紀(jì)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(yùn)維效率，滿足客戶對(duì)光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議傳輸至云服務(wù)器，最后通過(guò)光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)可視化平臺(tái)及智能光伏App實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏電站的遠(yuǎn)程維護(hù)。目前，該系統(tǒng)已正式投入工程化應(yīng)用，對(duì)分布式光伏運(yùn)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(tái)；遠(yuǎn)程維護(hù)

中圖分類號(hào)：TP277? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0103-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)積極推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(guó)際上已經(jīng)位于前列，電力裝機(jī)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(jiàn)[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(diǎn)。這不僅會(huì)使光伏發(fā)電量得到有效提高，同時(shí)也降低了電力系統(tǒng)在輸送電過(guò)程中的損耗，在當(dāng)今越來(lái)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(shí)，也會(huì)給分布式光伏電站的維護(hù)帶來(lái)諸多的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如當(dāng)光伏電站在發(fā)電過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法快速定位故障點(diǎn)，從而消耗人力資源等。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為5G時(shí)代較為重要的先進(jìn)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(shì)，針對(duì)如何降低光伏電站的運(yùn)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(tái)?；谖锫?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(jì)，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(guò)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(guò)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(guò)MQTT服務(wù)器實(shí)時(shí)推送到應(yīng)用層前端進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，同時(shí)，服務(wù)端對(duì)需要被調(diào)用的歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析、存儲(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信組網(wǎng)主要包括遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信網(wǎng)

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)主要為了滿足監(jiān)控管理系統(tǒng)與無(wú)線通信模塊之間進(jìn)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(diǎn)。遠(yuǎn)程通信方式主要包括光纖、電力無(wú)線專網(wǎng)、無(wú)線公網(wǎng)等，本系統(tǒng)采用Wi-Fi通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線通信模塊與DSP之間進(jìn)行通信，其主要通信方式包括電力線載波、微功率無(wú)線、RS485通信等。本系統(tǒng)根據(jù)客戶需求采用RS485方式實(shí)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(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，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(tái)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(tái)側(cè)。EMQX代理服務(wù)器優(yōu)勢(shì)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(kuò)展能力較強(qiáng)。單臺(tái)的EMQX代理就能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 硬件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性價(jià)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(guò)零點(diǎn)及故障中斷輸入電路、DSP微處理器。電源電路負(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供TMS320F28335處理。經(jīng)處理分析后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(wú)線通信設(shè)計(jì)

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(guò)等級(jí)編碼的形式供TMS320F28335讀取，在采集線路與TMS320F28335之間還需要通過(guò)ADC采樣電路切換來(lái)決定通過(guò)哪一路進(jìn)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(jìn)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(guò)公網(wǎng)上傳至應(yīng)用層，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備端具有獨(dú)立的無(wú)線通信模塊，支持4G/Wi-Fi傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

3.1 設(shè)備端通信軟件設(shè)計(jì)

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

首先，需要對(duì)STM32芯片寄存器進(jìn)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(hào)，每隔60秒發(fā)送一次。模擬量經(jīng)過(guò)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(guò)RS485傳輸至Wi-Fi通信模塊。Wi-Fi模塊通過(guò)綁定服務(wù)器IP與端口號(hào)與MQTT服務(wù)代理建立連接。通信模塊需要與應(yīng)用平臺(tái)的MQTT模塊訂閱相關(guān)的主題進(jìn)行通信。

3.2 可視化平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)基于B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(tái)采用的是瀏覽器/服務(wù)器（B/S） 架構(gòu)。用戶須通過(guò)客戶端的瀏覽器登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)前端通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)后端服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)作為該系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)的中心。

可視化平臺(tái)集用戶管理、權(quán)限管理、站點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)逆變器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，便于相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析。

平臺(tái)前后端整體架構(gòu)如圖8所示。

平臺(tái)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(jìn)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(yè)面容器。根據(jù)不同需求，采用Axios向后端發(fā)送不同的請(qǐng)求，以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頁(yè)面展示功能。

前端與硬件設(shè)備交互采用MQTT協(xié)議，通過(guò)訂閱pub/PGSOL10KTL/#主題接收來(lái)自EMQX代理發(fā)過(guò)來(lái)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(guò)STORE模塊提交到Vuex共享狀態(tài)管理模塊。前端頁(yè)面再通過(guò)Vuex獲取數(shù)據(jù)及告警信息進(jìn)行展示。為了緩解前端數(shù)據(jù)壓力，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)清除緩存數(shù)據(jù)。

可視化平臺(tái)后端采用Egg企業(yè)級(jí)框架。Egg框架是在Koa架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次構(gòu)建，其內(nèi)置了多進(jìn)程管理機(jī)制以及便于開發(fā)者使用的插件，具有性能可靠穩(wěn)定、測(cè)試范圍廣等特性。本平臺(tái)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(duì)每一幀經(jīng)MQTT服務(wù)器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，并將供前端調(diào)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)

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

系統(tǒng)可視化平臺(tái)部署采用Jenkins自動(dòng)化遠(yuǎn)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(kù)采用MySQL5.5.40版本，EMQX采用企業(yè)級(jí)版本。移動(dòng)端App以package包的形式上傳到服務(wù)器，用戶可以通過(guò)平臺(tái)上的二維碼進(jìn)行掃碼下載。對(duì)于設(shè)備端程序部署，則是通過(guò)燒錄器將程序下載到開發(fā)板中啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)分布式光伏逆變器遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別。

4.2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

逆變器通信模塊將設(shè)備實(shí)時(shí)信息通過(guò)EMQX代理服務(wù)器上傳到可視化平臺(tái)的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備數(shù)據(jù)表中。用戶登錄到平臺(tái)首頁(yè)可看到不同站點(diǎn)不同設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò)點(diǎn)擊左側(cè)的臺(tái)站點(diǎn)列表中的下拉列表來(lái)切換不同站點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

4.2.2 告警故障識(shí)別

平臺(tái)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(shí)，平臺(tái)服務(wù)端需對(duì)故障信息進(jìn)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(shí)別具體的告警與故障信息。如圖10所示，相關(guān)人員通過(guò)系統(tǒng)的故障告警模塊查看對(duì)應(yīng)的故障信息。同時(shí)系統(tǒng)開通短信推送功能，運(yùn)維人員及用戶可第一時(shí)間掌握設(shè)備故障點(diǎn)及故障原因，以提高運(yùn)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(guò)訪問(wèn)可視化大屏可以查看所屬站點(diǎn)及設(shè)備的詳細(xì)信息，包括電站實(shí)時(shí)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(jì)曲線、告警故障信息、24小時(shí)歷史數(shù)據(jù)查看等。如圖12是系統(tǒng)工程化應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行開發(fā)。其主要包括電站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備列表、告警故障信息、個(gè)人中心等模塊，如圖所示為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)頁(yè)面。

5 結(jié)論語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(guò)可視化平臺(tái)與手機(jī)移動(dòng)App對(duì)光伏電站進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別。與傳統(tǒng)光伏電站運(yùn)維方式相比，具有節(jié)約人力資源、節(jié)省運(yùn)維成本以及數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，此方案的提出也為物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用提供一定的參考。

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