摘要：針對國內光伏發電監控系統的研究現狀，文中提出了基于云平臺的光伏發電監控體系。構建基于B/S架構的數據實時采集與推送，以SSH(struts+spring+hibernate)作為Web開發框架，開發基于云平臺的光伏發電遠程監控系統。在平臺部署過程中，通過合理設計S數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用。終通過設計人機交互界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現出來。實際系統的測試應用說明文中設計的監控系統能夠實現多個光伏電站系統的綜合管理，提高光伏電站遠程監控的質量和效率。

   關鍵詞：光伏發電；分布式光伏遠程監控；物聯網；光伏發電運維；云平臺

0、引言

   隨著分布式光伏電站的大量接入，光伏電站的管理越來越困難。針對大規模光伏電站并網接入的監控問題，國內外學者與企業開展了大量的研究，也取得了相應的成果和開發相關的產品。近年來，云計算技術逐漸興起，其應用模式和傳統幾種模式不同，具有共享池化的資源、自助服務按需付費等特點，通過管理中間件系統進行資源的整合，提高效率。本文基于B/S架構的數據實時采集與推送，以SSH為Web框架，開發了基于云平臺的光伏發電遠程監控系統。為解決光伏站點分布不均、發電站監控數據量大等實際問題，通過云計算技術在云端實現對多種類、多站點的電流、電壓等數據進行實時監控與分析，確保系統運行的穩定性和安全性。通過合理設計S數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用，提高計算的有效性和實時性。利用友好的人機界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現，提高系統可用性和操作方便性。

1、光伏發電系統

   光伏發電系統是一種利用光伏電池元件將太陽能轉化為電能的裝置。太陽能電池板是光伏發電系統中的核心部分，它能將太陽能轉換為電能，同時利用串聯和并聯的形式提高光伏發電系統的并網電壓和并網容量以達到并網的條件。由于光伏發電系統的波動性和間歇性，為保證光伏發電系統的穩定輸出，光伏電站都配置一定容量的儲能裝置，以提高光伏電站輸出的平穩性。因此，在實際光伏電站系統中需配置控制器對蓄電池的充放電情況進行控制以保證儲能保障蓄電池的正常使用。光伏發電系統結構如圖1所示。

   光伏發電系統的主要由光伏陣列、蓄電池、控制器和逆變器組成。

1.1電池陣列

   光伏發電系統的核心組成部分是光伏電池，當系統需要較大的輸出功率時，通常采用對光伏電池進行并聯和串聯形成光伏陣列。目前業界常用的電池主體由硅電池組成，根據硅晶體的不同排列可分為三種不同型號。

1.2逆變器

   由于光伏電池輸出的是直流電，而目前我國以交流電網為主，因此，光伏電站需要將直流電轉化為交流電以實現并網。逆變器是實現光伏電站并網的重要裝置，逆變器效率直接影響光伏電站以及儲能蓄電池的效率，因此，逆變器的運行狀態需要實時監控。

1.3蓄電池組

   光伏電站需要配備一定容量的儲能系統，以提高光伏系統輸出的穩定性。儲能一般采用蓄電池組，其能夠將光伏陣列產生的多余電能進行存儲，同時也可以向所接負載供應電能。蓄電池是光伏系統并網控制的重要環節，對光伏發電系統整體輸出起到削峰填谷的作用，因此，監控系統須對儲能蓄電池組進行實時監控。

1.4充放電控制器

   利用儲能放電控制器可以保護蓄電池組，避免由于過度充放電導致的電池壽命縮短。另外，合理的充放電控制可以大大提高光伏系統輸出的穩定性。在光伏監控系統中，充放電控制器的運行參數需要實時采集并監控。

1.5交流配電柜

   光伏電站并網需要通過交流配電柜來完成并網，交流配電柜不僅可以實現對備用逆變器的轉化功能，確保系統能夠正常運行，還可以對線路傳輸的電能進行監控。在光伏監控系統中，交流配電柜的實時數據需要及時采集并傳輸。

