摘要：隨著光伏電站智能化水平的不斷提升，現(xiàn)有光伏智能監(jiān)控系統(tǒng)可視化方法已無法滿足高實時性、高并發(fā)的數(shù)據(jù)可視化需求。為此，文章探討了實現(xiàn)智能化光伏電站的關鍵技術，并針對大數(shù)據(jù)的光伏數(shù)據(jù)可視化方法進行了分析與研究，提出了一種Kafka，Spark與WebSocket相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法，可滿足高并發(fā)數(shù)據(jù)請求下光伏實時數(shù)據(jù)的可視化需求。利用該數(shù)據(jù)可視化方法，可監(jiān)控光伏元件的運行狀況，有利于光伏電站的智能化管理、提升發(fā)電效率、節(jié)省維護管理所需要的時間與人力成本。

關鍵詞：光伏大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)可視化；數(shù)據(jù)推送；智能化

引言

隨著全球環(huán)境污染的加劇以及資源的不斷銳減，發(fā)展新能源已經(jīng)是一種不可避免的趨勢。光伏發(fā)電因其資源用之不竭、清潔環(huán)保且不受地域限制，加之建設周期短等優(yōu)點，在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要的地位。光伏電站的平穩(wěn)運行，不僅僅需要各個光伏模塊的正常運行，也需要各模塊協(xié)調(diào)作業(yè)。

如何實時監(jiān)控各個光伏模塊的運行狀態(tài)，以便運維人員及時作出維護、優(yōu)化響應，從而保證光伏電站的正常運行，成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)光伏電站基于網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)與人工運維相結(jié)合的設備管理與監(jiān)控方式，對于設備故障的處理存在著一定的延時，且在數(shù)據(jù)并發(fā)量大的情況下無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，影響系統(tǒng)監(jiān)控管理的效率；其智能管理系統(tǒng)受限于既有的計算及處理能力，一般只能對光伏電站部分關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，無法對多個光伏電站所有采樣參數(shù)進行實時監(jiān)控及可視化展現(xiàn)。為此，本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)的光伏智能管理系統(tǒng)，其采用基于大數(shù)據(jù)的光伏智能管理系統(tǒng)架構(gòu)以及實時數(shù)據(jù)處理和存儲方式，可實現(xiàn)光伏電站高并發(fā)量數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)。

光伏數(shù)據(jù)處理

該光伏智能管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中，光伏電站的所有運行數(shù)據(jù)通過配套的4G無線路由器經(jīng)安全可靠的IPsec隧道回傳給大數(shù)據(jù)平臺進行解析，并對光伏實時數(shù)據(jù)進行可視化處理，且支持處理的結(jié)果在臺式機、筆記本電腦上或手機及Pad客戶端展現(xiàn)。

圖1 光伏智能管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

光伏數(shù)據(jù)可視化主要分為實時數(shù)據(jù)可視化與歷史數(shù)據(jù)可視化。本文將從實時數(shù)據(jù)處理以及歷史數(shù)據(jù)存儲2個方面分別闡述可視化數(shù)據(jù)的收集和處理原理與過程。

實時數(shù)據(jù)處理

光伏數(shù)據(jù)可視化結(jié)果的完整性以及實時性很大程度上依賴于大數(shù)據(jù)平臺接收到數(shù)據(jù)后處理數(shù)據(jù)的方式。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式是光伏電站實時數(shù)據(jù)通過Socket通信將數(shù)據(jù)傳回至服務器端，客戶端以AJAX（異步JavaScript和XML）通信方式向服務器請求數(shù)據(jù)并在Web瀏覽器或者手機APP中進行可視化展示。這種方式不能及時處理客戶端多并發(fā)、多連接情況，且容易造成數(shù)據(jù)的丟失，影響可視化數(shù)據(jù)的完整性與準確性；同時由于AJAX通信方式的原理是不斷向服務器輪詢新數(shù)據(jù)，當多客戶端大批量請求數(shù)據(jù)時，會導致服務端的壓力劇增，影響其服務性能。

