區域分布型光伏電站運營管理系統設計

董永超，唐云龍，孔 波，王留送

(國家電網許繼集團微電網系統公司，河南許昌461000)

區域分布型光伏電站運營管理系統設計

董永超，唐云龍，孔 波，王留送

(國家電網許繼集團微電網系統公司，河南許昌461000)

隨著光伏發電能源利用形式逐步發展，光伏電站的管理模式已經開始從單一的電站管理向跨地市、跨省份乃至跨國界的方向發展。這些電站從分布情況來看已經形成區域化的分布形式，傳統的光伏電站監控系統已經不能滿足電站運營商的統一集中運營管理的需求。研究了一種區域分布型光伏電站運營管理系統，闡述了該系統的總體架構、組網方式、基于GIS服務的數據監測模型構建以及基于專家系統的運維決策體系方法及應用。對該系統產生的效果及未來的應用前景進行了總結與展望。

分布型；光伏；運營管理；專家系統

太陽能作為一種新型可再生能源，與傳統能源相比具有可再生、無污染、來源廣泛等優點，是替代化石能源的主要選擇。作為太陽能的重要應用，光伏發電技術已經成為各國爭相發展的新能源技術之一。由于產業政策的驅動，光伏電站在我國形成了爆發性的增長，而目前光伏電站運行維護的專業人員配備卻普遍不足，光伏組件因受灰塵或工業粉塵的影響而未及時清掃，從組件側即削減了光伏場的出力，逆變器長期低效運行而不能及時發現導致光伏電站的產能低于預期，這些因素都不利于光伏能源的利用。

本文研究的光伏電站運營管理系統采用分層分布架構，建立了區域分布型光伏電站群全景數據采集及數據挖掘技術的運維管理體系，旨在提供電站就地層的智能故障診斷及綜合運行維護策略，開展用戶側分布式光伏發電系統的運營模式創新，動態分析各個電站的運營情況，提高電站整體發電經濟運營能力。

1 系統結構

區域分布型光伏電站運營管理系統由電站就地層、集中管理層和人機交互層三部分組成。其中就地層主要負責電站數據接入及轉發；集中管理層通過海量數據深度挖掘與分析，實現光伏電站數據統一集中監測、光伏電站運維決策、資產管理、發電效率和投資收益分析及Web發布功能；在人機交互層,用戶可用PC、PAD、智能手機等設備通過瀏覽器方式訪問集控數據中心，查看相關數據信息。本文主要介紹區域分布型光伏電站運營管理系統運維決策體系部分。圖1為區域分布型光伏電站運營管理系統結構。

2 通訊架構

區域分布型光伏電站集中運營管理系統通訊網絡采用星型網絡結構，光伏場內數據上送采用IEC 104協議，由部署于各個光伏子站的數據上送裝置主動向運營管理中心發起連接，集中運營管理中心端部署固定IP，通過端口映射的方法，實現數據上送裝置和接收裝置的通訊。圖2為運營管理系統組網方式。

數據上送裝置與數據接收裝置通訊采用C/S建構的socket通信，實現多個客戶端連接在一個服務器上，通訊規約擬采用IEC 104。若接收裝置部署在內網段，則路由器需使用端口映射功能。

標準的IEC 104協議是基于TCP／IP網絡的調度主站和遠方子站遠動通信協議，主要包括IEC 60870-5-104的體系結構、參考模型、傳輸幀格式、傳輸機制和流程[1]。一般的體系結構定義如圖3所示。

圖1 區域分布型光伏電站運營管理系統結構

圖2 運營管理系統組網方式

圖3 IEC 104體系結構定義

標準IEC 104的規約結構如表1所示。

標準的IEC 104應用模式為站端作服務端，控端作客戶端，但區域分布型光伏電站運營管理系統采用公共互聯網的通訊模式，若由控端主動發起對站端的數據鏈接，一旦網絡中斷，各個子站均需申請固定IP方可支持網絡鏈接的重新建立，效率較低，且通訊穩定性差，因此需修改數據上送裝置的轉發協議，并做如下工作：在標準的IEC 104基礎上，修改TCP/IP協議的連接方式和傳輸機制，其他內容保持不變。把原有的IEC 104協議站端為服務端，控端為客戶模式修改成站端為客戶端，控端為服務端，仍采用平衡式傳輸。

