安科瑞 劉秋霞
摘要：隨著分布式光伏電站的迅猛發展，其在日常運維中遇到了諸多挑戰。為有效應對分布式光伏電站運維中的難題，在概述物聯網技術的基礎上，分析基于物聯網技術的分布式光伏電站智能運維系統模塊構建，包括異常監測與告警、故障預警與預防、遠程監控與管理，并通過實際案例分析系統應用成效，以期為分布式光伏電站的智能運維提供參考。
關鍵詞：分布式光伏電站；智能運維；故障診斷和預警
隨著能源需求不斷增長和環境保護的呼聲日益高漲，分布式光伏電站作為可再生能源的重要應用形式迅速發展。然而，與集中式光伏電站相比，分布式光伏電站的運維管理面臨著一系列挑戰，包括設備故障檢測、資源優化利用和成本控制等。為解決這些問題，并提高分布式光伏電站的發電效率和穩定性，物聯網技術被引入分布式光伏電站的運維管理中。然而，現階段物聯網技術僅對設備進行狀態監測，并沒有融合數據分析技術對設備進行智能診斷。
本文通過數據分析技術和智能算法，建立一套基于物聯網技術的分布式光伏電站智能運維系統，該系統可以進行故障診斷和預警，提供運維決策和交互界面，使分布式光伏電站的運維管理更加智能和*效。目前，該系統已在多個電站成功應用，取得了顯著成效。
物聯網技術是指通過將各種物理設備（如傳感器、執行器和智能設備）與互聯網連接起來，實現設備之間的互聯互通和智能化交互。物聯網技術的核心思想是將具有*一標識符的物品通過網絡進行連接、交互和管理，從而實現對物品的實時監測、遠程控制、數據采集和分析。物聯網技術的內涵包括以下5個方面：①感知與識別。通過傳感器和識別設備實時獲取和感知物品或環境的信息，如溫度、濕度、位置等。②通信與互聯。利用無線通信技術和網絡協議，實現物品之間的互聯互通，以及與云平臺或其他終端設備的數據傳輸和交互。③數據采集與處理。采集物品數據并進行整合和處理，提取有用的信息，并進行存儲和分析。④智能決策與控制。基于數據分析和人工智能算法，實現對物品的智能決策與控制，使其能夠根據環境變化和需求做出響應和調整。⑤應用與服務。將物聯網技術應用于各個領域，如智能家居、智慧城市、工業自動化等，提供各種智能化的應用和服務。
2.1異常監測與告警
分布式光伏電站由于地理位置多變、電網波動較大、整體運維能力較弱等原因，頻繁出現設備停機、低效運行、散熱異常等問題。智能運維系統通過物聯網技術實時監測設備狀態數據，利用多維數據融合提取異常特征，并結合機器學習或自適應動態模型規則引擎，對光伏電站設備的異常運行狀態進行監測和診斷，*準*效定位故障設備，解耦一些深度耦合的場景，并精細化識別故障類型，有效指導實際運維。
以組串設備異常診斷為例，智能運維系統獲取設備物聯數據，如電流、氣象、地理位置、光資源等數據，如圖1所示，并利用多維數據融合提取設備運行特征，如圖2所示，進而建立異常定位模型，再通過故障分類模型，精細化識別故障類型。還可通過電站設備畫像進行低效模型反校驗，提高診斷準確性，基于機器學習或自適應動態模型規則引擎的異常診斷模型如圖3所示。
2.2故障預警與預防
通過對歷史數據和實時數據進行分析，并利用機器學習算法進行故障預測，可以幫助光伏電站實現更加智能化的運維管理，圖4為基于參數優化的支持向量機（SVM）狀態預警算法模型。通過分析設備的運行趨勢、參數變化等信息，智能運維系統可以識別和預測潛在的故障和問題。運維人員能夠根據這些預測結果，提前采取相應的預防措施，如定期維護、更換可能出現問題的部件，從而降低故障發生的風險。通過預防性維護，可以減少設備的停機次數、提高設備的可靠性，保證光伏電站穩定運行。同時，預防性維護還能幫助運維人員更有效地安排工作計劃和資源，提高運維效率和降低成本。
2.3遠程監控與管理
借助物聯網技術，運維人員可以遠程監控光伏電站的各個設備和參數，隨時了解電站的運行情況，從而提高運維效率和反應速度。運維人員可以通過遠程管理界面實時查看各個設備的狀態、能源產量、溫度、電壓等關鍵參數，并與歷史數據進行對比分析，以快速發現異常和潛在問題。一旦出現異常，智能運維系統可通過短信、郵件或應用程序通知向運維人員推送報警信息，便于及時采取必要的措施。此外，利用遠程管理界面，運維人員可以進行遠程控制操作，如調節設備的輸出功率或重新啟動系統等，以解決一些簡單的問題，這大幅減少了運維人員的出勤次數，提高了運維效率，同時降低運維成本。通過物聯網技術，運維人員還可以進行更加智能化的工作計劃和排程管理。同時，遠程監控還能支持團隊協作，運維人員可以共享監控數據和報警信息，進行實時協商和制定解決方案。
某地區建設了一座分布式光伏電站，并應用了基于物聯網技術的智能運維系統，如圖5所示。為每個光伏發電系統配備了多個傳感器，用于環境參數監測（如溫度、濕度、輻照度等）以及設備狀態檢測（如逆變器的工作溫度、輸電線路的電流等）。這些傳感器通過無線網絡與**控制服務器相連，將數據傳輸到智能運維系統進行存儲和分析。通過大數據分析和機器學習算法，智能運維系統能夠對收集到的數據進行處理，發現潛在的故障和異常，同時還可以對發電設備的性能進行評估和預測。當系統檢測到故障或異常情況時，會自動發送報警信息給運維人員，并提供詳細的故障診斷結果和修復建議。運維人員可以遠程登錄系統，查看實時數據和故障詳情，遠程操作和控制設備。此外，智能運維系統還具備故障數據存檔和歷史記錄功能，運維人員可以通過系統界面查看設備的維護歷史和故障原因分析，為日后的維護工作提供參考。
4.1平臺概述
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的**經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
4.2平臺適用場合
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
4.3系統架構
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
圖1典型微電網能量管理系統組網方式
5.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖1系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。
5.1.1光伏界面
圖2光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
5.1.2儲能界面
圖3儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖4儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖5儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖6儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖7儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖8儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。
圖10儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖11儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。
5.1.3風電界面
