浅谈光伏智能远程运维云平台的系统设计

摘要：针对传统光伏电站监控效率低、信息量大、运维成本高、管控难等缺点，提出光伏智能云平台一体化软硬件监控系统。该系统基于B/S架构，采用Django框架进行Web开发。现场设备用RS485总线将运行参数传输至DSP微处理器进行处理，再由GPRS无线通信方式传输至远程云服务器，并以MySQL作为云端数据库存储，然后通过浏览器将设备运行参数、状态和报警信息实时展示给用户，实现分布式光伏发电设备的远程智能化管理。实际测试说明，该系统可监控光伏设备实时运行情况，对光伏电站运维具有一定的工程实际意义。     关键词：光伏智能云平台；远程监控；电力测量；网关；光伏并网柜0、引言      随着工业的大规模扩张，人口增加以及人均能源消耗的持续增长，全球几乎所有国家的能源需求都在上升，而光伏发电作为一种清洁和可持续能源被认为是所有可再生能源中可靠的选择，也受到了国家的广泛重视。然而，大多数分布式光伏电站建在环境复杂的偏远地区，建站数量多，种类也呈现多样化发展，传统的有线组网监控及人工值守方式监控效率低、成本高且无法满足远程实时监控要求。近年来，随着云计算，无线通信和物联网技术的迅猛发展，开发基于B/S架构，无线通信与云服务结合的光伏远程监控系统已成为新的组网形式，用户仅需要通过浏览器便可在任何时间和地点对监控系统进行操作，实时查看光伏设备的运行情况并及时发现和排除故障，对确保光伏电站的安全稳定运行具有重要意义。      本文设计基于B/S架构的光伏智慧云平台远程监控系统，该系统采用Django框架作为Web开发，前端采用Boostrap、EChart和HTML5等将数据进行可视化，后端用Python语言实现数据交互；并以阿里云ECS服务器作为云计算，MySQL作为云端数据库，设计以TMS320F28335为核心芯片的数据采集系统，现场设备通过RS485总线将数据传输至DSP芯片进行处理，并通过GPRS无线通信方式传输至远程服务器，实现光伏设备的实时远程监控。1、系统总体架构1.1网络架构模式对比      C/S（Client/Server）体系结构是指客户端和服务器之间的信息交互模式，其客户端属于应用程序软件，服务器通常采用高性能PC机，并采用大型数据库系统，响应速度快。但C/S架构的缺点是需要在客户端和服务器端运行特定软件，开发成本高，维护难度大，兼容性差以及适用面窄。B/S（Browser/Server）体系结构是浏览器和服务器间的信息交互模式，是一种随着Web发展起来的新架构。其服务器即安装数据库，浏览器充当客户端，包含少量业务逻辑并主要使用HTTP协议与服务器进行通信，用户界面完全通过浏览器实现，这减少了客户的开发和维护成本，并为用户带来了较大的便利。      鉴于以上性能比较，B/S体系结构将成为远程控制领域的未来发展趋势，其安全性和灵活性低的缺点将随着技术的进步而不断得到解决。1.2系统总体结构      如图1所示为系统总体结构，可将其分为设备层、网络传输层和应用层。https://mall.acrel.cn:10078/mall/6add03ced2654170b337a68f454d0f82.png      设备层中各逆变器设备通过RS485总线将逆变器数据传输至DSP控制器，DSP控制器对数据进行处理并打包，数据通过GPRS以Socket形式上传到网络传输层。网络传输层以云为核心，采用阿里云ECS服务器开启Socket监听对上传的数据进行解析并存储到MySQL云数据库。应用层则采用Django框架设计Web监控界面，用户可通过Web浏览器访问监控云平台实时查看光伏设备的运行情况。1.3云计算与数据库      云计算采用阿里云服务器ECS（ElasticComputeService）是由阿里云提供的性能好、稳定可靠、弹性扩展的IaaS（InfrastructureasaService）级别云计算服务，可实现计算资源的即开即用和弹性伸缩。可利用SSH远程连接云服务器，在后台部署Linux系统并搭建Python环境，通过安装Nginx和Uwsgi服务部署Django项目，实现Web服务的外网访问端口。MySQL是流行关系型数据库管理系统，由于其体积小、速度快、总体拥有成本低和开发源码等特点，被记录为Web应用程序中常用的数据存储。因此，选用MySQL作为云端数据库并部署到云服务器。MySQL作为云监控平台的数据中心，对于存储光伏设备大量的历史数据，提供逻辑运算和分析，起到了至关重要的作用。1.4Django框架       Django是目前流行服务器端Web框架，是为快速开发数据驱动站点而创建，扩展性强，功能完善，开发速度快和可维护性高。其属于MVC（Model⁃View⁃Controller）框架风格，但控制器接收用户输入的部分框架，由用户自行处理，所以采用的是MTV架构模式，即Model（模型）、Template（模板）、View（视图）。模型是数据存取层，负责业务对象和数据库存取；模板是表现层，负责把数据展示给用户；视图是业务逻辑层，负责后端的查询操作和数据处理。2、系统硬件设计      数据采集系统的硬件结构主要由主控芯片DSP、电源电路、信号调理电路、各通信接口以及GPRS模块构成，其功能主要实现监控设备数据包括逆变器电压、电流等输入信号的采集、处理与上传，并通过RS232接口与GPRS模块相连以Socket套接字形式上传至云服务器进行解析。系统整体硬件结构如图2所示。