光伏发电系统智能监管平台系统设计研究

王 鑫

(湖南湘安新能源科技有限公司，湖南 长沙 410007)

新能源产业的发展主要是利用光伏发电发热，利用太阳热能和生物质能等方法。我国拥有丰富的太阳能资源，按照研究数据分析，我国大多数地方一年的日照日时间在2200h以上，年均日照辐射量在4KW·h/㎡。利用太阳能的首要方式就是光伏发电，将太阳能中的光伏电池经过光伏效应转化成电能。但是，目前来说，太阳能光伏发电的成本较高，如果大范围推广存在着一定的难度。

1.光伏发电的工作原理

光伏发电系统主要依赖广生伏特效应，从而将太阳能转变成电能的发电系统，该系统工作的基本原理是当太阳照射在半导体的时候，会让半导体PN结上的杂质形成自由电子，从而生成光生电场，产生电流，从而进行发电。光伏发电系统主要由光伏阵列、应用系统和控制器等三个部分组成[1]。

2.平台系统分析

2.1 系统构成和监控对象分析

光伏发电系统按照是否合并网分成并网型和离网型系统，按照电压的话分别是高压、中压和低压，按照是否储能的话分为储能和不储能。不同的光伏发电系统的结构有所不同，如下图所示，小型的并网光伏发电系统主要包括光伏组件、汇流箱/柜、逆变器、配电箱/柜、电表，如果是离网型系统中还有充放电控制器和蓄电池，电压型系统中就含有电压变压器和开关柜等设备。为了监测的需求，一般都还会在周围配有气象站或者气象仪。

图1 光伏系统构成

光伏系统的监控就是指监控光伏发生系统的结构特征参数。系统的机构特征参数一般有组件的电压和电流的功率；直汇箱/柜的特征参数是直流开关信号，每条电流直流的电压、电流以及功率。逆变器的特征参数分别有直流侧电压、电流和功率，交流测电压、电流和功率、频率和温度等；变压器的特征参数是高低压测电压、电流和功率、依旧变压器的温度和湿度；开关柜的特征参数分别为并网开关信号和电压、电流及其功率。

2.2 系统平台的需求分析

光伏发电系统监管平台的功能如下：采集数据及处理方面，对光伏发电系统正常运行的数据进行本地采集以及远程操作采集、输送和存储全过程，同时还要对异常的数据及时处理；监控故障方面，实时监管光伏发电系统的运行数据，然后分析诊断运行故障，及时发现数据异常的，排除设备故障，并建立异常事件报警，自动处理机制，对异常事件进行分级和处理；远程操作方面，运行和维护的相关人员无需亲自来到现场，只需要通过远程操作控制监控平台就可以及时调整设备的参数，以及查看设备的运行情况，从而确认运行期间时候存在异常数据，确认异常信息等；并网控制方面，为了提供光伏发电系统的经济效益，监管平台需要根据逆变器的运行情况和对功率输入的要求，结合当下的天气变化和太阳照射强度的情况分析，优化电站的调度运行，合理安排设别的切换和调配，必要时候需要停机维修保养。质量监测方面，可以实时监测输入电网或者是向交流负载提供的电能质量，例如并网频率、电压和功率因数等方面；能量管理方面，能够根据太阳的照射强度、发电功率去平衡电站的有功功率，从而分析和预测发电的总功率；制作数据统计分析汇总表时，可以对光伏发电系统设备的运行数据进行汇总分析，其中包括发电的效率、功率和太阳光照的曲线进行对比分析，还包括设备的运行情况和变化指数、异常数据和通信信息等，为运营工作人员提供丰富的数据支持；系统维护方面，管理和维护系统主要采取了权限设置和账号分级的方式进行，尽量做到角色分级，可以分为超级管理者、系统管理员、和电站管理员等。光伏发电系统一监管平台一般包括本地监控和远程监控两个平台[2]。其中，本地监控是由光伏系统设备、光伏数据采集监控和计算机组成；远程监控系统包括远程监控数据中心、Web系统跟手机APP组成，三者相互联网相互连接。本地监控系统的使用比较灵活，如果使用的是小型的光伏系统，则无需配置监控系统，反之，如果光伏系统比较大，则需要配置数据服务器和监控客户端等。远程监控的数据中心是整个平台的中心，其能够实现对数据的采集和分析、处理和存储以及发布出去等功能。Web服务器和用户端的门户，是向光伏发电系统用户提供互联网访问的权限；用户可以通过APP随时随地监控光伏系统的运行情况，查看光伏发电系统的运行数据。

