一种最新能源和可再生能源在线监测系统

     作者：李静                          

    我国新能源和可再生能源发电项目建设已进入急速扩张期。目前，分布式能源发电项目广泛存在的问题主要有以下几个方面。

    ①发电设备分散不集中，运行环境复杂，人工巡检效率低，安全问题不能及时发现。

    ②发电项目电压形态、短路电流、电能质量等发电参数受外部环境的影响，异常性波动不能及时报警，影响用电设备的正常使用。

    ③分布式新能源和可再生能源发电项目包含的种类多种多样，规模大小不一，部署地点分散，通信协议各不相同，难以集中统计、管理和调度。

    上述问题的存在严重阻碍了相关产业的可持续发展和清洁资源的利用，各地已经出现“弃风、弃光”现象，亟须建设监测平台和数据中心，实时远程监测发电项目的相关数据，确保发电项目的安全稳定运行。

    相比新能源和可再生能源的迅猛发展，数据监测和信息共享平台建设相对滞后。国外，对区域范围内多个分布式发电项目在线监测分析的研究还处于起步阶段，所开发的系统或平台多偏重数据采集，忽视数据分析。国内，发电项目在线监测和管理系统多是针对单个的发电站进行监测，监测对象单一，同时对多个分布式发电项目的运行状态和发电能力进行综合评估的实时监测管理平台和指标体系还未见报道。

    为填补上述空白，本文设计出一种结构清晰、分布式部署、功能可裁剪、应用可扩展、故障可自愈的需求侧通用新能源和可再生能源在线监测系统，制订各类发电项目的采集和传输标准，实现分布式新能源和可再生能源发电项目的数字化、精细化的集中管理和远程监测。

    1  系统架构设计

    1.1系统总体架构

    新能源和可再生能源在线监测系统的总体架构如图1所示。本系统由实时在线监测和Web信息发布组成。实时在线监测负责光伏、生物质、风力等分布式新能源和可再生能源发电项目的电能数据、环境数据、设备工况等实时数据的采集、汇总、监测和分析；Web信息发布主要是指面向政府、各相关企业单位和社会公众的Web展示，支持PC设备和移动终端设备的随时随地浏览查询，支持微信、APP等新兴媒介的推送服务；数据存储分析服务保存实时在线在监测部分采集的数据，并通过物理隔离装置在Web信息发布部分建立数据镜像，为信息的浏览和查询提供数据支撑。

    1.2系统软件逻辑架构设计

    新能源和可再生能源在线监测系统软件设计遵循IEC61970,IEC61968 ,IEC61850的电网数据信息模型标准，逻辑架构如图2所示。软件划分为平台层、数据层、应用层和展示层。其中，平台层为系统的核心，为整个系统功能的实现提供底层服务，采用层次化、模块化结构设计，各模块之间相互独立并提供标准的服务访问或编程接口，为实现各种实时信息的全面集成提供支撑，为系统各应用功能以及第三方软件一体化集成的接入提供通用的接口。数据层支持各种主流通信协议，负责发电项目上传数据的解析，包括设备和档案相关数据、环境和发电相关数据等，实现实时数据的集中采集、存储和管理，是整个系统的数据来源。应用层负责进一步解析分析数据，针对不同用户完成监测数据的个性化分析以及统计报表的个性化设计，为展示层提供数据支撑服务。展示层包括监测平台的实时运行监测展示和信息发布系统的系统门户展示，实时运行监测展示负责发电项目设备运行状态以及发电情况的实时动态化展示并接受用户的管理命令输入，系统门户展示响应用户随时随地的浏览、查询和信息推送需求。

    1.3物理架构设计

    本系统的物理架构如图3所示。由数据中心、通信信道以及现场数据采集组成，是一整套复杂的系统，包括计算机软硬件系统和其它与之配套的设备，还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监测设备以及各种安全装置。

    数据中心是整个系统的“大脑”，主要由数据、采集、应用、Web等服务器、交换机以及隔离装置组成，负责数据的解析、存储、显示查询及处理分析。通信信道按照统一的规约将各类终端采集的数据通过有线或者无线的方式传送至数据中心。现场数据采集根据发电项目的类型可分为风力发电数据采集、光伏发电数据监测、生物质发电数据采集等类型，主要负责电能、环境、工况等生数据的测量、采集和处理。