https://mall.acrel.cn:10078/mall/ab7c2ef6b022475d888fa2513d40c8cc.png2.1主控芯片      主控芯片是整个控制系统硬件结构的核心。由于本文系统需要频繁对输入信号进行采样和处理，数据量大，采用传统的PIC系列、51系列单片机无法满足处理速度和精度要求。因此本文设计采用DSP，其处理速度快，运算精度高，并具有丰富外设和接口，且F2833x系列比F28xx系列多了一个MAC单元，其处理数学运算性能可提升2.45倍，控制算法性能提升1.57倍，可满足本文设计数据处理要求。2.2电源电路      电源模块为整个系统供电，F28335采用双电源供电，管脚供电电压1.9V，内核供电电压3.3V，因为监控终端外接电源的最小电压大于3.3V，因此需重新设计供电硬件电路解决外部低电压供电问题。可采用TPS767D301芯片作为供电电源芯片，这是TI公司推出的针对DSP双电源供电的双路低电压降电源调节器，输入电压为5V，工作稳定后，将输出产生1.9V和3.3V电压提供给DSP，供电电路硬件设计如图3所示。https://mall.acrel.cn:10078/mall/84710d3313f14512a84c8124bc370fe6.png2.3信号调理电路      电流、电压信号的采样用的是闭环霍尔传感器，将检测到的模拟量送入电流、电压信号调理电路进行滤波和钳位，并由ADCIN端口进入DSP内部的A/D转换模块，将模拟量转换成计算机能够识别的数字量再送入云服务器。电流及电压信号采集调理电路如图4、图5所示。https://mall.acrel.cn:10078/mall/37a2b284b5b047028ad32b3c61d91232.pnghttps://mall.acrel.cn:10078/mall/7db43367e4734021b5b6bf0b9e56f93a.png2.4通信设计      数据的无线传输选用厦门才茂CAIMORECM510⁃72FDTU模块实现，这是一款为用户提供低功耗、高速、永远在线、TCP透明数据传输的工业级无线终端设备。其工作原理框图如图6所示。采用RS232接口实现DSP与GPRS⁃DTU通信，并将DTU通过绑定IP地址和端口，以Socket套接字形式将数据包传输到服务器。https://mall.acrel.cn:10078/mall/4a8e3bce750040dd8fe90949466e62b0.png3、系统软件设计      系统软件部分包括数据通信软件设计和监控云平台软件设计。3.1数据通信软件设计      数据通信软件设计实现对光伏逆变器数据的采样、处理和传输。其中，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等，采用C语言编程实现。DSP响应处理包括对光伏设备发电参数的采样和A/D转换，并由GPRS通过绑定IP地址和端口作为Socket客户端形式发送数据到云服务器。服务器则采PythonSocket编写脚本程序运行在服务端，不断侦听GPRS发送的TCP/IP连接请求，只要GPRS模块和PythonSocket服务程序配置的IP地址和端口一致，即可建立连接和通信，并创建Pthread线程接收GPRS的数据，然后将数据存储至MySQL数据库，Web监控平台调用MySQL数据库数据即可实现远程监控。数据处理及传输流程如图7所示。
3.2监控云平台软件设计      Web监控系统采用Django框架进行搭建，前端采用EChart、Boostrap、HTLM5和CSS3等将数据进行可视化和网页样式的设计。后端采用Python语言实现数据交互，并用jQuery自带封装的Ajax完成前后端数据请求方式，实现网页的动态刷新，数据传输格式为JSON。云计算采用阿里云ECS服务器，其操作系统为Ubuntu16.0464位，公网IP为39.105.110.139。通过在服务器终端搭建Python环境并用Nginx+Uwsgi部署以编译好的Django项目和MySQL，开放公网访问安全组，即可完成云端部署。用户仅需要通过Web浏览器即可在任何时间和地点进行监控界面访问，实现光伏电站的远程智能化管理，监控界面部分包括登录注册、设备监测、设备报警、历史数据查询和报表、后台管理等功能。4、部署测试      云服务器运行Socket脚本接收来自光伏设备数据，并对监控系统进行Web发布，用户通过浏览器输入正确IP地址即可进行监控界面访问。登录系统后，可实时监测光伏设备运行情况，图8是系统运行主界面，包括逆变器发电参数和运行状态的实时监测，历史告警展示和发电量的可视化曲线等，所有信息存储到MySQL数据库，便于数据分析和历史数据查询。实验结果说明该系统可监控光伏设备实时运行情况，时效性好，效率高。5、安科瑞分布式光伏运维云平台介绍5.1概述      AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台通过监测光伏站点的逆变器设备，气象设备以及摄像头设备、帮助用户管理分散在各地的光伏站点。主要功能包括：站点监测，逆变器监测，发电统计，逆变器一次图，操作日志，告警信息，环境监测，设备档案，运维管理，角色管理。用户可通过WEB端以及APP端访问平台，及时掌握光伏发电效率和发电收益。5.2应用场所      目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。5.3系统结构      在光伏变电站安装逆变器、以及多功能电力计量仪表，通过网关将采集的数据上传至服务器，并将数据进行集中存储管理。