光伏电站一体化监控方案-邓平

PAGEPAGE30太阳能光伏电站一体化监控平台技术与分析方案目录1.项目概述 32.总体目标 43.设计原则 54.接入设备分析 64.1.逆变器 64.2.巡日系统 74.3.光伏阵列（光伏阵列温度测量仪） 74.4.视频 74.5.气象监测仪 85.系统架构 95.1.总体架构 95.2.应用架构 105.3.物理架构 126.系统功能 146.1.应用层功能 146.1.1.运行监测 146.1.2.远程控制 196.1.3.警报通知 196.1.4.视频监控 216.1.5.分析诊断 216.1.6.综合查询 226.1.7.统计报表 226.1.8.设备管理 226.1.9.系统管理 226.2.服务层功能 236.2.1.状态管理 236.2.2.设备控制 236.2.3.排他管理 236.2.4.警报识别 236.2.5.任务管理 246.2.6.日志管理 246.3.设备驱动层功能 247.关键技术 288.系统软硬件配置方案 301.项目概述随着规模性的太阳能电站在中国开始陆续建设和投入运行，如何实时了解电站的运行状况，如何满足上一级系统或电网调度系统的监控需求，是电站业主和电网公司所共同关心的问题。而现有光伏电站监控系统主要由逆变器厂商随设备提供，主要从本厂逆变器出发，对电站运行的一些参数进行监测，难以或不能直接控制逆变器的运行状态，亦无法获取电站中的其它设备的信息及控制这些设备，更无法满足电网调度系统对电站的实时监控要求。另外，大型电站均会采用不同厂商的产品，这些不同厂商的产品彼此无法兼容，造成一个个“孤岛”系统，无法形成统一的监控体系。因此，迫切需要一套统一的监控平台，能够对不同厂商、不同类别、不同型号的逆变器及其它设备进行管理，实现对光伏电站完整、统一的实时监测和控制。2.总体目标◆建设光伏电站监控设备的统一管理平台实现电站设备的统一运行监控，数据的集中管理，给运行人员、检修人员、管理人员等提供全面、便捷、差异化的数据和服务；成为电站设备的承载系统，为电站设备的规划、新设备的接入提供载体；建立统一的数据库，为监控平台和其他各种专业监控系统提供数据服务。◆整合各类监测数据，实现对不同人员的差异化服务对运行人员、管理人员、检修人员、领导等不同人员提供不同的用户界面、展现方式、数据信息等。在各类人员登录后，即可看到各自最关心的内容，提供差异化服务；为运行人员提供设备的状态信息、告警信息、实时数据等数据应用服务；为管理人员提供各类监测数据的统计、变化趋势、状态信息等应用服务；为检修人员提供告警信息、变化趋势、故障录波数据等应用服务。3.设计原则本系统在设计上坚持以下原则：(1)完整性-业务数据完整性：系统能够完成不同厂商不同种类不同型号设备的监测数据统一完整采集。-业务流程完整性：系统能够提供实时数据、周期采样数据、事件数据的应用服务。(2)规范性-系统建设遵循有关国家标准、国际标准、电力行业有关标准。-制定或完善相关标准规范，确保监测设备、监测数据通讯的规范性。-界面设计遵循有关界面设计规范。(3)扩展性-硬件扩展性：系统能够广泛适配新接入监测设备的通信接口。-软件扩展性：软件功能模块应可重用、可配置、可拆卸。(4)开放性-系统能够同各类专家系统进行数据信息交换。-系统能够与电网调度等系统进行数据信息交换。(5)集成性-能够集成环境、安防、电能量、电能质量等监测数据，分类处理，分类存储，统一界面显示监测数据。(6)可操作性-界面友好，操作方便，注重用户体验。4.接入设备分析光伏电站中涉及到的监控设备种类较多，包括光伏系统相关的光伏组串、巡日装置、汇流装置、逆变器、环境监测仪；安防装置（摄像头、避雷器、门禁等）、保护装置（高压开关、直流接地等）、计量装置（电量/电压/电能质量相关计量仪器）等。在本平台中，系统上线后立即接入的设备包括：光伏阵列（光伏组件温度检测仪）、巡日装置、逆变器（通过逆变器监测汇流情况）、环境监测仪、摄像头，其它设备在电站运行过程中根据实际情况逐步接入。