物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

付蓉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州，730000）

隨著國(guó)家政策的持續(xù)支持與光伏產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到了競(jìng)價(jià)、平價(jià)項(xiàng)目的發(fā)展階段，在這個(gè)階段大家共同關(guān)注的其中一個(gè)重要問題就是，如何實(shí)現(xiàn)“降本增效”。伴隨著光伏電站的落成和投產(chǎn)，在電站持續(xù)運(yùn)行的整個(gè)生命周期中，“運(yùn)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(tǒng)光伏電站運(yùn)維

光伏電站運(yùn)維主要指對(duì)光伏電站的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢修，包括光伏陣列、匯流箱、逆變器、變壓器、電纜等多個(gè)部分。這每一個(gè)環(huán)節(jié)能否正常運(yùn)行都會(huì)直接影響到光伏電站的效率或穩(wěn)定性。

在我國(guó)，傳統(tǒng)的光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)可以追溯到2009年以前甚至更早。傳統(tǒng)光伏電站運(yùn)維主要依靠運(yùn)維人員值守和設(shè)備巡檢，運(yùn)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(yùn)維人員的專業(yè)能力和作業(yè)水平。這種情況導(dǎo)致光伏電站存在出現(xiàn)排查故障時(shí)間長(zhǎng)而發(fā)電受阻，如果遇到一些隱性設(shè)備故障，運(yùn)維人員無法預(yù)先或及時(shí)得知還會(huì)導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大等現(xiàn)象。這種運(yùn)維方式不但效率低下，成本也較高，這顯然不符合現(xiàn)階段光伏產(chǎn)業(yè)所追求的“降本增效”要求。

為了解決傳統(tǒng)運(yùn)維中存在的這些問題，光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)經(jīng)歷了從早期“擦板子，除雜草”的粗放式管理模式到側(cè)重于管理的MIS管理系統(tǒng)，再到后來經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變得到側(cè)重于監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，在這樣的轉(zhuǎn)變中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運(yùn)維

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指將各類設(shè)備和系統(tǒng)中的傳感器與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的技術(shù)，在我國(guó)也被稱為“傳感網(wǎng)”，早于1999年便開始研究，技術(shù)水平處于世界前列，具有較大優(yōu)勢(shì)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等其他技術(shù)的結(jié)合開發(fā)光伏電站智慧運(yùn)維系統(tǒng)是現(xiàn)階段光伏企業(yè)正在研究的課題，并已有了一些應(yīng)用案例。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用大概包括以下幾個(gè)方面：

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測(cè)

鑒于我國(guó)光伏電站尤其是大型光伏電站多建立于偏遠(yuǎn)地區(qū)，處于值守人員嚴(yán)重缺乏甚至無人值守的狀態(tài)。電站運(yùn)營(yíng)和管理人員很難得到持續(xù)和完整的環(huán)境數(shù)據(jù)來對(duì)光伏電站的整體運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度與評(píng)估，會(huì)對(duì)光伏電站的效率產(chǎn)生一定影響。

光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)化率一直以來都是光伏發(fā)電的核心技術(shù)問題，而光伏組件的轉(zhuǎn)化效率會(huì)受到溫度、濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的影響，無法準(zhǔn)確獲取全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更是嚴(yán)重影響了科研人員對(duì)于轉(zhuǎn)化效率的研究工作，制約了光伏技術(shù)的發(fā)展。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了上述局面，它是一種利用Zig-Bee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的光伏電站環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以多點(diǎn)采集光伏電站的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制中心和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩大部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以通過傳感節(jié)點(diǎn)采集光伏電站現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和氣壓信息，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)電路處理后，再通過Zig-Bee模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn);路由節(jié)點(diǎn)的主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)電站運(yùn)行和環(huán)境的需求靈活配置。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)利用串口通信方式發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)操作人員在監(jiān)控室利用計(jì)算機(jī)或通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)就可直接監(jiān)測(cè)電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

總體來說該系統(tǒng)可以及時(shí)的反應(yīng)采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能通過終端設(shè)備登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)安裝方便，組網(wǎng)靈活，功耗較低，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，能顯著提高光伏電站的運(yùn)維效率。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人機(jī)自動(dòng)巡檢

現(xiàn)階段，光伏電站多建設(shè)在戈壁和山地地區(qū)，且規(guī)模較大，常規(guī)的人工巡檢早已不能滿足光伏電站的高效運(yùn)維需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人機(jī)自動(dòng)巡檢應(yīng)運(yùn)而生。無人機(jī)通過搭載可見光成像相機(jī)和紅外線成像相機(jī)，再結(jié)合飛行不受地形限制、速度快、巡檢范圍廣的優(yōu)勢(shì)，可提供高效的表面檢測(cè)，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、智能診斷等功能，是光伏電站運(yùn)維智能化的得力幫手。