用户可以通过PC访问平台，及时获取分布式光伏电站的运行情况以及各逆变器运行状况。平台整体结构如图所示。5.4系统功能      AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台软件采用B/S架构，任何具备权限的用户都可以通过WEB浏览器根据权限范围监视分布在区域内各建筑的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、电站信息、逆变器状态、发电功率曲线、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。5.4.1光伏发电5.4.1.1综合看板●显示所有光伏电站的数量，装机容量，实时发电功率。●累计日、月、年发电量及发电收益。●累计社会效益。●柱状图展示月发电量https://mall.acrel.cn:10078/mall/f9aede786265468f8ea29be73833b8ad.png5.4.1.2电站状态●电站状态展示当前光伏电站发电功率，补贴电价，峰值功率等基本参数。●统计当前光伏电站的日、月、年发电量及发电收益。●摄像头实时监测现场环境，并且接入辐照度、温湿度、风速等环境参数。●显示当前光伏电站逆变器接入数量及基本参数。https://mall.acrel.cn:10078/mall/5d3da3dd38b548999c21fb03c8f14e35.png5.4.1.3逆变器状态●逆变器基本参数显示。●日、月、年发电量及发电收益显示。●通过曲线图显示逆变器功率、环境辐照度曲线。●直流侧电压电流查询。●交流电压、电流、有功功率、频率、功率因数查询。https://mall.acrel.cn:10078/mall/1f035cc6941b49ecbb26301d50308a18.png5.4.1.4电站发电统计●展示所选电站的时、日、月、年发电量统计报表。https://mall.acrel.cn:10078/mall/b11f6f2852814877be54d650962b3c17.png5.4.1.5逆变器发电统计●展示所选逆变器的时、日、月、年发电量统计报表https://mall.acrel.cn:10078/mall/31676f7a85a8444abc5fbbb9a26be9f9.png5.4.1.6配电图●实时展示逆变器交、直流侧的数据。●展示当前逆变器接入组件数量。●展示当前辐照度、温湿度、风速等环境参数。●展示逆变器型号及厂商。5.4.1.7逆变器曲线分析●展示交、直流侧电压、功率、辐照度、温度曲线。https://mall.acrel.cn:10078/mall/effea410ded54c309989feb7b42ec9fc.png5.4.2事件记录●操作日志：用户登录情况查询。●短信日志：查询短信推送时间、内容、发送结果、回复等。●平台运行日志：查看仪表、网关离线状况。●报警信息：将报警分进行分级处理，记录报警内容，发生时间以及确认状态。https://mall.acrel.cn:10078/mall/e63f9afe647a4b51ab14946e026c27ed.png5.4.3运行环境●视频监控：通过安装在现场的视频摄像头，可以实时监视光伏站运行情况。对于有硬件条件的摄像头，还支持录像回放以及云台控制功能。https://mall.acrel.cn:10078/mall/cc587a9cdaeb47d789e0e1fdb3b4ddc3.png5.5系统硬件配置5.5.1交流220V并网     交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。https://mall.acrel.cn:10078/mall/d1e295fc35b8454899e188171417f7f8.png      部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：
名称图片型号功能应用
光伏运维云平台https://mall.acrel.cn:10078/mall/ed08eba10fba492da3a9d6770b6d79dc.pngAcrelCloud-1200监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等应用于单台逆变器数据采集和上传云平台
智能网关ANet-1E1S1-4G嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议
防逆流装置（选用）ACR10R-D10TE防止光伏系统向电网输送功率，用于单相光伏发电系统
户用逆变器逆变器推荐：华为户用逆变器SUN2000-5/6/8/10/12KTL-M1固德威GW8000-DT锦浪GCI-1P(4-6)K，GCI-1P(9-10)K推荐通讯方式RS485
