基于云-边协同架构的分布式光伏监控系统设计与多源数据融合研究

0引言

近年来，我国积极推动能源生产和消费革命，努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，能源行业在国际上已经位于前列，电力装机容量与发电量居世*第*，能源行业的发展成效显而易见，其中，光伏发电是现代能源体系的主要构成之一。

与同等规模的光伏电站相比，分布式光伏发电具有就近并网、就近使用等特点。这不仅会使光伏发电量得到有效提高，同时也降低了电力系统在输送电过程中的损耗，在当今越来越受到用户的关注。分布式光伏发电日益发展的同时，也会给分布式光伏电站的维护带来诸多的问题与挑战，如当光伏电站在发电过程中发生故障时，无法快速定位故障点，从而消耗人力资源等。

物联网技术作为5G时代较为重要的先进技术之一，其在各行各业中都有着极其重要的应用。结合其高效的资源利用、数据收集及*大限度地减少人力的技术优势，针对如何降低光伏电站的运维成本，提高相关工作人员效率，提升光伏电站的管理水平等问题，设计了一种基于物联网技术的分布式光伏电站远程监控管理系统。通过该系统可以实现对光伏电站运行参数、环境参数等数据的实时采集、存储和远程监测。

1系统架构

1.1系统整体架构设计

光伏监控管理系统是光伏电站的核心系统之一，主要包括硬件系统与软件平台。基于物联网的光伏监控管理系统的整体架构如图1所示。

图1光伏监控管理系统架构

该系统基于物联网架构设计，主要包括设备感知层、网络层、应用层。设备端（光伏逆变器）通过通信模块将采集到的数据以JSON字符串格式上传至网络层（云服务器）。云端服务器的MQTT服务通过物联网MQTT协议与Web服务端、前端分别建立连接，数据可以直接通过MQTT服务器实时推送到应用层前端进行数据展示，同时，服务端对需要被调用的历史数据信息进行解析、存储。

1.2系统通信组网设计

系统通信组网主要包括远程通信网与本地通信网，监控管理系统通信组网架构如图2所示。

图2系统通信组网结构

1.2.1远程通信网

远程通信网主要为了满足监控管理系统与无线通信模块之间进行通信，其具有数据量大、通讯范围广、双向可靠通信的特点。远程通信方式主要包括光纤、电力无线专网、无线公网等，本系统采用Wi-Fi通信技术实现远程无线公网通信。

1.2.2本地通信网

本地通信网主要满足无线通信模块与DSP之间进行通信，其主要通信方式包括电力线载波、微功率无线、RS485通信等。本系统根据客户需求采用RS485方式实现本地通信。

1.2.3MQTT服务器

设备数据接入云端采用MQTT协议。该协议是在TCP/IP协议的基础上构建的，具有网络占用开销小、带宽低、易于实现等优势，非常适合于物联网应用下的信息采集和工业控制。

图3MQTT消息队列发送机制

本系统服务端搭建EMQX服务器。EMQX平台是基于Erlang/OTP开发的MQTT消息服务器，是开源社区中*流行的MQTT消息服务器。EMQX更适用于平台侧。EMQX代理服务器优势在于具有高并发连接与高吞吐消息的服务能力，以及物联网协议栈支持的完整性，扩展能力较强。单台的EMQX代理就能满足本系统设计需求。

2系统硬件架构

2.1硬件整体架构设计

监控管理系统硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性价比很高，具有非常高的控制性能，主频为60MHZ，其供电方式为单电源供电。

图4光伏监控系统硬件整体结构

系统的硬件结构主要包括电源电路、Wi-Fi通信模块、ADC调理电路、逆变器功率电路过零点及故障中断输入电路、DSP微处理器。电源电路负责为DSP微处理器和各模块提供电压，ADC调理电路等将模拟量输入DSP处理器，DSP内置的ADC模块将模拟信号转换为数字信号，供TMS320F28335处理。经处理分析后的数据通过串口通信传输至Wi-Fi通信模块，完成基本数据的采集。

2.2数据采集及无线通信设计

逆变器数据采集模块包括ADC两路采样电路。采集的数据包括PV电压电流、BUS电压电流、GRID电压电流、逆变器功率等。其中，逆变器功率通过等级编码的形式供TMS320F28335读取，在采集线路与TMS320F28335之间还需要通过ADC采样电路切换来决定通过哪一路进行数据采集。由于采集模块主DSP芯片引脚不足，使用TMS320F28035作为从DSP芯片。其与主DSP采用SPI通信方式进行通信，从DSP只有一路ADC采样电路。除此之外，为了将采集到的数据通过公网上传至应用层，监控系统设备端具有独立的无线通信模块，支持4G/Wi-Fi传输。

3系统软件设计

系统软件架构主要包括设备端通信实现与应用层平台开发。

3.1设备端通信软件设计

设备端通信即本地通信组网的实现，主要实现流程如图5所示。

图5设备端通信实现流程

首先，需要对STM32芯片寄存器进行初始化配置。系统初始化主要包括外围硬件电路初始化、中断初始化和清除缓存区数据。系统初始化完成后，向ADC采样电路发送信号，每隔60秒发送一次。模拟量经过ADC采样电路传递至DSP处理器处理，处理后的数据以JSON的格式通过RS485传输至Wi-Fi通信模块。Wi-Fi模块通过绑定服务器IP与端口号与MQTT服务代理建立连接。通信模块需要与应用平台的MQTT模块订阅相关的主题进行通信。

3.2可视化平台软件设计

平台基于B/S架构设计，前端采用Vue框架，后端采用Egg框架。

图6可视化平台架构

根据客户要求，本可视化平台采用的是浏览器/服务器(B/S)架构。用户须通过客户端的浏览器登录系统，系统前端通过HTTP协议访问后端服务器与数据库，数据库作为该系统平台架构的中心。

