，基于物聯網技術的光伏電站運維系統無論是在提升效率還是在降低成本方面，都展示出了很強的優越性。物聯網技術目前已經日趨成熟，并且伴隨著硬件設備與通信技術的革新正在發生日新月異的變化，將物聯網技術應用于光伏電站運維系統中也必將使得光伏電站的運維工作效率進一步提升，進而使得光伏產業在未來的社會高質量發展浪潮中展示出更加耀眼的風采。