2、云計算平臺架構

   云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯網的計算模式，提供基于網絡的分布式存儲、計算和展示，網絡訪問具有可行、便捷、按需的特點。當系統接收訪問，進入計算資源共享池，即可迅速響應，為用戶提供服務器、網絡、存儲、服務、應用軟件等資源，在用戶和服務供應商間僅需做少量交互從而大大減少管理的工作量。這也是云計算的主要的優點所在。云計算系統的后臺擁有特殊的網絡拓撲結構，該拓撲結構對數目龐大的服務器進行合理組織，保證云計算穩定運行。本系統采用微軟WindowsAzurePlatform云計算平臺，提供基于微軟數據中心隨用隨付費的靈活服務模式。該云計算平臺有一下特點：微軟云中的應用開發不需企業自身進行部署和維護，也無需關注底層的結構。在微軟云中，可以使用Windows和Linux兩種虛擬機，同時也支持開源工具(PHP、Node．js等)。因此，用戶只需按自己的實際需求，靈活地部署虛擬機和調用存儲空間，大大減少程序的調試時間，加快程序的開發速度。面對客戶日益增長的需求，本系統還可以根據業務的變化向外擴展，提供更多的資源。云計算的使用大大降低了硬件的購買和維護費用，并且可以與本地的IT設施協同使用，使得用戶能夠整合式地體驗從本地到云端的管理、虛擬化、存儲和開發的過程，云平臺架構如圖2所示。

3、監控系統設計

3.1光伏發電監控系統總體結構

   為了使系統具有全局性以及能夠實現遠程操作功能，將對發電站中的所有在線監控測量設備，統一采集、分析和管理。根據數據類型與應用特性對電站運行中獲取得到的監測數據進行分門別類地存儲，各層面的工作人員各司其職，只關注與自己相對應的存儲信息。另外，各個層級的數據能夠從上到下進行追溯查詢。

   本文設計一種采用WindowsAzure和Web相結合的新型光伏發電監控系統。主要特點有：①應用層采用友好的用戶界面，讓不同客戶都可以快捷方面的操作本系統；②采用B/S體系結構，充分利用B/S的優點，減少用戶的工作量，可以隨時進行操作；③利用SSH集成開發框架，從表示層、業務邏輯層、數據持久層和與模塊層將系統各層分離，便于開發人員開發和后期維護；④利用云計算的存儲和較強的計算能力，將系統部署到WindowsAzure中，減少設備的花費和維護的費用；⑤使用前端ECharts插件將數據進行圖形化處理，對某一時間段同類數據或不同類數據進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。

   系統分為四層：應用層、服務層、設備驅動層、數據層，不同層處理不同數據，各層彼此結合形成面向用戶的系統功能。用戶與系統的交互主要在應用層進行，用戶的需求在應用層都會直觀的形式展示，用戶操作指令和信息會錄入到應用層，再將這些信息交由服務層處理。整個業務的信息數據處理、運算和控制是在服務層進行。與設備間的通訊由驅動層完成，并獲取設備的數據并進行轉換格式的操作，保證系統能夠正常識別?？蛻舳爽F場設備的信息通信是雙向的，即將信息以設備能夠辨識的格式發送給設備，保證系統能夠正常向下層設備傳遞信息，如圖3所示。

3.2光伏發電監控系統模塊

   本監控系統對采集到的各類電站數據進行分析，系統模塊主要包括數據采集模塊、數據通信模塊、數據庫和監控終端四個模塊。

3.2.1數據采集模塊

   數據采集模塊采集光伏電站實時運行數據，光伏電站運行過程中涉及各類數據，包括：光伏陣列、逆變器、環境監測儀、計量器等。另外，除了設備本身直接獲取的基礎數據外，還有部分數據需要通過基本數據衍生計算。數據采集模塊結構如圖4所示。

3.2.2數據通信模塊

   在現場監控中，采集數據信息需要安全、穩定的上傳至上位機以及服務器，因此，通信不僅需要完成數據傳送的基本功能，還需要保證所傳送數據的準確性、實時性和安全性。本系統采用RS－485串行通信標準和Modbus通信協議，該協議規定了主機與從機之間通信的規則，獨立于物理層，配合RS－485總線標準，實現數據安全穩定可靠的傳輸。

