淺談光伏智能遠程運維云平臺的系統(tǒng)設計

淺談光伏智能遠程運維云平臺的系統(tǒng)設計

張穎姣

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要：針對傳統(tǒng)光伏電站監(jiān)控效率低、信息量大、運維成本高、管控難等缺點，提出光伏智能云平臺一體化軟硬件監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B/S架構，采用Django框架進行Web開發(fā)?，F(xiàn)場設備用RS485總線將運行參數(shù)傳輸至DSP微處理器進行處理，再由GPRS無線通信方式傳輸至遠程云服務器，并以MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫存儲，然后通過瀏覽器將設備運行參數(shù)、狀態(tài)和報警信息實時展示給用戶，實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電設備的遠程智能化管理。實際測試說明，該系統(tǒng)可監(jiān)控光伏設備實時運行情況，對光伏電站運維具有一定的工程實際意義。

關鍵詞：光伏智能云平臺；遠程監(jiān)控；參數(shù)傳輸；實時展示；系統(tǒng)設計；

0、引言

隨著工業(yè)的大規(guī)模擴張，人口增加以及人均能源消耗的持續(xù)增長，全球幾乎所有國家的能源需求都在上升，而光伏發(fā)電作為一種清潔和可持續(xù)能源被認為是所有可再生能源中可靠的選擇，也受到了國家的廣泛重視。然而，大多數(shù)分布式光伏電站建在環(huán)境復雜的偏遠地區(qū)，建站數(shù)量多，種類也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)監(jiān)控及人工值守方式監(jiān)控效率低、成本高且無法滿足遠程實時監(jiān)控要求。近年來，隨著云計算，無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，開發(fā)基于B/S架構，無線通信與云服務結(jié)合的光伏遠程監(jiān)控系統(tǒng)已成為新的組網(wǎng)形式，用戶僅需要通過瀏覽器便可在任何時間和地點對監(jiān)控系統(tǒng)進行操作，實時查看光伏設備的運行情況并及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，對確保光伏電站的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

本文設計基于B/S架構的光伏智慧云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Django框架作為Web開發(fā)，前端采用Boostrap、EChart和HTML5等將數(shù)據(jù)進行可視化，后端用Python語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；并以阿里云ECS服務器作為云計算，MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫，設計以TMS320F28335為核心芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)場設備通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至DSP芯片進行處理，并通過GPRS無線通信方式傳輸至遠程服務器，實現(xiàn)光伏設備的實時遠程監(jiān)控。

1、系統(tǒng)總體架構

1.1網(wǎng)絡架構模式對比

C/S（Client/Server）體系結(jié)構是指客戶端和服務器之間的信息交互模式，其客戶端屬于應用程序軟件，服務器通常采用高性能PC機，并采用大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，響應速度快。但C/S架構的缺點是需要在客戶端和服務器端運行特定軟件，開發(fā)成本高，維護難度大，兼容性差以及適用面窄。B/S（Browser/Server）體系結(jié)構是瀏覽器和服務器間的信息交互模式，是一種隨著Web發(fā)展起來的新架構。其服務器即安裝數(shù)據(jù)庫，瀏覽器充當客戶端，包含少量業(yè)務邏輯并主要使用HTTP協(xié)議與服務器進行通信，用戶界面完全通過瀏覽器實現(xiàn)，這減少了客戶的開發(fā)和維護成本，并為用戶帶來了較大的便利。

鑒于以上性能比較，B/S體系結(jié)構將成為遠程控制領域的未來發(fā)展趨勢，其安全性和靈活性低的缺點將隨著技術的進步而不斷得到解決。

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構

如圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構，可將其分為設備層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層。