以下从设备接入目的、采集的基础数据、控制内容、通讯方式等四个角度对设备进行分析。其中，采集的基础数据为从设备本身获取的原始数据，在本平台的应用中，除了基础数据外，还会大量使用衍生数据，即由系统通过多个基础数据（甚至是不同种类设备的多种基础数据）的组合、计算得到。4.1.逆变器接入目的：监测和控制采集的基础数据：累加参数：当前总功率、发电量（日、月、季度、年、总）、二氧化碳减排量（日、月、季度、年、总）、告警次数；运行参数：直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、交流电流、逆变器机内温度、时钟、频率；运行状态：运行、关闭、待机；告警数据：逆变器厂商所提供的设备原生告警各异，系统保证不遗漏任何一家厂商设备的任何一个原生告警。控制的内容：开启、停止、参数设置/调整通讯方式：RS485、RJ454.2.巡日系统接入目的：监测和控制采集的基础数据：状态位置：高度角、方位角等；运行状态：运行、关闭、待机；告警数据：设备可提供的所有原生告警数据；控制内容：开启、定位、停止通讯方式：RS4854.3.光伏阵列（光伏阵列温度测量仪）接入目的：监测采集的基础数据：温度控制内容：无通讯方式：RS4854.4.视频接入目的：监测和控制采集的基础数据：影像控制内容：云台：放大、缩小、转向枪机：放大、缩小通讯方式：RJ454.5.气象监测仪接入目的：监测采集的基础数据：状态位置：高度角、方位角等；运行状态：运行、关闭、待机；告警数据：设备可提供的所的原生告警数据；控制内容：开启、定位、停止通讯方式：RS4855.系统架构5.1.总体架构为了解决监测设备分散独立、无法进行远程集中监控和诊断的问题，本系统接入所有的光伏电站在线监测设备，进行设备统一管理，设备运行数据统一采集、查看和分析，提供综合全面的运行状态监测、运行告警发现与通知、数据查询分析、设备运行管理。为实现设备的动态扩展接入，系统应能实现在不进行二次开发的情况下即能完成新增监控设备的接入。设备数据接入后进行分级存储，分类汇总统计，利用监测数据和事件信息，可以实现电站设备的集中远程监控，也可以为故障诊断提供技术手段和数据支持，亦为电站管理提供全面的统计数据和各类报表。监测数据按数据类型和应用特性分类存储，实现不同层面和不同人员关注不同的信息。同时各级数据可自上而下进行追溯。总体架构系统分为4个层次实现：应用层、服务层、设备驱动层、数据层，每个层次负责各自的处理，最终通过组合形成使用者可使用的系统功能。应用层负责与使用者进行交互，它负责将使用者所需数据以直观、合理的方式按照使用者的需要展现给使用者，并记入使用者的输入信息或操作指令，以传递给服务层进行处理；服务层负责进行业务的实际处理、数据运算、处理流程的控制；设备驱动层负责与设备进行通讯，从设备中获取数据，并进行解析，转换成系统能够识别的数据格式；同时，还提供以上的逆向处理，即将系统希望发送给设备的信息组织成设备能识别的格式并传送给设备。5.2.应用架构系统整体设计方案采用SOA（面向服务架构）设计思想，自下而上提供应用服务。下层应用不需关心上层应用的逻辑，只需提供本层应用的数据接口，所有交互由上层应用发起。采用SOA为监控系统的分层应用提供很好的扩展性，也为本系统外的其他应用提供了不同级别的数据服务和功能接口。一体化监控平台的核心应用是数据分类处理与分层应用，解决不同设备监测数据及应用的差异化需求，具体包括：实时数据与应用、周期采样数据与应用、事件数据与应用。监测数据分层应用架构如下图：图1.应用架构图◆分类架构三类数据与应用基本都包括分类采集、分类存储、分类处理、分层应用四部分。◆实时数据与应用设备驱动层通过设备进行状态数据的实时性采集，采集的实时数据进行分类存储后，最后通过实时应用服务向运行人员提供状态监控，告警处理、实时数据显示等应用服务。