淺談光伏智能遠程運維云平臺的系統設計

張穎姣

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要：針對傳統光伏電站監控效率低、信息量大、運維成本高、管控難等缺點，提出光伏智能云平臺一體化軟硬件監控系統。該系統基于B/S架構，采用Django框架進行Web開發。現場設備用RS485總線將運行參數傳輸至DSP微處理器進行處理，再由GPRS無線通信方式傳輸至遠程云服務器，并以MySQL作為云端數據庫存儲，然后通過瀏覽器將設備運行參數、狀態和報警信息實時展示給用戶，實現分布式光伏發電設備的遠程智能化管理。實際測試說明，該系統可監控光伏設備實時運行情況，對光伏電站運維具有一定的工程實際意義。

關鍵詞：光伏智能云平臺；遠程監控；參數傳輸；實時展示；系統設計；

0、引言

隨著工業的大規模擴張，人口增加以及人均能源消耗的持續增長，全球幾乎所有國家的能源需求都在上升，而光伏發電作為一種清潔和可持續能源被認為是所有可再生能源中可靠的選擇，也受到了國家的廣泛重視。然而，大多數分布式光伏電站建在環境復雜的偏遠地區，建站數量多，種類也呈現多樣化發展，傳統的有線組網監控及人工值守方式監控效率低、成本高且無法滿足遠程實時監控要求。近年來，隨著云計算，無線通信和物聯網技術的迅猛發展，開發基于B/S架構，無線通信與云服務結合的光伏遠程監控系統已成為新的組網形式，用戶僅需要通過瀏覽器便可在任何時間和地點對監控系統進行操作，實時查看光伏設備的運行情況并及時發現和排除故障，對確保光伏電站的安全穩定運行具有重要意義。

本文設計基于B/S架構的光伏智慧云平臺遠程監控系統，該系統采用Django框架作為Web開發，前端采用Boostrap、EChart和HTML5等將數據進行可視化，后端用Python語言實現數據交互；并以阿里云ECS服務器作為云計算，MySQL作為云端數據庫，設計以TMS320F28335為核心芯片的數據采集系統，現場設備通過RS485總線將數據傳輸至DSP芯片進行處理，并通過GPRS無線通信方式傳輸至遠程服務器，實現光伏設備的實時遠程監控。

1、系統總體架構

1.1網絡架構模式對比

C/S（Client/Server）體系結構是指客戶端和服務器之間的信息交互模式，其客戶端屬于應用程序軟件，服務器通常采用高性能PC機，并采用大型數據庫系統，響應速度快。但C/S架構的缺點是需要在客戶端和服務器端運行特定軟件，開發成本高，維護難度大，兼容性差以及適用面窄。B/S（Browser/Server）體系結構是瀏覽器和服務器間的信息交互模式，是一種隨著Web發展起來的新架構。其服務器即安裝數據庫，瀏覽器充當客戶端，包含少量業務邏輯并主要使用HTTP協議與服務器進行通信，用戶界面完全通過瀏覽器實現，這減少了客戶的開發和維護成本，并為用戶帶來了較大的便利。

鑒于以上性能比較，B/S體系結構將成為遠程控制領域的未來發展趨勢，其安全性和靈活性低的缺點將隨著技術的進步而不斷得到解決。

1.2系統總體結構

如圖1所示為系統總體結構，可將其分為設備層、網絡傳輸層和應用層。

設備層中各逆變器設備通過RS485總線將逆變器數據傳輸至DSP控制器，DSP控制器對數據進行處理并打包，數據通過GPRS以Socket形式上傳到網絡傳輸層。網絡傳輸層以云為核心，采用阿里云ECS服務器開啟Socket監聽對上傳的數據進行解析并存儲到MySQL云數據庫。應用層則采用Django框架設計Web監控界面，用戶可通過Web瀏覽器訪問監控云平臺實時查看光伏設備的運行情況。

1.3云計算與數據庫

云計算采用阿里云服務器ECS（ElasticComputeService）是由阿里云提供的性能好、穩定可靠、彈性擴展的IaaS（InfrastructureasaService）級別云計算服務，可實現計算資源的即開即用和彈性伸縮。可利用SSH遠程連接云服務器，在后臺部署Linux系統并搭建Python環境，通過安裝Nginx和Uwsgi服務部署Django項目，實現Web服務的外網訪問端口。MySQL是流行關系型數據庫管理系統，由于其體積小、速度快、總體擁有成本低和開發源碼等特點，被記錄為Web應用程序中常用的數據存儲。因此，選用MySQL作為云端數據庫并部署到云服務器。MySQL作為云監控平臺的數據中心，對于存儲光伏設備大量的歷史數據，提供邏輯運算和分析，起到了至關重要的作用。

1.4Django框架

Django是目前流行服務器端Web框架，是為快速開發數據驅動站點而創建，擴展性強，功能完善，開發速度快和可維護性高。其屬于MVC（Model?View?Controller）框架風格，但控制器接收用戶輸入的部分框架，由用戶自行處理，所以采用的是MTV架構模式，即Model（模型）、Template（模板）、View（視圖）。模型是數據存取層，負責業務對象和數據庫存取；模板是表現層，負責把數據展示給用戶；視圖是業務邏輯層，負責后端的查詢操作和數據處理。

