张 羽

（上海宝钢节能环保技术有限公司，上海 201999）

2020年9月，我国向国际社会郑重宣布中国“碳达峰、碳中和”愿景。新能源作为“双碳”的重要组成，再次成为社会的焦点。“金太阳示范工程”在全社会播下了开发和利用新能源的种子。2018年，“531”政策的颁布将新能源发电正式推入无补贴“平价上网”的时代，加快了新能源市场化发展进程。“双碳”政策的颁布把新能源正式推向了发电行业的前台，逐渐成为未来电力供给的主力军。国家能源局官方数据显示[1]，2021年我国光伏新增装机容量为54.88 GW，其中分布式光伏为29.28 GW、光伏电站为25.60 GW。

分布式光伏相对集中式光伏（又称光伏电站）有几个明显特征：第一，即发即用，项目装机容量不大，单个并网点一般不超过6 MW；第二，以工商业建筑或家庭楼房屋顶作为依托，距地面有一定距离，安装和运维属于高空作业，有安全风险；第三，分布区域广，项目之间有明显的物理边界，单纯依靠人力管理无法及时发现故障和问题[2]。随着数量越来越多的分布式光伏电站的建成，光伏电站在其生命周期内的生产安全和运营质量成为项目各方（建设方、用电方、运营方）关注的核心问题。本文重点介绍如何利用互联网、物联网技术打造一个具有实时监控、故障诊断、性能评估以及安全运行功能的分布式光伏电站智能运营管理平台。

1 现状及目标

目前，尽管针对光伏电站监控系统出台了国家规范和标准，如《光伏发电站监控系统技术要求》[3]，但是对分布式电站的集中运营系统仍缺少统一的标准和规范。国内主流光伏电站建设方大多是根据自身经验定制，分布式电站的集中运营系统仍处于发展阶段。据行业调研，分布式光伏电站运营平台大致可以分3类。

组态软件商提供的平台。基于电力行业监控实施经验，以成熟的组态软件为基础拓展光伏发电的场景应用。平台有丰富的组态模块，侧重工业组态的展示，支持“拖拽”调用自由组合。客户需要购买服务器和数据库等硬件设备，远程采集数据汇总后统一存储在本地。

光伏设备商自研的平台。以国内龙头逆变器制造商为例，华为、阳光电源以及锦浪科技等都有支撑其核心设备应用的运营平台，以云服务为基础，聚焦逆变器的运行状态兼顾系统其他关键电气设备，适用装机规模小、数量不多的分布式电站和家庭用户电站的监控。电站数据存储在云端，运行数据客户无法本地存储。

云计算服务商提供的平台。以阿里云、华为云为例，是集基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平 台 即 服 务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）为一体的云平台。平台架构先进基础服务功能强大，用户无须软硬件设备投入。光伏电站业务功能和基于业务的数据分析模块需用户和平台服务提供方共同开发，在约定期限内可以快速查询运行数据，而不需要通过系统属地硬件存储。

2 设计与实现

分布式光伏电站运营平台不是光伏电站监控系统的功能复制和电站数量累加后的集中展示，而是基于数字化运营的思想，利用互联网、物联网和大数据等技术，建立的一个立足现场生产需要同时面向公司统一运营管理的“两维一体”化系统。平台以现场的生产安全为出发点，以人为本，重点关注与安全生产相关的设备状态和运行数据，发现安全问题第一时间报警，做到安全告警零遗漏。建立数据中台，实现对分散数据的集中管理，精准定位故障设备和异常光伏阵列，减少高空作业和上站排查时间，提高运维人员的现场检修效率和安全等级。动态监视关键设备的性能变化，探索故障预测和事前维护机制，引导生产管理从依靠“经验”判断向基于“数据”分析转变。通过电站发电效率/有效发电小时数、光伏阵列电流/功率、逆变器发电量/发电效率等关键运行指标分析，对电站和设备进行健康“体检”，动态调整人力资源分配和备品备件的供给，优化运维资源的配置方案。在“报警零延迟、上线找坐标、维修看提示、调整靠数据”整体指导思想下，切实提高分布式光伏电站的管理水平和生产业绩。

平台设计遵循以下基本原则。第一，先进性与前瞻性。系统设计要具有前瞻性、先进性、成熟性，符合当前信息化技术发展的方向，紧跟技术发展的潮流。第二，实用性原则。系统的应用模块设计应从业务出发，贴近用户，以保障数据处理的安全性和提高操作便利性为原则，以满足业务需求作为目的。第三，可靠性原则。系统设计从软件架构上要支持整体的可靠性，当任何单点数据节点发生故障，可以保证数据的完整性和系统运行的稳定性。第四，安全性原则。系统要为不同权限的用户提供不同的服务，防止超越权限操作现象的发生。系统分级分层授权，数据分级分层管理，保证信息的安全保密。第五，可扩展性原则。系统设计支持通过增加硬件对系统进行扩展，满足不断提高的性能要求。在系统软件结构上采用多层技术框架设计，支持系统的横向扩展和功能扩展。数据库和应用服务模块化设计，可为后续的功能预留接口。

2.1 平台的整体布局与系统架构

基于大数据架构，采用Java等基于大数据的主流组件进行开发，利用索引数据库ElasticSearch进行数据库设计、开发，同时支持全国产中央处理器（Central Processing Unit，CPU）如鲲鹏，也支持X86系列CPU。系统采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式。前后端分离的开发模式，后端采用SpringBoot架构，前端采用Vue技术。系统客户端浏览器采用Chrome主流浏览器。运营平台主要由光伏电站现场站控层和运营中心两部分组成。站控系统以现场运维生产为重点，把组成光伏系统的现场设备数据实时收集到本地，然后通过网络远程传送至运营中心服务器。运营中心服务器对电站的数据进行汇总、清洗、储存、分析、管理和展示，实现对所属光伏电站的集中状态监视和运行管理。平台支持用户通过浏览器或者手机端App登录访问。