5.5.2交流380V并网      根据国家电网Q/GDW1480-2015《分布式电源接入电网技术规定》，8kW~400kW可380V并网，超出400kW的光伏电站视情况也可以采用多点380V并网，以当地电力部门的审批意见为准。这类分布式光伏多为工商业企业屋顶光伏，自发自用，余电上网。分布式光伏接入配电网前，应明确计量点，计量点设置除应考虑产权分界点外，还应考虑分布式电源出口与用户自用电线路处。每个计量点均应装设双向电能计量装置，其设备配置和技术要求符合DL/T448的相关规定，以及相关标准、规程要求。电能表采用智能电能表，技术性能应满足国家电网公司关于智能电能表的相关标准。用于结算和考核的分布式电源计量装置，应安装采集设备，接入用电信息采集系统，实现用电信息的远程自动采集。https://mall.acrel.cn:10078/mall/3787349344c54a1c93a33ef31d81a5b9.png      光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。      部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能，系统图如下。https://mall.acrel.cn:10078/mall/14a61497975a4dda8ef95195f88f73c2.png     这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：
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光伏运维云平台https://mall.acrel.cn:10078/mall/eab780c74e424beba51d83e37bc3bdc6.pngAcrelCloud-1200监测光伏发电功率、发电量、功率曲线、发电日月年报表、设备信息、故障报警、气象数据等应用于多台逆变器、计量仪表及气象数据采集和上传云平台
智能网关https://mall.acrel.cn:10078/mall/df8402c8392f4598938e2830424f9348.pngANet-1E2S1-4G嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议
电能质量监测https://mall.acrel.cn:10078/mall/48b0dfe43c93431280a49c2c72ba416d.pngAPView500电网频率,电压、电流有效值,有功功率、无功功率、视在功率及功率因数,电压偏差,频率偏差,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；三相电压、电流各序分量；基波电压、电流，功率、功率因数、相位等,谐波（2～50次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波电压、电流含有率、有效值、功率等,谐波群,间谐波电压波动、闪变。可输入57.7V/100V或220V/380V。
静态无功补偿https://mall.acrel.cn:10078/mall/7aee7562985a422481496a1f832ce5d9.pngANSVG100-400光伏并网时主要提供有功功率，这样市电侧有功减少，而无功不变，这样会导致功率因数降低，通过无功补偿装置可以提高系统功率因数。
防逆流装置https://mall.acrel.cn:10078/mall/3c79385897a649848f035fd3f191db54.jpegACR10R-D10TE4防止光伏系统向电网输送功率，用于三相光伏发电系统
直流电表https://mall.acrel.cn:10078/mall/7a866097412c4424a142c2ef6a0f95b0.pngDJSF1352电压输入DC750V，电流输入DC300A/75mV，在分布式光伏项目中适用于储能回路等直流信号设备电量测量和电能计量使用
https://mall.acrel.cn:10078/mall/5605ebb1b204497a80cd1c2f0e343caf.jpegDJSF1352RN
https://mall.acrel.cn:10078/mall/f3fcfdde407f4de6b4dc3c8b9c42c450.pngPZ96L-DE
逆变器逆变器推荐：阳光电源组串式逆变器SG(30~110)CX系列、SG136TX、SG225HX、SG320HX华为商用逆变器SUN2000-30/36/40KTL-M3、SUN2000-60KTL-M0、SUN2000-100KTL-M0固德威GW（25~80）K-MT、GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等锦浪GCI-3P(12-25)K、GCI-(25-110)K、GCI-(125-230K)-EHV-5G等推荐通讯方式RS485

      2829166、结语      本文结合云计算、DSP、物联网和无线通信技术设计了光伏发电远程监控系统，并给出了软硬件设计方案，测试表明系统数据传输准确，运行稳定。与传统电站PC监控相比，该系统无需现场监控、轮班值守、人工搜寻故障，只需1台具有浏览器的终端设备即可进行远程监控，实时查看光伏设备的运行情况，效率高、成本低、市场前景广阔。【参考文献】
[*]【1】余永俊，任一峰，高世清，安坤，刘鹏.光伏智能云平台远程监控系统涉及.现代电子技术，2021年1月15日第44卷第2期
[*]【2】陶洪峰，童亚军.RS485总线架构的双无线通信光伏电站监控系统.传感器与微系统，2017，36（8）：114-116
[*]【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版
[*]安科瑞唐晓娟13774431042