    部署在发电项目上的现地数据终端将根据电能表、环境监测仪等本地监测装置的不同，使用相应的数据通信协议，收集本地监测装置的数据，根据通信信道的传输规约对数据进行处理，并通过通信信道周期性的向外发送数据。通信信道采用基于TC P/IP协议的专属通信协议，以有线或者无线的方式将数据传送至数据中心。数据中心将数据解析、存储后为系统的业务和数据应用提供数据支持。

    1.4系统设计关键技术

    1.4.1双网平衡分流技术

    本系统采用动态平衡分流的网络数据穿梭模型，支持双网模式，数据信息在双网上平衡传输，一方面保证了数据传输的快速性，另一方面，平衡的双网结构，使得任何一个网段发生故障时都不影响系统的运行，保证了数据传输的可靠性。数据可以选择网络节点进行传输，任意节点单网故障时，两种网络流量合并，通过正常的网卡传输。

    1.4.2图模库一体化技术

    本系统的图形动态展示采用基于可视化、全矢量的图模库一体化技术。基于CIM模型的图模库一体化系统，按照面向发电系统对象的原理设计，全矢量的图形制导工具，图形和数据库录入一体化，并自动建立图形上的设备和数据库中数据的对应关系。图模库一体化系统可以根据接线图上的连接关系自动建立整个电网的网络拓扑关系，大大简化了工程化工作和维护工作，而且保证了维护工作的正确性，避免人为错误，保证图形、模型、数据库的一致性，减少建模和建库时间。

    1.4.3“软同步”技术

    本系统的多个数据服务器之间采用“软同步”技术，确保多组数据库一致性。数据库“软同步”技术改变了使用传统的群集技术的做法，采用软备份技术，通过运行在服务器上的复制程序来保证系统主备数据服务器上的数据库数据一致，这样做既降低了整个系统的硬件成本，又保证了数据的安全性和一致性。

    1.4.4系统运行日志与自检自愈机制

    本系统采用自监视、自诊断和自愈合技术，在系统自身硬件及软件的敏感区域和关键节点放置监视探针，实时生成运行日志，对于硬盘、CPU、内存等系统资源的监视及告警可以防患于未然，对于系统故障可以智能进行主备切换，对于核心软件进程设计异常自重启功能，切实提高自动化系统的运行可靠性。

    2系统功能设计

    2.1系统功能定位

    本系统利用现代通信技术，对光伏、风能和生物质能等新能源和可再生能源发电项目的基本情况、发电量、电能质量以及资源利用状况等参数实施在线监测和分析，并通过网络传输到数据中心服务器系统进行数据储存、分析和展示，实现发电项目的可视化监管以及实时数据的动态化展示。

    2.2系统功能设计

    本系统由在线监测系统和信息发布系统组成功能架构如图4所示。

    2.2.1在线监测系统

    ①数据采集管理

    数据采集功能支持各种主流通信协议，能够接入、实时采集或者召测、解析、辖区内所有新能源和可再生能源项目上传的气象、发电量、电能质量等相关数据，对于设备参数、档案信息等非实时数据，具备数据填报、导入和导出功能；对档案信息、用户信息及档案层级关系进行维护管理．

    ②运行监测管理

    运行管理包括运行维护管理和运行监测管理。运行维护管理对在线监测系统进行信息挖掘与智能告警，提供更加形象和直观的图形，将数据用灵活、实物化、动态的方式，使系统运行管理人员更方便直观地了解当前系统的运行状态，进而采取更有效、更有针对性的运行管理策略。运行监测管理可以实现电站运行监测管理、电能曲线监测、异常用电监测、电能质量监测、设备工况运行监测、操作监测等功能。综合用电分析能实现的功能包括发电负荷分析、负荷率分析、电能量分析、三相平衡度分析、极值分析、供电可靠性分析和异常用电分析等。

