基于OpenStack的光伏蓄电池管理云的设计与实现

赵晓宾,邱美艳,张 垚

(1.西门子歌美飒可再生能源科技(中国)有限公司,天津 300384;2.天津中德应用技术大学,天津 300350)

0 引言

太阳能作为一种新型、绿色的可再生能源,取之不竭、用之不尽,越来越受到人们的关注,发电过程中,绿色环保,也没有地域的限制[1]。随着可持续发展观念不断深入人心,全球太阳能开发利用都有着良好的发展前景,许多国家将太阳能作为重要的新兴产业。光伏蓄电池的维护和保养是光伏电站中运维工作的一个重要环节,调查数据显示,含有蓄电池的供电系统中,70%的故障原因是由蓄电池的相关故障引发的。因此,构建光伏蓄电池运行状态的监控系统,是光伏发电系统可靠运行的有力支撑[2]。面向实际应用工程,研究对蓄电池充放电的有效监控,对光伏产业的发展具有深远意义[3]。

1 光伏蓄电池云平台设计的必要性

长期以来,由于技术限制,光伏蓄电池的在线性能检测,只能停留在对电池组黑盒管理的水平上。因成本原因,人们对蓄电池的检测,无论在对象范围、数据采集量,还是汇总和共享分析等方面,都无法做到全面掌握,只能通过技术手段来建模分析。这一方面,国外(以美国、德国、日本为代表)具有一定的技术优势,并能够将部分成果应用于运维的优化环节,产生了局部的经济效益。而国内则根据行业的不同要求,以各个使用单位为主体,也有类似的研究和应用,但由于格局和构架的限制也只是有针对性的运用。因此,目前光伏电站监控系统中,用户对于蓄电池部分的数据获取和优化管理还相当薄弱。

目前,蓄电池“电池云”的概念和构架已经日趋成熟,一些具有该方面技术实力的公司,已经部分展开实验,力争早日取得验证结果。通过“电池云”的物联构架和智能平台,企业用户可以建立面向企业的电池运维服务。最终期望将不同用户的蓄电池物联为统一的“电池云”,大数据监测的计算结果,用户之间可以共享。OpenStack是一种开源云计算平台,可以为私有云和公有云提高可扩展的弹性云计算服务,具有操作简单、可拓展性强、标准统一等优点[4],已经被IT行业广泛运用于云计算平台开发过程。相对于其他平台,OpenStack具有基础条件要求不高、部署简单以及方便管理等优势,主要由计算、网络、验证、镜像、块存储、界面等核心服务构成[5-6]。因此构建基于OpenStack的光伏蓄电池管理“电池云”智能平台,对蓄电池进行全面的综合评价,对于光伏企业非常有意义。

本文通过OpenStack,搭建了监测光伏蓄电池运行状况的云平台,实现了蓄电池状态实时监测和故障报警,将以往的按组评价管理的蓄电池,提升到更为精准的按电池单元来评价管理,形成“电池云”。系统可建立蓄电池的全生命周期的评价环境,进一步实现光伏电站中蓄电池的供电保障化、管理科学化、安全可视化、测试网络化、维护在线化、寿命延长化和节约全面化。

2 光伏蓄电池云平台的设计与实现

2.1 云平台系统架构设计

本文基于OpenStack平台构建的光伏蓄电池智能管理系统,包含应用层、网络层、感知层和电池层,如图1所示。感知层通过光伏电站(基站)的传感器与通信设施采集电池层中蓄电池组件的参数(如电流、电压、温度等)信息,将数据传输到网络层;网络层中通过网络设备对蓄电池电压、电流、温度等参数进行采集和存储,经服务器传输到云端,最终在应用层中显示光伏蓄电池的参数以及状态信息。