3.2.3數據庫模塊

   數據庫負責前端界面對數據的調用和后臺數據的存儲，光伏發電監控系統需要監測的數據結構多樣，數據庫的設計和數據模型結構關系到數據的安全性、完整性和可維護性。本系統采用S關系型數據庫，實現對系統結構數據和非結構數據的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統計等功能。云端S數據庫與S數據庫使用SExpress工具實現同步管理。同時，在系統中利用Hibernate框架將數據層和業務邏輯層分離，減少程度代碼的復雜度。

3.2.4監控終端

   現場監控主要由數據采集模塊、上位機、數據傳輸通道、數據庫構成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數據通過傳感器送到數據集中模塊，經信號調理電路濾波處理后將數據進行歸類分析，現場通過RS－485接口實現數據的傳輸和存儲。現場監控顯示各種元器件數據、發電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現對模塊的控制，比如：模塊參數、分合閘信息等?，F場監控結構如圖5所示。

   現場數據監控終端可以向工作人員提供電站的實時數據信息和歷史數據信息，展示電站的運行狀態，終端監控功能如圖6所示。

   本地數據通過上位機接收存儲到數據庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環境，將本地數據庫轉移至云存儲中，實現云端數據庫和前臺界面的數據交互，用戶可以在瀏覽器上方便地查詢各地站點的信息。遠程B/S服務體系結構圖7所示。

4、系統實現

4.1登錄模塊

   登錄模塊是系統的門戶，本系統界面設置有新用戶登錄、注冊、賬號身份等功能。為了實現前端頁面和后端的數據交互，需要下載和配置Struts2文件。登錄模塊接收用戶登陸信號，利用判斷機制，確認登錄的安全性，同時使用攔截器對賬號進行攔截，主界面包含電站運行概況信息及其他功能選項。

4.2管理員模塊

   管理員利用權限設置不僅可以對自身信息進行修改，對用戶資料進行管理、修改，還可發送系統通告。當公司或電站有重大事情或通知時，逐一通知是不可行的，管理人員可以上傳公告、修改公告和刪除公告，而普通用戶可以瀏覽和下載公告。工作人員是該系統的主要對象，主要負責光伏電站平臺的運行和維護，需要及時監察電站的基本設備狀態信息、告警系統、實時數據、故障信息數據、檢測數據和警報信息。

4.3監控功能模塊

   本系統的數據監控功能主要分為兩大類：實時數據監控和歷史數據監控。實時數據監控主要展現出電站實時運行數據信息，用戶可以按照自身需求對電站相關信息進行訪問。實時數據由采集設備得到并寫入到數據庫中，當用戶發送實時數據請求時再對相關數據進行調用。歷史數據監控是指系統可以調用歷史云端數據，進行歷史數據分析。設備信息表查詢主要顯示子系統并網電站設備的信息，顯示站內直流柜、逆變器、高壓柜等設備信息運行信息，其界面如圖8所示。

   另外，系統具有強大的數據圖形化功能，從數據庫中提取出功率數據，由相關的圖形設備接口和Java插件對數據進行處理。比如：將功率信息處理后生成功率曲線圖，觀察和分析并網發電所輸出的功率隨時間變化的趨勢。該功能不僅可查詢當天的數據，也可以查詢歷史數據，用戶可根據日歷表來選擇想要查詢的時間和站點，如圖9所示。

   圖10為2016年8月的月發電功率柱狀圖，以天為單位統計月功率輸出情況。通過月功率曲線進行光伏發電系統日、月、年的功率對比分析，以提高系統的分析和顯示能力?？傉拘畔R集了所有接入子系統的數據并提供進入分站信息的接口，其顯示如圖11所示。

   報警查詢主要以表格的形式顯示報警時間、位置、是否解決、故障等信息，可以分別按報警信息和報警狀態查詢。針對設備的電流過大或發電功率驟然下降等情況，給出報警提示。

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）。