浅谈基于物联网技术的分布式光伏电站智能运维系统
2024-10-29 10:59:18 来源：acrel2024
摘要：随着分布式光伏电站的迅猛发展，其在日常运维中遇到了诸多挑战。为有效应对分布式光伏电站运维中的难题，在概述物联网技术的基础上，分析基于物联网技术的分布式光伏电站智能运维系统模块构建，包括异常监测与告警、故障预警与预防、远程监控与管理，并通过实际案例分析系统应用成效，以期为分布式光伏电站的智能运维提供参考。
关键词：分布式光伏电站；智能运维；故障诊断和预警
0引言
随着能源需求不断增长和环境保护的呼声日益高涨，分布式光伏电站作为可再生能源的重要应用形式迅速发展。然而，与集中式光伏电站相比，分布式光伏电站的运维管理面临着一系列挑战，包括设备故障检测、资源优化利用和成本控制等。为解决这些问题，并提高分布式光伏电站的发电效率和稳定性，物联网技术被引入分布式光伏电站的运维管理中。然而，现阶段物联网技术仅对设备进行状态监测，并没有融合数据分析技术对设备进行智能诊断。
本文通过数据分析技术和智能算法，建立一套基于物联网技术的分布式光伏电站智能运维系统，该系统可以进行故障诊断和预警，提供运维决策和交互界面，使分布式光伏电站的运维管理更加智能和高效。目前，该系统已在多个电站成功应用，取得了显著成效。
1物联网技术概述
物联网技术是指通过将各种物理设备（如传感器、执行器和智能设备）与互联网连接起来，实现设备之间的互联互通和智能化交互。物联网技术的核心思想是将具有唯一标识符的物品通过网络进行连接、交互和管理，从而实现对物品的实时监测、远程控制、数据采集和分析。物联网技术的内涵包括以下5个方面：①感知与识别。通过传感器和识别设备实时获取和感知物品或环境的信息，如温度、湿度、位置等。②通信与互联。利用无线通信技术和网络协议，实现物品之间的互联互通，以及与云平台或其他终端设备的数据传输和交互。③数据采集与处理。采集物品数据并进行整合和处理，提取有用的信息，并进行存储和分析。④智能决策与控制。基于数据分析和人工智能算法，实现对物品的智能决策与控制，使其能够根据环境变化和需求做出响应和调整。⑤应用与服务。将物联网技术应用于各个领域，如智能家居、智慧城市、工业自动化等，提供各种智能化的应用和服务。
2基于物联网技术的分布式光伏电站智能运维系统模块构建
2.1异常监测与告警
分布式光伏电站由于地理位置多变、电网波动较大、整体运维能力较弱等原因，频繁出现设备停机、低效运行、散热异常等问题。智能运维系统通过物联网技术实时监测设备状态数据，利用多维数据融合提取异常特征，并结合机器学习或自适应动态模型规则引擎，对光伏电站设备的异常运行状态进行监测和诊断，精准高效定位故障设备，解耦一些深度耦合的场景，并精细化识别故障类型，有效指导实际运维。
以组串设备异常诊断为例，智能运维系统获取设备物联数据，如电流、气象、地理位置、光资源等数据，如图1所示，并利用多维数据融合提取设备运行特征，如图2所示，进而建立异常定位模型，再通过故障分类模型，精细化识别故障类型。还可通过电站设备画像进行低效模型反校验，提高诊断准确性，基于机器学习或自适应动态模型规则引擎的异常诊断模型如图3所示。
2.2故障预警与预防
通过对历史数据和实时数据进行分析，并利用机器学习算法进行故障预测，可以帮助光伏电站实现更加智能化的运维管理，图4为基于参数优化的支持向量机（SVM）状态预警算法模型。通过分析设备的运行趋势、参数变化等信息，智能运维系统可以识别和预测潜在的故障和问题。运维人员能够根据这些预测结果，提前采取相应的预防措施，如定期维护、更换可能出现问题的部件，从而降低故障发生的风险。通过预防性维护，可以减少设备的停机次数、提高设备的可靠性，保证光伏电站稳定运行。同时，预防性维护还能帮助运维人员更有效地安排工作计划和资源，提高运维效率和降低成本。
2.3远程监控与管理
借助物联网技术，运维人员可以远程监控光伏电站的各个设备和参数，随时了解电站的运行情况，从而提高运维效率和反应速度。运维人员可以通过远程管理界面实时查看各个设备的状态、能源产量、温度、电压等关键参数，并与历史数据进行对比分析，以快速发现异常和潜在问题。一旦出现异常，智能运维系统可通过短信、邮件或应用程序通知向运维人员推送报警信息，便于及时采取必要的措施。此外，利用远程管理界面，运维人员可以进行远程控制操作，如调节设备的输出功率或重新启动系统等，以解决一些简单的问题，这大幅减少了运维人员的出勤次数，提高了运维效率，同时降低运维成本。通过物联网技术，运维人员还可以进行更加智能化的工作计划和排程管理。同时，远程监控还能支持团队协作，运维人员可以共享监控数据和报警信息，进行实时协商和制定解决方案。
3系统应用与分析
某地区建设了一座分布式光伏电站，并应用了基于物联网技术的智能运维系统，如图5所示。为每个光伏发电系统配备了多个传感器，用于环境参数监测（如温度、湿度、辐照度等）以及设备状态检测（如逆变器的工作温度、输电线路的电流等）。这些传感器通过无线网络与中央控制服务器相连，将数据传输到智能运维系统进行存储和分析。通过大数据分析和机器学习算法，智能运维系统能够对收集到的数据进行处理，发现潜在的故障和异常，同时还可以对发电设备的性能进行评估和预测。当系统检测到故障或异常情况时，会自动发送报警信息给运维人员，并提供详细的故障诊断结果和修复建议。运维人员可以远程登录系统，查看实时数据和故障详情，远程操作和控制设备。此外，智能运维系统还具备故障数据存档和历史记录功能，运维人员可以通过系统界面查看设备的维护历史和故障原因分析，为日后的维护工作提供参考。
4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统
4.1平台概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
4.2平台适用场合
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
4.3系统架构
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
图1典型微电网能量管理系统组网方式
5充电站微电网能量管理系统解决方案
5.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图1系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。
5.1.1光伏界面
图2光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
5.1.2储能界面
图3储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图4储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图5储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图6储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图7储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图8储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图10储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图11储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
5.1.3风电界面
图12风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
5.1.4充电站界面
图13充电站界面
本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。
5.1.5视频监控界面
图14微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
5.1.6发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图15光伏预测界面
5.1.7策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。
具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。
图16策略配置界面
5.1.8运行报表
应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。
图17运行报表
5.1.9实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图18实时告警
5.1.10历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
图19历史事件查询
5.1.11电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.<
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2.3远程监控与管理
4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统
图1典型微电网能量管理系统组网方式
图1系统主界面子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。
图2光伏系统界面本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
图3储能系统界面本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图4储能系统PCS参数设置界面本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图5储能系统BMS参数设置界面本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图6储能系统PCS电网侧数据界面本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图7储能系统PCS交流侧数据界面本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图8储能系统PCS直流侧数据界面本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS状态界面本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图10储能电池状态界面本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图11储能电池簇运行数据界面本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
图12风电系统界面本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
图13充电站界面本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。
图14微电网视频监控界面本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
图15光伏预测界面5.1.7策略配置
图16策略配置界面5.1.8运行报表
图17运行报表5.1.9实时报警
图18实时告警5.1.10历史事件查询
图19历史事件查询5.1.11电能质量监测