图1 蓄电池云平台管理系统

本文针对光伏电站蓄电池运维设计的物联网电池层数据的采集硬件,采用高性能的多元通用接口,对光伏电站中使用的各种种类的蓄电池以及新型电池等均具有广泛的通用性。

2.2 光伏蓄电池状态在线监测

通过智能管理云平台,系统可以实现实时获取物联网中任意一个电池组及电池单元的电压、电流、环境温度等参数,可以通过数据列表及实时动画显示来查看,如图2所示。系统可实现云平台数据的备份与保存,将在线采集蓄电池数据入库,并进行状态划分。

图2 蓄电池在线状态监测

2.3 光伏蓄电池故障报警

系统通过云平台数据的分析,从界面上可以显示蓄电池出现的故障报警情况,如图3所示,当蓄电池发生充放电以及其他方面的运行故障时,故障点会在界面上清晰地显示出来。同时系统可以将各光伏蓄电池组的报警情况,在GIS地图上及时反映出来,如图4所示。报警信息反映直观且及时,便于运维人员和管理人员掌握情况,方便用户及时进行消缺或保养。同时,系统还可以根据客户需求,进一步扩展为自动派单消缺系统。

图3 蓄电池的报警日志

图4 实时GIS报警

2.4 建立蓄电池历史趋势分析

系统可以采集蓄电池状态数据并进行历史趋势数据的分析,如图5所示,通过历史趋势分析,用户可以精确地找到潜藏的隐性故障(如接入线阻过大、漏电等),从而提前消除隐患。当监测系统运行足够长时间,并采集到足够多的数据后,系统还可以依据云平台强大的计算功能,进一步将运维的方案智能优化,包括依据性能设定可变更参数来提高电池寿命,或将旧电池优化重组来提高性能和服役期。

图5 蓄电池的历史趋势分析

3 经济收益估算

3.1 提高使用寿命

光伏蓄电池的理论寿命一般为10～15年,实际使用中的目标为8～10年,目前由于环境温度、使用维护等原因,热带地区蓄电池的平均寿命仅为2～3年。若采用本智能管理系统后,蓄电池的使用寿命将会提高到5～6年,如果增加在线养护模块,预期使用寿命可达7～9年。

3.2 降低运维成本

光伏蓄电池云平台系统不但可节省整组替换或精确排查的费用,而且还可通过电池块性能的监测来预防此类现象发生,保障服务品质,节约运维成本。以某光伏电站为例,现有蓄电池总数约6 000组(室内站3 600组,室外站2 400组),参考相关行业实际情况,依据报废电池实测数据的统计,在出质保期到报废年限的周期内,由于少量电池单元的劣化使整组电池性能低下,报废率约为2.9%。原来采取整组电池更换的方法成本较高,在使用电池块精准运维后,经计算用户节约电池采购成本约490万元。

3.3 减少电池备件

目前光伏蓄电池组的管理模式中,电池备件库按组来统计采购,蓄电池云平台可量化管理电池云中每一个电池块的健康度及使用寿命,用户可以依据云计算平台的大数据统计,精准地确定每年需要补充的电池备件数目。蓄电池备件数会随着电池管理精度的提高而减少,降低了采购费、人员管理费以及场地租用等相关费用。

4 结语

光伏电站中蓄电池的运行和维护是光伏电站运维的主要环节,本文介绍了基于OpenStack的光伏蓄电池云管理平台的搭建与应用。依据云平台的主要功能,系统对蓄电池的电流、电压以及温度等参数进行了实时监测和显示,形成故障的实时报警以及蓄电池的历史趋势数据分析,将以往的按组评价管理的蓄电池,提升到更为精准的按电池单元来评价管理。随着数据的不断积累,蓄电池的评测将越来越精准,未来会形成更加先进的故障预测系统(包括寿命、健康度、放电能力等参数),蓄电池运行的可靠度将进一步提高。在准确评估蓄电池长期性能的基础上,企业用户可以做到充分发挥蓄电池能力,保障系统安全供电,提高电池使用寿命,从而降低光伏电站的系统运维成本以及采购成本。