本文所提出的光伏智能管理系統(tǒng)采取Kafka(高性能跨語言分布式發(fā)布/訂閱消息隊列系統(tǒng))、Spark(開源的類MapReduce的通用并行框架)和WebSocket(下一代客戶端-服務器的異步通信)相結(jié)合的方式（圖2）。為了防止客戶端發(fā)生多并發(fā)、多連接情況，數(shù)據(jù)接入服務器時會將實時數(shù)據(jù)先寫入支持快速持久化、高吞吐、完全分布式的Kafka消息隊列；從Kafka消息隊列獲取到實時數(shù)據(jù)后，為了加快數(shù)據(jù)預處理過程，采用可提供海量數(shù)據(jù)交互式查詢的Spark分布式計算框架；為了避免客戶端不斷輪詢服務器所產(chǎn)生的壓力，采用WebSocket數(shù)據(jù)推送方式，所推送的數(shù)據(jù)將作為Web瀏覽器或手機APP客戶端可視化數(shù)據(jù)源的實時數(shù)據(jù)。

圖2 光伏智能管理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)處理流程

歷史數(shù)據(jù)存儲

對歷史數(shù)據(jù)進行可視化操作的前提是獲取歷史數(shù)據(jù)源?？紤]到后期光伏電站擴容及存儲所有實時數(shù)據(jù)的需求問題，傳統(tǒng)的Mysql數(shù)據(jù)庫（關系型數(shù)據(jù)庫）存儲數(shù)據(jù)的方式已不能滿足應用要求，為此該光伏智能管理系統(tǒng)采取Mysql與Hbase（非機構(gòu)化數(shù)據(jù)庫）相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)存儲，其數(shù)據(jù)存儲流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲流程

如圖3所示，服務器端接收的光伏實時數(shù)據(jù)將全部存儲至Hbase中進行備份和高可靠性安全存儲。針對非海量數(shù)據(jù)查詢，Mysql的速度比Hbase的快，故光伏故障與統(tǒng)計數(shù)據(jù)將在Spark中計算后存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫中；因數(shù)據(jù)查詢速度會隨存儲容量的增加而降低，故本系統(tǒng)只在Mysql中存儲近3個月的故障數(shù)據(jù)，更長時間段的歷史數(shù)據(jù)則需在Hbase中進行查詢操作。

為了便于歷史數(shù)據(jù)的可視化，在Mysql數(shù)據(jù)庫中存儲了所有光伏電站的發(fā)電企業(yè)信息表、設備信息表、故障碼表、電站元件拓撲結(jié)構(gòu)表和用戶信息表等相關靜態(tài)信息表。

良好的數(shù)據(jù)存儲方式將直接影響后期數(shù)據(jù)查詢的速度和效率。對于所有數(shù)據(jù)在Hbase中的存儲備份，該系統(tǒng)采取以光伏電站編號與時間戳相結(jié)合的方式生成每個Cell（數(shù)據(jù)存儲單元）的RowKey（Hbase數(shù)據(jù)檢索依據(jù)）值。

光伏數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)

所設計的光伏智能管理系統(tǒng)支持Web瀏覽器及手機APP客戶端圖表展現(xiàn)，并支持用戶在圖表中進行交互性操作以快速獲取光伏電站各個元器件相互關聯(lián)關系。

實時數(shù)據(jù)可視化

1.光伏電站關鍵信息實時數(shù)據(jù)可視化

系統(tǒng)運維人員可在Web瀏覽器端選擇查看光伏電站關鍵信息請求，服務器端將新的實時數(shù)據(jù)通過WebSocket數(shù)據(jù)通信方式推送至對應前端頁面并進行可視化圖表繪制。其關鍵信息可視化數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 關鍵信息可視化數(shù)據(jù)處理流程

光伏電站關鍵信息可視化效果如圖5所示。通過該系統(tǒng)，運維人員可快速獲取電站的日發(fā)電量、功率因數(shù)和發(fā)電效率等實時關鍵信息。

圖5 關鍵信息可視化效果

2.光伏組件拓撲實時數(shù)據(jù)可視化

光伏電站各組件拓撲實時數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 光伏組件拓撲實時數(shù)據(jù)可視化過程