运营平台分为设备层、数据层和应用层[4-5]。系统模块设计如图1所示。

设备层支持光伏发电单元中的设备，如逆变器、汇流箱、配电柜、测控装置、气象站、视频监控和辅助系统（如图像监控、火灾报警等设备），通过工业互联网或通信管理机对不同厂家、不同型号的设备进行统一的数据收集，参照《光伏发电站监控系统技术要求》完成现场站控层的组网，便于项目现场操作人员在电站投产后的运维使用需要。数据层主要功能模块包括数据采集、数据缓存、数据存储和数据服务。

数据采集模块通过网关采集光伏站控层数据，支持现场设备用于过程控制的对象链接与嵌入（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）和级联通信方式，通过无线公网专网（通用分组无线服务技术、码分多址、4G）将采集的数据传送给分布式光伏运营平台。本方案能最大程度匹配电站分布不集中的特点，不受电站地理位置的约束。

图1 运营平台系统模块设计

数据缓存模块有2个重要功能：一是作为数据入库缓冲池，可以保证数据传输量的稳定，降低平台服务器的负荷；二是作为数据入内网接口，通过Rest接口设置，为数据进入内网提供通道。现场数据通过数据缓存模块实现数据的流畅入库和安全入库。

数据存储模块采用ElasticSearch、Redis以及Kafka这3项技术。ElasticSearch是非关系数据库，主要用来存储数据。Redis是一个高性能的key-value数据库，主要用来存储和通知实时消息，读写速度非常快，采用单线程架构，避免了多线程的资源竞争问题。Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，主要用作数据的收集和分发，消息被持久化到本地磁盘，支持数据备份防止数据丢失。

数据服务模块主要完成各类数据的汇聚、清洗，并对外提供标准的数据服务，如大数据热度服务、大数据挖掘服务、大数据共享服务、代理转发服务及可视化服务。

2.2 应用与服务

应用与服务主要包括以下3个核心模块。

2.2.1 电站本地监控系统

电站本地监控系统主要包括以下几个子功能模块。

电站可视化监视主要呈现单个电站当日的实时功率、辐照强度、总发电量、日发电量、当前功率、当前辐照度以及二氧化碳减排等关键信息。运维人员能从系统上快速掌握电站的运营情况。

告警管理。提供告警总览、异常告警以及越限警示等信息，支持灵活的告警常规设置、颜色设置和声响提示，支持告警的批量选中、确认和清除操作，使得运维人员有针对性地获取告警信息。

电站数字化。按照电站竣工图（或设计图）完成光伏方阵和系统设备的接入，建立电站组态图，并定义和描述系统中的关键设备，确定电站设备布局。

资产配置数字化。设备资产编码与物理坐标、设备电气接线关系唯一对应，为告警快速定位奠定基础。

设备健康检查。监控系统周期性或手工发起对逆变器、汇流箱的健康检查，并可查看健康检查结果。

智能诊断。主动发现光伏组串、逆变器的故障和不良运行状态，通过实时扫描及时发现组串、逆变器性能低下问题，降低发电损失。

系统工具。对用户进行权限定义和分级管理。

2.2.2 运营管理系统

运营管理系统主要包括以下几个子功能模块。

运营监视。“一张图”展示所有电站的基本运行状况和关键信息，包括发电指标汇总、导航菜单及应用功能入口、告警事件以及派单跟踪。

安全管理。通过视频监控动态录播循环展示方式，对现场光伏组件、电气室以及人员活动进行实时监视，并对违章作业和异常事件进行报警提示。

告警管理。告警管理包括未处理告警、处理中的告警、已处理告警、告警定义以及告警查询，支持将未处理的告警转工作票或者转缺陷的处理。设置有告警推送，即自动配置告警向App推送规则。

值班管理。值班管理包括班组信息管理、交接班管理以及运行记录（支持手动添加当日值班期间的工作记录）。

资产管理。资产管理包括设备型号统计、设备信息管理、设备评估统计以及备品备件管理。

统计分析。统计分析包括负荷曲线、低效发电设备统计、低效发电方阵分析、组串离散率分析、班组运维统计以及发电效率分析报告等。

系统管理。系统管理包括日志管理、参数设置、电站信息维护以及文档管理等。

2.2.3 移动端App

移动端App主要包括运营App和运维App。运营App支持公司管理人员移动终端接入平台，了解电站的总体运行状况，包括当日和累计发电量、设备运行状态提示、节能减排以及故障处理响应度等。运维App为运维人员实时展示单一电站的运行状态数据，包括实际产出、电站详情、异常告警与在线诊断以及方阵阵列监视等关键信息，便于现场运维人员根据收到的异常告警信息进行准确的故障定位和检修。

3 结语

通过架构探索建成了一套基于互联网技术的分布式光伏电站智能运营平台，并在实际生产管理中发挥了一定价值，但是在以下几方面仍需要时间检验：一是运用大数据技术结合专家经验的数据挖掘，重点关注关键设备的性能劣化趋势，倡导预测性维护，提供运维效率；二是结合发电量预测的智能清洗方案，重点关注电站的发电能力，如何依靠数据分析制定清洗方案和清洗策略，实现投入产出的价值最大化；三是结合故障预测和性能评估，如何实现人力资源和备品备件的合理调配，实现资源配置最优。