基于NB-IOT技術的智慧光伏監控管理系統研究

凌平樓 瑜鋒 李昌煌 中國鐵路上海局集團有限公司浙江鐵道發展集團有限公司

隨著我國新能源技術的快速發展，作為新能源最為重要的一份子，光伏發電早已不再局限于低電壓、小規模，分布式光伏發電技術的突破則進一步允許光伏陣列排列在任何地方。特別是形成規模的光伏發電組，不僅可以自給自足，還可以將余電并入電網，成為分布式電站。而一些新建的高鐵車站因為有著廣闊的屋面，成為分布式光伏電站的優選之一。因此，打造綠色高鐵車站屋面光伏電站，將其作為分布式光伏發電的重要部分受到了廣泛的關注。同時，高鐵車站建設有龐大的電力參數監控系統，將大大降低額外建設光伏電站電力監控的成本。兼容分布式光伏發電站不僅能夠實現電力的自給自足，節能減排，實現碳排放雙減，還能夠將余電并入電網。但是在實際光伏發電并網的過程中，發電信息及環境參數復雜，需要通過實時的監測來控制并網電壓的狀態，以保證電網運行的穩定。然而，傳統的有線檢測系統受限較大，而新興的5G建設成本又太高，都不利于高鐵車站屋面光伏電站各種環境及電力參數的采集。

NB-IoT作為一種500 MHz至1 GHz頻段的窄帶通信技術，不僅能夠實現大連接、深覆蓋和低功耗等優點，還可以基于原有的網絡進行部署以降低通信基礎設施部署成本。由于NB-IOT是基于蜂窩網絡的窄帶技術，因此可以實現百倍于4G的連接規模。此外，基于蜂窩技術的NB-IOT技術還可以利用2G/3G/4G甚至是5G網絡向前/后兼容/演進，具有很強的互操作性。因此，NB-IoT技術利用大連接、深覆蓋、低功耗等優勢可以對分布式光伏電站的各類參數實現采集、存儲和處理，為建立智慧光伏監控管理系統提供支持。

本文基于NB-IOT技術設計了一種應用在高鐵車站屋面的智慧光伏監控管理系統，利用NB_IOT無線采集、數據庫存儲及前端顯示技術提供了高度可視化的實時監控及智能運維管理方案，能夠實現對屋面光伏陣列和發電并網點的精準監控與感知預警，采集的數據還可用來預測可能的危害，保證電網和光伏陣列運行的穩定。

1 系統方案設計

1.1 系統總體結構設計

總體結構框圖設計如圖1所示，系統主要由分布式光伏硅片陣列、基于NB-IOT模組的電力采集系統、云平臺數據處理中心和車站監控大屏四個部分組成?？傮w的設計方案也聚焦于這四個部分，分別為光伏陣列環境參數采集，并網點電能質量數據采集、NB-IOT模組進行雙向無線通信以及云平臺軟件進行數據處理和存儲顯示。

圖1 系統總體結構框圖

光伏陣列環境參數采集：通過氣象數據采集系統對光伏陣列周圍環境參數進行實時監測，包括光伏陣列水平光照度、有效光照度、溫度和濕度等。然后將采集到的環境參數通過無線透傳方式傳輸給匯流系統。同時，匯流系統實時監測光伏陣列的電流和電壓輸出值。

并網點電流和電壓狀態監測：通過智能電表、干擾監測裝置、頻率檢測裝置等采集數據并在線監測電場諧波電壓、諧波電流、閃變、電壓波動等電能質量參數。

無線NB-IOT通信：將并網點的實時檢測數據和匯流系統采集到的光伏陣列的相關參數通過NB-IOT模組傳輸到云平臺中，為新能源接入后電網運行管理提供可靠數據支撐。同時，分布式光伏并網點設置有智能投切、保護裝置等，根據控制中心站發出的各項決策指令執行相應投切保護動作。