以某光伏電站的拓撲關系為例，在Web瀏覽器端獲取的光伏組件拓撲實時數(shù)據(jù)可視化效果如圖7所示。運維人員將鼠標移至所關心的拓撲元素上時，該元素的關鍵實時信息會以圖表形式進行可視化展示；通過雙擊拓撲元素,可以獲取該元素的所有實時變量信息值。當某個光伏組件發(fā)生故障時，其在拓撲圖上所對應的元素將變成紅色并閃爍，運維人員可通過雙擊該元素來獲知故障發(fā)生的詳情描述，并可作為故障處理的參考依據(jù)。

圖7 光伏組件拓撲實時數(shù)據(jù)可視化效果

歷史數(shù)據(jù)可視化

1.故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化

光伏電站歷史故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)對于針對性維護光伏元件正常工作有著重大意義，利用這些數(shù)據(jù)，運維人員可以集中各類資源與精力在高頻率故障上。故障統(tǒng)計可視化數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示，前端頁面接收到服務端返回的結(jié)果后，可以將查詢的結(jié)果以餅圖、柱狀圖和折線圖等方式進行多維度展示。

圖8 故障數(shù)據(jù)可視化處理流程

故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化效果如圖9所示，其支持用戶的可交互性操作，用戶可改變圖中的篩選條件來查看感興趣時間區(qū)間的故障數(shù)據(jù)，并通過設置圖表展示類型來從不同維度審查故障統(tǒng)計可視化結(jié)果。

圖9 故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化效

2.運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化

運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)可直觀展示各個光伏電站在不同時間的發(fā)電量，是評估光伏電站平穩(wěn)運行的另一重要指標。運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化過程與故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化過程類似，判斷所請求的數(shù)據(jù)是否為近3個月內(nèi)的數(shù)據(jù)，分別從Mysql與Hbase數(shù)據(jù)庫中查詢獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用需求進行可視化展示。其運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化效果如圖10所示。

圖10 運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)可視化效果

用戶可以根據(jù)核心關注的維度來選擇希望查看的運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)支持按日、周、月、年來對運營數(shù)據(jù)進行可視化展示，并支持用戶依據(jù)不同展示維度來展現(xiàn)運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)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(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)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(fā)電效率和發(fā)電收益。

應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(wǎng)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖所示。

系統(tǒng)功能

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

1.光伏發(fā)電

（1）綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

（2）電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

（3）逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側(cè)電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

（4）電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

（5）逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

（6）配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。

●展示當前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

（7）逆變器曲線分析

●展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

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(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內(nèi)容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。

3.運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)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。

系統(tǒng)硬件配置

1.交流220V并網(wǎng)

交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。

部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

2.交流380V并網(wǎng)

根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015 《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網(wǎng)，以當?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產(chǎn)權(quán)分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合 DL/T 448 的相關規(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網(wǎng)公司關于智能電能表的相關標準。用于結(jié)算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的遠程自動采集。

光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網(wǎng)電量結(jié)算。

部分光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波 THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

3.10kV或35kV并網(wǎng)

根據(jù)《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網(wǎng)裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行安全技術要求的前提下，通過內(nèi)部多點接入配電系統(tǒng)。

此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高。

光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波 THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設置)，經(jīng)過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

結(jié)語

本文所提光伏可視化系統(tǒng)可實現(xiàn)多個光伏電站高并發(fā)數(shù)據(jù)請求條件下實時數(shù)據(jù)監(jiān)控及可視化展示。作為運維人員智能化管理光伏電站的有利工具，其能準確提供設備的實時運行狀況，大大節(jié)省了管理和維護光伏電站所需時間及人力成本。目前，該系統(tǒng)的工作核心在于解決光伏產(chǎn)品關鍵數(shù)據(jù)的接收、存儲及展示，后續(xù)將充分利用已有的歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合大數(shù)據(jù)相關技術對光伏電站各個元件的健康狀況進行預測，以實現(xiàn)光伏電站的智能化管理。