胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：為了順應我國目前的光伏產業高質量發展形勢，在提升光伏發電系統運維效率的同時降低電站運營成本，將物聯網技術應用于光伏電站的運維過程中已是必然。本文首先通過分析傳統光伏電站運維的缺陷，強調了在改變傳統運維模式時應用物聯網技術的重要性，再整理出現有基于物聯網技術的運維工作方式，并對其工作內容、系統配置及核心技術問題進行闡述，最后對物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用前景進行展望。

關鍵詞：物聯網技術；分布式光伏電站；光伏運維平臺；監控系統

隨著國家政策的持續支持與光伏產業的擴大發展，光伏發電系統已經進入到了競價、平價項目的發展階段，在這個階段大家共同關注的其中一個重要問題就是，如何實現“降本增效"。伴隨著光伏電站的落成和投產，在電站持續運行的整個生命周期中，“運維"就成為了光伏電站提升效率，獲取收益的主要來源。

1、傳統光伏電站運維

光伏電站運維主要指對光伏電站的各個環節進行預測和檢修，包括光伏陣列、匯流箱、逆變器、變壓器、電纜等多個部分。這每一個環節能否正常運行都會直接影響到光伏電站的效率或穩定性。

在我國，傳統的光伏電站運維系統可以追溯到2009年以前甚至更早。傳統光伏電站運維主要依靠運維人員值守和設備巡檢，運維效果的好壞不僅受限于天氣、地形等等自然因素的影響，也受限于運維人員的專業能力和作業水平。這種情況導致光伏電站存在出現排查故障時間長而發電受阻，如果遇到一些隱性設備故障，運維人員無法預先或及時得知還會導致事故進一步擴大等現象。這種運維方式不但效率低下，成本也較高，這顯然不符合現階段光伏產業所追求的“降本增效"要求。

為了解決傳統運維中存在的這些問題，光伏電站運維系統經歷了從早期“擦板子，除雜草"的粗放式管理模式到側重于管理的MIS管理系統，再到后來經逐步轉變得到側重于監測的遠程監控管理系統的轉變，在這樣的轉變中物聯網技術起到了至關重要的作用。

2、基于物聯網技術的光伏電站運維

物聯網技術是指將各類設備和系統中的傳感器與現有互聯網相互銜接的技術，在我國也被稱為“傳感網"，早于1999年便開始研究，技術水平處于世界前列，具有較大優勢。基于物聯網技術等其他技術的結合開發光伏電站智慧運維系統是現階段光伏企業正在研究的課題，并已有了一些應用案例。物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用大概包括以下幾個方面：

（1）基于物聯網技術的光伏電站環境監測

鑒于我國光伏電站尤其是大型光伏電站多建立于偏遠地區，處于值守人員嚴重缺乏甚至無人值守的狀態。電站運營和管理人員很難得到持續和完整的環境數據來對光伏電站的整體運行進行調度與評估，會對光伏電站的效率產生一定影響。

光伏發電的光電轉化率一直以來都是光伏發電的核心技術問題，而光伏組件的轉化效率會受到溫度、濕度和光照強度等環境參數的影響，無法準確獲取全面的環境監測數據，更是嚴重影響了科研人員對于轉化效率的研究工作，制約了光伏技術的發展。

基于物聯網技術的光伏電站環境監測系統的出現改變了上述局面，它是一種利用Zig-Bee技術與物聯網技術相結合的光伏電站環境數據實時監測系統，可以多點采集光伏電站的溫度、濕度、光照強度等數據，并進行遠程實時監測。系統由遠程控制中心和無線傳感網絡兩大部分構成，整體結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網的光伏電站環境監測系統框圖

系統可以通過傳感節點采集光伏電站現場的溫度、濕度、光照強度和氣壓信息，將采集到的數據經過信號電路處理后，再通過Zig-Bee模塊將數據轉發給路由節點;路由節點的主要作用是轉發數據，進而實現遠距離通信。系統中傳感節點和路由節點的數量可根據電站運行和環境的需求靈活配置。網關節點主要負責網絡的建立和管理，負責把接收到的數據利用串口通信方式發送到數據監測平臺。監測平臺操作人員在監控室利用計算機或通過移動端遠程登錄數據監測平臺就可直接監測電站現場環境。

總體來說該系統可以及時的反應采集到的環境監測數據，還能通過終端設備登錄物聯網平臺遠程查看數據信息。系統安裝方便，組網靈活，功耗較低，可靠性高，穩定性強，能顯著提高光伏電站的運維效率。

