安科瑞 劉邁

　　摘要：文章旨在探討基于物聯網技術的分布式光伏電站運維管理系統的設計與優化。首先，分析物聯網技術在光伏電站中的應用，提出運維管理系統架構設計和數據采集、傳輸與處理技術。其次，主要討論系統優化的策略與方法、故障診斷與預測技術以及運維效率與成本優化的關鍵方法。然后，展望該系統實施策略、未來發展趨勢以及新技術在光伏電站運維管理中的應用前景。文章旨在為光伏電站運維管理系統的發展提供指導，并為未來相關領域的研究提供重要參考。

　　關鍵詞：物聯網技術；光伏電站；分布式；運維管理；系統優化；數據采集

　　1研究背景和意義

　　隨著能源行業的不斷發展和環境保護意識的提高，光伏電站作為清潔能源的重要組成部分備受關注。然而，分布式光伏電站的規模不斷擴大，其運維管理面臨著諸多挑戰，包括設備監控、故障診斷、運行優化等方面的復雜問題。因此，設計并優化基于物聯網技術的

　　分布式光伏電站運維管理系統具有重要意義。這不僅有助于實現對光伏電站設備的實時監測和管理，提高光伏發電效率，還能降低運維成本，推動清潔能源產業的可持續發展。該系統的研究旨在為光伏電站運維管理提供更有效的解決方案，推動清潔能源技術的普及與發展。

　　2分布式光伏電站運維管理系統的設計與技術實現

　　2.1物聯網技術在光伏電站中的應用概述

　　物聯網技術在光伏電站中的應用廣泛且深遠。首先，它通過傳感器網絡檢測光伏電站各種設備，包括太陽能電池板、逆變器、計量設備等，利用傳感器實時采集設備的運行數據，如溫度、電壓、電流等參數，從而全面監控光伏電站運行狀態。其次，物聯網技術使這些數據能夠通過網絡進行傳輸，遠程監控光伏電站的運行情況，實現實時響應和遠程控制，從而

　　及時發現問題并采取相應措施。然后，物聯網技術支持數據的集中管理和存儲，通過云平臺等技術，將分散的數據整合起來，便于分析和利用。這種集中管理的數據可以為光伏電站運行提供更深入的分析，如性能評估、故障診斷以及預測性維護，從而提高光伏電站的運行效率和可靠性。

　　2.2運維管理系統的架構設計

　　運維管理系統的架構設計是確保光伏電站*效運行和維護的核心。首先，系統的架構應包括數據采集層、數據傳輸層、數據處理層以及應用服務層。數據采集層利用各類傳感器和監測設備獲取光伏電站各個節點的數據，包括溫度、光照強度、電壓及電流等。數據傳輸層負責將采集到的數據傳輸至數據處理層，采用安全可靠的通信協議，確保數據的實時性和完整性。數據處理層采用大數據技術，對海量數據進行存儲、清洗、處理及分析，以生成實用的信息和洞察力。應用服務層提供各類管理、監控和決策支持功能，包括設備監測、故障診斷、運行優化等。

　　架構設計需要考慮系統的擴展性和兼容性。光伏電站在運行過程中，可能會進行擴建或升級，因此系統的架構要能夠方便地擴展和接入新的設備和節點。同時，要考慮不同廠商設備的兼容性，確保系統能夠適應多樣化的設備和數據來源。

　　在架構設計中，采用分布式系統架構是一個值得考慮的方案。將系統分解為多個相互獨立的模塊，可以提高系統的并發處理能力和容錯性，避免單點故障對整個系統的影響。這種架構還有助于提升系統的可維護性和擴展性，更好地支持光伏電站的長期運行和管理。

　　2.3數據采集、傳輸與處理技術

　　數據采集、傳輸與處理技術在基于物聯網的分布式光伏電站運維管理系統中扮演著至關重要的角色。首先，數據采集技術通過各類傳感器監測光伏電站各個設備和環境參數，如太陽能電池板的溫度、光照強度、電壓及電流等。傳感器的選擇須考慮其精度、穩定性、耐用性以及對環境條件的適應能力。為確保數據的準確性和實時性，傳感器的布置位置和數量也需要精心設計，以全面覆蓋光伏電站的各個關鍵點。

