基于云邊的物聯技術在“分布式光伏運行服務”中的應用研究

茍藝 王培堯 冉胤林

(四川中電啟明星信息技術有限公司 四川成都 610000)

“工業互聯網”這一概念最早于2012 年由通用電氣（GE）提出，隨后工業互聯網聯盟（IIC）由美國五家行業巨頭聯手組建，著手大力推廣工業互聯網這一概念。為切實有效地推進和指導工業互聯網的建設，世界各國都制定了通用的、標準化的工業互聯網體系架構。德國2015 年推出工業4.0 參考架構（Reference Architectural Model Industrie 4.0，RAMI4.0）、美國2015 年推出工業互聯網參考架構（Industrial Internet Reference Architecture，IIRA）、日本2016 年推出日本產業價值鏈參考架構（Industrial Value Chain Reference Architecture，IVRA）。2016 年，我國成立了工業互聯網產業聯盟（Alliance of Industrial Internet，AII）；同年，AII發布工業互聯網體系架構1.0 版本；2020 年，AII 編制并發布2.0 版本的工業互聯網體系架構。工業互聯網除了需要智能設備和高新技術的應用與突破，更迫切需要跨行業、跨領域的技術標準體系與工業互聯網平臺架構，實現數據集成、互聯互通及互操作性。

新能源工業互聯網平臺，以能源生產商、設備廠商、運維企業等場景新能源服務為切入點，著力打造新能源服務多元化應用平臺，以全要素數據為核心實現新能源全產業鏈、全價值鏈的業務深度融合，打造新能源全產業鏈的共生共贏創新生態，建立“橫向協同、縱向貫通” “全環節、全貫通、全覆蓋、全生態、全場景”的新能源開放服務體系。實現“設備—廠商—電站—業主”之間的互聯互通，助力新能源場站實現智能化管理，服務智能制造、智能運維。為有效支撐新能源工業互聯網“分布式光伏運行服務”在建設過程中場站設備數據實時采集傳輸，接入便捷、傳輸安全、存儲靈活、處理專業、服務多元的業務需求。新能源工業互聯網采用了2.0 版本的工業互聯網體系架構[1]，架構圖如圖1所示。投入大量資源持續研究物聯網關鍵技術，進行技術迭代、研究物聯設備安全接入管理技術、優化新增功能、提升易用性；研究邊緣計算方案、完善電力和其他能源行業傳感器協議；研究全國產化硬件終端物。

圖1 新能源工業互聯網平臺的參考架構圖

1 分布式光伏運行服務業務需求分析

分布式光伏運行服務利用新能源工業互聯網基礎支撐，以基于云邊的物聯技術獲取的海量分布式光伏場站與設備的實時數據，針對分布式光伏電站的運行服務功能，滿足電網對新能源“可觀、可測”的管理要求，構建能滿足“設備—廠商—電站—業主—電網—政府”之間業務互聯互通的新能源工業互聯網服務平臺，提供分布式光伏運行支撐服務[2]。

1.1 全景展示

基于GIS 地圖服務與場站物聯設備信息，對區域內分布式光伏電站裝機情況、發電情況、出力情況、分布式光伏各發電集團情況、供區用戶負荷情況、天氣預警、設備接入情況、實時告警情況、通道情況等指標信息的全景展示，實現從宏觀到微觀，總部、網省、地市的三級穿透，輔助電網公司清晰把控經營區內分布式光伏發展情況。

1.2 運行狀態監測

1.2.1 區域集團層面

對區域內分布式新能源電站進行監測，通過對發電量、出力曲線、利用小時數等數據監測，根據監測結果，展示靜態信息、動態測量信息、統計信息、重要指標的曲線/柱狀圖等重要運行信息，直觀展示區域內各分布式新能源電站個數、發電量、出力特性、利用小時數等。

1.2.2 場站層面

對分布式新能源電站設備進行監測，通過物聯平臺獲取的實時數據，展示設備實時運行情況與環境數據，還有電壓、電流、溫度、輻照等數據。

1.3 故障分析處理

針對運行過程中設備故障，排查檢修等事件的需求，以歷史運行狀態庫、運維事件庫和解決方案庫為基礎，結合智能算法應用生成各類事件的分析處理方案；針對復雜事件，應給予專家庫的在線支持，為用戶提供便捷有效的解決方案，提升故障處理效率。

1.4 運行輔助決策

基于系統匯集的大量運行狀態、故障信息、氣象信息及設備參數等各項數據，通過模型算法、數據分析等應用，完成智能風險識別、場站運維評價、設備選型、設備壽命預測、運維方案建議、各期出力預測等功能建設，為用戶運營決策提供數據方案支撐，提升場站管理水平，提高場站運營收益。

2 基于云邊的物聯技術方案

為滿足新能源工業互聯網對分布式光伏電站并網點及以下設備數據標準、一致、及時、有效、準確等業務需求，構建含高性能硬件平臺邊緣物聯edgecore服務、消息組件訪問控制ACL方案、物聯及組件license方案、庚頓實時數據庫、邊緣側高級App、智能終端在內的一套物聯服務，即基于云邊的物聯技術，實現新能源工業互聯網數據的高效匯集和后續應用分析，并提供數據服務API接口供其他應用調用。基于云邊的物聯技術的路線如圖2所示[3]。