云平臺數據處理：在采集到相關輸出后，在云平臺進行數據處理，根據并網點所測量得到的電能質量參數計算并預測并入電網后的電能質量，自動調整電網點有功功率變化率，無功功率功率因數及并網點的電壓，并能計算得到當前分布式光伏電站的最大發電能力。云平臺服務器方面，本文以某高鐵站屋面光伏智慧管理規范為模型進行系統開發。平臺主要通過采集的多種環境參數和光伏陣列的原始功率對光伏陣列發電功率進行預測和對光伏陣列進行故障診斷，從而實現對光伏陣列的智能運維和調控。

1.2 基于NB-IOT技術的光伏發電監控系統

基于NB-IOT技術的光伏發電信息監控系統以最終的直觀展現的功能需求為目的，采取模塊化編程方式，構造明確、簡單明了。展示界面采用了IOT大屏大數據Web界面，前端使用Vue框架，后端使用MyBatis，系統界面展示通過云端物聯網平臺接收到的實時監測各信息傳感設備上傳的分布式光伏發電數據。

用戶可以根據需求查詢規定時效內的所有分布式光伏傳感設備和環境監測傳感設備采集到的實時監測數據，并根據定制化需求實現自動預警。同時，可以使用管理當前的設備功能，包括正在運行的傳感器管理、控制器管理和監控管理等。此外豐富的Web系統還為用戶提供了數據數圖計算，從而實現智能化的運維管理功能。

（1）物聯網云平臺將采集到的數據發送到數據處理中心進行分析和存儲，最后通過前端技術將各個分布式光伏組件的實時狀態信息以高度可視化的方式顯示在大屏上，主要功能包括實時監控發電信息、電站基礎信息采集、事件管理、設備運行記錄、運行圖表分析、日常統計報表、等功能模塊，并與能源管理系統進行行數據交互，提供節能分析。

（2）在終端對大屏顯示的參數進行調整時，可以立即反饋到光伏組件，實現精準實時的遠程控制。

（3）依據收集的某高鐵站屋面資料，構建智慧光伏管理系統大屏模型，制作作業區域范圍內光伏板組串、逆變器、升壓站、配電房等空間及設備等要素層，用于三維可視化大屏的系統操作的基層服務。

（4）基于web 3D技術和javascript的vue框架技術，開發屋面智慧光伏管理系統平臺，實現光伏監視可視化大屏、發電數據統計、碳排數據分析、人員管理、視頻監視、告警處理、自然氣象等業務管理功能。

（5）基于高鐵站屋面資料及光伏系統標準規約做發電數據傳輸對接，可實現實時錄存所有的發電設備數據功能。

（6）實現屋面光伏系統智能運維管理。對運維人員、設備信息進行智能化管理，實現故障報修、設備巡檢、狀態管理、數據智能分析及統計報表。

1.3 系統功能

1.3.1 數據采集與處理

數據采集范圍包括模擬量、開關量、電能量和來自智能裝置的記錄數據等。模擬量包括環境參數（如日照強度、風速、風向、氣溫等）、交直流電氣參數（如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率等）；開關量包括直流開關、交流斷路器、隔離開關、接地開關的位置信號，設備投切狀態，低壓交直流保護裝置和安全裝置和安全自動裝置動作及報警信號等，電能量包括各種方式采集到的交直流有功電量和交流無功電量數據，通過數據處理實現累加等計算功能。在數據處理的基礎上定期存儲需保存的歷史數據和運行報表數據，實時存儲最近發生的事件數據。

1.3.2 預警與事件記錄

光伏發電監控系統能對遙測越限、遙信變位、動作故障信號、操作事件等被監控設備信號，以及監控系統本身的軟硬件、通信接口和網絡故障信號等事件進行有效的報警；同時還能夠實現對事件的分類、分層處理，便于按要素查詢和檢索。

1.3.3 運維與安防監控

運行監控工作站是發電站監控系統與運行人員聯系的主要界面，現場設備就地控制是應急情況下的備用界面，運維人員通過監控工作站發出控制操作命令；回看歷史數據、修改系統參數及制作報表、確認預警等。

運行監控功能包括，全站實時生產統計數據、環境參數、電氣主接線圖與參數、設備通訊聯絡與工況、設備參數、并網點參數、電能質量監測、歷史發電趨勢分析、發電預測圖等。

運行監控可控制操作對象包括:直流開關、交流側斷路器、隔離開關、電動操作接地開關、站用變壓器分接頭位置、容抗器投退、保護裝置軟連接片投退、逆變器參數設定、充放電控制裝置參數設定等。

