基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

紀顯奇 張文瀟 姚彬杰 李偉令 蔣成博 王紅慶

摘要：為提升傳統(tǒng)分布式光伏電站運維效率，滿足客戶對光伏電站遠程監(jiān)測的要求，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)。首先，利用DSP微處理器將采集到的運行參數(shù)信號進行處理，然后通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳輸至云服務(wù)器，最后通過光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)可視化平臺及智能光伏App實現(xiàn)對分布式光伏電站的遠程維護。目前，該系統(tǒng)已正式投入工程化應(yīng)用，對分布式光伏運維的智能化、數(shù)字化發(fā)展具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控管理系統(tǒng)；MQTT；可視化平臺；遠程維護

中圖分類號：TP277? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0103-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，我國積極推動能源生產(chǎn)和消費革命，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，能源行業(yè)在國際上已經(jīng)位于前列，電力裝機容量與發(fā)電量居世界第一，能源行業(yè)的發(fā)展成效顯而易見[1]，其中，光伏發(fā)電是現(xiàn)代能源體系的主要構(gòu)成之一[2]。

與同等規(guī)模的光伏電站相比，分布式光伏發(fā)電具有就近并網(wǎng)、就近使用等特點。這不僅會使光伏發(fā)電量得到有效提高，同時也降低了電力系統(tǒng)在輸送電過程中的損耗，在當(dāng)今越來越受到用戶的關(guān)注[3]。分布式光伏發(fā)電日益發(fā)展的同時，也會給分布式光伏電站的維護帶來諸多的問題與挑戰(zhàn)，如當(dāng)光伏電站在發(fā)電過程中發(fā)生故障時，無法快速定位故障點，從而消耗人力資源等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為5G時代較為重要的先進技術(shù)之一，其在各行各業(yè)中都有著極其重要的應(yīng)用[4]。結(jié)合其高效的資源利用、數(shù)據(jù)收集及最大限度地減少人力的技術(shù)優(yōu)勢，針對如何降低光伏電站的運維成本，提高相關(guān)工作人員效率，提升光伏電站的管理水平等問題，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對光伏電站運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的實時采集、存儲和遠程監(jiān)測。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)是光伏電站的核心系統(tǒng)之一，主要包括硬件系統(tǒng)與軟件平臺。基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，主要包括設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[5]。設(shè)備端（光伏逆變器）通過通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)以JSON字符串格式上傳至網(wǎng)絡(luò)層（云服務(wù)器）。云端服務(wù)器的MQTT服務(wù)通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議與 Web 服務(wù)端、前端分別建立連接，數(shù)據(jù)可以直接通過MQTT服務(wù)器實時推送到應(yīng)用層前端進行數(shù)據(jù)展示，同時，服務(wù)端對需要被調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)信息進行解析、存儲。

1.2 系統(tǒng)通信組網(wǎng)設(shè)計

系統(tǒng)通信組網(wǎng)主要包括遠程通信網(wǎng)與本地通信網(wǎng)，監(jiān)控管理系統(tǒng)通信組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 遠程通信網(wǎng)

遠程通信網(wǎng)主要為了滿足監(jiān)控管理系統(tǒng)與無線通信模塊之間進行通信，其具有數(shù)據(jù)量大、通訊范圍廣、雙向可靠通信的特點。遠程通信方式主要包括光纖、電力無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)等，本系統(tǒng)采用Wi-Fi通信技術(shù)實現(xiàn)遠程無線公網(wǎng)通信[6]。

1.2.2 本地通信網(wǎng)

本地通信網(wǎng)主要滿足無線通信模塊與DSP之間進行通信，其主要通信方式包括電力線載波、微功率無線、RS485通信等。本系統(tǒng)根據(jù)客戶需求采用RS485方式實現(xiàn)本地通信。

1.2.3 MQTT服務(wù)器

設(shè)備數(shù)據(jù)接入云端采用MQTT協(xié)議。該協(xié)議是在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，具有網(wǎng)絡(luò)占用開銷小、帶寬低、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用下的信息采集和工業(yè)控制[7]。