（2）基于物聯網技術的無人機自動巡檢

現階段，光伏電站多建設在戈壁和山地地區，且規模較大，常規的人工巡檢早已不能滿足光伏電站的高效運維需要，基于物聯網技術的無人機自動巡檢應運而生。無人機通過搭載可見光成像相機和紅外線成像相機，再結合飛行不受地形限制、速度快、巡檢范圍廣的優勢，可提供高效的表面檢測，還能實現實時監測、分析、智能診斷等功能，是光伏電站運維智能化的得力幫手。

光伏電站巡檢工作對于無人機的載荷要求較低，但是對機動性和靈活性要求較高，故多選用小型的多旋翼無人機。在動力系統和主控制系統設計方面，采用常規配置即可實現，設計的重點通常為位姿控制的設計，在文獻《光伏電站智能運維無人機技術研究》[2]中選用串級PID控制算法能夠實現較好的控制效果。無人機除了能夠應用在光伏電站運維工作中之外，還能夠勝任光伏電站場址勘測等任務。在運維過程中，無人機在工作過程中需要地面運維平臺的配合，完善的地面配套設施和軟件系統，可以幫助無人機更好的服務于光伏電站運維工作。

在無人機光伏系統自動巡檢中，地面運維平臺通過無人機拍攝電站中所有組件的紅外圖像，可以通過圖像分析技術找出電站中存在的故障。在無人機采集圖像的過程中，影響無人機自動巡檢效率的主要因素有無人機續航能力，紅外相機分辨率，高效的巡檢路徑。

上述提出的問題中，無人機的續航能力和相機分辨率都可以通過硬件升級來進行解決，而無人機巡檢路徑的規劃則是一個重要技術問題。在近些年的發展中，已經逐漸擺脫了手動規劃的局面，發展為自動規劃飛行路徑。合適的飛行路徑不僅可以節省無人機的飛行時間，同時可以減少轉彎、加減速等耗電量較高的動作，提高單次飛行巡檢量，減少飛行次數。

路徑是指的是無人機飛行過程中從起點到終點所有經過路徑點的集合，路徑規劃是按照時間、距離這些性能指標，分析和搜索出一個Z合理的結果。因此，無人機光伏巡檢需要根據電站組串的布置，抽象得到路徑點，這些路徑點可以覆蓋全部待測目標，并找到一條連接全部路徑點的路線，并根據無人機飛行性能和轉彎特性，對路徑進行下一步分析和比較。

獲得了全部待測目標點后，則要將所有路徑點用一條線路連接在一起。常規的路徑規劃只考慮該線路有的長度，希望能取最短長度。但是在無人機實際飛行過程中，由于無人機的轉彎過程是一個加速-減速-再加速的過程，該過程比直線飛行更加消耗時間和電能。因此，規劃無人機巡檢路徑時，不能只考慮路線長度，需要兼顧考慮轉彎次數的多少及轉彎所消耗的時間。在不考慮無人機速度的情況下，無人機巡檢路徑規劃可以簡化為求解最短巡檢時間的問題。

運維平臺基于物聯網等技術，可以解決無人自動路徑規劃的問題，將無人機的起降、飛行和規劃路徑、躲避障礙功能進行集合，實現“一鍵巡檢"操作。為無人機配置可見光、紅外的雙光攝像頭，讓無人機在巡檢過程對光伏電站進行拍照、發送，再通過運維平臺中應用對照片進行實時處理，就可以實現熱斑、積塵、隱裂等等檢測項目，大大的節省了人力并提高了效率，無人機巡檢系統的結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網的無人機自動巡檢系統框圖

（3）基于物聯網技術的光伏電站運行數據實時監控

在光伏電站的運行過程中，可以依靠基于物聯網技術的運行數據實時監控系統來檢測孤島現象以及預防電網沖擊，這是保障光伏電站穩定運行的一項重要舉措。除此之外，該系統還能夠提高光伏電站遠程管理效率，降低遠程信息傳輸成本。

基于物聯網技術的運行數據實時監控系統，可以同時監控整個光伏電站內的設備運行狀態、電能質量、安全、消防等數據和信息，該系統可以分為四層，系統結構如圖3所示。

圖3 基于物聯網的光伏電站運行數據實時監控系統框圖

該系統通過各類變送器和傳感器來采集光伏電站運行的狀態信息，包括光伏組件、匯流箱、逆變器等設備運行數據，計量和保護裝置數據以及安全、消防設備信息。再通過有線或無線網絡傳輸的方式將采集到的信息和數據傳輸至本地監控中心并進行后續處理。