光伏電站應配置視頻監控和安防系統，在光伏陣列場地周邊根據場地大小應配置帶云臺控制攝像頭，在設備室應配置個固定攝像頭，在主控室和設備室呈現煙感等安防設備實時狀態；在主控室配置視頻監控工作站。

1.3.4 數據分析與預測

光伏發電監控系統能夠實時監測輸入電網或向交流負載提供的交流電能的質量，當電壓偏差、頻率、諧波和功率因數等出現偏離標準的越限情況時，系統能自動預警。

（1）能量管理與預測

通過表格和趨勢曲線，光伏發電監控系統能夠按日、月和年來對比分析歷史與當前發電情況。監控系統能根據系統日照強度、發電效率、負荷趨勢,實時預測特定時段的發電功率總和。

（2）在線統計與制表

光伏發電監控系統可以對運行的各種常規參數進行統計計算,還能夠對發電站主要設備的運行狀況進行統計計算，包括斷路器正常操作及事故跳閘次數、容抗器投退次數等。

（3）系統維護

光伏發電監控系統能對數據庫進行在線維護，增加、刪除和修改各數據項，并能離線對數據庫進行獨立維護，重新生成數據庫并具備合理的初始化值。

2 系統測試與實現

本文是在某高鐵車站已有的BAS系統基礎上集成設計了一個基于NB-IOT技術的分布式光伏監控管理系統，其中云端物聯網服務平臺采用B/S架構，提供氣象站溫濕度、光照強度等信息監控，分布式光伏陣列的相關參數以及并網點的電能質量檢測。為了滿足這樣的客戶需求，適應鐵路內部應用，本文在進行軟件開發時所采用的技術棧如表1所示。

表1 軟件技術棧列表

所采集到的環境參數信息和電網狀態可以實時顯示在監控頁面上，讓客戶可以快速準確地應對光伏發電并入電網所帶來的電能質量變化。

系統工作界面如圖2所示，監控系統提供基于建筑信息模型BIM的選擇畫面功能，并對光伏陣列現場環境采集到的數據進行實時可視化顯示，如室外溫度值、濕度百分比、光照度及陣列表面溫度值等。而進入不同的功能界面將會細化各項可視化數據，主要有匯流界面，環境界面，逆變器界面和事件界面。

圖2 系統工作主界面圖

（1）匯流監測系統畫面

如圖3（a）所示，匯流監測子系統可分區域實時監測各光伏陣列的充電電壓及電流、蓄電池電壓及溫度等信息，并對故障點進行異常顯示與報警提示。

圖3 各模塊可視化界面圖

（2）環境監測系統畫面

如圖3（b）所示，環境檢測子系統可以對光伏發電現場環境進行實時監測，如實時視頻環境、輻照、風向、電池板溫度、大氣壓力、溫度、風速和碳排放CO2等。同時對實時監測的參數進行量化并顯示。

（3）逆變器監測畫面

如圖3（c）所示，逆變器檢測子系統可繪制顯示逆變器電壓一時間曲線、功率一時間曲線等，直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線，并采集與顯示日發電量等電參量。

（4）事件記錄監測畫面

如圖3（d）所示，事件記錄子系統可針對光伏發電現場的各種事件進行記錄，如:通訊采集異常、開關變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警進行更改設置。

（5）曲線、棒圖分析

另外，監控系統還提供對光伏發電的發電量統計功能，可形成月棒圖及年度棒圖顯示，并折算成二氧化碳、二氧化硫減排量值；并可查看太陽輻射強度趨勢曲線、風速變化趨勢曲線顯示。

3 結束語

綜上所述，分布式光伏發電不僅可以滿足本地的需求，還能余電上網，這給高鐵車站實現綠色可持續發展提供了可能。而智慧化、高度可視化的監控系統則保障了智慧光伏和并網點的穩定運行，本文基于NB-IOT技術實現的智慧光伏監控管理系統提供了精準智能的可視化環境和完備的預警運維方案，大大提高了高鐵車站與屋面光伏陣列的運行效率，在實際應用中取得了成效。