本系統(tǒng)服務(wù)端搭建EMQX服務(wù)器。EMQX平臺是基于Erlang/OTP開發(fā)的MQTT消息服務(wù)器，是開源社區(qū)中最流行的MQTT消息服務(wù)器[8]。EMQX更適用于平臺側(cè)。EMQX代理服務(wù)器優(yōu)勢在于具有高并發(fā)連接與高吞吐消息的服務(wù)能力，以及物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧支持的完整性，擴展能力較強。單臺的EMQX代理就能滿足本系統(tǒng)設(shè)計需求。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 硬件整體架構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性價比很高，具有非常高的控制性能，主頻為60MHZ，其供電方式為單電源供電。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源電路、Wi-Fi通信模塊、ADC調(diào)理電路、逆變器功率電路過零點及故障中斷輸入電路、DSP微處理器。電源電路負責(zé)為DSP微處理器和各模塊提供電壓，ADC調(diào)理電路等將模擬量輸入DSP處理器，DSP內(nèi)置的ADC模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供TMS320F28335處理。經(jīng)處理分析后的數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸至Wi-Fi通信模塊，完成基本數(shù)據(jù)的采集。

2.2 數(shù)據(jù)采集及無線通信設(shè)計

逆變器數(shù)據(jù)采集模塊包括ADC兩路采樣電路。采集的數(shù)據(jù)包括PV電壓電流、BUS電壓電流、GRID電壓電流、逆變器功率等。其中，逆變器功率通過等級編碼的形式供TMS320F28335讀取，在采集線路與TMS320F28335之間還需要通過ADC采樣電路切換來決定通過哪一路進行數(shù)據(jù)采集。由于采集模塊主DSP芯片引腳不足，使用TMS320F28035作為從DSP芯片。其與主DSP采用SPI通信方式進行通信，從DSP只有一路ADC采樣電路。除此之外，為了將采集到的數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)上傳至應(yīng)用層，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備端具有獨立的無線通信模塊，支持4G/Wi-Fi傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括設(shè)備端通信實現(xiàn)與應(yīng)用層平臺開發(fā)。

3.1 設(shè)備端通信軟件設(shè)計

設(shè)備端通信即本地通信組網(wǎng)的實現(xiàn)，主要實現(xiàn)流程如圖5所示。

首先，需要對STM32芯片寄存器進行初始化配置。系統(tǒng)初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區(qū)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化完成后，向ADC采樣電路發(fā)送信號，每隔60秒發(fā)送一次。模擬量經(jīng)過ADC采樣電路傳遞至DSP處理器處理，處理后的數(shù)據(jù)以JSON的格式通過RS485傳輸至Wi-Fi通信模塊。Wi-Fi模塊通過綁定服務(wù)器IP與端口號與MQTT服務(wù)代理建立連接。通信模塊需要與應(yīng)用平臺的MQTT模塊訂閱相關(guān)的主題進行通信。

3.2 可視化平臺軟件設(shè)計

平臺基于B/S 架構(gòu)設(shè)計，前端采用Vue框架[9]，后端采用Egg框架。

根據(jù)客戶要求，本可視化平臺采用的是瀏覽器/服務(wù)器（B/S） 架構(gòu)。用戶須通過客戶端的瀏覽器登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)前端通過HTTP協(xié)議訪問后端服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)平臺架構(gòu)的中心。

可視化平臺集用戶管理、權(quán)限管理、站點管理、設(shè)備管理、消息管理、數(shù)據(jù)大屏展示等功能模塊為一體，可實時監(jiān)測光伏電站逆變器發(fā)電量、發(fā)電功率等重要參數(shù)，并能對逆變器的歷史數(shù)據(jù)進行調(diào)取，便于相關(guān)技術(shù)人員進行分析。

平臺前后端整體架構(gòu)如圖8所示。

平臺前端技術(shù)棧主要包括Vue.js、Vue-Router、Vuex、axios、Element-UI、Echarts、iconfont等。前端采用Vue-Router和Vuex進行全局路由配置和全局狀態(tài)管理，使用自定義的組件作為頁面容器。根據(jù)不同需求，采用Axios向后端發(fā)送不同的請求，以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并實現(xiàn)相應(yīng)頁面展示功能。

