基于OpenStack的光伏蓄電池管理云的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙曉賓,邱美艷,張 垚

(1.西門子歌美颯可再生能源科技(中國(guó))有限公司,天津 300384;2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津 300350)

0 引言

太陽(yáng)能作為一種新型、綠色的可再生能源,取之不竭、用之不盡,越來越受到人們的關(guān)注,發(fā)電過程中,綠色環(huán)保,也沒有地域的限制[1]。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念不斷深入人心,全球太陽(yáng)能開發(fā)利用都有著良好的發(fā)展前景,許多國(guó)家將太陽(yáng)能作為重要的新興產(chǎn)業(yè)。光伏蓄電池的維護(hù)和保養(yǎng)是光伏電站中運(yùn)維工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié),調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,含有蓄電池的供電系統(tǒng)中,70%的故障原因是由蓄電池的相關(guān)故障引發(fā)的。因此,構(gòu)建光伏蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng),是光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的有力支撐[2]。面向?qū)嶋H應(yīng)用工程,研究對(duì)蓄電池充放電的有效監(jiān)控,對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[3]。

1 光伏蓄電池云平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要性

長(zhǎng)期以來,由于技術(shù)限制,光伏蓄電池的在線性能檢測(cè),只能停留在對(duì)電池組黑盒管理的水平上。因成本原因,人們對(duì)蓄電池的檢測(cè),無(wú)論在對(duì)象范圍、數(shù)據(jù)采集量,還是匯總和共享分析等方面,都無(wú)法做到全面掌握,只能通過技術(shù)手段來建模分析。這一方面,國(guó)外(以美國(guó)、德國(guó)、日本為代表)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì),并能夠?qū)⒉糠殖晒麘?yīng)用于運(yùn)維的優(yōu)化環(huán)節(jié),產(chǎn)生了局部的經(jīng)濟(jì)效益。而國(guó)內(nèi)則根據(jù)行業(yè)的不同要求,以各個(gè)使用單位為主體,也有類似的研究和應(yīng)用,但由于格局和構(gòu)架的限制也只是有針對(duì)性的運(yùn)用。因此,目前光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中,用戶對(duì)于蓄電池部分的數(shù)據(jù)獲取和優(yōu)化管理還相當(dāng)薄弱。

目前,蓄電池“電池云”的概念和構(gòu)架已經(jīng)日趨成熟,一些具有該方面技術(shù)實(shí)力的公司,已經(jīng)部分展開實(shí)驗(yàn),力爭(zhēng)早日取得驗(yàn)證結(jié)果。通過“電池云”的物聯(lián)構(gòu)架和智能平臺(tái),企業(yè)用戶可以建立面向企業(yè)的電池運(yùn)維服務(wù)。最終期望將不同用戶的蓄電池物聯(lián)為統(tǒng)一的“電池云”,大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的計(jì)算結(jié)果,用戶之間可以共享。OpenStack是一種開源云計(jì)算平臺(tái),可以為私有云和公有云提高可擴(kuò)展的彈性云計(jì)算服務(wù),具有操作簡(jiǎn)單、可拓展性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)[4],已經(jīng)被IT行業(yè)廣泛運(yùn)用于云計(jì)算平臺(tái)開發(fā)過程。相對(duì)于其他平臺(tái),OpenStack具有基礎(chǔ)條件要求不高、部署簡(jiǎn)單以及方便管理等優(yōu)勢(shì),主要由計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、驗(yàn)證、鏡像、塊存儲(chǔ)、界面等核心服務(wù)構(gòu)成[5-6]。因此構(gòu)建基于OpenStack的光伏蓄電池管理“電池云”智能平臺(tái),對(duì)蓄電池進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià),對(duì)于光伏企業(yè)非常有意義。

本文通過OpenStack,搭建了監(jiān)測(cè)光伏蓄電池運(yùn)行狀況的云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了蓄電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警,將以往的按組評(píng)價(jià)管理的蓄電池,提升到更為精準(zhǔn)的按電池單元來評(píng)價(jià)管理,形成“電池云”。系統(tǒng)可建立蓄電池的全生命周期的評(píng)價(jià)環(huán)境,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光伏電站中蓄電池的供電保障化、管理科學(xué)化、安全可視化、測(cè)試網(wǎng)絡(luò)化、維護(hù)在線化、壽命延長(zhǎng)化和節(jié)約全面化。

2 光伏蓄電池云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于OpenStack平臺(tái)構(gòu)建的光伏蓄電池智能管理系統(tǒng),包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層和電池層,如圖1所示。感知層通過光伏電站(基站)的傳感器與通信設(shè)施采集電池層中蓄電池組件的參數(shù)(如電流、電壓、溫度等)信息,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層;網(wǎng)絡(luò)層中通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)蓄電池電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ),經(jīng)服務(wù)器傳輸?shù)皆贫?最終在應(yīng)用層中顯示光伏蓄電池的參數(shù)以及狀態(tài)信息。

圖1 蓄電池云平臺(tái)管理系統(tǒng)

本文針對(duì)光伏電站蓄電池運(yùn)維設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)電池層數(shù)據(jù)的采集硬件,采用高性能的多元通用接口,對(duì)光伏電站中使用的各種種類的蓄電池以及新型電池等均具有廣泛的通用性。