◆周期采样数据与应用设备驱动层通过设备进行运行数据的周期性采集，采集的周期采样数据进行分类存储后，然后进行格式化规约处理，最后通过运行分析应用服务向技术管理人员和领导提供运行分析、健康预测、在线评估、在线预警、报表分析等服务。◆事件数据与应用当设备出现故障时，设备驱动层通过设备进行事件数据的触发性采集，采集的事件数据进行分类存储和解析处理后，最后通过远程诊断应用服务向检修人员提供远程诊断、查看事件历史等服务。5.3.物理架构系统组网设计如下，组网架构主要包括一体化监控平台、监测设备、通讯设备、以及各系统/设备的连接方式。所有监控设备统一接入INTERNET，对于没有提供RJ45接口的设备，使用RS485/232→TCP/IP转换器适配接入。平台和数据库集中部署于监控平台服务器，对平台的不同层（应用层、服务层、设备驱动层）或服务层中的不同服务亦可以根据需要进行分布式部署。平台的设备驱动层通过INTERNET采集各设备的监测信息并发送控制指令，各工作人员在PC机上通过INTERNET访问本平台。由于平台的不同层（应用层、服务层、设备驱动层）或服务层中的不同服务均支持分布式的部署，因此，当由于监控设备太多而使得监控平台服务器性能无法满足使用要求时，可以将它们重新组合部署，尽可能地增加系统的可扩展性，最大程度的保护业主的投资。6.系统功能6.1.应用层功能6.1.1.运行监测运行监测用于监测电站及设备的运行情况，从总体到局部依次有三个监测层次，分别是电站的整体运行监测、设备群监测、单设备监测。6.1.1.1.电站运行监测电站运行监测主要监测电站的总体运行情况，包括总体的设备运行情况、关注度高的数据、整体告警信息等。总体的设备运行情况包括：处于各种状态（运行、关机、故障等）中的设备数；关注度高的数据包括：逆变器的部分运行状态（如当前的实时总功率）；巡日系统当前整体的位置（整体位置的计算方式：假如接入系统中的巡日装置有100件，其中98件是基本处于同一位置，另有2件处于其它位置，那么取98件的位置作为当前的整体位置）。整体告警信息包括：电站中所有的未消除的告警信息的列表，列表中展示告警的内容、告警的来源（设备原生、系统判断）以及告警的产生时间等信息；设备群（或单一设备）的运行总体状况。电站运行监测的界面以图形、表格加文字说明的形式直观体现，类似如下（显示的设备图片在运行时将使用真实的图片替换）：对于部分指标或参数，在上界面中亦能以各种直观的图形来显示，比如可以以如下趋势图的方式来显示电站当日总功率的变化情况：直观的图形显示方式包括：趋势图、饼图、直方图、仪表盘等。下图是仪表盘的展示形式：6.1.1.2.设备群监测设备群监测指同时监控一群设备，群的划分方式较为灵活，可以是某个种类的设备，如将所有的逆变器划分为一个群，也可以是某个品牌的某种设备，如将所有SMA的逆变器划分为一个群。群设备监测的内容包括群设备当前的总体运行情况、关注度高的数据以及群中所有设备的告警数据。内容的展示方式同样丰富，既有直观的图形展示，包括实物图、趋势图、饼图、直方图、仪表盘、表格、文字等。6.1.1.3.单设备监测单设备监测指监测特定的一个设备的运行情况，监测的内容包括：该设备当前的状态、该设备所有的运行参数以及所有的衍生参数、该设备当前所有待处理的告警等。单设备监测界面的示意图如下：6.1.2.远程控制在运行监测界面，通过点击待控制设备的图标，即可调出设备的远程控制菜单。选择或输入的控制内容后，指令将立即传递给需控制的设备，基本可以达到实时控制。6.1.3.警报通知告警通知向使用者提供故障设备的告警以及设备在故障前的预警功能。告警方式包括：A、监控界面集中告警B、手机短信告警告警具有智能化特点，能够根据设备的拓扑关系，分辨告警信息的真伪，亦能忽略维修中的设备的告警，同时还可以通过系统自身的判断来识别出设备本身未能发现的告警。在所有的监测界面，都可接收、展示设备的告警信息，对应于三个层次的监测界面，在电站运行监测中可接收、展示所有设备的告警，在设备群监测界面可接收、展示这一群设备的所有的告警，在单设备监测界面，可接收、展示这一设备的所有的告警信息。