2、系統硬件設計

數據采集系統的硬件結構主要由主控芯片DSP、電源電路、信號調理電路、各通信接口以及GPRS模塊構成，其功能主要實現監控設備數據包括逆變器電壓、電流等輸入信號的采集、處理與上傳，并通過RS232接口與GPRS模塊相連以Socket套接字形式上傳至云服務器進行解析。系統整體硬件結構如圖2所示。

2.1主控芯片

主控芯片是整個控制系統硬件結構的核心。由于本文系統需要頻繁對輸入信號進行采樣和處理，數據量大，采用傳統的PIC系列、51系列單片機無法滿足處理速度和精度要求。因此本文設計采用DSP，其處理速度快，運算精度高，并具有豐富外設和接口，且F2833x系列比F28xx系列多了一個MAC單元，其處理數學運算性能可提升2.45倍，控制算法性能提升1.57倍，可滿足本文設計數據處理要求。

2.2電源電路

電源模塊為整個系統供電，F28335采用雙電源供電，管腳供電電壓1.9V，內核供電電壓3.3V，因為監控終端外接電源的最小電壓大于3.3V，因此需重新設計供電硬件電路解決外部低電壓供電問題。可采用TPS767D301芯片作為供電電源芯片，這是TI公司推出的針對DSP雙電源供電的雙路低電壓降電源調節器，輸入電壓為5V，工作穩定后，將輸出產生1.9V和3.3V電壓提供給DSP，供電電路硬件設計如圖3所示。

2.3信號調理電路

電流、電壓信號的采樣用的是閉環霍爾傳感器，將檢測到的模擬量送入電流、電壓信號調理電路進行濾波和鉗位，并由ADCIN端口進入DSP內部的A/D轉換模塊，將模擬量轉換成計算機能夠識別的數字量再送入云服務器。電流及電壓信號采集調理電路如圖4、圖5所示。

2.4通信設計

數據的無線傳輸選用廈門才茂CAIMORECM510?72FDTU模塊實現，這是一款為用戶提供低功耗、高速、永遠在線、TCP透明數據傳輸的工業級無線終端設備。其工作原理框圖如圖6所示。采用RS232接口實現DSP與GPRS?DTU通信，并將DTU通過綁定IP地址和端口，以Socket套接字形式將數據包傳輸到服務器。

3、系統軟件設計

系統軟件部分包括數據通信軟件設計和監控云平臺軟件設計。

3.1數據通信軟件設計

數據通信軟件設計實現對光伏逆變器數據的采樣、處理和傳輸。其中，系統初始化主要包括外圍硬件電路初始化、中斷初始化和清除緩存區數據等，采用C語言編程實現。DSP響應處理包括對光伏設備發電參數的采樣和A/D轉換，并由GPRS通過綁定IP地址和端口作為Socket客戶端形式發送數據到云服務器。服務器則采PythonSocket編寫腳本程序運行在服務端，不斷偵聽GPRS發送的TCP/IP連接請求，只要GPRS模塊和PythonSocket服務程序配置的IP地址和端口一致，即可建立連接和通信，并創建Pthread線程接收GPRS的數據，然后將數據存儲至MySQL數據庫，Web監控平臺調用MySQL數據庫數據即可實現遠程監控。數據處理及傳輸流程如圖7所示。

3.2監控云平臺軟件設計

Web監控系統采用Django框架進行搭建，前端采用EChart、Boostrap、HTLM5和CSS3等將數據進行可視化和網頁樣式的設計。后端采用Python語言實現數據交互，并用jQuery自帶封裝的Ajax完成前后端數據請求方式，實現網頁的動態刷新，數據傳輸格式為JSON。云計算采用阿里云ECS服務器，其操作系統為Ubuntu16.0464位，公網IP為39.105.110.139。通過在服務器終端搭建Python環境并用Nginx+Uwsgi部署以編譯好的Django項目和MySQL，開放公網訪問安全組，即可完成云端部署。用戶僅需要通過Web瀏覽器即可在任何時間和地點進行監控界面訪問，實現光伏電站的遠程智能化管理，監控界面部分包括登錄注冊、設備監測、設備報警、歷史數據查詢和報表、后臺管理等功能。

4、部署測試

云服務器運行Socket腳本接收來自光伏設備數據，并對監控系統進行Web發布，用戶通過瀏覽器輸入正確IP地址即可進行監控界面訪問。登錄系統后，可實時監測光伏設備運行情況，圖8是系統運行主界面，包括逆變器發電參數和運行狀態的實時監測，歷史告警展示和發電量的可視化曲線等，所有信息存儲到MySQL數據庫，便于數據分析和歷史數據查詢。實驗結果說明該系統可監控光伏設備實時運行情況，時效性好，效率高。

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

5.2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

5.3系統結構

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

5.4系統功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

5.4.1光伏發電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

5.4.1.2電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

5.4.1.3逆變器狀態

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

5.4.1.4電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

5.4.1.5逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發生時間以及確認狀態。

5.4.3運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

5.5系統硬件配置

5.5.1交流220V并網

交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

審核編輯 黃宇