分布式扶贫光伏智能运维系统设计及工程应用

分布式光伏的建设、开发符合中国能源发展战略， 是光伏利用的一种重要形式。中国分布式光伏发展迅猛，截至 2017 年底，国内分布式光伏装机已经达到29． 66  GW，在能源供给结构中占据重要地位。光伏扶贫工程是国家精准扶贫工作的重要组成，建设完成后， 寻求高发电收益、降低运维成本是精准扶贫的关键。分布式扶贫光伏是光伏扶贫的主要建设形式，项目后期运维十分必要。

与集中式光伏电站运维相比，集中式光伏电站采 用站内监控系统和人工定期检修的方式，可依赖监控 系统和人工巡检，由于分布式光伏扶贫电站地理位置 分散、数量众多、容量小，极少配置本地监控系统，其运维仍处于事后维护阶段，依靠运维机构定期巡检，并且分布式扶贫光伏接入存在贫困地区配电网薄弱、电站接入无序、运维成本敏感等问题，传统的集中式光伏电站运维方式不适用于分布式光伏扶贫电站。随着信息 技术的发展，基于“互联网  + ”的分布式光伏电站智能运维成为研究的热点。以前的相关研究较少考虑分布式光伏 扶贫电站工程配置、运行环境等与普通电站的差异性， 也没有涉及到实际分布式扶贫光伏工程应用，处于模 型有待验证的阶段。此外，针对分布式扶贫光伏设备种类多样、运行信息繁杂、规约不统一等问题，现有文献较少涉及到就地设备层信息统一接入、统一上送的研究，因此需要研制分布式扶贫光伏运行状态监测终端，实现分布式扶贫光伏运行并网信息采集及就地设备层信息全景接入。本文从系统架构、功能设计、通信方式、运行状态监测终端研制等方面出发，结合河南林州市分布式光伏扶贫工程，以提高发电收益和降低运维成本为目标，详细介绍了分布式扶贫光伏智能运维服务系统设计方案，为国内其他分布式扶贫光伏工程的后期运维提供参考。

中国深度贫困地区大多自然条件恶劣、山区居多交通不便，但普遍具备开展光伏扶贫建设的条件，比如可充分利用土地、日照充裕等，分布式扶贫光伏建设可以因地制宜，差异化建设，扶贫对象可以直接到村到户，收益时间长达 20 年以上，实现从“输血式”扶贫到“造血式”扶贫的转变。此外，分布式扶贫光伏建设可以结合农业、渔业、林业等，开展农光互补、渔光互补、林光互补等多种“光伏 + ”应用，增加贫困户综合收益。

分布式扶贫光伏智能运维服务系统功能包括分布式扶贫电站运行信息在线监测、光伏设备故障诊断、扶贫光伏运维服务管理功能。在线监测实现了电站运行数据实时监视，同时为光伏设备故障诊断提供数据支撑。光伏设备故障诊断功能根据收集到的分布式光伏运行信息进行智能分析，通过专家系统对光伏设备进行故障预警及诊断。扶贫光伏运维服务管理功能实现运维实施过程的管控，开展生产运行管理、运维服务评价等。

1. 运行信息在线监测

分布式扶贫光伏运行信息在线监测是分布式扶贫 光伏智能运维服务系统的基础功能。对分布式扶贫光  伏运行信息进行数据采集与处理、分级实时信息展示、多时间尺度关键运行指标及产出指标分类统计与对 标、电站地理位置显示、电站电气接线显示等。数据采  集与处理包括就地设备层发电量、电流、电压、功率、频  率等模拟信号及启停状态、开关位置、故障告警信号等  遥信。分级实时信息展示包括不同地域扶贫光伏发电  量、发电效率等显示。多时间尺度关键运行指标及产  出指标分类统计与对标包括不同时间范围内扶贫光伏  发电功率、发电效率、发电量等指标查询及排名，对发  电效率低于设定值的电站，给出告警，并推送至运维人员手机 APP，安排检修计划，与运维服务管理功能关联。电站地理位置地图显示基于电站经纬度信息，实现多扶贫光伏电站地理分布可视化。电站电气位置显示基于电站接入电网的线路信息、变压器信息、变电站信息，实现多扶贫光伏电站电气接线可视化。

2.光伏设备故障诊断

光伏设备故障诊断是分布式扶贫光伏智能运维服务系统的高级应用功能。扶贫光伏设备主要包括光伏组件、直流汇流箱、逆变器、变压器、反孤岛装置等。分布式扶贫光伏智能运维服务系统采用专家系统对光伏组件、汇流箱、逆变器、变压器、反孤岛装置等进行故障诊断，根据光伏设备健康状态模型，及时分析故障征兆，确定设备故障发生的原因和位置，并推送至运维人员手机 APP，安排检修计划，与运维服务管理功能关联。可以根据扶贫光伏设备信息实际接入情况，支持诊断对象的工程化选配。

3. 扶贫光伏运维服务管理

扶贫光伏运维服务管理包括公共管理、生产管理、系统维护管理、运维服务评价管理等。公共管理包括 运维机构信息管理、运维人员信息管理、电站文档资料  管理等。生产管理包括备品备件管理、运行及维护管 理、运维计划管理和工作日志管理等。系统维护管理 包括用户权限管理、数据库备份等。运维服务评价管 理考虑故障处理时长、电量跟踪、效率分析等指标，建  立运维服务评价体系，形成运维流程的闭环。扶贫光 伏运维服务管理功能结构如图 1 所示。

