基于數據云平臺的分布式光伏大數據平臺開發與應用

肖鳳軍,白 帆

(國網白城供電公司,吉林 白城 134300)

0 引言

近年來,隨著光伏發電爆發式增長,我國持續推進能源供給側結構性改革,推動能源發展方式由粗放式向提質增效轉變,新能源發電已不再一味地追求大容量、高電壓,而是向分布式、高效率方向發展,故而分布式光伏占比與日俱增。相較于集中式光伏,分布式光伏有著以下幾個優點:系統相互獨立可以自行控制;可以對區域電力進行實時監控;參與運行系統少,啟停靈活;操作簡單,調峰性能好。

傳統的光伏電站運行維護(以下簡稱運維)系統多以統計分析為主,且采用“煙筒式”的多地多級部署模式,不僅浪費軟硬件資源,而且不易擴展、效率極低,無法滿足用戶迫切的降本增效的需求[1]。而近些年,隨著云計算、大數據、物聯網和移動互聯網等新興技術的飛速發展,以及其在醫療、社交等領域的成熟應用所帶來的便捷高效,將云計算和大數據核心技術及理念應用于光伏電站運維,建設一個集約管理、彈性存儲、靈活高效、少人或無人值班的光伏電站運維云平臺已經成為行業發展的客觀趨勢和必然選擇[2]。

通過運用大數據技術,開創大數據驅動的運維模式,實現智能運維?；谠O備實時運行數據和生產過程數據進行分析,實現故障告警、對標分析、發電量預測等功能,根據電站運行的實時狀態自動組織日常生產,各級管理人員和現場檢修人員依據內置的管理要求和生產規范進行高效運維。與此同時,也能夠更好地順應今后光伏行業發展的基本需求,并且為其提供和第三方系統對接的數據接口[3]。通過云端共享,開展新能源“云+端”協同預測,多措并舉全力保障新能源消納,實現低壓分布式電源數據可觀、可測,提升分布式光伏網格化預測水平。

1 基于數據云平臺的分布式光伏大數據平臺設計

1.1 數據來源

逆變器作為光伏發電的關鍵元件在每座分布式光伏電站中均有部署,它有著將直流電逆變為交流電的主要功能。除此之外,新一代逆變器還能對分布式光伏的電壓、電流進行實時采集,并能控制整條逆變回路的通與斷,整個云平臺的海量數據來源就是分布式光伏的逆變器[4]。

1.2 云平臺部署模式

云平臺主要有4種部署模式,分別是私有云、社區云、公有云和混合云。本體系主要采用公有云方式部署,通過互聯網提供共享服務,但考慮到電力數據涉及國家機密,且光伏端設備需要通過云平臺遠程控制,整個平臺不可以完全開放。需要通過IP限制和生物識別(如指紋、面部識別等)限制用戶接入,保證數據的安全性和保密性[5]。

1.3 云平臺的搭建

基于互聯網云服務的概念,搭建光伏電站運維管理云平臺,通過租用供應商無線通道的方式,實現逆變器與云平臺之間雙向通信,數據可以上傳至云平臺,同時云平臺也可對下端設備實現遠程控制。

1.4 大數據、云平臺與分布式光伏的有機結合

大數據的目的是充分挖掘海量數據中的信息,以發現數據中的價值。云平臺為大數據提供了歸納和分析的載體,使雜亂無章的數據變得井然有序。云平臺為大數據提供了存儲、處理的條件,而大數據也為云平臺提供了數據支撐,二者相輔相成?；跀祿破脚_的分布式光伏大數據體系,有效實現分布式光伏的集中運維和管控,優化了工作結構。

2 基于數據云平臺的分布式光伏大數據體系的實施

2.1 具體架構

基于數據云平臺的分布式光伏大數據體系是基于自動化控制技術、計算機信息技術和網絡通信技術,在地區調度(以下簡稱地調)自動化主站搭建的云平臺服務器,具體業務架構分為總部層和光伏層(見圖1)?？偛繉釉诘卣{主站側,即云平臺所在業務層,可接受各分布式光伏上傳的實時數據,并與調度電能管理系統(energy management system,EMS)聯通,實現對分布式光伏數據的遠程采集、監視、管理與控制。光伏層在分布式光伏側,通過逆變器實現對光伏實時運行數據進行采集,通過運營商專線上傳至云平臺,并能接受和執行云平臺下行的控制指令。

圖1 基于數據云平臺的分布式光伏大數據體系流程

2.2 硬件配置

分布式光伏側設備主要是可進行無線通信的逆變器,通信模塊上需要裝有加密卡。云平臺側所需服務器類硬件主要由數據采集服務器、應用服務器、數據庫服務器和磁盤陣列組成。網絡設備主要由安全防護網關、縱向加密認證裝置、橫向隔離裝置、交換機和路由器組成。網絡結構滿足國家電力監管委員會2005年發布的第5號《電力二次系統安全防護規定》,光伏側和云平臺側通過租用供應商專線方式完成數據的交互,并且通信數據應通過國產不對稱算法進行加密與認證,防止數據泄露。光伏側和云平臺的數據通信使用IEC104規約,保證通信的標準化和可靠性。