光伏電站巡檢工作對(duì)于無人機(jī)的載荷要求較低，但是對(duì)機(jī)動(dòng)性和靈活性要求較高，故多選用小型的多旋翼無人機(jī)。在動(dòng)力系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用常規(guī)配置即可實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)通常為位姿控制的設(shè)計(jì)，在文獻(xiàn)《光伏電站智能運(yùn)維無人機(jī)技術(shù)研究》中選用串級(jí)PID控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制效果。無人機(jī)除了能夠應(yīng)用在光伏電站運(yùn)維工作中之外，還能夠勝任光伏電站場(chǎng)址勘測(cè)等任務(wù)。在運(yùn)維過程中，無人機(jī)在工作過程中需要地面運(yùn)維平臺(tái)的配合，完善的地面配套設(shè)施和軟件系統(tǒng)，可以幫助無人機(jī)更好的服務(wù)于光伏電站運(yùn)維工作。

在無人機(jī)光伏系統(tǒng)自動(dòng)巡檢中，地面運(yùn)維平臺(tái)通過無人機(jī)拍攝電站中所有組件的紅外圖像，可以通過圖像分析技術(shù)找出電站中存在的故障。在無人機(jī)采集圖像的過程中，影響無人機(jī)自動(dòng)巡檢效率的主要因素有無人機(jī)續(xù)航能力，紅外相機(jī)分辨率，高效的巡檢路徑。

上述提出的問題中，無人機(jī)的續(xù)航能力和相機(jī)分辨率都可以通過硬件升級(jí)來進(jìn)行解決，而無人機(jī)巡檢路徑的規(guī)劃則是一個(gè)重要技術(shù)問題。在近些年的發(fā)展中，已經(jīng)逐漸擺脫了手動(dòng)規(guī)劃的局面，發(fā)展為自動(dòng)規(guī)劃飛行路徑。合適的飛行路徑不僅可以節(jié)省無人機(jī)的飛行時(shí)間，同時(shí)可以減少轉(zhuǎn)彎、加減速等耗電量較高的動(dòng)作，提高單次飛行巡檢量，減少飛行次數(shù)。

路徑是指的是無人機(jī)飛行過程中從起點(diǎn)到終點(diǎn)所有經(jīng)過路徑點(diǎn)的集合，路徑規(guī)劃是按照時(shí)間、距離這些性能指標(biāo)，分析和搜索出一個(gè)最合理的結(jié)果。因此，無人機(jī)光伏巡檢需要根據(jù)電站組串的布置，抽象得到路徑點(diǎn)，這些路徑點(diǎn)可以覆蓋全部待測(cè)目標(biāo)，并找到一條連接全部路徑點(diǎn)的路線，并根據(jù)無人機(jī)飛行性能和轉(zhuǎn)彎特性，對(duì)路徑進(jìn)行下一步分析和比較。

獲得了全部待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)后，則要將所有路徑點(diǎn)用一條線路連接在一起。常規(guī)的路徑規(guī)劃只考慮該線路有的長(zhǎng)度，希望能取最短長(zhǎng)度。但是在無人機(jī)實(shí)際飛行過程中，由于無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎過程是一個(gè)加速-減速-再加速的過程，該過程比直線飛行更加消耗時(shí)間和電能。因此，規(guī)劃無人機(jī)巡檢路徑時(shí)，不能只考慮路線長(zhǎng)度，需要兼顧考慮轉(zhuǎn)彎次數(shù)的多少及轉(zhuǎn)彎所消耗的時(shí)間。在不考慮無人機(jī)速度的情況下，無人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃可以簡(jiǎn)化為求解最短巡檢時(shí)間的問題。

運(yùn)維平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以解決無人自動(dòng)路徑最優(yōu)規(guī)劃的問題，將無人機(jī)的起降、飛行和規(guī)劃路徑、躲避障礙功能進(jìn)行集合，實(shí)現(xiàn)“一鍵巡檢”操作。為無人機(jī)配置可見光、紅外的雙光攝像頭，讓無人機(jī)在巡檢過程對(duì)光伏電站進(jìn)行拍照、發(fā)送，再通過運(yùn)維平臺(tái)中應(yīng)用對(duì)照片進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就可以實(shí)現(xiàn)熱斑、積塵、隱裂等等檢測(cè)項(xiàng)目，大大的節(jié)省了人力并提高了效率，無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng)框圖