3.光伏发电系统智能监管平台技术

光伏发电系统智能管理平台将以混合云的方式进行方案设计

一是云上业务。云上业务也称为公有云，云上配置对外应用服务系统，实时应对外来业务的访问量的增加和减少，同时，还能减少服务器设备的检修和维护；在数据控制中心中，一般都会采用VPC、ESC、RDS搭建公有云业务系统，通过IPsec在VPN中将本地数据中心和专用网络VPC迅速连接，形成混合云。二是本地数据中心。本地数据中心也成为私有云，也就是说将监管平台上内部核心系统和核心数据放在自己建立的数据中心上，从而确保数据信息的安全[3]。将核心数据信息放置在本地数据中心上，利用高速通道接入数据，确保能够与公有云的数据实时同步，实现线上线下的数据信息连通。随着数据时代的发展与进步，每个平台上的数据和文件日益增加，而平台的计算负担也越来越重，不管是对平台的容量还是服务条件，以及存储的规模要求都越来越高，因此，我们需要在不影响控制系统的正常运行下对系统进行全面的升级和扩容，以提高系统计算力和容量为目标，为数据中心配置超融合服务器。如此一来，不但能够高效地解决日益剧增的数据信息，还能保证数据存储的安全性。智慧安全系统主要采用的是B/S结构，在平台通用的基础上进行设计改造，MVC模式主要具备了通用平台的灵活性和稳定性。MVC是平台设计的经典，是逻辑思维、数据分析和界面显示的组合，将业务逻辑收集到同一个部件内，在改进和优化控制界面和用户交互的时候，不需要重新编程业务逻辑，从而提高代码的可持续性，也是目前最为流行的开发软件之一：数据层主要是建立数据库，供人们读取数据，因此，采用MyBatis结构，MyBatis的特点是可以定制化SQL和存储数据的全过程，避免了JDBC代码、手动输入参数以及数据结果收集，最大程度上保证了系统运行的工作效率。平台建立Mysql数据库的同时还需要支持MSSQL和ORACLE等关联数据库。对Mysql数据库采用Innodb和Infobright两种引擎，Innodb引擎主要是针对平台内有关联的数据进行处理和存储，反之，Infobright主要是针对系统中非关联性的数据进行处理和存储[4]。因此，针对业务数据的不同区分引擎最大的好处在于可以高效地提高系统对数据的读写能力以及存储效率。支持层主要是基础平台提供的通用部件，其中包含：组织机构、安全认证、角色权限、任务挑度和服务总线等。通用部件作为控制系统中的二次开发基础，促使相关开发人员在二次开发的时候可以更加关注业务的开发，迅速满足客户在市场上的需求。业务层是在支持层的基础上进行二次开发得出来的，业务层主要是为用户提供平台业务服务模块，模块与模块之间主要是通过webservice互相访问，大大降低了模块之间的配合时间。在光伏发电系统中，业务层主要用于电力建设工程项目中，系统将通过数据的采集、分析和汇总等方式，结合电力建设事业的施工情况，充分展示了电力建设事业在安全运行中的安全指数。表现层主要包括有：IOS移动端、PC和Android。UI层主要是以Bootstrap、jpuery和a jax技术为基础进行开发；PC是使用了BS模式中的MVC技术开发；而IOS移动端的设计是使用了html5+原生+SUIMobile的方式开发。在设计安全的问题上，电力建设项目的安全监管系统需要确保数据、网络、系统和管理工作的安全性，系统需要具有超高安全性能的人员确认、权限设置和通信机构，充分采用系统总控制数据库的存储机能和对象级别的控制数据库存储机能，进而保证系统的安全性以及数据的保密性，避免数据信息的丢失和泄露以及不法分子使用非法手段非法入侵数据库盗取数据，同时，系统还提供了非常可靠的数据备份和丢失恢复功能[5]。在系统设计和对数据整理的同时，相关技术人员需要在系统安全性和稳定性上有一个综合考虑，需要具备有完善且周密的安全体制，而且还需要拥有安全的数据加密手段和方法。

4.光伏发电系统的发展

经过十几年的发展和努力，现阶段我国的光伏发电行业已经在全国占据市场一角。根据国际对能源数据的统计，我国在2015年已经新增光伏发电机容量在1215万千瓦，而截至2015年底，累计容量高达4320万千瓦，一跃成为了装机容量最大的国家。然而，在发展的过程中，光伏发电在使用时依旧存在着诸多问题，主要表现在电站运维管理手段和电力站点建设投资决策粗放方法落后和发电工作效率低下的问题上。据数据统计，我国光伏发电系统的PR大概是75%，而日本和德国等发达国家的平均PR在80%，甚至最高是85%，所以说，我国的PR与其他国家对比依旧还有5%-10%的差距[6]。2010年之前，我国光伏发电事业一般都是在国内生产，应用在国外，因此，很少技术人员会重视光伏电站的研究，导致电站的管理工作以及监督不到位。2010年之后，我国的光伏发电事业迅速发展，装机模式不断变大，从而给电站的管理和监督工作带来极大的挑战。

5.结语

综上所述，光伏发电控制系统是一个能够将太阳能转换成电能的节能型和环保型控制系统。本文重点介绍了光伏发电控制系统的各项性能，从而实现了光伏阵列的最大输出功率点工作和太阳追踪控制技术，从而提高了光伏发电控制系统的转化率，进一步优化控制系统的工作性能。