图 1 扶贫光伏智能运维服务管理功能架构

1.通信需求分析

为满足分布式扶贫光伏智能运维服务系统的功能需求，需要建立数据稳定、可靠传输的通信网络。分布式扶贫光伏点多面广且多位于山区，传统的集中式光

伏电站通信方式如光纤通信等与分布式扶贫光伏通信实际需求不符。分布式扶贫光伏智能运维服务系统需要一种支持多点远距离数据传送、传输速率高、投资较低的通信方式。GPＲS 无线通信技术具有稳定性、实时性、开放性的特点，其扩展能力和经济性比传统通信方式更具优势，能够满足分布式扶贫光伏智能运维服务系统的通信需求。

2.网络架构

分布式扶贫光伏智能运维服务系统采用两层设备一层网络结构。两层设备为就地层设备和主站层设备。系统主站部署固定 IP 地址，网络采用无线公网方式，通信规约可采用 IEC104、Modbus 等，就地层 GPＲS 模块设定连接 IP 地址与固定 IP 地址一致，考虑无线通信数据传输的安全性，就地设备层需加设安全隔离装置。分布式扶贫光伏智能运维服务系统整体架构如图2 所示。

图 2 分布式扶贫光伏智能运维服务系统架构

针对分布式扶贫光伏就地层设备多种类、多规约、多信息等问题，同时考虑对扶贫光伏并网运行信息及  并网点断路器位置等信息采集的需求，研制分布式扶  贫光伏运行状态监测终端。运行状态监测终端安装于  并网点，采集并网运行信息及并网断路器状态信息，配  置 GPＲS 无线通信模块，支持 IEC104、Modbus 协议与运维主站通信。直流汇流箱、逆变器、变压器、防孤岛  装置等光伏设备运行信息均可接入运行状态监测终端，实现信息接入、规约转换及信息转发。部署结构如图 3 所示。

图 3 分布式扶贫光伏运行状态监测终端部署结构

分布式扶贫光伏智能运维服务系统工程方案需要满足智能运维服务系统功能规划、通信、监测终端的需求。现以河南林州市分布式扶贫光伏工程为例进行阐述。

1. 工程规模及建设条件

目前已建设完成并网 472 个村级分布式光伏电站，总规模 45107.43  kW，涉及 18  个乡镇(  街道)  ，其中，79个村级扶贫光伏电站，总规模19083.63  kW，393个光伏电站，总规模 26023.8  kW。电站地理位置分散且位于山区，电网网架薄弱，“一村一变”情况普遍，电站接入电网形式多样，户用分散接入、公变低压母线接入、专变 10 kV 接入等，运维需求迫切。

2.分布式扶贫光伏智能运维服务系统设计

分布式扶贫光伏智能运维服务系统由各个电站就地层设备、主站层设备和网络组成。

就地层设备: 包括直流汇流箱、逆变器、安全并网装置( 具备反孤岛功能) 、运行状态监测终端等，运行状态监测终端为站内信息的汇集点。

主站层设备:   主站层设备包括通信服务器、数据服务器、业务服务器、WEB    服务器等。通信服务器完成数据接入、解析功能，数据服务器完成数据储存等功能，业务服务器完成监测、故障诊断、运维服务管理等功能，WEB 服务器完成人机交互及 WEB 发布等功能。

网络: 主站配置固定 IP 地址，通信规约采用 Modb-

us，智能运维服务系统为每个运行状态监测终端分配唯一地址，由运行状态监测终端主动向主站发起连接， 数据传输过程为轮询方式。

3.电站接入

目前已经接入电站 60 余个，规模 4 000  kW。线下运维由第三方运维机构开展，分布式扶贫光伏智能运维服务系统向地方政府、供电公司、第三方运维单位、电站负责单位开放不同权限，用户可用电脑浏览器、手机 APP 等访问服务系统，查看具备访问权限的运维相关数据信息。运维服务系统部分界面如图 4 所示。

图 4 分布式扶贫光伏智能运维服务系统部分界面

4. 应用效果评价

为量化分布式扶贫光伏智能运维服务系统运维效果，开展应用效果评价，对扶贫区域范围内电站电量进行跟踪，测算运维发电效益。将该市接入智能运维服务系统光伏电站与剩余规模未接入光伏电站进行发电量同期对比分析。经统计，系统运行 6个月, 4MW 接入电站总发电量为 2.5 × 106 kW·h，约 41  MW 未接入电站总发电量为 2.2 × 107 kW·h，按照等比例计算，即可认为 4  MW  同规模未接入电站总发电量为 2． 15  × 106 kW·h。因此，测算得到运维后 4  MW 接入电站减少发电量损失约 3.5  × 105 kW·h。根据当地扶贫电价，可直接增加收益约  34   万元。定义发电效益提高值为:

式中 Q1为未运维电站同期发电量; Q2为运维电站同期发电量。根据该市统计数据，计算发电效益提高约 16． 3% 。同时，减少了运维人员工作量和运维交通运输费用，降低了运维成本。

提出了分布式扶贫光伏智能运维服务系统解决方案，以河南林州市分布式光伏扶贫工程为例，详细介绍了系统功能规划、通信方式、运行状态监测终端等设计。

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