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

在光伏電站的運(yùn)行過程中，可以依靠基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)來檢測(cè)孤島現(xiàn)象以及預(yù)防電網(wǎng)沖擊，這是保障光伏電站穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要舉措。除此之外，該系統(tǒng)還能夠提高光伏電站遠(yuǎn)程管理效率，降低遠(yuǎn)程信息傳輸成本。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以同時(shí)監(jiān)控整個(gè)光伏電站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量、安全、消防等數(shù)據(jù)和信息，該系統(tǒng)可以分為四層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)通過各類變送器和傳感器來采集光伏電站運(yùn)行的狀態(tài)信息，包括光伏組件、匯流箱、逆變器等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)量和保護(hù)裝置數(shù)據(jù)以及安全、消防設(shè)備信息。再通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降男畔⒑蛿?shù)據(jù)傳輸至本地監(jiān)控中心并進(jìn)行后續(xù)處理。

數(shù)據(jù)收集過程中適宜采用Zig-bee無線傳輸技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(fù)責(zé)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸入、修改、查詢，自動(dòng)生成單行表、聯(lián)系人表等圖表，并提供完整的維護(hù)功能，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中利用相互獨(dú)立的傳感器來對(duì)電網(wǎng)設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，收集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器共有兩種運(yùn)行模式：工作模式和睡眠模式。未接收到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，傳感器處于睡眠工作模式，數(shù)據(jù)采集模塊處于低電流接收狀態(tài)；接收到系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令后，傳感器進(jìn)入工作模式，開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)出記錄指令。數(shù)據(jù)采集之后的下一步是資料處理階段，該階段是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理的階段。系統(tǒng)處理器接收到各傳感器發(fā)送并被數(shù)字化處理過的信號(hào)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。這一階段的數(shù)據(jù)分析可以分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析和向量數(shù)據(jù)分析兩大類，網(wǎng)格數(shù)據(jù)分析是指對(duì)數(shù)據(jù)的疊加分析，統(tǒng)計(jì)分析，記錄分析，濾波分析，區(qū)域操作和擴(kuò)展域操作。向量數(shù)據(jù)分析主要指圖像的邊界整合，多邊形重新分類，點(diǎn)線重疊，空間數(shù)據(jù)查詢等。系統(tǒng)中的信號(hào)都是經(jīng)輸入設(shè)備數(shù)字化處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)，再發(fā)送至主機(jī)做進(jìn)一步處理的。數(shù)字處理就是把掃描后的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)、線、面積、拓?fù)潢P(guān)系等形式，再利用向數(shù)據(jù)識(shí)別地圖，從而實(shí)現(xiàn)地圖的數(shù)字化。將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并與預(yù)設(shè)的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)量超過設(shè)定值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警裝置，并將報(bào)警信息發(fā)送到相關(guān)維修單位，緊急處理事故，消除安全隱患，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果都通過輸出設(shè)備輸出到相關(guān)用戶。

該系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)光伏電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)、分析診斷、故障報(bào)警、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、系統(tǒng)查詢、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理的功能。通過互聯(lián)網(wǎng)可以將本地控制中心接收和處理過的信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心。遠(yuǎn)程控制中心借助于與本地控制中心的信息交互，就可以實(shí)現(xiàn)跨地域的個(gè)光伏電站集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理，接收到的信號(hào)和處理過的數(shù)據(jù)可以分門別類的進(jìn)行保存，提供給技術(shù)人員和管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比對(duì)。。

在光伏電站運(yùn)維中引入上述系統(tǒng)，除了能夠助力當(dāng)前光伏電站實(shí)現(xiàn)“降本增效”外，還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)光伏電站跨地域的統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，無論對(duì)于電站的運(yùn)營(yíng)者還是光伏產(chǎn)業(yè)本身，都能幫助其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

相對(duì)于傳統(tǒng)光伏電站運(yùn)維模式，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)無論是在提升效率還是在降低成本方面，都展示出了很強(qiáng)的優(yōu)越性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)日趨成熟，并且伴隨著硬件設(shè)備與通信技術(shù)的革新正在發(fā)生日新月異的變化，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于光伏電站運(yùn)維系統(tǒng)中也必將使得光伏電站的運(yùn)維工作效率進(jìn)一步提升，進(jìn)而使得光伏產(chǎn)業(yè)在未來的社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展浪潮中展示出更加耀眼的風(fēng)采。