安科瑞 陳聰

摘要：隨著分布式光伏電站的迅猛發(fā)展，其在日常運維中遇到了諸多挑戰(zhàn)。為有效應對分布式光伏電站運維中的難題，在概述物聯(lián)網技術的基礎上，分析基于物聯(lián)網技術的分布式光伏電站智能運維系統(tǒng)模塊構建，包括異常監(jiān)測與告警、故障預警與預防、遠程監(jiān)控與管理，并通過實際案例分析系統(tǒng)應用成效，以期為分布式光伏電站的智能運維提供參考。

關鍵詞：分布式光伏電站；智能運維；故障診斷和預警

0引言

隨著能源需求不斷增長和環(huán)境保護的呼聲日益高漲，分布式光伏電站作為可再生能源的重要應用形式迅速發(fā)展。然而，與集中式光伏電站相比，分布式光伏電站的運維管理面臨著一系列挑戰(zhàn)，包括設備故障檢測、資源優(yōu)化利用和成本控制等。為解決這些問題，并提高分布式光伏電站的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，物聯(lián)網技術被引入分布式光伏電站的運維管理中。然而，現(xiàn)階段物聯(lián)網技術僅對設備進行狀態(tài)監(jiān)測，并沒有融合數(shù)據(jù)分析技術對設備進行智能診斷。

本文通過數(shù)據(jù)分析技術和智能算法，建立一套基于物聯(lián)網技術的分布式光伏電站智能運維系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行故障診斷和預警，提供運維決策和交互界面，使分布式光伏電站的運維管理更加智能和*效。目前，該系統(tǒng)已在多個電站成功應用，取得了顯著成效。

1物聯(lián)網技術概述

物聯(lián)網技術是指通過將各種物理設備（如傳感器、執(zhí)行器和智能設備）與互聯(lián)網連接起來，實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)互通和智能化交互。物聯(lián)網技術的核心思想是將具有*一標識符的物品通過網絡進行連接、交互和管理，從而實現(xiàn)對物品的實時監(jiān)測、遠程控制、數(shù)據(jù)采集和分析。物聯(lián)網技術的內涵包括以下5個方面：①感知與識別。通過傳感器和識別設備實時獲取和感知物品或環(huán)境的信息，如溫度、濕度、位置等。②通信與互聯(lián)。利用無線通信技術和網絡協(xié)議，實現(xiàn)物品之間的互聯(lián)互通，以及與云平臺或其他終端設備的數(shù)據(jù)傳輸和交互。③數(shù)據(jù)采集與處理。采集物品數(shù)據(jù)并進行整合和處理，提取有用的信息，并進行存儲和分析。④智能決策與控制。基于數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，實現(xiàn)對物品的智能決策與控制，使其能夠根據(jù)環(huán)境變化和需求做出響應和調整。⑤應用與服務。將物聯(lián)網技術應用于各個領域，如智能家居、智慧城市、工業(yè)自動化等，提供各種智能化的應用和服務。

2基于物聯(lián)網技術的分布式光伏電站智能運維系統(tǒng)模塊構建

2.1異常監(jiān)測與告警

分布式光伏電站由于地理位置多變、電網波動較大、整體運維能力較弱等原因，頻繁出現(xiàn)設備停機、低效運行、散熱異常等問題。智能運維系統(tǒng)通過物聯(lián)網技術實時監(jiān)測設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用多維數(shù)據(jù)融合提取異常特征，并結合機器學習或自適應動態(tài)模型規(guī)則引擎，對光伏電站設備的異常運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷，*準*效定位故障設備，解耦一些深度耦合的場景，并精細化識別故障類型，有效指導實際運維。

以組串設備異常診斷為例，智能運維系統(tǒng)獲取設備物聯(lián)數(shù)據(jù)，如電流、氣象、地理位置、光資源等數(shù)據(jù)，如圖1所示，并利用多維數(shù)據(jù)融合提取設備運行特征，如圖2所示，進而建立異常定位模型，再通過故障分類模型，精細化識別故障類型。還可通過電站設備畫像進行低效模型反校驗，提高診斷準確性，基于機器學習或自適應動態(tài)模型規(guī)則引擎的異常診斷模型如圖3所示。