    ③报表管理

    系统能够对原始数据、用户负荷曲线、用户管理及报警信息按照用户、日期、终端等条件进行整理和统计，并以报表的形式展示和输出，生成报表兼容Excel格式，方便用户读取。

    ④高级应用分析

    高级用电分析是指针对用户的不同需求对相关数据进行深度的挖掘和个性化的分析，由项目对比分析、综合评估两部分组成。项目分析对比实现了从设备运行状态、逆变器运行效率、光伏电站发电效率、组件发电效率、风机运行状态、变流器运行效率、风电电站发电效率等方面对发电项目之间的横向对比和分析。综合评估实现了发电项目的运行效益、资源利用能力、总体效益和电能的评估。综合用电分析提供接入项目的负荷分析、负荷率分析、电能量分析、三相平衡度分析、极值分析、供电可靠性分析及异常用电分析等功能。

    此外，本系统积极探索未来智能电网的发展趋势，对发电负荷预测、辅助合同能源管理和节能减排效果分析等功能做了初步探索与应用。

    2.2.2信息发布系统

    信息发布系统采用B/S架构负责系统的Web展示，支持PC端网页和移动设备应用的访问，并提供微信、APP等新兴媒介的推送服务，方便用户对非实时数据进行随时随地的浏览和查询。系统针对不同用户的需求对用户进行分类，包括社会公众、业主单位、项目建设单位、管理部门及政府等，以此为依据从不同的维度和视角对数据进行解析和展示。具体功能包括面向社会公众的系统门户、面向业主单位的用电查询与分析、面向建设单位的运行管理、面向管理部门的能源项目总览以及面向政府的运行监测与考核。

    3  系统部署及应用

    新能源和可再生能源在线监测系统已在北京市范围内展开部署和应用，为北京市内的光伏、风能、生物质能发电项目建立了统一的集中监测平台。

    北京市的待接人项目为1 500个，根据本系统所使用的通信规约，每个项目的采集指标参数为200个（其中气象环境指标参数有10个，逆变器指标参数150个，汇流箱指标参数10个，直流配电柜指标参数10个），每15 min上报一次，并预留30%的冗余，且能够保证10 a以上的数据存储。以此为主要依据，对本系统资源的消耗和部署进行设计。

    目前系统已经成功上线，其可靠性、规约健壮性得到了验证。

    4结论

    本文设计的新能源和可再生能源在线监测系统以互联网信息技术为基础，为用户提供监测、分析、评估、并网、信息发布等技术服务，是集数据采集与处理、运行监测、实时分析、信息展示等功能模块于一体的用户侧监测系统。

    本系统辖区内利用新能源和可再生能源搭建的所有发电项目集中实时采集，并作为一个整体向外界展示。

    本系统研发的同时，也对新能源和可再生能源发电项目的采集指标进行了整理和规范，对传输的通信规约进行了设计，实现了不同类型、不同规模的发电项目采集和传输数据的标准化，为各类项目的集中接入和管理提供了基础．

目前，该系统已经在北京市辖区内部署和应用，初步接入发电项目数量超过100个，并取得了理想效果，预计到2017年将接人1500个发电项目。今后将逐步探索其他类型清洁能源的接人，并对数据尝试更深层次的挖掘和分析，进一步推动新能源和可再生能源在能源领域的普及和应用。

    5摘要：

    为了解决当前分布式新能源和可再生能源发电项日由于种类、规约以及规模差异导致难以集中监测和管理的问题，设计出一种分布式部署、功能可裁剪、应用可扩展、故障可自愈的需求侧新能源和可再生能源在线监测系统：系统按照国际通用的电网信息数据模型标准设计，在国内首次为不同类型的新能源和可再生能源发电项目制定统一的数据采集和传输标准，能够实现辖区内所有太阳能、风力、生物质能等新能源和可再生能源发电项日的数据统一采集和实时监测。该系统已经在北京市范围内开展应用，预计到2017年，北京市接入的新能源和可再生能源项目将达到1 500个。目前已经接入项目数量超过100个，并收到了良好的效果，系统的稳定性和可靠性也得到了验证。