圖12風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
5.1.4充電站界面
圖13充電站界面
本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。
5.1.5視頻監控界面
圖14微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
5.1.6發電預測
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
圖15光伏預測界面
5.1.7策略配置
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。
具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。
圖16策略配置界面
5.1.8運行報表
應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。
圖17運行報表
5.1.9實時報警
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
圖18實時告警
5.1.10歷史事件查詢
應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖19歷史事件查詢
5.1.11電能質量監測
應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；
3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。
7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
圖20微電網系統電能質量界面
5.1.12遙控功能
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
圖21遙控功能
5.1.13曲線查詢
應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
圖22曲線查詢
5.1.14統計報表
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。
圖23統計報表
5.1.15網絡拓撲圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖24微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
5.1.16通信管理
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
圖25通信管理
5.1.17用戶權限管理
應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖26用戶權限
5.1.18故障錄波
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
圖27故障錄波
5.1.19事故追憶
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前*個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。
5.2硬件及其配套產品
序號 | 設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統 | Acrel-2000MG |
| 內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等 |
2 | 顯示器 | 25.1英寸液晶顯示器 |
| 系統軟件顯示載體 |
3 | UPS電源 | UPS2000-A-2-KTTS |
| 為監控主機提供后備電源 |
4 | 打印機 | HP108AA4 |
| 用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式 |
5 | 音箱 | R19U |
| 播放報警事件信息 |
6 | 工業網絡交換機 | D-LINKDES-1016A16 |
| 提供16口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題 |
7 | GPS時鐘 | ATS1200GB |
| 利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步 |
8 | 交流計量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"遜信“和“遙控"的功能 |
9 | 直流計量電表 | PZ96L-DE |
| 可測量直流系統中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。可帶RS485通訊接口、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能 |
10 | 電能質量監測 | APView500 |
| 實時監測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。 |
11 | 防孤島裝置 | AM5SE-IS |
| 防孤島保護裝置，當外部電網停電后斷開和電網連接 |
12 | 箱變測控裝置 | AM6-PWC |
| 置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環網交換機功能的測控裝置 |
13 | 通信管理機 | ANet-2E851 |
| 能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多路上送平臺據: |
14 | 串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及完*斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備 |
15 | 遙信模塊 | ARTU-K16 |
| 1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發 |
通過充分利用物聯網技術，可以提高光伏電站的整體效益、穩定性和可持續性，降低維護成本和人力資源消耗。智能運維系統將推動光伏電站數字化轉型，為可再生能源行業的發展和能源轉型做出積極貢獻。隨著物聯網技術不斷進步和應用范圍擴大，相信分布式光伏電站智能運維系統將在未來取得更多突破和創新，為光伏電站的管理和運維提供更加*面、*效的解決方案。
【1】于恬.分布式光伏電站運維管理與發展趨勢[J].中國科技期刊數據庫工業 A，2023（4）：38-41.
【2】張程博.大數據技術下光伏電站運維系統研究[J].電力系統裝備，2023（1）：127-129.
【3】付蓉.物聯網技術在光伏電站運維系統中的應用研究[J].電子制作，2022，30（12）：75-77.
【4】劉志其，李 博，任大磊，孫 昭.基于物聯網技術的分布式光伏電站智能運維系統
【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