2.2 光伏蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

通過智能管理云平臺(tái),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取物聯(lián)網(wǎng)中任意一個(gè)電池組及電池單元的電壓、電流、環(huán)境溫度等參數(shù),可以通過數(shù)據(jù)列表及實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示來查看,如圖2所示。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)數(shù)據(jù)的備份與保存,將在線采集蓄電池?cái)?shù)據(jù)入庫(kù),并進(jìn)行狀態(tài)劃分。

圖2 蓄電池在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.3 光伏蓄電池故障報(bào)警

系統(tǒng)通過云平臺(tái)數(shù)據(jù)的分析,從界面上可以顯示蓄電池出現(xiàn)的故障報(bào)警情況,如圖3所示,當(dāng)蓄電池發(fā)生充放電以及其他方面的運(yùn)行故障時(shí),故障點(diǎn)會(huì)在界面上清晰地顯示出來。同時(shí)系統(tǒng)可以將各光伏蓄電池組的報(bào)警情況,在GIS地圖上及時(shí)反映出來,如圖4所示。報(bào)警信息反映直觀且及時(shí),便于運(yùn)維人員和管理人員掌握情況,方便用戶及時(shí)進(jìn)行消缺或保養(yǎng)。同時(shí),系統(tǒng)還可以根據(jù)客戶需求,進(jìn)一步擴(kuò)展為自動(dòng)派單消缺系統(tǒng)。

圖3 蓄電池的報(bào)警日志

圖4 實(shí)時(shí)GIS報(bào)警

2.4 建立蓄電池歷史趨勢(shì)分析

系統(tǒng)可以采集蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)的分析,如圖5所示,通過歷史趨勢(shì)分析,用戶可以精確地找到潛藏的隱性故障(如接入線阻過大、漏電等),從而提前消除隱患。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間,并采集到足夠多的數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)還可以依據(jù)云平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算功能,進(jìn)一步將運(yùn)維的方案智能優(yōu)化,包括依據(jù)性能設(shè)定可變更參數(shù)來提高電池壽命,或?qū)⑴f電池優(yōu)化重組來提高性能和服役期。

圖5 蓄電池的歷史趨勢(shì)分析

3 經(jīng)濟(jì)收益估算

3.1 提高使用壽命

光伏蓄電池的理論壽命一般為10～15年,實(shí)際使用中的目標(biāo)為8～10年,目前由于環(huán)境溫度、使用維護(hù)等原因,熱帶地區(qū)蓄電池的平均壽命僅為2～3年。若采用本智能管理系統(tǒng)后,蓄電池的使用壽命將會(huì)提高到5～6年,如果增加在線養(yǎng)護(hù)模塊,預(yù)期使用壽命可達(dá)7～9年。

3.2 降低運(yùn)維成本

光伏蓄電池云平臺(tái)系統(tǒng)不但可節(jié)省整組替換或精確排查的費(fèi)用,而且還可通過電池塊性能的監(jiān)測(cè)來預(yù)防此類現(xiàn)象發(fā)生,保障服務(wù)品質(zhì),節(jié)約運(yùn)維成本。以某光伏電站為例,現(xiàn)有蓄電池總數(shù)約6 000組(室內(nèi)站3 600組,室外站2 400組),參考相關(guān)行業(yè)實(shí)際情況,依據(jù)報(bào)廢電池實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),在出質(zhì)保期到報(bào)廢年限的周期內(nèi),由于少量電池單元的劣化使整組電池性能低下,報(bào)廢率約為2.9%。原來采取整組電池更換的方法成本較高,在使用電池塊精準(zhǔn)運(yùn)維后,經(jīng)計(jì)算用戶節(jié)約電池采購(gòu)成本約490萬(wàn)元。

3.3 減少電池備件

目前光伏蓄電池組的管理模式中,電池備件庫(kù)按組來統(tǒng)計(jì)采購(gòu),蓄電池云平臺(tái)可量化管理電池云中每一個(gè)電池塊的健康度及使用壽命,用戶可以依據(jù)云計(jì)算平臺(tái)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),精準(zhǔn)地確定每年需要補(bǔ)充的電池備件數(shù)目。蓄電池備件數(shù)會(huì)隨著電池管理精度的提高而減少,降低了采購(gòu)費(fèi)、人員管理費(fèi)以及場(chǎng)地租用等相關(guān)費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏電站中蓄電池的運(yùn)行和維護(hù)是光伏電站運(yùn)維的主要環(huán)節(jié),本文介紹了基于OpenStack的光伏蓄電池云管理平臺(tái)的搭建與應(yīng)用。依據(jù)云平臺(tái)的主要功能,系統(tǒng)對(duì)蓄電池的電流、電壓以及溫度等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示,形成故障的實(shí)時(shí)報(bào)警以及蓄電池的歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)分析,將以往的按組評(píng)價(jià)管理的蓄電池,提升到更為精準(zhǔn)的按電池單元來評(píng)價(jià)管理。隨著數(shù)據(jù)的不斷積累,蓄電池的評(píng)測(cè)將越來越精準(zhǔn),未來會(huì)形成更加先進(jìn)的故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)(包括壽命、健康度、放電能力等參數(shù)),蓄電池運(yùn)行的可靠度將進(jìn)一步提高。在準(zhǔn)確評(píng)估蓄電池長(zhǎng)期性能的基礎(chǔ)上,企業(yè)用戶可以做到充分發(fā)揮蓄電池能力,保障系統(tǒng)安全供電,提高電池使用壽命,從而降低光伏電站的系統(tǒng)運(yùn)維成本以及采購(gòu)成本。