图7可视化平台功能模块划分

可视化平台集用户管理、权限管理、站点管理、设备管理、消息管理、数据大屏展示等功能模块为一体，可实时监测光伏电站逆变器发电量、发电功率等重要参数，并能对逆变器的历史数据进行调取，便于相关技术人员进行分析。

平台前后端整体架构如图8所示。

图8平台软件架构设计

平台前端技术栈主要包括Vue.js、Vue-Router、Vuex、axios、Element-UI、Echarts、iconfont等。前端采用Vue-Router和Vuex进行全局路由配置和全局状态管理，使用自定义的组件作为页面容器。根据不同需求，采用Axios向后端发送不同的请求，以获取相应数据并实现相应页面展示功能。

前端与硬件设备交互采用MQTT协议，通过订阅pub/PGSOL10KTL/#主题接收来自EMQX代理发过来的数据信息。JSON格式的信息体按照字段定义解析后，通过STORE模块提交到Vuex共享状态管理模块。

前端页面再通过Vuex获取数据及告警信息进行展示。为了缓解前端数据压力，通过定时器定时清除缓存数据。

可视化平台后端采用Egg企业级框架。Egg框架是在Koa架构的基础上进行的二次构建，其内置了多进程管理机制以及便于开发者使用的插件，具有性能可靠稳定、测试范围广等特性。本平台后端采用的技术栈主要包括RESTful、MySQL、mqtt.js、model、control⁃ler等。后端依次对每一帧经MQTT服务器传输过来的数据进行过滤，并将供前端调用的数据存储在数据库中。

4系统设计方案

安科瑞电光伏电站监控软件采用Acrel-2000Z，是安科瑞电气股份有限公司总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计针对用户配电系统和光伏电站的实时监控系统。

4.1软件运行环境配置

服务器上安装Windows7操作系统。

4.2光伏电站电力监控软件架构

软件采用C/S架构，实时采集光伏电站电流、电压、日/月/年/累计发电量和气象数据。

4.3光伏电站电力监控软件功能

对光伏电站的整体信息进行监控，采用图形和数据的形式实时动态地展现电站概况、电站实时发电及发电统计信息。包括电站概括、环境参数、实时信息、发电量统计及发电量信息

通过主界面可以对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示，如室外温度值、风速、风向、光照强度等。

a）通过对电站内一次及二次配电网络状态的监控，了解电站内各电气设备的运行情况及状态，并对电站的并网状态、有/无功功率流向情况等进行实时监控。

b）光伏组件分布监控

能够根据微逆变反应的数据显示各组太阳能电池板的工作状态（是否正常发电），根据组串式逆变器显示各光伏组串输出功率，分别计量两种两种逆变方式的发电量日发电量、日发电量曲线、月发电量柱状图、年发电量柱状图等，并对这两种方式发电量进行对比。

c）逆变器监控

组串式逆变器主要监测指标包括：

直流电压、直流电流、直流功率

交流电压、交流电流

逆变器内温度、时钟

频率、功率因数、当前发电功率

日发电量、累积发电量、累积CO2减排量

电网电压过高、电网电压过低

电网频率过高、电网频率过低

直流电压过高、直流电压过低

逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路

散热器过热

逆变器孤岛

DSP故障、通讯故障等。

监控系统可绘制显示逆变器电压—时间曲线、功率—时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示各逆变器日发电量等电参量；

d）交流汇流箱监控

交流汇流箱主要监测指标包括：

光伏组串输出直流电压、输出直流电流、输出直流功率

各路输入总发电功率、总发电量

汇流箱输出电流、汇流箱输出电压、汇流箱输出功率

电流监测允差报警

传输电缆/短路故障告警

空气开关状态、故障信息等

e）交流配电柜监控

交流配电柜主要监测指标包括：

光伏发电总输出有功功率、无功功率

功率因数、电压、电流

断路器故障信息、防雷器状态信息等

f）并网柜监控

通过对并网柜的监控，计量上网电量、内部用电量、电能质量、光伏发电系统有功和无功输出、发电量、功率因数、并网点的电压和频率、注入系统的电等参数，计算碳减排量，并折算成标准煤，计算发电收益。

g）环境参数监控

环境参数主要监测指标包括：

日照辐射

风速、风向

环境温度

太阳能电池板温度等

对比实际微逆或几种微逆输出指导电池板需要清洗等信息。

h）历史数据管理

监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通讯采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警值进行更改设置；

i）日发电趋势分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，可以反映出每天24小时内光伏发电量与该日日照强度，环境温度，风速等的波动情况。

j）故障报警

当电池板长时间输出功率偏低进行故障指示，建议运维人员前往现场检查是否有故障发生等；另外对于并网柜部分的主断路器分合闸状态进行监视，当出现开关变位及时报警，提醒运维人员。

启动锅炉房、尿素车间、化学水及工业废水处理车间屋顶分布式光伏展示图如图3所示。

观展平台分布式光伏展示图如图4所示。

图3启动锅炉房、尿素车间、化学水及工业废水处理车间屋顶分布式光伏展示图

图4观展平台分布式光伏展示图

5结论语

本文设计了一种基于物联网架构的分布式光伏监控管理系统。该系统通过可视化平台与手机移动App对光伏电站进行远程在线监测与故障识别。与传统光伏电站运维方式相比，具有节约人力资源、节省运维成本以及数据传输安全可靠等优势。同时，此方案的提出也为物联网在配电网自动化中的广泛应用提供一定的参考。

参考文献

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