表1 IEC 104規約結構

3 系統應用服務模型構建

3.1 電站應用模型服務體系

應用模型服務體系是應用模型服務、應用模型管理系統功能服務分解后的相關服務的組織體系，該體系定義應用模型相關服務的功能種類以及各服務的相互關系[2]，是基于Web實現GIS(地理信息服務)與應用模型服務集成的基礎。本文所涉及的應用服務體系主要分為模型交互服務、模型管理服務、工作流及任務管理服務、模型處理服務、模型通訊服務、模型系統管理服務。圖4為應用服務模型結構。

圖4 應用服務模型結構

區域分布型光伏電站的應用服務涵蓋電站數據監測及告警，電站數據統計及分析、運維工作計劃的分配、考核與管理、電站備品備件管理等等。

3.2 GIS地理信息服務

GIS地理信息服務實現分布式光伏電站地理分布數據的采集、儲存、管理、運算、分析顯示和描述[3]。該服務以地圖形式進行所轄電站的數據導航。地圖上可展示用戶在各個省份所轄電站的基本信息，包括省內電站數量、總裝機容量、當前總發電功率、歷史總發電量等內容。通過地圖可任意切換至各個電站，查看各個電站運行狀況。

3.3 電站綜合運維決策服務

光伏電站的運行維護是保障光伏電站長期健康發展，帶來穩定收益的必要條件，智能化、信息化的發展將是電站未來進行運行維護的重要手段。光伏電站設備運行監視的模擬量、開關量信息由監控系統采集上送以后，大部分是按照時序顯示事件，未作任何的分層或判斷處理。當發生事故時，電站值班員很容易眼花繚亂、抓不住重點，影響事故的正確處理，并可能遺漏重要告警信號，延誤處理造成事故。

3.3.1 電站故障推理決策模型構建

電站故障推理決策模型基于告警和異常處理專家系統而建立，可對光伏電站運行信息進行智能化管理，提取故障報警信息，輔助故障判斷及處理，從而彌補變電所值班員技術業務水平參差不齊帶來的巨大隱患，同時也減少了值班員的工作量。圖5所示為智能故障診斷專家系統原理。

圖5 智能故障診斷專家系統原理

為了在光伏電站智能診斷專家系統中對復雜問題進行綜合推理，提高系統的智能水平，需要對光伏電站事故和告警處理的業務規則進行制定，并研究特定業務知識的表達方法和綜合推理機制，設計具有針對性的邏輯推理機，作為光伏電站智能診斷專家系統的核心部件。

(1)知識庫設計

為了使專家系統能運用領域知識，必須要采用一定的方式表示知識。基于規則的產生式系統是目前實現知識運用最基本也是最成熟的方法[4]。一般來說，產生式專家系統的知識庫中包含了大量的業務知識規則，它的知識庫就是一個規則集。

產生式專家系統表示具有因果關系的知識，其遵循的基本形式為：P→Q或者If P Then Q。其中，P是產生式的前提(前件)，Q用于指出該產生式是否可用的條件，是一組結論或操作(后件)，用于指出當前提P所指示的條件滿足時，應該得出的結論或應該執行的操作。產生式規則的語義為：如果前提P被滿足，則可推出結論Q或執行Q所規定的操作。

(2)推理機設計

作用：推理機針對當前問題的條件或已知信息，反復匹配知識庫中的規則，獲得新的結論。

過程：推理機通過故障推理模型對光伏電站主要的故障類型及故障條件進行歸納總結，進而匹配知識庫中大量的業務知識規則，輸出當前故障的故障類型、相關信息、故障結論及處理方式，形成故障推理報告。

智能診斷專家系統中采用正向推理，對智能診斷推理機設計的功能如下：

1)逐一事件推理

定義光伏電站每個信號所屬的事故告警信號種類，形成逐一事件推理判斷關系，在告警事件發生后，可以根據每條告警信息做出推理，給出異常事故發生的原因及處理措施。為推理判斷可以人工靈活干預，關聯關系可以逐條定義，也可以通過快速定義軟件批量實現，大大提高關聯效率。

2)綜合事件推理

在邏輯判斷知識庫中包括多個事件綜合判斷的判別邏輯。在一個短時間段內，光伏電站某一間隔設備連續發生多個(2個以上)事故或告警信號，這些連續發生信號是一個存在關聯的有機整體，稱為一個“綜合事件”。這個綜合事件必然是由某個事故或異常引起，“綜合推理”邏輯就是要根據發生的“綜合事件”推理出該單元設備究竟發生了何種異常和事故，給出一個綜合的判斷和處理方案。