設備層中各逆變器設備通過RS485總線將逆變器數(shù)據(jù)傳輸至DSP控制器，DSP控制器對數(shù)據(jù)進行處理并打包，數(shù)據(jù)通過GPRS以Socket形式上傳到網(wǎng)絡傳輸層。網(wǎng)絡傳輸層以云為核心，采用阿里云ECS服務器開啟Socket監(jiān)聽對上傳的數(shù)據(jù)進行解析并存儲到MySQL云數(shù)據(jù)庫。應用層則采用Django框架設計Web監(jiān)控界面，用戶可通過Web瀏覽器訪問監(jiān)控云平臺實時查看光伏設備的運行情況。

1.3云計算與數(shù)據(jù)庫

云計算采用阿里云服務器ECS（ElasticComputeService）是由阿里云提供的性能好、穩(wěn)定可靠、彈性擴展的IaaS（InfrastructureasaService）級別云計算服務，可實現(xiàn)計算資源的即開即用和彈性伸縮?？衫肧SH遠程連接云服務器，在后臺部署Linux系統(tǒng)并搭建Python環(huán)境，通過安裝Nginx和Uwsgi服務部署Django項目，實現(xiàn)Web服務的外網(wǎng)訪問端口。MySQL是流行關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于其體積小、速度快、總體擁有成本低和開發(fā)源碼等特點，被記錄為Web應用程序中常用的數(shù)據(jù)存儲。因此，選用MySQL作為云端數(shù)據(jù)庫并部署到云服務器。MySQL作為云監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)中心，對于存儲光伏設備大量的歷史數(shù)據(jù)，提供邏輯運算和分析，起到了至關重要的作用。

1.4Django框架

Django是目前流行服務器端Web框架，是為快速開發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動站點而創(chuàng)建，擴展性強，功能完善，開發(fā)速度快和可維護性高。其屬于MVC（Model?View?Controller）框架風格，但控制器接收用戶輸入的部分框架，由用戶自行處理，所以采用的是MTV架構模式，即Model（模型）、Template（模板）、View（視圖）。模型是數(shù)據(jù)存取層，負責業(yè)務對象和數(shù)據(jù)庫存??；模板是表現(xiàn)層，負責把數(shù)據(jù)展示給用戶；視圖是業(yè)務邏輯層，負責后端的查詢操作和數(shù)據(jù)處理。

2、系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構主要由主控芯片DSP、電源電路、信號調(diào)理電路、各通信接口以及GPRS模塊構成，其功能主要實現(xiàn)監(jiān)控設備數(shù)據(jù)包括逆變器電壓、電流等輸入信號的采集、處理與上傳，并通過RS232接口與GPRS模塊相連以Socket套接字形式上傳至云服務器進行解析。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構如圖2所示。

2.1主控芯片

主控芯片是整個控制系統(tǒng)硬件結(jié)構的核心。由于本文系統(tǒng)需要頻繁對輸入信號進行采樣和處理，數(shù)據(jù)量大，采用傳統(tǒng)的PIC系列、51系列單片機無法滿足處理速度和精度要求。因此本文設計采用DSP，其處理速度快，運算精度高，并具有豐富外設和接口，且F2833x系列比F28xx系列多了一個MAC單元，其處理數(shù)學運算性能可提升2.45倍，控制算法性能提升1.57倍，可滿足本文設計數(shù)據(jù)處理要求。

2.2電源電路

電源模塊為整個系統(tǒng)供電，F(xiàn)28335采用雙電源供電，管腳供電電壓1.9V，內(nèi)核供電電壓3.3V，因為監(jiān)控終端外接電源的最小電壓大于3.3V，因此需重新設計供電硬件電路解決外部低電壓供電問題?？刹捎肨PS767D301芯片作為供電電源芯片，這是TI公司推出的針對DSP雙電源供電的雙路低電壓降電源調(diào)節(jié)器，輸入電壓為5V，工作穩(wěn)定后，將輸出產(chǎn)生1.9V和3.3V電壓提供給DSP，供電電路硬件設計如圖3所示。