2.2故障預警與預防

通過對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進行分析，并利用機器學習算法進行故障預測，可以幫助光伏電站實現(xiàn)更加智能化的運維管理，圖4為基于參數(shù)優(yōu)化的支持向量機（SVM）狀態(tài)預警算法模型。通過分析設備的運行趨勢、參數(shù)變化等信息，智能運維系統(tǒng)可以識別和預測潛在的故障和問題。運維人員能夠根據(jù)這些預測結果，提前采取相應的預防措施，如定期維護、更換可能出現(xiàn)問題的部件，從而降低故障發(fā)生的風險。通過預防性維護，可以減少設備的停機次數(shù)、提高設備的可靠性，保證光伏電站穩(wěn)定運行。同時，預防性維護還能幫助運維人員更有效地安排工作計劃和資源，提高運維效率和降低成本。

2.3遠程監(jiān)控與管理

借助物聯(lián)網技術，運維人員可以遠程監(jiān)控光伏電站的各個設備和參數(shù)，隨時了解電站的運行情況，從而提高運維效率和反應速度。運維人員可以通過遠程管理界面實時查看各個設備的狀態(tài)、能源產量、溫度、電壓等關鍵參數(shù)，并與歷史數(shù)據(jù)進行對比分析，以快速發(fā)現(xiàn)異常和潛在問題。一旦出現(xiàn)異常，智能運維系統(tǒng)可通過短信、郵件或應用程序通知向運維人員推送報警信息，便于及時采取必要的措施。此外，利用遠程管理界面，運維人員可以進行遠程控制操作，如調節(jié)設備的輸出功率或重新啟動系統(tǒng)等，以解決一些簡單的問題，這大幅減少了運維人員的出勤次數(shù)，提高了運維效率，同時降低運維成本。通過物聯(lián)網技術，運維人員還可以進行更加智能化的工作計劃和排程管理。同時，遠程監(jiān)控還能支持團隊協(xié)作，運維人員可以共享監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警信息，進行實時協(xié)商和制定解決方案。

3系統(tǒng)應用與分析

某地區(qū)建設了一座分布式光伏電站，并應用了基于物聯(lián)網技術的智能運維系統(tǒng)，如圖5所示。為每個光伏發(fā)電系統(tǒng)配備了多個傳感器，用于環(huán)境參數(shù)監(jiān)測（如溫度、濕度、輻照度等）以及設備狀態(tài)檢測（如逆變器的工作溫度、輸電線路的電流等）。這些傳感器通過無線網絡與**控制服務器相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苓\維系統(tǒng)進行存儲和分析。通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，智能運維系統(tǒng)能夠對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)現(xiàn)潛在的故障和異常，同時還可以對發(fā)電設備的性能進行評估和預測。當系統(tǒng)檢測到故障或異常情況時，會自動發(fā)送報警信息給運維人員，并提供詳細的故障診斷結果和修復建議。運維人員可以遠程登錄系統(tǒng)，查看實時數(shù)據(jù)和故障詳情，遠程操作和控制設備。此外，智能運維系統(tǒng)還具備故障數(shù)據(jù)存檔和歷史記錄功能，運維人員可以通過系統(tǒng)界面查看設備的維護歷史和故障原因分析，為日后的維護工作提供參考。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產的**經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現(xiàn)用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統(tǒng)組網方式

5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統(tǒng)PCS參數(shù)設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設置界面

本界面用來展示對BMS的參數(shù)進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統(tǒng)PCS電網側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS電網側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS交流側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS直流側數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統(tǒng)信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數(shù)據(jù)等。

5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現(xiàn)預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、未來天氣預測數(shù)據(jù)，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統(tǒng)應可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據(jù)項目實際情況（如儲能柜數(shù)量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備*時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統(tǒng)電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數(shù)等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統(tǒng)計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數(shù)據(jù)情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數(shù)修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數(shù)據(jù)，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故前*個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數(shù)據(jù)。啟動事件和監(jiān)視的數(shù)據(jù)點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

6結束語

通過充分利用物聯(lián)網技術，可以提高光伏電站的整體效益、穩(wěn)定性和可持續(xù)性，降低維護成本和人力資源消耗。智能運維系統(tǒng)將推動光伏電站數(shù)字化轉型，為可再生能源行業(yè)的發(fā)展和能源轉型做出積極貢獻。隨著物聯(lián)網技術不斷進步和應用范圍擴大，相信分布式光伏電站智能運維系統(tǒng)將在未來取得更多突破和創(chuàng)新，為光伏電站的管理和運維提供更加*面、*效的解決方案。

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