　　其次，數據傳輸技術能夠保證采集到的數據及時、安全地傳輸至數據處理中*。其采用可靠的通信協議和網絡架構是必要的，如基于互聯網、局域網或通信網絡的傳輸方式。考慮光伏電站通常分布廣泛，采用*效的遠程通信技術，如無線傳輸技術和衛星通信技術等，可以保障數據傳輸的穩定性和有效性。

　　然后，數據處理技術涉及對海量數據的存儲、清洗、處理及分析。使用大數據技術（云計算、分布式計算等）存儲和管理數據十分常見。數據清洗和預處理是為了去除噪聲、填補缺失值以及保證數據的質量。數據分析包括描述性分析、統計分析等，以從數據中提取有用的信息和規律，為故障診斷、預測維護、性能優化等提供決策支持。

　　3分布式光伏電站運維管理系統優化

　　3.1系統優化策略與方法

　　系統優化在基于物聯網的分布式光伏電站運維管理中扮演著至關重要的角色。首先，采用智能化的調度和管理。利用預測算法和優化模型，可以預測和優化光伏電站的能源產出、設備性能等。通過智能調度設備運行時間、能源利用率以及避免高負荷時段，系統可以實現更*效的運行。例如，結合天氣預測數據，優化光伏板的傾斜角度和方向，以獲得光照收集效果。

　　其次，采用故障診斷技術和預測維護。利用數據分析和機器學習方法，實時監測和分析數據，能夠快速識別設備故障或異常，并提供預警。這樣可以避免設備故障對系統運行造成的不利影響，降低維修時間和成本。

　　之后，采用自動化流程和遠程監控。自動化的運維流程能夠減少人工干預，提高運維效率，如自動化巡檢、遠程故障診斷以及遠程控制，可以迅速響應問題并降低人力資源成本。

　　3.2故障診斷與預測技術

　　故障診斷與預測技術在基于物聯網的分布式光伏電站運維管理系統中扮演著至關重要的角色。這些技術能夠幫助識別并預測設備故障，以便及時采取措施，很大限度地減少系統停機時間和維修成本。

　　一方面，故障診斷技術基于實時數據監測和分析。通過傳感器實時采集光伏電站各個設備的運行數據，如溫度、電壓、電流等參數，利用數據分析技術和模型識別異常狀態。當數據超出預設范圍或與正常模式偏離時，系統會發出警報并觸發相應的故障診斷流程。這樣可以及時發現設備故障或潛在問題。

　　另一方面，預測技術是利用歷史數據和機器學習算法進行未來故障的預測。通過對歷史數據的分析和模式識別，系統能夠預測設備的壽命、性能衰退趨勢或潛在故障模式。這有助于采取預防性維護措施，提前替換故障風險較高的部件，避免突發故障造成的損失[4]。

　　故障診斷與預測技術可以結合專家系統或知識圖譜。通過建立設備故障庫和知識圖譜，系統可以快速識別并匹配相似的故障模式，提供更準確的故障診斷和預測。

　　3.3運維效率與成本優化

　　提高運維效率并優化成本是基于物聯網的分布式光伏電站運維管理中的重要目標。為達到這一目標，需要采用一系列策略和方法，涉及設備管理、人力資源利用、技術優化等多個方面。

　　運維效率的提高可以通過自動化和智能化實現。引入自動化設備監測、故障診斷和維修流程，可以減少人工干預，提高運維響應速度和準確性。智能化調度和計劃可以優化維護工作安排，合理利用人力資源，確保在需要時有足夠的技術支持。技術優化也是提升運維效率的關鍵。采用*進的設備監測和管理技術，如遠程監控、傳感器技術、數據分析等，可以實現對光伏電站設備狀態的實時監測和管理。這種實時監控有助于提前發現并解決潛在問題，減少維護時間和維修成本。

　　成本優化需要考慮運維過程中的多個方面。例如，采用可靠性高的設備和材料能夠減少維修次數和費用；合理的維護策略和計劃能夠降低因突發故障帶來的停機損失。

　　4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

　　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*進經驗，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充電站微電網能量管理系統解決方案

　　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。

6.硬件及其配套產品

7結束語

　　光伏電站運維管理系統的設計與優化是當前能源領域的重要課題，通過對物聯網技術、數據采集、運維優化等方面的研究與探索，文章全面探討了提升光伏電站運維效率、降低成本、實現智能化管理的關鍵策略與方法。未來，隨著新技術的不斷涌現和能源行業的進一步發展，光伏電站運維管理系統將迎來更多創新與突破，為實現更*效、可靠及可持續的清潔能源生產貢獻力量。

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