2.3 技術實現策略

逆變器將采集的實時數據利用加密卡加密,然后將加密過的數據包通過無線專網發送至安全防護網關,安全防護網關進行IP轉換后,將數據包轉發至路由器上,路由器分發數據包至縱向加密認證裝置,經縱向加密認證裝置解密后,將明文數據發送至采集服務器,采集服務器對數據進行預處理,應用服務器再對數據進行解析,解析后的數據將以圖形界面方式呈現在云平臺上。云平臺與外網接口之間部署1臺正向隔離裝置,目的是讓用戶只能從云平臺中讀取數據,而無法下達控制指令,以防止外部的惡意控制和黑客入侵。同時在云平臺與地調EMS之間部署正、反向隔離各1臺,地調調度員不僅可以實時瀏覽分布式光伏運行數據,還可對分布式光伏下達控制指令,實現可觀、可測、可控、可調的功能。

3 基于數據云平臺的分布式光伏大數據的功能實現

分布式光伏由于點多、面廣,在運維和管理上難度很大,實現集中式光伏的智能功能更是難上加難。云平臺的搭建能夠有效解決分布式光伏諸多運維和管理問題,主要有以下幾個方面。

1) 協助遠程運維。由于分布式光伏點多、面廣,在傳統的運維模式下,運維人員需要驅車前往巡視,浪費人力物力,效率低下。有了云平臺后,運維人員可在云端直接查看光伏實時運行情況,有助于判斷光伏設備有無異常,提升分布式光伏的運維水平。

2) 實現智能告警。分布式光伏無法發出許多報警信號,導致運維人員無法直觀掌握分布式光伏運行狀態。云平臺可對采集到的分布式光伏遙測數據進行智能分析,如數據異常自動發出告警(如電壓越限、系統接地等信號),幫助運維人員判斷光伏運行是否出現異常,解決了分布式光伏告警信號有限的問題。

3) 自動發電控制。光伏發電受光照影響有著不確定、不穩定等特點,集中式光伏站內有自動發電控制裝置對其進行調控,但傳統分布式光伏不具備這個功能,無法智能地根據就地用電量控制出力。在接入云平臺后,云平臺通過對大電網數據的智能分析,對光伏逆變器進行遠程控制,合理安排每個光伏逆變器運行數量,從而達到控制分布式光伏出力的目的,讓分布式光伏發電變得智能化、經濟化。

4) 形成統計報表。云平臺統計報表功能主要包含生產統計和運營統計。生產統計主要面向生產技術人員,可以調閱自選時段內光伏電壓、電流等運行數據曲線,查閱歷史信號,幫助分析光伏設備運行情況。運營統計供運營管理人員使用,對光伏的整體運行情況進行統計,如光照時間、發電效率、發電收入和棄光率等數據,輔助運營人員進行經營決策分析,從而實現盈利的長期目標。

5) 功能可擴展。云平臺是個開放式平臺,其功能也是可開發、可擴展的。例如擴展光功率預測功能,可以將天氣預報信息接入,根據每日光照情況,預測下個時間節點的發電功率。

4 存在問題分析

現階段大數據的應用還局限于電力系統內部,下一步應挖掘光伏大數據的社會價值,使其更好地服務社會民生,從實際需求出發,解決部分偏遠地區用電難、用電不穩定等諸多困難。受分布式光伏現場采集設備功能限制,許多重要運行數據目前仍無法采集,如總輻照度、法向直射輔照度等諸多專業光伏數據,若是增加現場設備,則違背分布式光伏小型化,設備集成度高的設計初衷。接下來,制定性價比較高、功能集成度高的逆變器設計方案,將更多數據采集上傳,完善現場數據。

目前,初步搭建的云平臺,在實時交互方面還有待完善,數據類型較少、無線網絡不夠穩定和設備運行環境較差是云平臺正在面臨的主要問題。因此,改善云平臺處理框架、提高平臺處理速度、穩定運行通道仍是后續工作的重點,只有云平臺穩定性、即時性得到保證,分布式光伏的運行才得以保證。

5 結論

針對當下分布式光伏電站運維管理過程中存在的問題,分析了在競價上網、電價下調的形勢下,分布式光伏的新管理模式及運維模式,通過大數據、云平臺與光伏運維相融合的方法論,構建了基于數據云平臺的分布式光伏大數據體系的具體架構、硬件配置和工作流程。始終貫穿降低運維成本、提高生產效率、智能化運維的原則,秉承兼容、易用、健壯、安全的信息化系統建設理念。

但由于使用的云平臺和大數據技術近些年發展迅猛,行業深度不斷加深,本文只是基于基本理論將二者有機結合,構成當下體系,許多功能還不盡完善,等待后續使用者、運維方的加入,使整個體系的功能可以得到深度挖掘,發揮更大的價值。