当有设备告警产生时，界面中的设备图标显示将区别于正常设备图标的显示，并且在设备右下脚将出现一个不停闪烁的警铃，并发出警报的声音。示意图如下：如果开启手机短信告警，一旦有告警产生，关联的手机即可马上接收到。关联的手机可以设置一个或多个。告警通知同视频系统进行紧密结合，当告警详细信息展示界面，系统能自动定位到对应的视频设备来显示其图像信息。6.1.4.视频监控视频监控功能能够展示实时的视频内容，从而实现“遥视”。视频监控可以单独使用，即选择某个视频设备后，展示选定视频设备传输过来的视频影像；同时，视频监控亦和运行监测、警报通知进行紧密结合，在单设备监测界面和警报通知信息的查看界面，亦同时显示该设备的实时视频影像。视频监控还可控制视频设备，从而实现视频拍摄方向的调整、视频的放大、缩小。6.1.5.分析诊断分析诊断功能向使用者提供设备的故障分析功能，具体包括比对分析、专家分析。比对分析是指通过多个设备的运行数据的比较来发现问题，比如将两台逆变器的日发电量进行对比发现，如果有一台逆变器的发电量总是比另外一台低，那么我们就可以认为发电量低的这一台逆变器效率低下或疑似故障，借此也可以用来判断逆变器的好坏。专家分析指在系统中嵌入厂商提供的一些专业诊断工具。系统能够无缝集成这些诊断工具，并能为其提供其诊断所需要数据，并将结果以直观的方式展示给使用者。当然，除了以上提到的两种故障分析功能外，系统还能提供故障诊断的辅助信息，包括故障前后的各项数据及变化情况（故障录波），能够帮助故障分析人员尽快定位问题的出处和原因，减少故障查找和维修的周期。6.1.6.综合查询综合查询功能为使用者提供各种数据的自定义查询，可查询的信息包括系统中所有的存储数据，查询的条件使用可以方便的选择和自定义。查询的结果既可以表格的方式展现，亦能图形的方式直观体现，还可以表格+图形的方式综合显示。6.1.7.统计报表统计报表功能可为管理人员提供必要的报表，根据报表的不同，系统自动按照报表的功能及需要，按照日、月、季、年等方式提供不同粒度的报表，所有的报表均可以导出成使用者非常习惯使用的EXCEL或者通过连接的打印机进行打印，打印出的格式和内容与看到的格式和内容完全一致。6.1.8.设备管理通过设备管理，使用者可以建立电站所有设备的台帐，从而实现了设备台帐管理的信息化。除了设备本身的信息外，使用者还可以为设备进行标识（命名或编号），以帮助使用者在各种设备展示界面中能够方便地定位到识别设备。6.1.9.系统管理系统管理中包括用户管理、角色管理、权限管理。能够添加、修改、删除系统用户，能够定义每个用户的角色，亦能为每个用户或每种角色分配系统各种功能的使用权限。6.2.服务层功能6.2.1.状态管理系统所有的设备信息的采集均通过状态管理进行处理，设备状态包括设备的运行状况、设备的各种参数的获取。对不同的设备，有不同的状态处理过程，既有系统循环发送请求再由设备报送的，也有设备自动报送的。设备管理除了进行状态信息的获取外，还负责设备实时状态的维持，从而为系统中的各项处理提供相应的依据，比如说，给用户发送一个控制指令时，首先由状态管理判断该设备目前所处的状态，一旦设备处于不适宜控制的时候，系统将立即停止控制指令的发送，并反馈给操作者并记录在系统中。6.2.2.设备控制设备控制用于控制设备控制指令的下达，并进行控制处理的组织。包括与状态管理交互，了解待控制设备是否处于适宜控制状态；与排他管理交互，通知排他管理锁定或解锁定某个设备等。6.2.3.排他管理排他管理主要用于维持设备的虚拟锁。比如在一个设备被控制的过程中，系统还没有收到设备的控制反馈前，系统应不能对该设备进行任何操作。6.2.4.警报识别警报识别用于识别设备的所有告警。它可以通过解析设备的报文，发现设备报送给系统的告警，也可以通过自身的智能分析功能，来发现设备没有报送或者设备本身无法识别的报警，包括阈值告警和变化率告警。