圖2 基于云邊的物聯技術路線圖

2.1 智能終端研發

國產化高性能智能終端研制基于國產全志核心板，采用全國產化技術，從硬件設計到操作系統和驅動修改，研制全新的智能終端產品，擁有相關知識產權和專利，獲得中國電科院的相關測試報告，可實現數據安全加密接入。硬件終端采用直流供電，電壓輸入范圍DC9～36 V，同時兼容DC12 V和DC24 V輸入。產品功耗小于等于10 VA，工作環境溫度范圍為-40～70 ℃，相對濕度為10%～100%。另外，其具備標準modbus、64597、64507、376.1、376.2 采集協議，支持載波和串口通信方式，協議實現不足，還需要根據業務擴展，實現CJT188協議、ModbusTcp采集協議，優化已有DLT64597協議服務化改造，快速實現定制化協議改造，提升邊緣計算接入能力。強化了對用電末端的信息感知、聚合與分析能力，支持配變監測、智能抄表、負荷管理、無功補償、三相不平衡治理。以信息融合與電力邊緣計算算法為支撐，實現智能化的動態分析與故障研判，可有效促進供用電服務能力的提升。

2.2 數據接入服務

根據新能源場站并網管理要求的差異，分為并網非統調類場站和并網統調類場站。通過新能源場站的現場調研、并網管理辦法要求，針對兩種類型的電站制訂了不同的數據接入方案，具體見圖3、圖4。

圖3 并網非統調類場站接入方案

圖4 并網統調類場站接入方案

2.3 數據存儲處理服務

依據數據特征進行針對性設計，研究TDengine 開源時序數庫技術，保證在長期運行過程中依然保持非常高的實時響應性，同時以時間維度對歷史數據建立時間分片，利用高效的索引技術，保障海量歷史數據查詢時的快速響應[4]。

通過對接入系統的分布式光伏電站數據進行清洗、轉換、準確性驗證、完整性驗證、及時性驗證等基礎處理，保證數據質量滿足要求，供各項業務使用。

2.4 數據接口應用

以接口服務的方式對外提供數據應用服務。通過三元組信息重新封裝開發實現一套接口，后端接口依然采用golang 語言開發，三元組信息可從平臺界面獲取，通過三元組來調用產品和設備模塊功能，只提供與上層應用有交互的接口業務，減少接口數量，提高接口質量。

3 基于云邊的物聯技術在分布式光伏運行服務中的應用分析

“分布式光伏運行服務”對場站及設備數據的時效性和準確性有著極高的要求，需要數據高質量地實時獲取。基于云邊的物聯技術在新能源工業互聯網中的應用，結合分布式光伏運行服務的實際業務需求，完成了基于云邊的物聯技術的分布式光伏運行服務建設。

本文主要從實時數據展示、運行輔助決策、線上運維3個方面，圍繞“分布式光伏運行服務”業務的4個需求，探討基于云邊的物聯技術在新能源工業互聯網中的應用前景。

3.1 數據全景展示

現有分布式電站由于規模較小、地理位置分散、設備數量多、差異性大、專業運維人員相對稀缺等原因，傳統的SCADA 系統在提供運行服務時，多為本地部署，需要在本地配置運維人員實時監控設備運行情況，無法遠程監控。同時，對集團區域而言，由于場站分散數據未能有效互通，難以對場站進行全景管控。另外，本地部署SCADA系統的費用相對較高，大大限制了其推廣應用。綜上所述，本地部署SCADA的方式不滿足為分布式光伏場站業務服務的需求。

運行狀態監測基于云邊的物聯技術，通過采用智能終端與數據接入服務接入分布式場站實時數據實現場站數據云端匯集，再通過數據存儲與處理服務與數據接口應用，為分布式光伏運行服務提供實時數據支持，實現分布式光伏場站與設備運行狀態進行秒級實時精準展示。

3.2 運行輔助決策

在管理與運維人員進行日常管理、運維工作時，依托物聯網數據服務接入的各項實時數據與積累的歷史運行數據，通過相關數字孿生計算模型對數據進行加工處理，針對場站的各項管理任務給予決策指導，包括但不限于清灰決策、設備參數評價、設備運行評價、設備故障預控等功能詳見圖5。

圖5 設備故障預控

3.3 線上運維服務

運維人員進行日常運維、檢修工作時，依托物聯與數據服務接入的各項實時數據與積累的歷史運行數據[5]，結合以往檢修運維記錄，設備運維手冊等資料，基于知識圖譜匹配高效的分布式光伏運維方案[6]，同時提供基于強化學習的分布式光伏運維資源動態調度服務，詳見圖6。針對疑難問題，可提供專家線上咨詢運維服務，大大提高了運維的效率，詳見圖7。

圖6 運行曲線庫

圖7 專家線上咨詢

4 結語

本文分析了分布式光伏運行服務的業務需求與基于云邊的物聯技術的相對優勢，實現了分布式光伏服務的應用建設與數據支持。依托數據采集終端，將逆變器、升壓站等設備的電流、電壓和環境數據匯集，全景掌控場站與設備運行情況及區域級運營狀態，同時作為數據基座打下基礎，為后續的工業互聯網建設與生態拓展打下堅實的基礎，實現“設備—廠商—電站—業主”之間的互聯互通，促進新能源全業務鏈條海量數據匯集和價值共享，服務智能制造、智能運維，促進新能源數據服務生態圈建設。