2.3信號調(diào)理電路

電流、電壓信號的采樣用的是閉環(huán)霍爾傳感器，將檢測到的模擬量送入電流、電壓信號調(diào)理電路進行濾波和鉗位，并由ADCIN端口進入DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字量再送入云服務器。電流及電壓信號采集調(diào)理電路如圖4、圖5所示。

2.4通信設計

數(shù)據(jù)的無線傳輸選用廈門才茂CAIMORECM510?72FDTU模塊實現(xiàn)，這是一款為用戶提供低功耗、高速、永遠在線、TCP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)級無線終端設備。其工作原理框圖如圖6所示。采用RS232接口實現(xiàn)DSP與GPRS?DTU通信，并將DTU通過綁定IP地址和端口，以Socket套接字形式將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

3、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分包括數(shù)據(jù)通信軟件設計和監(jiān)控云平臺軟件設計。

3.1數(shù)據(jù)通信軟件設計

數(shù)據(jù)通信軟件設計實現(xiàn)對光伏逆變器數(shù)據(jù)的采樣、處理和傳輸。其中，系統(tǒng)初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區(qū)數(shù)據(jù)等，采用C語言編程實現(xiàn)。DSP響應處理包括對光伏設備發(fā)電參數(shù)的采樣和A/D轉(zhuǎn)換，并由GPRS通過綁定IP地址和端口作為Socket客戶端形式發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務器。服務器則采PythonSocket編寫腳本程序運行在服務端，不斷偵聽GPRS發(fā)送的TCP/IP連接請求，只要GPRS模塊和PythonSocket服務程序配置的IP地址和端口一致，即可建立連接和通信，并創(chuàng)建Pthread線程接收GPRS的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫，Web監(jiān)控平臺調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。數(shù)據(jù)處理及傳輸流程如圖7所示。

3.2監(jiān)控云平臺軟件設計

Web監(jiān)控系統(tǒng)采用Django框架進行搭建，前端采用EChart、Boostrap、HTLM5和CSS3等將數(shù)據(jù)進行可視化和網(wǎng)頁樣式的設計。后端采用Python語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并用jQuery自帶封裝的Ajax完成前后端數(shù)據(jù)請求方式，實現(xiàn)網(wǎng)頁的動態(tài)刷新，數(shù)據(jù)傳輸格式為JSON。云計算采用阿里云ECS服務器，其操作系統(tǒng)為Ubuntu16.0464位，公網(wǎng)IP為39.105.110.139。通過在服務器終端搭建Python環(huán)境并用Nginx+Uwsgi部署以編譯好的Django項目和MySQL，開放公網(wǎng)訪問安全組，即可完成云端部署。用戶僅需要通過Web瀏覽器即可在任何時間和地點進行監(jiān)控界面訪問，實現(xiàn)光伏電站的遠程智能化管理，監(jiān)控界面部分包括登錄注冊、設備監(jiān)測、設備報警、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表、后臺管理等功能。

4、部署測試

云服務器運行Socket腳本接收來自光伏設備數(shù)據(jù)，并對監(jiān)控系統(tǒng)進行Web發(fā)布，用戶通過瀏覽器輸入正確IP地址即可進行監(jiān)控界面訪問。登錄系統(tǒng)后，可實時監(jiān)測光伏設備運行情況，圖8是系統(tǒng)運行主界面，包括逆變器發(fā)電參數(shù)和運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，歷史告警展示和發(fā)電量的可視化曲線等，所有信息存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢。實驗結(jié)果說明該系統(tǒng)可監(jiān)控光伏設備實時運行情況，時效性好，效率高。

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)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(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)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(fā)電效率和發(fā)電收益。

5.2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

5.3系統(tǒng)結(jié)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(wǎng)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)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(jié)構如圖所示。

5.4系統(tǒng)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(jù)權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

5.4.1光伏發(fā)電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

5.4.1.2電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

5.4.1.3逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側(cè)電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

5.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

5.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。

●展示當前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2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(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內(nèi)容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。

5.4.3運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

5.5.1交流220V并網(wǎng)

交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。

審核編輯 黃宇