阈值告警指当设备的某项参数达到某个值时，由系统自动产生的告警；变化率告警指当设备的某项参数的变化过快，超出预期时，由系统自动发出的告警。6.2.5.任务管理所有给设备发送的指令均由任务管理通知组织下达。根据指令的不同，任务也分为单次任务、批次任务和循环任务。单次任务只执行一次即告结束，批次任务将执行多次，达到指定的次数后结束；循环任务在系统运行过程中永不结束，它通过设定的循环间隔定时执行。6.2.6.日志管理在系统中，所有的用户操作、系统异常等信息都将通过日志管理功能被保存。在需要审计或分析问题时，日志将会提供很多的帮助。6.3.设备驱动层功能电站内的各种设备，除视频系统以外，其他设备均采用规约的方式进行数据交互。对于诸多的设备和各种通信方式，如果对每一类设备单独开发采集模块已经不适合（开发的工作量将及其巨大，且不能支持新增加的设备），也不利于把这些设备的数据进行汇总和统计。通过在本系统内装载智能设备适配器，可以方便的接入各种现有和以后新装的设备。智能设备适配器通过设备ADP和设备规约库动态接入各种设备；通过采集数据实时分析、对告警数据和特征值进行挖掘，过滤变化不大和重复的数据，保证采集的有效性；通过变频采集机制动态根据数据采集情况和告警发生情况变化采集频率，做到故障数据“录波”；通过互动式采集对特定情况发生时（如收到告警信号、值超过限值、变化率过大等），自动采集其他指标信号，采集任务智能变化。下图为智能信号采集的系统结构图：图：智能信号采集总体架构系统的实现方法为：①通过设备plugin接入各种类型设备。②设备ADP收到plugin传入的信号，从规约库中查找特定的规约，规约匹配后进行数据解析③设备ADP收到排他管理模块传入的任务执行命令，从规约库中查找规约进行消息封装，通过设备plugin发出报文。④设备ADP在信号发送不成功时（超时或通信中断）进行重发，信号发送超时时间和重发次数在规约库中进行配置。对重发不成功的信号，给设备ADP发送数据发送失败消息。⑤状态管理模块从设备ADP处接收到采集数据，判断该数据是否超过设定的阀值，若超过阀值则根据定义的告警等级生成数据超标告警，发送给警报管理模块。查看配置文件以确定是否对该数据进行缓存分析，若不进行缓存，则直接保存该数据于硬盘上。若需要对该数据进行分析，则保存该数据于内存中。待达到设定的时间窗时刻时，分析缓存中数据，若缓存中该类数据变化率超过设定值，则保存所有该类缓存数据，生成数据变化超限事件，通知任务管理模块变更采集策略；若数据变化率在设定范围内，则根据配置规则挖掘该缓存的一条数据（最大、最小、平均、概率值等）进行保存；清空缓存，进入下个时间窗。⑥状态管理模块从设备ADP收到数据发送失败消息，则生成通信故障事件。⑦状态管理模块从设备ADP收到规约报警和产生的超标报警发送给警报管理模块。⑧警报管理模块从状态管理收到告警信息，查看相邻时间窗内是否有相同类型的告警，有则更新告警延续时间，没有则保存该告警信息。生成告警事件，通知任务管理模块进行采集策略变更。调用外部接口进行告警通知。⑨任务管理模块采用多线程任务调度，任务配置文件对任务进行配置（任务执行方式：手动、自动、事件触发，任务的先后执行顺序）。对待执行任务设置执行任务队列，对排他管理服务拒绝的任务设置等待任务队列，采用单独的线程从两个队列中取得任务，发送给任务排他管理模块。⑩任务排他管理模块收到任务任务管理发送的任务，检查该任务发送的设备是否已有任务在执行，若设备空闲，则下发任务给设备ADP，若设备忙，则给任务管理模块回复设备忙的消息。7.关键技术统一集控平台系统接入所有的光伏电站在线监控设备和系统：包括汇流系统、逆变系统、环境系统、安防系统、电能及电能质量设备等；接入的数据非常全面：包括设备状态数据、设备运行数据、警报数据、事件数据等；系统所提供的应用服务面广，服务的人员包含了电站的各类人员，包括运行人员、检修人员、管理人员等。坚强的分层式部署架构平台采用SOA架构将涉及诸多的资源都抽象为服务，利用WebService统一接口和数据交换格