3)不完整信號或缺失信號時的模糊推理

在進行綜合推理時，關聯信號中的某一個或幾個信號缺失，此時綜合推理是一種模糊推理，所設計的推理機應該能根據現有信號進行模糊推理，對推理出的異常和事故的原因及處理原則按照置信度進行排序。

4)對推理的結果進行排序以及解釋

對于綜合推理或者模糊推理的結果可根據推理機推理出的異常或事故的置信度進行排序，并對推理出的結果進行解釋，給出原因及處理原則。

事件推理數據流如圖6所示。

圖6 事件推理數據流

(3)案例分析

以某電站1#發電單元發電效率告警為例，專家系統設計內容如下。

信號名稱：1#發電單元發電效率告警；

信號含義：1#發電單元發電效率下降；

信號來源：電站監控系統；

信號類別：預警信號；

關聯信號：

A 1#發電單元匯流箱各支路狀態；

B 1#發電單元直流柜各支路狀態；

C 1#發電單元逆變器狀態；

D 1#發電單元逆變房溫度告警信號；

E 1#發電單元電纜接頭溫度告警信號；

產生原因：

a匯流箱某支路斷路；

b直流柜某支路斷路；

c逆變器故障；

d銅牌搭接不良造成絕緣故障；

e光伏方陣積灰或部分組件損壞；

處理原則：

a檢查匯流箱并進行修復；

b檢查直流柜并進行修復；

c檢查逆變器并進行修復；

d檢查相應銅牌搭接并進行修復；

e清掃組件，進行組件排查。

推理機反復匹配如表2所示規則。系統一旦發生告警，可通過反復匹配此規則，輸出系統告警原因及維護建議。

表2 推理機規則

3.3.2 電站運維服務決策模型構建

光伏電站綜合運維決策系統由故障推理決策、運維服務決策構成。其中故障推理決策是光伏電站綜合運維決策系統的核心，也是運維服務決策輸出結果的必要前提條件。

故障推理決策輸出可大致分為三類：第一類，電站設備的定期巡檢；第二類，設備異常告警，進行設備維護；第三類，設備故障，進行停機檢修。故障推理決策輸出的不同結果對運維服務的可執行度亦不相同，兩者構成階段性的正相關關系。

影響運維決策的原因也可分為三類：第一類，電站故障推理結果；第二類，處理該結果所需維護成本；第三類，處理該結果可帶來的收益。這三者關系如圖7所示。

圖7 運維服務決策模型

運維決策以電站故障推理結果為前提，以預期運維投資收益比最大為主導要素輸出運維可執行度，運維可執行度區間為[0 1]，用戶可根據運維執行度來決定是否執行電站運維。

4 結論與展望

區域分布型光伏電站運營管理系統結合GIS地理信息服務實現光伏電站的遠程實時監控，快捷方便，其運維決策體系通過綜合電力領域知識構建完備的故障推理模型和專家系統知識庫。根據故障發生的關鍵條件，結合系統的接線方式和運行方式、開關變位信息、開關刀閘狀態、遙測量等信息，綜合判斷，得出故障的故障類型、相關信息、故障結論及處理方式，形成故障推理報告，反映光伏電站運行狀態，提醒光伏電站值班人員及時維護，使得光伏電站收益最大化。該系統推動了光伏電站遠程化、智能化、信息化管理方向的發展，具有廣闊的應用前景。

[1]牛春霞，宋瑋.IEC 60870-5-104遠動網絡通信協議的應用與實施[J].河北電力技術，2006，25(1)：30-33.

[2]于海龍，鄔倫，劉瑜，等.基于Web Services的GIS與應用模型集成研究[J].測繪學報，2006，35(2)：153-159.

[3]王曉輝.基于SOA的電力GIS平臺及關鍵技術研究[D].保定：華北電力大學，2012.

[4]陳波.分布式遠程故障診斷專家系統的框架及若干關鍵技術的研究[D].大連：大連理工大學，2002.

Operation management system design for regional distribution pattern of photovoltaic power plant

With the development of photovoltaic generation's energy utilization patterns,the management model of PV power plant is changing from one single station to cities,provinces and even cross-border.Theses stations have been distributed in the form of regionalization;the traditional PV plant monitor system has been unable to meet the need of the centralized operator operations management.A kind of regional distribution operations management system of PV power plant was studied,such as its architecture,networking,data monitoring model based on GIS services,the setup of operation and maintenance decision-making method based on expert system.The effect of the system and its application prospect were summarized.

distribution;PV;operation management;expert system

TM 615

A

1002-087 X(2016)06-1251-04

2015-12-12

董永超(1985—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為光伏發電并網監控系統、計算機理論及應用。