前端與硬件設(shè)備交互采用MQTT協(xié)議，通過訂閱pub/PGSOL10KTL/#主題接收來自EMQX代理發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息。JSON格式的信息體按照字段定義解析后，通過STORE模塊提交到Vuex共享狀態(tài)管理模塊。前端頁面再通過Vuex獲取數(shù)據(jù)及告警信息進行展示。為了緩解前端數(shù)據(jù)壓力，通過定時器定時清除緩存數(shù)據(jù)。

可視化平臺后端采用Egg企業(yè)級框架。Egg框架是在Koa架構(gòu)的基礎(chǔ)上進行的二次構(gòu)建，其內(nèi)置了多進程管理機制以及便于開發(fā)者使用的插件，具有性能可靠穩(wěn)定、測試范圍廣等特性。本平臺后端采用的技術(shù)棧主要包括RESTful、MySQL、mqtt.js、model、controller等。后端依次對每一幀經(jīng)MQTT服務(wù)器傳輸過來的數(shù)據(jù)進行過濾，并將供前端調(diào)用的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)部署與工程應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)部署方案設(shè)計

系統(tǒng)部署主要包括可視化平臺部署以及設(shè)備端軟件程序燒錄。

系統(tǒng)可視化平臺部署采用Jenkins自動化遠程部署方案[10]。服務(wù)器配置為騰訊云企業(yè)服務(wù)器，系統(tǒng)版本為Ubuntu 18.04，數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.5.40版本，EMQX采用企業(yè)級版本。移動端App以package包的形式上傳到服務(wù)器，用戶可以通過平臺上的二維碼進行掃碼下載。對于設(shè)備端程序部署，則是通過燒錄器將程序下載到開發(fā)板中啟動即可。

4.2 工程應(yīng)用

目前，系統(tǒng)已支撐分布式光伏工程化應(yīng)用建設(shè)，首批工程系統(tǒng)接入了10kW光伏逆變器，實現(xiàn)了對分布式光伏逆變器遠程在線監(jiān)測與故障識別。

4.2.1 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

逆變器通信模塊將設(shè)備實時信息通過EMQX代理服務(wù)器上傳到可視化平臺的MySQL數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備數(shù)據(jù)表中。用戶登錄到平臺首頁可看到不同站點不同設(shè)備的實時數(shù)據(jù)。用戶可通過點擊左側(cè)的臺站點列表中的下拉列表來切換不同站點的實時運行狀態(tài)。

4.2.2 告警故障識別

平臺告警模塊主要基于直接從設(shè)備端通信模塊接收告警信息觸發(fā)告警，當(dāng)設(shè)備端發(fā)生故障時，平臺服務(wù)端需對故障信息進行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)JSON體中的告警定位碼與故障定位碼識別具體的告警與故障信息。如圖10所示，相關(guān)人員通過系統(tǒng)的故障告警模塊查看對應(yīng)的故障信息。同時系統(tǒng)開通短信推送功能，運維人員及用戶可第一時間掌握設(shè)備故障點及故障原因，以提高運維檢修工作效率。

4.2.3 可視化大屏

可視化大屏采用Vue+echarts技術(shù)開發(fā)，用戶通過訪問可視化大屏可以查看所屬站點及設(shè)備的詳細信息，包括電站實時累積發(fā)電量、二氧化碳減排量、設(shè)備總覽、發(fā)電量分布，發(fā)電量統(tǒng)計曲線、告警故障信息、24小時歷史數(shù)據(jù)查看等。如圖12是系統(tǒng)工程化應(yīng)用場景。

4.2.4 智能光伏App

分布式光伏監(jiān)控App是分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)可視化終端的一部分，采用uniapp框架進行開發(fā)。其主要包括電站數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備列表、告警故障信息、個人中心等模塊，如圖所示為數(shù)據(jù)統(tǒng)計頁面。

5 結(jié)論語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可視化平臺與手機移動App對光伏電站進行遠程在線監(jiān)測與故障識別。與傳統(tǒng)光伏電站運維方式相比，具有節(jié)約人力資源、節(jié)省運維成本以及數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)勢。同時，此方案的提出也為物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)自動化中的廣泛應(yīng)用提供一定的參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】