數據收集過程中適宜采用Zig-bee無線傳輸技術，對數據進行簡單處理后傳輸至本地控制中心，能提高傳輸速度和控制中心的處理效率。本地控制中心主要負責對收集到的數據進行處理、分析，這些工作主要由控制中心的軟件完成，該軟件可進行圖形、屬性數據的輸入、修改、查詢，自動生成單行表、L系人表等圖表，并提供完整的維護功能，確保整個系統的穩定與安全。監控系統運行過程中利用相互獨立的傳感器來對電網設備和環境進行實時監控，收集系統所需的數據。監控系統中傳感器共有兩種運行模式：工作模式和睡眠模式。未接收到系統的數據采集指令時，傳感器處于睡眠工作模式，數據采集模塊處于低電流接收狀態；接收到系統發送的數據采集指令后，傳感器進入工作模式，開始采集數據并發出記錄指令。數據采集之后的下一步是資料處理階段，該階段是負責數據收集與數據處理的階段。系統處理器接收到各傳感器發送并被數字化處理過的信號后，對這些數據進行初步分析。這一階段的數據分析可以分為網絡數據分析和向量數據分析兩大類，網格數據分析是指對數據的疊加分析，統計分析，記錄分析，濾波分析，區域操作和擴展域操作。向量數據分析主要指圖像的邊界整合，多邊形重新分類，點線重疊，空間數據查詢等。系統中的信號都是經輸入設備數字化處理后轉變為數據，再發送至主機做進一步處理的。數字處理就是把掃描后的柵格數據轉換成點、線、面積、拓撲關系等形式，再利用向數據識別地圖，從而實現地圖的數字化。將處理后的數據存儲起來，并與預設的報警數據進行比較。當輸出的數據量超過設定值時，報警系統啟動報警裝置，并將報警信息發送到相關維修單位，緊急處理事故，消除安全隱患，數據分析的結果都通過輸出設備輸出到相關用戶。

該系統最終可以實現光伏電站運行監測、分析診斷、故障報警、統計報表、系統查詢、系統管理、設備管理的功能。通過互聯網可以將本地控制中心接收和處理過的信號發送至遠程控制中心。遠程控制中心借助于與本地控制中心的信息交互，就可以實現跨地域的個光伏電站集中監控、統一管理，接收到的信號和處理過的數據可以分門別類的進行保存，提供給技術人員和管理人員進行數據分析和比對。

在光伏電站運維中引入上述系統，除了能夠助力當前光伏電站實現“降本增效"外，還可以實現多個光伏電站跨地域的統一運營，無論對于電站的運營者還是光伏產業本身，都能幫助其實現長遠發展。

3、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

3.1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

3.2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

3.3系統結構

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

3.4系統功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

3.4.1光伏發電

3.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

3.4.1.2電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

3.4.1.3逆變器狀態

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

3.4.1.4電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

3.4.1.5逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

3.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

3.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

3.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發生時間以及確認狀態。

3.4.3運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

3.5系統硬件配置

3.5.1交流220V并網

交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

部分小型光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

3.5.2交流380V并網

根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》，8kW~400kW可380V并網，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網，以當地電力部門的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏，自發自用，余電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規定，以及相關標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統，實現用電信息的遠程自動采集。

光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業380V電網，實現自發自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量，同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。部分光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能，系統圖如下。

這種并網模式單體光伏電站規模適中，可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

3.5.3 10kV或35kV并網

根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統。

此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規模的分布式光伏電站穩控系統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。

上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，最后經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

4、物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用展望

相對于傳統光伏電站運維模式，基于物聯網技術的光伏電站運維系統無論是在提升效率還是在降低成本方面，都展示出了很強的*性。物聯網技術目前已經日趨成熟，并且伴隨著硬件設備與通信技術的革新正在發生日新月異的變化，將物聯網技術應用于光伏電站運維系統中也必將使得光伏電站的運維工作效率進一步提升，進而使得光伏產業在未來的社會高質量發展浪潮中展示出更加耀眼的風采。

參考文獻：

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[2]袁穎等．基于ZigBee的光伏電站環境實時監測系統[J].微型機與應用，2017,36（3）：33-35,38

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版